Από όλες τις υποθέσεις στις οποίες βασίζονται τόσο η κβαντική μηχανική όσο και η θεωρία που περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο τα σωματίδια αλληλεπιδρούν στο πιο βασικό επίπεδο, ίσως η πιο βασική είναι ότι τα σωματίδια είναι είτε μποζόνια είτε φερμιόνια. Τα μποζόνια, όπως είναι τα φωτόνια, έχουν ορισμένες ιδιότητες, τα φερμιόνια, συμπεριλαμβανομένων και των ηλεκτρονίων, παίζουν ένα άλλο ρόλο με ξεχωριστές ιδιότητες.
Πριν από επτά χρόνια φυσικοί του Μπέρκλευ έθεσαν ένα θεμελιώδες και ενδεχομένως ενοχλητικό ερώτημα: Μήπως τα μποζόνια μερικές φορές ‘παίζουν’ με τους κανόνες των φερμιονίων; Συγκεκριμένα, τα φωτόνια ενεργούν σαν μποζόνια όλη την ώρα, ή μήπως θα μπορούσαν μερικές φορές να ενεργούν σαν φερμιόνια;
Βασισμένοι στα αποτελέσματα των πειραμάτων τους, που έκαναν με σκοπό να εξετάσουν αυτή την δυνατότητα, δημοσίευσαν στο περιοδικό Physical Review Letters την απάντηση τους, που είναι ένα δυνατό «όχι».
Οι θεωρίες της φυσικής – συμπεριλαμβανομένης και της πιο ολοκληρωμένης θεωρίας των στοιχειωδών σωματιδίων, της Κβαντικής Θεωρίας Πεδίου, που εξηγεί τη φύση της ηλεκτρομαγνητικής, ασθενούς και της ισχυρής πυρηνικής δύναμης (αλλά όχι και της βαρύτητας) – στηρίζονται σε θεμελιώδεις παραδοχές, δήλωσε ο Dmitry Budker, καθηγητής της φυσικής στο Μπέρκλευ. Αυτές οι παραδοχές βασίζονται στον τρόπο που λειτουργεί πραγματικά ο κόσμος, και παράγουν συχνά εκπληκτικά ακριβείς προβλέψεις. Όμως μερικοί φυσικοί θα ήθελαν να τις δουν να δοκιμάζονται ακόμα περισσότερο.
«Οι έλεγχοι αυτών των υποθέσεων, είναι πολύ σημαντικοί», λέει ο Budker. «Το πείραμα μας ξεχωρίζει από τις περισσότερες άλλες πειραματικές έρευνες για μια νέα φυσική, στο ότι οι άλλες μπορούν συνήθως να ενσωματωθούν στο υπάρχον πλαίσιο του καθιερωμένου μοντέλου των σωματιδίων και των δυνάμεων. Αυτό που κάνει το δικό μας είναι ότι βασίζεται στις βασικές παραδοχές επί των οποίων στηρίζεται το καθιερωμένο μοντέλο."
Μεταξύ των υποθέσεων αυτών είναι ο διαχωρισμός μποζονίου/φερμιονίου, που ξεκινά από το Θεώρημα της Στατιστικής του Σπιν, της κβαντικής θεωρίας πεδίου. Τα μποζόνια, που διέπονται από την Στατιστική Bose-Einstein είναι σωματίδια με ένα εγγενές ακέραιο σπιν 0, 1, 2 κλπ, και περιλαμβάνουν τα φωτόνια, τα μποζόνια W και Z καθώς και τα γκλουόνια. Τα φερμιόνια, που διέπονται από την στατιστική Fermi-Dirac, είναι όλα τα σωματίδια με ημιακέραιο σπιν 1/2, 3/2, 5/2, κ.λπ. – και περιλαμβάνει το ηλεκτρόνιο, τα νετρίνα, το μιόνιο και όλα τα κουάρκ, τα θεμελιώδη σωματίδια από τα οποία αποτελούνται τα πρωτόνια και νετρόνια.
Τα μποζόνια μπορούν να σχηματίζουν ένα ‘σωρό’ το ένα δίπλα από το άλλο χωρίς κανένα περιορισμό, ακόμα κι αν όλα καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, αυτό προκαλεί περίεργα φαινόμενα, όπως η υπεραγωγιμότητα, η υπερευστότητα και το συμπύκνωμα Bose-Einstein. Επιτρέπει, επίσης, σε φωτόνια της ίδιας συχνότητας να σχηματίσουν συνεκτικές ακτίνες λέιζερ. Τα φερμιόνια, από την άλλη πλευρά, αποφεύγουν το ένα το άλλο. Τα ηλεκτρόνια γύρω από έναν πυρήνα στοιβάζονται σε φλοιούς, αντί να καταρρέουν σε ένα συμπυκνωμένο νέφος, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται άτομα με μια μεγάλη γκάμα χημικών ιδιοτήτων.
«Έχουμε ένα τόσο σημαντικό συμμετρικό νόμο στη Φυσική, ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους του θεωρητικού μας οπλοστασίου, και πολλά εξαρτώνται από αυτόν», ανέφερε ο Budker.«Αλλά δεν έχουμε μια απλή εξήγηση. Έχουμε μια σύνθετη μαθηματική απόδειξη. Κι αυτό πράγματι ενόχλησε πολλούς φυσικούς, ακόμα και του νομπελίστα Richard Feynman.
«Είναι κρίμα που δεν υπάρχει απλή εξήγηση», λέει ο Budker, επειδή αυτή συνδέει τις βασικές παραδοχές της σύγχρονης φυσικής. «Μεταξύ αυτών των υποθέσεων είναι το αναλλοίωτο Lorentz, ο πυρήνας της ειδικής σχετικότητας, και το αναλλοίωτο στο πλαίσιο του μετασχηματισμού CPT (φορτίου-ομοτιμίας ή parity-χρόνου), την ιδέα ότι η φύση φαίνεται ίδια, όταν ο χρόνος έχει αντιστραφεί, ο χώρος αντικατοπτρίζεται σε έναν καθρέφτη, και τα σωματίδια αλλάζουν στα αντισωματίδια τους. Τα αποτελέσματα του αναλλοίωτου Lorentz απορρέουν από την εμπλοκή του χώρου και του χρόνου, έτσι ώστε το μήκος και ο χρόνος να μεταβάλλονται σε συστήματα αναφοράς που κινούνται με σταθερή ταχύτητα, έτσι ώστε να διατηρήσουν σταθερή την ταχύτητα του φωτός.
«Μία άλλη από τις υποθέσεις του θεωρήματος της στατιστικής του spin είναι η μικρο-αιτιότητα», πιστεύει ο Damon English του Μπέρκλευ κι αυτός. «Μια παραβίαση δεν είναι ακριβώς το ίδιο είδος του παράδοξου που ταξιδεύεις πίσω στον χρόνο για να σκοτώσεις τον προ-πάππο σου, αλλά είναι περισσότερο προς την κατεύθυνση να δεις μια λάμψη του φωτός πριν αυτή εκπεμφθεί».
Στο πείραμά τους, ο Dmitry Budker, ο Damon English και ο συνάδελφός τους Valeriy Yashchuk, του Εργαστηρίου Φυσικής στο Μπέρκλευ, ήταν σε θέση να μειώσουν το υφιστάμενο όριο που τα φωτόνια δρουν σαν φερμιόνια κατά ένα συντελεστή μεγαλύτερο από χίλια.
«Αν μόνο ένα ζευγάρι φωτονίων από τα 10 δισεκατομμύρια συμπεριφέρονταν σαν φερμιόνια, θα το είχαμε δει,» λέει ο English. «Τα φωτόνια λοιπόν παραμένουν μποζόνια, τουλάχιστον για την υφιστάμενη πειραματική ευαισθησία μας».
Το 1999, οι Dmitry Budker, και David DeMille, καθηγητής της Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Yale, ολοκλήρωσαν ένα παρόμοιο προκαταρκτικό πείραμα, για να διαπιστώσουν ότι τα φωτόνια δρουν ως μποζόνια, κι όχι σαν φερμιόνια. Το νέο πείραμα βελτιώνει την ακρίβεια αυτού του πειράματος κατά ένα συντελεστή περίπου 3.000.
Στο πείραμα βομβάρδισαν άτομα βαρίου με φωτόνια με δύο πανομοιότυπες ακτίνες λέιζερ και έψαξαν αποδείξεις για το αν το βάριο είχε απορροφήσει δύο φωτόνια της ίδιας ενέργειας με τη μία, ‘κλωτσώντας’ έτσι ένα ηλεκτρόνιο σε μια υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Η ειδική μετάβαση δύο φωτονίων, στην οποία επικεντρώθηκαν οι επιστήμονες, ήταν απαγορευμένη μόνο από τη στατιστική των φωτονίων κατά Bose-Einstein.
Δύο αντίθετες δέσμες λέιζερ κτυπούν άτομα βαρίου. Εάν τα φωτόνια πότε πότε ενεργούσαν σαν φερμιόνια, τότε ένα άτομο βαρίου θα απορροφούσε δύο φωτόνια και στη συνέχεια θα εξέπεμπε μια λάμψη του φωτός. Τελικά κανένα τέτοιο σημαντικό γεγονός δεν παρατηρήθηκε
Τελικά το πείραμα διαπίστωσε ότι πράγματι δεν έγινε η απορρόφηση των φωτονίων, άρα δεν υπήρχαν τέτοια «φερμιονικά» φωτόνια, κι έτσι ισχύει η διακριτότητα των μποζονίων και φερμιονίων, αλλά βεβαίως όλα αυτά βρίσκονται κάτω από την στατιστική κατά Bose-Einstein και της Κβαντικής Θεωρίας Πεδίου.
«Ο χωρόχρονος, η αιτιότητα, και το αναλλοίωτο κατά Λόρεντζ είναι προς το παρόν ασφαλή, » εξηγεί ο Damon English.
Πηγή: Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας Berkeley
Leave a Comment