Ένας καλός τρόπος για να αφηγηθούμε την σύνδεση της κοσμολογίας με την σωματιδιακή φυσική είναι να εστιάσουμε στις τύχες δύο ιδεών: του πεδίου Brans-Dicke, το οποίο εισήχθη από ειδικούς στη θεωρία της βαρύτητας, και του πεδίου Higgs, που επί μακρόν υπήρξε αντικείμενο προβληματισμού για τους σωματιδιακούς φυσικούς.
Και οι δύο ομάδες επιστημόνων δημιούργησαν τις συγκεκριμένες έννοιες προσπαθώντας να λύσουν ένα πρόβλημα που παίδευε πολλούς επιστήμονες κατά τα τέλη της δεκαετίας τού 1950 και τις αρχές της δεκαετίας τού 1960: Γιατί έχουν μάζα τα αντικείμενα; Μολονότι αυτές οι δύο θεωρίες δεν λειτούργησαν ως οι βασικοί κινητήρες για την ένωση της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας, εντούτοις η πορεία της ανάπτυξης τους δείχνει πώς συνέκλιναν οι δύο ερευνητικοί κλάδοι.
Η ιστορία των δύο φ
1ον το πεδίο Brans-Dicke
H μάζα μας φαίνεται μια τόσο προφανής ιδιότητα της ύλης ώστε κανείς θα μπορούσε να πιστέψει ότι ουδεμία χρεία εξηγήσεως έχει. Μολοντούτο, η εύρεση περιγραφών της μάζας που θα ήταν συμβατές με άλλες ιδέες της σύγχρονης φυσικής αποδείχθηκε κάθε άλλο παρά εύκολος άθλος.
Ειδικοί της βαρύτητας και της κοσμολογίας διατύπωσαν το πρόβλημα στη βάση της αρχής τού Mach, η οποία ονομάστηκε έτσι προς τιμήν του αυστριακού φυσικού και φιλοσόφου Ernst Mach, ενός περιώνυμου επικριτή του Νεύτωνα, που οι ιδέες του αποτέλεσαν πηγή έμπνευσης για τον νεαρό Άλμπερτ Αϊνστάιν.
Μια ικανοποιητική προσέγγιση της αρχής τού Mach θα μπορούσε να διατυπωθεί ως εξής: H μάζα ενός αντικειμένου — μέτρο της αντίστασης που προβάλλει στις μεταβολές της κίνησης του — απορρέει σε τελική ανάλυση από τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις του εν λόγω αντικειμένου με όλη την υπόλοιπη ύλη του Σύμπαντος. Μολονότι η συγκεκριμένη αρχή εξήψε το ενδιαφέρον τού Αϊνστάιν και οιστρηλάτησε τη σκέψη του, η γενική του θεωρία της σχετικότητας τελικά απέκλινε από αυτήν.
Για να ενσωματώσουν την αρχή τού Mach στη θεωρία της βαρύτητας, οι επιστήμονες έθεσαν ως αίτημα την ύπαρξη ενός νέου βαθμωτού πεδίου το οποίο αλληλεπιδρά με όλους τους τύπους της ύλης (το βαθμωτό πεδίο έχει μία τιμή για κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου).
Το 1961, ο Carl Brans, μεταπτυχιακός φοιτητής του Πανεπιστημίου τού Πρίνστον, και ο σύμβουλος του για την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής του, ο Robert Dicke, επεσήμαναν ότι στη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν η ένταση της βαρύτητας καθορίζεται από τη σταθερά του Νεύτωνα, G. Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, η G έχει την ίδια τιμή στη Γη όπως και στους πιο απόμακρους γαλαξίες και δεν μεταβάλλεται κατά την πάροδο του χρόνου. Παρουσιάζοντας μια εναλλακτική εκδοχή των πραγμάτων, ο Brans και ο Dicke προέβαλαν την ιδέα ότι η αρχή τού Mach θα μπορούσε να ικανοποιηθεί εάν η σταθερά του Νεύτωνα μεταβαλλόταν στο χώρο και το χρόνο.
Οι δύο φυσικοί εισήγαγαν ένα πεδίο που το ονόμασαν φ και το οποίο ήταν αντιστρόφως ανάλογο της σταθεράς του Νεύτωνα, και αντικατέστησαν την G με 1lφ παντού όπου αυτή εμφανιζόταν στις βαρυτικές εξισώσεις τού Αϊνστάιν.
Σύμφωνα με τη θεωρία Brans-Dicke, η ύλη αποκρίνεται στην καμπυλότητα του χώρου και του χρόνου, όπως συμβαίνει και στη συνηθισμένη γενική σχετικότητα, αλλά και στις μεταβολές της τοπικής έντασης της βαρύτητας.
Το πεδίο φ διαποτίζει όλο το χώρο, και η συμπεριφορά του συμβάλλει στον καθορισμό τού πώς η ύλη κινείται μέσα στο χώρο και το χρόνο. Κάθε μέτρηση της μάζας ενός αντικειμένου εξαρτάται επομένως από την τοπική τιμή τού φ. Τούτη η θεωρία υπήρξε τόσο πειστική ώστε τα μέλη της ομάδας τού Kip Thorne για τη θεωρία της βαρύτητας συνήθιζαν να αστειεύονται λέγοντας ότι πίστευαν στη γενική θεωρία τού Αϊνστάιν Δευτέρα, Τετάρτη και Παρασκευή και στη βαρυτική θεωρία Brans-Dicke Τρίτη, Πέμπτη και Σάββατο (την Κυριακή προτιμούσαν να τηρούν αγνωστικιστική στάση).
2ο Το πεδίο Higgs
Ev τω μεταξύ, στους κόλπους της πολύ μεγαλύτερης κοινότητας των σωματιδιακών φυσικών, το πρόβλημα της μάζας ανέκυψε με διαφορετική μορφή. Αρχής γενομένης από τη δεκαετία τού 1950, οι θεωρητικοί διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να αναπαραστήσουν τις επιδράσεις των πυρηνικών δυνάμεων επιβάλλοντας ειδικές κλάσεις συμμετριών στις εξισώσεις που διέπουν τη συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων.
Οι όροι, ωστόσο, που συνήθιζαν να περιλαμβάνουν σε αυτές τις εξισώσεις για την αναπαράσταση των μαζών των σωματιδίων παραβίαζαν τις εν λόγω ειδικές συμμετρίες. Πιο συγκεκριμένα, τούτο το αδιέξοδο αφορούσε κυρίως τα μποζόνια W και Z, τα σωματίδια που παράγουν τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις, οι οποίες ευθύνονται για τη ραδιενεργό διάσπαση. Εάν τούτα τα σωματίδια-φορείς δυνάμεων ήταν
πραγματικά άμαζα, όπως φαίνεται να απαιτούν οι συμμετρίες, τότε οι πυρηνικές δυνάμεις θα έπρεπε να χαρακτηρίζονται από άπειρη εμβέλεια — δύο πρωτόνια, επί παραδείγματι, θα ήταν ικανά να ασκούν πυρηνική δύναμη το ένα στο άλλο έστω και αν βρίσκονταν σε αντιδιαμετρικά σημεία του Γαλαξία.
Εντούτοις, μια τέτοια μακρά εμβέλεια ερχόταν σε κατάφωρη αντίφαση με την παρατηρούμενη συμπεριφορά των πυρηνικών δυνάμεων, οι οποίες εξασθενούν ταχύτατα για αποστάσεις μεγαλύτερες από τη διάμετρο του ατομικού πυρήνα. Μόνο αν τα σωματίδια-φορείς των πυρηνικών δυνάμεων είχαν κάποια μάζα θα συμφωνούσε η θεωρητικά προβλεπόμενη εμβέλεια με τις παρατηρήσεις.
Πολλοί φυσικοί εστίασαν την προσοχή τους σε αυτόν το γρίφο, προσπαθώντας να διατυπώσουν μια θεωρία που θα αναπαριστούσε τις ιδιότητες συμμετρίας των υποατομικών δυνάμεων ενώ ταυτόχρονα θα περιείχε σωματίδια-φορείς μη μηδενικής μάζας.
Το 1961, ο Jeffrey Goldstone, τότε στο Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ, επεσήμανε ότι οι λύσεις των εξισώσεων δεν χρειάζεται να υπακούουν υποχρεωτικά στις ίδιες συμμετρίες στις οποίες υπακούουν οι ίδιες οι εξισώσεις. Ως απλό παράδειγμα, ο Goldstone εισήγαγε ένα βαθμωτό πεδίο, το οποίο κατά σύμπτωση επίσης ονομαζόταν φ, που η πυκνότητα της δυναμικής του ενέργειας, V(φ), παρουσιάζει ελάχιστα σε δύο θέσεις, όταν το φ λαμβάνει τις τιμές -ν και +ν.
Επειδή η ενέργεια του συστήματος πέφτει στη χαμηλότερη δυνατή τιμή της σε τούτα τα ελάχιστα, το πεδίο τελικά θα καταλήξει σε ένα από αυτά. H δυναμική ενέργεια είναι ακριβώς η ίδια και για τις δύο τιμές τού φ, αλλά επειδή το πεδίο δεν μπορεί παρά τελικά να καταλήξει σε μία μόνο τιμή — είτε στην -ν είτε στη +ν —, η λύση των εξισώσεων αυθόρμητα σπάει τη συμμετρία.
Στο σχήμα αριστερά βλέπετε μια συνάρτηση δυναμικού. Αλλά το συμμετρικό ακρότατο (στην αρχή των αξόνων) δεν έχει την ελάχιστη ενέργεια. Αυτή την τελευταία την έχουν τα δυο σημεία A και B, δεξιά και αριστερά από τον κατακόρυφο άξονα.
Το 1964, ο Peter Higgs, του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου, ενέκυψε στο έργο τού Goldstone και διαπίστωσε ότι μια θεωρία με αυθόρμητη ρήξη της συμμετρίας θα επέτρεπε την ύπαρξη σωματιδίων μη μηδενικής μάζας. H μάζα προκύπτει από αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στο πεδίο φ και σε όλους τους τύπους των σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων και εκείνων τα οποία παράγουν τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις.
Οι εξισώσεις που διέπουν αυτές τις αλληλεπιδράσεις, όπως απέδειξε ο Higgs, υπακούουν σε όλες τις απαιτούμενες συμμετρίες. Προτού το φ καταλήξει σε ένα από τα ελάχιστα της δυναμικής του ενέργειας, τα σωματίδια προχωρούν πηδηχτά με ευκολία, σχεδόν ανεμπόδιστα. Άπαξ, όμως, και το φ φτάσει είτε στο +υ είτε στο -vy το πεδίο που μόλις αγκυρώθηκε ασκεί μια δύναμη αντίστασης σε οτιδήποτε συζευγμένο μαζί του —πρόκειται για το υποατομικό ισοδύναμο του να είναι κάτι κολλημένο σε μελάσα. Με άλλα λόγια, τα σωματίδια-φορείς δυνάμεων (καθώς και τα συνήθη σωματίδια ύλης όπως τα ηλεκτρόνια) αρχίζουν να συμπεριφέρονται σαν να είχαν μη μηδενική μάζα, και οι όποιες μετρήσεις της μάζας τους εξαρτώνται από την τοπική τιμή τού φ.
Οι εργασίες των Brans και Dicke και του Higgs δημοσιεύτηκαν τον ίδιο περίπου καιρό και στο ίδιο περιοδικό, το Physical Review. Και τα δύο άρθρα σύντομα έγιναν ευρέως γνωστά και τα δύο συγκαταλέγονται ανάμεσα στα πρώτα άρθρα φυσικής σε πλήθος αναφορών όλων των εποχών.
Και τα δύο διατύπωναν την πρόταση ότι η προέλευση της μάζας θα μπορούσε να εξηγηθεί με την εισαγωγή ενός νέου βαθμωτού πεδίου που αλληλεπιδρά με όλους τους τύπους ύλης.
Όμως, οι δύο κοινότητες των φυσικών (κοσμολόγοι και σωματιδιακοί φυσικοί) έβλεπαν διαφορετικά πράγματα στα αντίστοιχα τους φ. Για τους ειδικούς της βαρύτητας και της κοσμολογίας, το πεδίο Brans-Dicke ήταν συναρπαστικό διότι προσέφερε μια θεωρία εναλλακτική της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Για τους σωματιδιακούς φυσικούς, το πεδίο Higgs ήταν συναρπαστικό διότι προσέφερε την ελπίδα ότι οι θεωρίες τους θα στέκονταν ικανές να εξηγήσουν τη συμπεριφορά των πυρηνικών δυνάμεων ανάμεσα σε σωματίδια μη μηδενικής μάζας. Πριν από τα μέσα της δεκαετίας τού 1970, ουδείς ισχυριζόταν ότι τα δύο πεδία φ θα μπορούσαν να μοιάζουν από φυσική άποψη, ή έστω ότι άξιζε να εξεταστούν πλάι πλάι.
Αυτά τα ερευνητικά πρότυπα, ωστόσο, επρόκειτο να αλλάξουν ριζικά κατά τα τέλη της δεκαετίας τού 1970. Ανασκοπώντας την ταχεία άνοδο της σωματιδιακής κοσμολογίας, οι φυσικοί σχεδόν πάντοτε υπογραμμίζουν δύο σημαντικές εξελίξεις που έδωσαν ώθηση στη συγχώνευση: την ανακάλυψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας το 1973 και την κατασκευή των πρώτων Μεγάλων Ενοποιημένων Θεωριών, ή GUT, το 1973 και 1974. H ασυμπτωτική ελευθερία αναφέρεται σε ένα απροσδόκητο φαινόμενο που παρουσιάζεται σε ορισμένες κλάσεις θεωριών οι οποίες διέπουν σωματιδιακές αλληλεπιδράσεις: η ένταση της αλληλεπίδρασης μειώνεται αυξανομένης της ενέργειας των σωματιδίων, αντί να αυξάνεται όπως συμβαίνει με τις περισσότερες δυνάμεις. Για πρώτη φορά, οι σωματιδιακοί θεωρητικοί είχαν τη δυνατότητα να κάνουν ακριβείς και αξιόπιστους υπολογισμούς για φαινόμενα όπως η ισχυρή πυρηνική δύναμη —που κρατά τα κουάρκ δέσμια μέσα σε πυρηνικά σωματίδια όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια—, αρκεί βεβαίως να περιόριζαν τους υπολογισμούς τους σε περιοχές πολύ υψηλών ενεργειών, πολύ ανώτερων από εκείνες τις οποίες είχε κατορθώσει να προσπελάσει η πειραματική έρευνα.
H εισαγωγή των GUT έστρεψε ομοίως την προσοχή προς τις πολύ υψηλές ενέργειες. Οι σωματιδιακοί φυσικοί αντελήφθησαν ότι οι εντάσεις τριών από τις τέσσερεις θεμελιώδεις δυνάμεις —της ηλεκτρομαγνητικής, της ασθενούς και της ισχυρής πυρηνικής δύναμης— πιθανόν να συνέκλιναν αυξανομένης της ενέργειας των σωματιδίων. Οι θεωρητικοί υπέθεταν ότι, άπαξ και οι ενέργειες ανέβαιναν σε αρκούντως υψηλά επίπεδα, οι τρεις δυνάμεις θα δρούσαν ως μία ενιαία αδιαφοροποίητη δύναμη. H ενεργειακή κλίμακα στην οποία θα επερχόταν τούτη η μεγάλη ενοποίηση ήταν κυριολεκτικά αστρονομική: περίπου 1024 ηλεκτρονιοβόλτ, ή περισσότερο από 1 τρισεκατομμύριο φορές υψηλότερη από τις μεγαλύτερες ενέργειες που είχαν επιτύχει να διερευνήσουν οι φυσικοί με τη βοήθεια των επιταχυντών σωματιδίων.
Ενέργειες της κλίμακας της μεγάλης ενοποίησης αποκλειόταν να επιτευχθούν σε επίγεια εργαστήρια. Ωστόσο, ορισμένοι ερευνητές αντελήφθησαν ότι, αν ολόκληρο το Σύμπαν άρχισε το βίο του σε μια θερμή Μεγάλη Έκρηξη, τότε η μέση ενέργεια των σωματιδίων στο Σύμπαν θα πρέπει να υπήρξε εκπληκτικά υψηλή κατά τις πρώιμες φάσεις της κοσμικής ιστορίας.
Με την έλευση της ασυμπτωτικής ελευθερίας και των ενοποιημένων θεωριών GUT, οι σωματιδιακοί φυσικοί απέκτησαν έναν προφανή λόγο για να αρχίσουν να μελετούν το πρώιμο Σύμπαν: οι πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης θα τους προσέφεραν το «εργαστήριο του φτωχού», επιτρέποντας τους να παρατηρήσουν αλληλεπιδράσεις σε τόσο υψηλές ενέργειες που θα ήταν αδύνατο να «αναδημιουργηθούν» στη Γη. Δεκάδες επιστήμονες, δημοσιογράφοι και ιστορικοί επικαλέστηκαν αυτή την εξέλιξη προκειμένου να εξηγήσουν την εμφάνιση της σωματιδιακής κοσμολογίας.
Πηγή: Άρθρο του David Kaiser στο Scientific American
Leave a Comment