Η Φυσική του 2001
Τρεις ειδήσεις που προκάλεσαν αίσθηση

Από σελίδα του Discover 25 Δεκεμβρίου 2001

1.Η αλλαγή της σταθεράς λεπτοδομής
2.Η κβαντική παγίδευση του φωτός
3.Πλάσμα γκλουονίων-κουάρκς

Δύο και δύο είναι πέντε

Τα βράχια μπορεί να θρυμματιστούν, το Γιβραλτάρ μπορεί να πέσει, αλλά μερικές φυσικές σταθερές είναι πιό ανθεκτικές. Η ταχύτητα του φωτός είναι παντού η ίδια στο Σύμπαν και αυτή ήταν σταθερή από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης. Το ίδιο πράγμα ισχύει και για το φορτίο ενός ηλεκτρονίου και τη βαρυτική έλξη μεταξύ δύο μαζών. Στην πραγματικότητα, οι αστρονόμοι και οι φυσικοί μπορούν να μιλήσουν με σιγουριά, μόνο, για την Μεγάλη Έκρηξη και για ό,τι βλέπουν σε άλλους γαλαξίες, εάν βέβαια μπορούν να ισχυριστούν ότι η φύση, που βλέπουν μέσω των τηλεσκοπίων τους, είναι η ίδια με αυτή που βλέπουν στα εργαστήριά τους.

Αλλά αυτή η υπόθεση προκλήθηκε τον Αύγουστο του 2001, από μια ομάδα αστρονόμων και φυσικών στην Αυστραλία, την Αγγλία, και τις Ηνωμένες Πολιτείες. Οι ερευνητές αυτοί βρήκαν στοιχεία ότι, κατά τη διάρκεια των προηγούμενων 10 δισεκατομμυρίων ετών, η δύναμη του δεσμού μεταξύ ενός ατομικού πυρήνα και των περιβαλλόντων ηλεκτρονίων του, έχει αλλάξει κατά ένα μέρος προς 100.000.

Εάν το εύρημα αυτό διατηρηθεί, λέει το μέλος των ομάδων Chris Churchill του Κρατικού Πανεπιστημίου της Πενσυλβανίας, τότε "πρέπει   να βάλουμε πολλή φυσική στα απορρίματα."

Η ταχύτητα του φωτός, 10 δισεκατομμύρια έτη πριν, είναι αδύνατον να μετρηθεί άμεσα, έτσι οι ερευνητές εστίασαν τις μετρήσεις τους, σε ένα μέγεθος, που είναι γνωστό ως σταθερά λεπτοδομής α. Η σταθερά α αποτελείται στην πραγματικότητα από τρεις άλλες σταθερές -- τη ταχύτητα του φωτός, το φορτίο του ηλεκτρονίου, και τη σταθερά του Planck (από τη σχέση μεταξύ της ενέργειας και της συχνότητας της ακτινοβολίας). Όταν και τα τρία μεγέθη συνδυαστούν έτσι, ώστε το α να είναι αδιάστατο μέγεθος, αυτό που μένει είναι ένας αριθμός: περίπου 1/137.

Για να δει εάν η σταθερά λεπτοδομής α -- ή οποιοδήποτε άλλο από τα μέρη που αποτελείται -- είχε αλλάξει, ο Churchill και οι συναδέλφοι του, συνέλλεξαν μετρήσεις των συχνοτήτων του φωτός από 72 απόμακρα κβάζαρ. Έψαξαν έπειτα για τις περιπτώσεις όπου τα νέφη των αερίων που μεσολαβούν, μεταξύ της Γης και των κβάζαρ, απορρόφησαν κάποια ποσότητα από το φως . Τα αποτελέσματα ήταν σαφή: Όσο πιό απόμακρο το νέφος του αερίου, τόσο  περισσότερο το συνηθισμένο πρότυπο της απορρόφησης του φωτός άλλαζε. Σαφώς, τα άτομα σε εκείνα τα νέφη συμπεριφέρθηκαν διαφορετικά από εκείνα που βρίσκονταν πιο κοντά σε μας.

Ο Lennox Cowie, ένας αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης, στη Χονολουλού, είχε ψάξει ακριβώς για την ίδια αλλαγή στην απορρόφηση του φωτός, στα μέσα της δεκαετίας του '90 και δεν την βρήκε. Διστάζει, επομένως, να συμφωνήσει αρκετά με τα νέα αποτελέσματα: "Υπάρχουν τόσες εκπλήξεις που πρέπει πραγματικά να το σκεφθείς πολύ, προτού να το πιστέψεις".

Μετρήσεις τέτοιας ακρίβειας, που λαβαίνουν χώρα, κατά τη διάρκεια τόσων πολλών ετών φωτός, πρέπει να ψαχθούν  πάρα πολύ ακόμη και για τα μικρότερα σφάλματα, επισημαίνει ο Cowie. Αλλά εάν υπάρχει αυτή η περίπτωση, λέει ο Churchill, γιατί δεν είναι οι διαφορές πιό τυχαίες; Γιατί όλα άλλαξαν στην ίδια κατεύθυνση; Οι Cowie και Churchill συμφωνούν ότι πρέπει να εκτελεσθούν περισσότερες παρατηρήσεις, προτού οι περισσότεροι φυσικοί αποδεχθούν την αλλαγή στη σταθερά α.

Μια ασταθής σταθερά α μπορεί να φανεί αντιφατική, αλλά μερικοί φυσικοί θεωρούν ότι μπορεί να είναι ο μόνος τρόπος για να εξηγηθούν μερικά μπερδεμένα φαινόμενα, όπως είναι η επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. Ακόμα κι αν τα συμπεράσματα βγούν σωστά, εντούτοις, θα είναι δύσκολο να ανακαλυφθεί ποιο συστατικό της σταθεράς λεπτοδομής έχει αλλάξει. "Δεν μπορούμε να πούμε εάν αλλάζει η ταχύτητα του φωτός ή το φορτίο του ηλεκτρονίου ή όλα τους," λέει ο Churchill. "Οι φυσικοί τα ανακατεύουν τώρα, για να ελέγξουν το κάθε συστατικό της σταθεράς α, ανεξάρτητα". Και προσθέτει, "Αλλά υπάρχουν πολλές θεωρίες για αυτά".

Κβαντική παγίδευση του φωτός

Τον Ιανουάριο του 2001, δύο ομάδες φυσικών του Χάρβαρντ ανήγγειλαν ότι είχαν κάνει κάτι που φάνταζε αδύνατο μέχρι τότε, να σταματήσουν μια ακτίνα φωτός. Οι εργασίες που ολοκληρώθηκαν, ανεξάρτητα, στις δύο ομάδες, ήταν ένα κρίσιμο βήμα για να αναπτυχθούν υπερταχείς κβαντικοί υπολογιστές, απόλυτης ασφάλειας από τους χάκερς. Ένας κβαντικός υπολογιστής θα χρησιμοποιήσει το φως για να μεταφέρει τα δυαδικά ψηφία των δεδομένων, αλλά για να είναι επιτυχής, η μεταφορά, θα έπρεπε να είναι σε θέση να καταχωρήσει προσωρινά αυτό το φως. Από το τέλος του χρόνου και οι δύο ομάδες είχαν πετύχει την διατήρηση ενός παλμού φωτός,  όταν το σταμάτησαν και μετά το άφησαν να φύγει πάλι.

Ο φυσικός Ronald Walsworth του Harvard-Smithsonian Κέντρου για την Αστροφυσική έφερε αρχικά το φως σε μια ακινησία με την παγίδευση του μέσα σε ένα μπουκάλι γυαλιού που το γέμισαν με θερμά άτομα αερίου. Η ομάδα του ήταν σε θέση να πάρει το ήμισυ του παλμού για να το σταματήσει στην πρώτη δοκιμή -- το άλλο μισό έφευγε σε κλάσμα του ενός δευτερολέπτου,  προτού να μπορέσουν να γίνουν οι μετρήσεις. Αλλά αργότερα, την άνοιξη, ο Walsworth και οι  συνάδελφοι του, ανακάλυψαν πως αυτοί θα μπορούσαν να κάνουν τους φωτεινούς παλμούς να ταλαντεύονται σε συμφωνία,  ωθώντας αυτούς με παλμούς μαγνητικός πεδίου, που θα τους επέτρεπε να διατηρήσουν όλη την πληροφορία που περιείχε ο παλμός. Κάποια μέρα, με περιπλοκότερο εξοπλισμό, οι ερευνητές θα μπορούν να είναι σε θέση να σταματήσουν έναν φωτεινό κύμα, εντελώς και να τον αντιστρέψουν, ένα άλλο ουσιαστικό βήμα προς την επίτευξη του στόχου, που είναι κβαντικός υπολογιστής.

Μικρό Bang

Μια τρισδιάστατη ψηφιακή φωτογραφική μηχανή, φωτογραφίζει τα ίχνη χιλιάδων νέων υποατομικών σωματιδίων που δημιουργούνται όταν συνθλίβονται μαζί δύο ιόντα χρυσού σε ένα συγκρουστή στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven.

Αφού διαβάζετε αυτό το άρθρο, τότε ο νέος σχετιστικός Συγκρουστής βαρέων ιόντων στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στη Νέα Υόρκη, δεν κατέστρεψε τη Γη. Μερικοί επιστήμονες υποστήριξαν ότι ο συγκρουστής είχε τη δυνατότητα, αφού λειτουργήσει σε πλήρη ισχύ, να δημιουργήσει μια μαύρη τρύπα που θα κατάπινε τον πλανήτη. Τώρα αυτό το εμπόδιο έχει ξεπεραστεί, και ο Thomas Kirk, ένας φυσικός στο Brookhaven, λέει, ότι "δεν αναμένουμε ότι θα κάνουμε μια μαύρη τρύπα."

Εντούτοις, οι ερευνητές στο εργαστήριο ανήγγειλαν, τον Ιανουάριο του 2001, ότι έχουν ολοκληρώσει κάτι σχεδόν πρωτοφανές: τη δημιουργία μιας μορφής της ύλης που δεν έχει ξαναφανεί από την πρώτη στιγμή της ιστορίας του σύμπαντος. Αυτή τη μορφή της ύλης, μια υπέρπυκνη κατάσταση, που ονομάζεται πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, ήταν από καιρό ένας στόχος των φυσικών των στοιχειωδών σωματιδίων.

Σε αυτό το πλάσμα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τους ατομικούς πυρήνες είναι σε ένα νέφος των κουάρκ και γκλουονίων, τα σωματίδια που είναι φορείς των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων και που κρατούν τα κουάρκς συνδεδεμένα μαζί. Την τελευταία φορά που τα  κουάρκς ήταν χωριστά κι όχι συνδεδεμένα μέσα στα πρωτόνια, νετρόνια, ή άλλα υποατομικά σωματίδια, ήταν μόνο ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου μετά από την Μεγάλη Έκρηξη, όταν ολόκληρος ο κόσμος ήταν σε θερμοκρασία 1.8 τρισεκατομμυρίων βαθμών.

Αλλά τα αποδεικτικά στοιχεία ότι είχαν δημιουργήσει το πλάσμα δεν ήταν σημαντικά, γι' αυτό και πρέπει να περιμένουν, οι φυσικοί του Brookhaven, μέχρι να είναι αρκετά βέβαιοι για να το δηλώσουν ως επιτυχία.

Εγκαινιασμένος το 2000, ο συγκρουστής σχεδιάστηκε για να δημιουργήσει νέες καταστάσεις της ύλης, συνθλίβοντας μαζί   μεγαλύτερα κομμάτια της ύλης, σε υψηλότερες ταχύτητες από ό,τι είχαν επιτευχθεί πριν. Αυτά τα άτομα, όπως τα άτομα του χρυσού ή πυριτίου που είναι απαλλαγμένα των ηλεκτρονίων τους, είναι πιό σύνθετα από τα πρωτόνια, με τα οποία οι φυσικοί είναι εξοικειωμένοι μελετώντας τα. Αυτή η πολυπλοκότητα σημαίνει ότι οι φυσικοί δεν είναι τρομερά βέβαιοι τι θα δουν, όταν συνθλίβονται τα σώματα μαζί.

Μετά από μια περίοδο δοκιμών αρκετών μηνών, ο συγκρουστής άρχισε να τρέχει σε πλήρη ενέργεια για πρώτη φορά τον Ιούλιο του 2001, με μια σειρά πειραμάτων που συνεχίστηκαν μέχρι το τέλος έτους. Αλλά ακόμη και στην ισχύ των δύο τρίτων, λένε οι φυσικοί, ότι τα παρεχόμενα στοιχεία των φαινομένων του συγκρουστή είναι δύσκολο να εξηγηθούν. Ο αριθμός σωματιδίων που γεννιούνται, από μια σύγκρουση δύο τέτοιων ατομικών πυρήνων του χρυσού, είναι μεγαλύτερος από ό,τι, κάποιος, θα έπαιρνε με το να συνθλίψει μαζί τα μεμονωμένα σωματίδια που αποτελούν αυτούς τους πυρήνες. "Έχουμε ένα είδος νέων μαθηματικών," λέει ο Jens Jorgen Gaardhoje, ένας φυσικός, από το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης στη Δανία, που εργάζεται στον συγκρουστή. Όπου εκείνα τα πρόσθετα σωματίδια που βγαίνουν δεν είναι φανταστικά.

Για τώρα, το μεγάλο βραβείο είναι το πλάσμα κουάρκ και γκλουονίων (quark-gluon). Οι φυσικοί που τρέχουν ένα ανταγωνιστικό πείραμα στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN) έξω από τη Γενεύη, ανήγγειλαν ότι είχαν δημιουργήσει ένα τέτοιο πλάσμα το 2000. Η έκθεσή τους επικρίθηκε γρήγορα όπως ήταν πρόωρη, και ο Kirk δεν θέλει να επαναλάβει εκείνο το λάθος. Προτού να δηλώσει η ομάδα του ότι έχουν την απόδειξη ενός πλάσματος quark-gluon, θέλουν να σιγουρευτούν ότι κάθε πιθανή πηγή σφάλματος έχει βρεθεί και έχει μετρηθεί. "Είναι μια σημαντική ανακοίνωση," λέει ο Kirk.