| ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΕΤΑΙΡΙΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ ΥΨΗΛΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ |
|
...πίσω
στον κατάλογο των άρθρων
| (Το παρακάτω κείμενο αποτελεί μια εκτενή λεζάντα του Πίνακα των Αλληλεπιδράσεων. Κάνετε "κλικ" πάνω του και θα τον δείτε σε μεγέθυνση. Επίσης, για ευκολία, θα εμφανίζεται και σε άλλα σημεία του κειμένου για να τον καλείτε όποτε θέλετε. Για να γυρίσετε σ' αυτή τη σελίδα πατήστε το "Back") |  |
| Ο Πίνακας
των Στοιχειωδών Σωματιδίων περιέχει τους δομικούς λίθους από τους οποίους
αποτελείται η ύλη όλου του Σύμπαντος. Δεν μας λέει όμως, πώς αλληλεπιδρούν
μεταξύ τους για να συγκροτήσουν αυτό το Σύμπαν. Ειναι ακριβώς σα να είχαμε
τα γράμματα της αλφαβήτου αλλά όχι τις λέξεις και τους κανόνες που δημιουργούν
προτάσεις με νόημα.
Σίγουρα, στην καθημερινή ζωή μας, αντιλαμβανόμαστε ένα σχετικά μεγάλο αριθμό διαφορετικών δυνάμεων: ηλεκτρικές, βαρυτικές, μαγνητικές, τριβής κ.α. Πιστεύουμε όμως ότι όλο αυτό το πλήθος των διαφορετικών αλληλεπιδράσεων που συναντάμε στην ύλη, μπορεί να καταταχθεί σε τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις οι οποίες είναι:
|
| Βαρυτική
Αλληλεπίδραση
|
Αυτή η αλληλεπίδραση είναι υπεύθυνη για τη συγκρότηση των γαλαξιών, για την περιφορά της Γης και των άλλων πλανητών γύρω από τον Ηλιο. Η επαναφορά μας στο έδαφος, όταν πηδάμε, οφείλεται στη βαρύτητα. Είναι η δύναμη που ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων και είναι πάντοτε ελκτική. |
| Ηλεκτρομαγνητική Αλληλεπίδραση | Είναι υπεύθυνη για το "τίναγμα" που ασθανόμαστε όταν, περπατώντας πάνω σ' ένα χαλί, ακουμπάμε ένα σιδερένιο αντικείμενο. Είναι υπεύθυνη για τη λειτουργία όλων των ηλεκτρικών μηχανών. Αλλά είναι ακόμα υπεύθυνη για τη συγκρότηση των ατόμων: τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου συγκρατούμενα από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων που έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Διακρίνουμε δυο ειδών φορτία: το θετικό και το αρνητικό. Τα ομόσημα φορτία (θετικό - θετικό ή αρνητικό - αρνητικό) απωθούνται ενώ τα ετερόσημα (θετικό - αρνητικό) έλκονται.Παραδείγματα φορτισμένων σωματιδίων είναι: το ηλεκτρόνιο (φορτίο -1), το πάνω (up) κουάρκ (φορτίο +2/3) κλπ (βλ. τον Πίνακα των Στοιχειωδών Σωματιδίων). |
| Ισχυρή Πυρηνική Αλληλεπίδραση | Είναι η πρώτη από τις αλληλεπιδράσεις που δεν εμφανίζονται άμεσα στη καθημερινή μας ζωή. Η ισχυρή αλληλεπίδραση όμως είναι υπεύθυνη για την συγκρότηση των πυρήνων των ατόμων. Αυτή συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια ώστε να σχηματίσουν τον πυρήνα. Μην ξεχνάτε ότι οι δυνάμεις μεταξύ των ομόσημα (θετικά) φορτισμένων πρωτονίων είναι απωστικές. Τα σωματίδια που "αισθάνονται" την ισχυρή αλληλεπίδραση, όπως το πρωτόνιο και το νετρόνιο, λέγονται αδρόνια. Γνωρίζοντας τώρα ότι τα αδρόνια έχουν εσωτερική δομή, η θεμελιώδης αλληλεπίδραση είναι μεταξύ των κουάρκ που συγκροτούν τα αδρόνια (βλ. τον Πίνακα των Στοιχειωδών Σωματιδίων). Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ περιγράφεται από την κβαντική χρωμοδυναμική. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αδρονίων είναι, ακριβώς, εκφάνσεις αυτής της αλληλεπίδρασης. |
| Ασθενής Πυρηνική Δύναμη | Είναι η δεύτερη αλληλεπίδραση που δεν είναι άμεσα αντιληπτή. Παρ' όλα αυτά η σημασία της είναι σημαντική. Απλά αναφέρουμε εδώ, ως παράδειγμα, ότι μια από τις βασικές πυρηνικές αντιδράσεις που γίνονται στον ήλιο και τον κάνουν να μας φωτίζει, οφείλεται ακριβώς σ' αυτήν την αλληλεπίδραση. Οσα σωματίδια αισθάνονται την ασθενή αλλά όχι την ισχυρή αλληλεπίδραση τα ονομάζουμε λεπτόνια (βλ. τον Πίνακα των Στοιχειωδών Σωματιδίων). |
| Η Ισχύς των Αλληλεπιδράσεων | Ας βάλουμε τώρα σε μια σειρά τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις ανάλογα με την ισχύ τους. Ας πάρουμε την πιο ισχυρή από αυτές, την Ισχυρή Πυρηνική Αλληλεπίδραση ( η οποία στη δεύτερη στήλη του Πίνακα των Αλληλεπιδράσεων της δίνουμε αυθαίρετα ισχύ 1) και ας συγκρίνουμε τις υπόλοιπες ως προς αυτήν. Η Ηλεκτρομαγνητική είναι περίπου 100 (για πιο ακρίβεια 137) φορές μικρότερη, ενώ η Ασθενής Πυρηνική Δύναμη είναι 100 000 φορές πιο ασθενής από τη Ισχυρή. Για τη Βαρυτική Αλληλεπίδραση, πράγματικά η ισχύς της είναι τραγικά μικρή: είναι 1038 (η μονάδα ακολουθούμενη από 38 μηδενικά!) φορές πιο ασθενής από την Ισχυρή. Γι' αυτό ακριβώς η βαρυτική αλληλεπίδραση δεν παίζει κανένα ρόλο στα πειράματα που γίνονται με στοιχειώδη σωματίδια. Την "σκεπάζουν" κυριολεκτικά οι άλλες αλληλεπιδράσεις. Το αποτέλεσμα είναι να μην μπορούμε να έχουμε από αυτά τα πειράματα στοιχεία για τη βαρυτική αλληλεπίδραση. Μόνο σε πειράματα όπου επεισέρχονται τεράστιες μάζες (αστέρων ή γαλαξιών) έχουμε τη δυνατότητα να δούμε τα αποτελέσματα αυτής της αλληλεπίδρασης. |
|
|
Το
πάντρεμα τών δυο μεγάλων επιτεύξεων του 20 αιώνα, της Ειδικής
Θεωρίας της Σχετικότητας και της Κβαντομηχανικής
μας οδηγεί στην έννοια του φορέα (διαδότη)
της αλληλεπίδρασης. Πράγματι, η Θεωρία της Σχετικότητας απαγορεύει την
μετάδοση πληροφορίας με ταχύτητα μεγαλύτερη αυτής του φωτός ( περίπου
300 000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο). Αυτό σημαίνει, για παράδειγμα, ότι άν έχουμε ένα φορτισμένο σωματίδιο και έξαφνα εμφανιστεί ένα δεύτερο, η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ τους δεν αναπτύσεται ακαριαία. Ακριβώς, το σωματίδιο-φορέας αναλαμβάνει αυτή τη δουλειά.  Για
κάθε αλλελεπίδραση υπάρχει ένας ή περισσότεροι φορείς, των οποίων η ανταλλαγή
κάνει τα σωματίδια να "αισθάνονται" την αλληλεπίδραση. Για την ήλεκτρομαγνητική
αλληλεπίδραση ο φορέας είναι το φωτόνιο.
Στο σχήμα βλέπουμε πώς το κάθε ηλεκτρόνιο "αντιλαμβάνεται" την ύπαρξη του
άλλου με την ανταλλαγή του φωτονίου. Η θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις
μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων με την ανταλλαγή φωτονίων ονομάζεται Κβαντική
Ηλεκτροδυναμική (Quantum Electrodynamics, QED)
και αποτελεί έναν από τους θριάμβους του ανθρώπινου πνεύματος. Περιγράφει
με εκπληκτική ακρίβεια τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών
Σωματιδίων. Πατέρες της Κβαντικής Ηλεκτροδυναμικής θεωρούνται οι Φαϊνμαν
(R. Feynman), Σβίνγκερ (J. Schwinger) και Τομονάγκα (S. Tomonaga). |
|
|
Φορείς έχουν και οι άλλες αλληλεπιδράσεις. Η συνεπής περιγραφή της ασθενούς αλληλεπίδρασης απαιτεί την ύπαρξη τριων φορέων: Z0, W- και W+ (ο πρώτος ηλεκτρικά ουδέτερος ενώ οι άλλοι δυο αρνητικά και θετικά φορτισμένοι αντίστοιχα). Η ανάγκη ενός μόνο φορέα για την περιγραφή της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης και τριων για την ασθενή αντανακλά το μαθηματικό υπόβαθρο της θεωρίας που στηρίζεται στη Θεωρία των Ομάδων. Η ισχυρή αλληλεπίδραση, στο επίπεδο των κουάρκ, απαιτεί οκτώ δφορείς που ονομάζουμε γκλουόνια (gluons) τα οποία ανταλλάσσονται μεταξύ των κουάρκ. Τέλος η βαρυτική αλληλεπίδραση, παρόλο που δεν έχουμε μια συνεπή θεωρία περιγραφής της ανάλογη με τις άλλες αλληλεπιδράσεις, πιστεύουμε ότι έχει τον δικό της φορέα: το βαρυτόνιο |
|
|
Η έννοια της Ενοποίησης μπορεί να θεωρηθεί ως μια έμμονη ιδέα, όχι μόνο των Φυσικών, αλλά και πολλών άλλων ερευνητικών τομέων, ενώ ταυτόχρονα οι ρίζες της είναι πολύ παλιές. Με απλά λόγια θα λέγαμε ότι η ενοποίηση προσπαθεί να περιγράψει "όσο το δυνατόν πιο πολλά χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν πιο λίγα". Η τετράδα του Αριστοτέλη φωτιά, νερό, αέρας και γή αποτελούσε μια πρώτη ενοποίηση περιγραφής της ύλης. Η πρώτη σοβαρή ενοποίηση έγινε δυστυχώς πολύ αργότερα: μόλις τον 19ο αιώνα. Ηταν ο Μάξουελ (J.C. Maxwell) που περιέγραψε με τις τέσσερις περίφημες εξισώσεις του όλα τα γνωστά έως τότε (και όσα εμφανίστηκαν στο μέλλον!) φαινόμενα του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού και καθιέρωσε αυτό που σήμερα αποκαλούμε ηλεκτρομαγνητισμό. Η δεύτερη ενοποίηση παρουσιάστηκε στα 1967 και περιλαμβάνει την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή αλληλεπίδραση ως διαφορετικές όψεις μιας ενιαίας δύναμης: της ηλεκτρασθενούς. Μετά από πολλές θετικές πειραματικές ενδείξεις, το 1982 ανακαλύφθηκε στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων, CERN (στη Γενεύη), το σωματίδιο Z0, ο φορέας της ασθενούς αλληλεπίδρασης, μέ όλες τις ιδιότητες που προέβλεπε η νέα θεωρία. Οι δημιουργοί της Θεωρίας: Γκλάσοου (S. Glashow), Σαλάμ (A. Salam) και Ουάϊνμπεργκ (S. Weinberg) είχαν ήδη τιμηθεί με το βραβείο Νομπέλ, ενώ τους ακολούθησαν για την ανακάλυψη του Z0 οι Ρούμπια (C. Rubbia) και Βαν ντερ Μερ (S. van der Meer). |
...πίσω
στον κατάλογο των άρθρων
