Το Καθιερωμένο Πρότυπο της σύγχρονης Πυρηνικής Φυσικής μπορεί να εξηγήσει και να προβλέψει αναρίθμητα φαινόμενα που παρατηρούνται στο μικρόκοσμο, ενώ μεταξύ των άλλων, μεγάλη επιτυχία του θεωρείται και η ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς αλληλεπίδρασης σε μια ηλεκτρασθενή θεωρία. Τα ερωτήματα όμως παραμένουν: από πού πηγάζει, για παράδειγμα, ο μηχανισμός που απαιτείται για να δώσει μάζα στα σωματίδια; Από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια; Γιατί υπάρχουν μόνο τρεις γενεές σωματιδίων; Εάν η ύλη και η αντιύλη δημιουργούνται πάντα σε ίσες ποσότητες, πού πήγε η αντιύλη που θα πρέπει να δημιουργήθηκε αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη; Οι θεωρητικές προσεγγίσεις για την απάντηση τέτοιων ερωτημάτων έχουν ήδη αρχίσει. Η συμβολή του LHC, του νέου επιταχυντή του CERN, στην πειραματική επαλήθευση των προσεγγίσεων αυτών αναμένεται με ιδιαίτερο ενδιαφέρον από τους ερευνητές στα χρόνια που έρχονται.

 

Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των ειδικών επιστημόνων πολλοί είναι αυτοί που πιστεύουν ότι τα πειράματα στον LHC θα μας αποκαλύψουν τα μυστικά του Σύμπαντος. Σε πρώτη πάντως φάση, ελπίζουμε ότι τα πειράματα αυτά θα εντοπίσουν την ύπαρξη ενός σωματιδίου που είχε θεωρητικά προταθεί ότι υπάρχει το 1964 από τον Σκωτσέζο φυσικό Πήτερ Χιγκς (1929- ). Σύμφωνα με το θεωρητικό μοντέλο της ύλης και του Σύμπαντος στο «Καθιερωμένο Πρότυπο» μας λείπει να ανακαλύψουμε το σημαντικό αυτό σωματίδιο που είναι φορέας ενός νέου είδους πεδίου που ονομάζεται «πεδίο Χιγκς» και το οποίο είναι διάχυτο στο Σύμπαν. Για να είναι όμως πλήρως αποδεκτό το μοντέλο αυτό απαιτείται η ύπαρξη του πεδίου Χιγκς και φυσικά του μποζονίου Χιγκς που είναι και ο φορέας του.

Καθώς τα πρωτόνια και τα αντιπρωτόνια στον LHC συγκρούονται μεταξύ τους με ταχύτητα πάνω από το 99,99% της ταχύτητας του φωτός μέρος της ενέργειας που δημιουργείται από την σύγκρουση μετατρέπεται σε ύλη σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν (E=mc2). Μ’ αυτόν τον τρόπο μπορούν να δημιουργηθούν σωματίδια με μεγαλύτερη μάζα απ’ εκείνα που συμμετέχουν στη σύγκρουση. Στην περίπτωση του σωματιδίου Χίγκς, για παράδειγμα, η μάζα του αναμένεται να είναι από 120 έως 210 φορές την μάζα που έχει το πρωτόνιο. Η ενέργεια όμως που επιτυγχάνεται στον LHC είναι αρκετά μεγάλη όχι μόνο για τον εντοπισμό του Χιγκς αλλά και για τον εντοπισμό των σωματιδίων της «σκοτεινής ύλης», πολλαπλών διαστάσεων ακόμη και μίνι μαύρων τρυπών με μέγεθος μικρότερο κι από ένα πρωτόνιο.

Το σωματίδιο Χιγκς είναι βασικό συστατικό των θεωρητικών μας εκτιμήσεων ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ασθενής δύναμη είναι διαφορετικές εκφάνσεις μιας ενοποιημένης «ηλεκτρασθενούς» δύναμης. Μας υποδεικνύει τον τρόπο με τον οποίο τα χωρίς μάζα φωτόνια, τα σωματίδια του ηλεκτρομαγνητισμού, συγγενεύουν με τα W και Ζ, τα βαρέα σωματίδια (μποζόνια) της ασθενούς δύναμης. Η επιβεβαίωση της θεωρίας στο CERN πριν από 20 χρόνια αναπτέρωσε τις ελπίδες των επιστημόνων ότι θα μπορούσαν κάποια στιγμή να ενοποιήσουν όλες τις δυνάμεις της φύσης σε μία και μοναδική. Έχει επίσης προταθεί ότι κάποιο πεδίο σαν αυτό του Χιγκς θα μπορούσε να ήταν η αιτία της πληθωριστικής διαστολής του πρώιμου Σύμπαντος στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό, του τρισεκατομμυριοστού του πρώτου τρισεκατομμυριοστού του πρώτου δευτερολέπτου, και ίσως να κρύβει επίσης και το μυστικό της επονομαζόμενης «σκοτεινής ενέργειας» που κάνει το Σύμπαν να διαστέλλεται επιταχυνόμενο τα τελευταία επτά δισεκατομμύρια χρόνια.

Επίσης, χωρίς το πεδίο Χιγκς τίποτα στο Σύμπαν δεν θα είχε μάζα αφού η ύπαρξη του πεδίου αυτού δίνει σε όλα τα άλλα σωματίδια την μάζα τους. Το πεδίο αυτό μπορεί να παρομοιαστεί με μια παχύρρευστη «θάλασσα» μέσα στην οποία «κολυμπάνε» όλα τα σωματίδια. Ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο τα διάφορα σωματίδια «κολυμπάνε» μέσα στο πεδίο αυτό παίρνουν και την δεδομένη μάζα του είδους τους. Υπάρχουν φυσικά και μερικά σωματίδια που δεν αντιδρούν καθόλου με το πεδίο, όπως είναι τα φωτόνια και τα γλοιόνια, οπότε τα σωματίδια αυτά δεν έχουν μάζα. Παρ’ όλα αυτά το πεδίο Χιγκς δεν θεωρείται ότι είναι μια ακόμη δύναμη, αφού ούτε επιταχύνει τα σωματίδια ούτε μεταφέρει κάποιου είδους ενέργεια. Εντούτοις το πεδίο αυτό προσδιορίζει επακριβώς την μάζα που περιλαμβάνουν τα υπόλοιπα σωματίδια που «κολυμπάνε» μέσα του.

Αλλά και το μποζόνιο Χιγκς παίρνει κι αυτό την μάζα του από το πεδίο του οποίου είναι και φορέας. Μπορεί δηλαδή να παρομοιαστεί με ένα πυκνότερο σημείο στο πεδίο Χιγκς, όπως όταν βρίσκουμε μια υγροποιημένη σταγόνα νερού σε ένα περιβάλλον ατμού από νερό. Έτσι, όπως και όλα τα άλλα σωματίδια, το μποζόνιο Χιγκς μπορεί να δημιουργηθεί στις συγκρούσεις που επιτυγχάνονται στη διάρκεια πειραμάτων που εκτελούνται στους επιταχυντές, αφού μπορεί και αντιδρά με όλα τα σωματίδια αν και προτιμάει τα «βαρύτερα» απ’ αυτά όπως είναι για παράδειγμα ο τελευταίος τύπος κουάρκ που ανακαλύφτηκε το 1995 στο Fermilab των ΗΠΑ.

Η Νέα Θεώρηση του Σύμπαντος

Μερικά από τα σωματίδια που δημιουργούνται στις συγκρούσεις του LHC δεν «επιζούν» παρά ελάχιστα γιατί σε ένα απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου διασπώνται σε ελαφρότερα σωματίδια και ορισμένα εξ αυτών διασπώνται ακόμη πιο πολύ. Οι διαδικασίες αυτές των διασπάσεων δημιουργούν χαρακτηριστικές «υπογραφές» που αποκαλύπτουν τα είδη των σωματιδίων τα οποία εμφανίζονται. Οι υπογραφές αυτές όμως θα πρέπει να είναι ολοκληρωμένες, να περιλαμβάνουν δηλαδή όλα τα επί μέρους σωματίδια που δημιουργήθηκαν από μία σύγκρουση και να μετρήσουν όλες τις ιδιότητές τους.

Αυτό απαιτεί από τους ανιχνευτές να περιλάβουν διάφορα στρώματα που θα μπορέσουν να συλλάβουν όλα τα παράγωγα των συγκρούσεων. Σε μια άλλη πειραματική διάταξη, για παράδειγμα, τον «Ανιχνευτή Μιονίων» που απασχολεί 2.500 ερευνητές και μηχανικούς, το εσώτερο στρώμα περιλαμβάνει 75 εκατομμύρια αισθητήρες. Ένα μεσαίο στρώμα, που είναι σχεδιασμένο να μετράει τις ενέργειες των φωτονίων και των ηλεκτρονίων περιλαμβάνει 80.000 κρυστάλλους, ενώ το επόμενο στρώμα είναι σχεδιασμένο να καταγράφει τα αδρόνια και τα μιόνια.

Όλη αυτή, λοιπόν, η «περιπέτεια ιδεών» που ξεκίνησε με τα πειράματα που έκανε ο Έρνεστ Ράδερφορντ το 1909 και τα οποία μας οδήγησαν στην διαπίστωση ότι η μεγαλύτερη ποσότητα της μάζας ενός ατόμου είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα του, μας έχει αναγκάσει να οδηγηθούμε στις σύγχρονες υποθέσεις μιας «νέας φυσικής» όπου όλα τα επονομαζόμενα θεμελιώδη σωματίδια ίσως να είναι απλές χορδές ενέργειας και ότι ίσως το Σύμπαν να περιλαμβάνει περισσότερες διαστάσεις από αυτές που γνωρίζουμε, και ότι ίσως να υπάρχουν και άλλων ειδών σωματίδια που δεν έχουμε μέχρι τώρα ανακαλύψει. Αυτά κι άλλα πολλά «παράξενα» στοιχεία ελπίζεται να ανακαλυφτούν σύντομα με την λειτουργία του νέου «Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων» (LHC) στο CERN και των Ανιχνευτών του.

Το ταξίδι αυτό στο παρελθόν γίνεται με την αναπαραγωγή στον επιταχυντή του CERN της τεράστιας ενέργειας που επικρατούσε στις πρώτες στιγμές μετά τη γέννηση του Σύμπαντος με μια Μεγάλη Έκρηξη. Θα πρέπει όμως να διευκρινίσουμε ότι όταν μιλάμε σήμερα για τις απαρχές του Σύμπαντος με μία «Μεγάλη Έκρηξη» δεν κάνουμε απλές εικασίες που δεν βασίζονται πουθενά, αλλά αντίθετα μιλάμε για ένα πλήρες, μαθηματικά θεμελιωμένο μοντέλο που δημιουργήθηκε με τη βοήθεια των δύο μεγάλων θεωριών του 20ου αιώνα, της Γενικής Σχετικότητας και της Κβαντικής Μηχανικής και συμπληρώθηκε τα τελευταία χρόνια με τις θεωρίες του Πληθωρισμού και των Υπερχορδών. Το μοντέλο μάλιστα αυτό επεξηγεί ικανοποιητικά πολλές από τις παρατηρήσεις και τα πειράματα που έχουν γίνει μέχρι τώρα.

Φυσικά όταν μιλάμε για την “Μεγάλη Έκρηξη” μην φανταστείτε κάτι σαν την έκρηξη ενός δυνατού βαρελότου! Η Μεγάλη Έκρηξη των κοσμολόγων δεν έχει καμιά σχέση με τις εκρήξεις που γνωρίζει ο καθένας από μας, είτε είναι βαρελότα είτε βόμβες υδρογόνου. Ο όρος μάλιστα “Μεγάλη Έκρηξη” είναι μάλλον παραπλανητικός και καθιερώθηκε από τον καθηγητή Φρεντ Χόυλ που ήταν και είναι ο κύριος πολέμιος της όλης αυτής θεωρίας για τη γέννηση του σύμπαντος. Με τον όρο «Μεγάλη Έκρηξη» οι σύγχρονοι επιστήμονες εννοούν μια εκθετική και απότομη διαστολή του Σύμπαντος από ένα απειροελάχιστο σημείο «ανυπαρξίας». Η γέννηση δηλαδή και η μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος είναι κατά κάποιον τρόπο το «ξεδίπλωμα» του χρόνου και του χώρου από μια κατάσταση υπερβολικής πυκνότητας και θερμότητας σε μια παγωμένη και τεράστια σε μέγεθος σημερινή ύπαρξη, σε έναν χώρο ο οποίος δημιουργείται καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται. Σ’ ένα Σύμπαν όπου σήμερα όλοι οι μακρινοί γαλαξίες φαίνονται να απομακρύνονται συνεχώς ο ένας από τον άλλο.

Μ’ αυτό φυσικά δεν υποστηρίζουμε ότι οι γαλαξίες είναι αυτοί που κινούνται, αλλά ότι ο μεταξύ τους χώρος είναι αυτός που μεγαλώνει («ξεχειλώνει»). Και ενώ τίποτα το υλικό δεν μπορεί να τρέξει με μεγαλύτερη ταχύτητα από την ταχύτητα του φωτός, αυτό δεν ευσταθεί για τον χώρο ο οποίος μπορεί να διαστέλλεται πολύ ταχύτερα και από την ταχύτητα ακόμη του φωτός. Μ’ αυτήν λοιπόν την έννοια η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν παρά μια «έκρηξη» αυτού τούτου του χώρου, μια τεραστίων δηλαδή διαστάσεων διαστολή του («ξεχείλωμα») που συμπαρασύρει μαζί του και τους γαλαξίες, ενώ η «έκρηξη» έγινε συγχρόνως σ’ όλα τα σημεία του με αποτέλεσμα να μην υπάρχει σήμερα κάποιο συγκεκριμένο κέντρο στο Σύμπαν αφού το κέντρο βρίσκεται «παντού».

Advertisements