Ο κενός χώρος, οι κβαντικές ιδιότητες του, το πεδίο Higgs και η ενοποίηση όλων των δυνάμεων

Σύμφωνα με τις τρέχουσες απόψεις, η κατάσταση του κενού δεν είναι απόλυτη, δεν είναι το "τέλειο τίποτα". Είναι μια θάλασσα από τα λεγόμενα δυνητικά σωματίδια και αντισωματίδια, τα οποία δεν εμφανίζονται ως πραγματικά σωματίδια. Το κενό, επομένως, είναι ο τόπος όπου, για σύντομο χρονικό διάστημα, δημιουργούνται διαρκώς ζεύγη από δυνητικά σωματίδια και αντισωματίδια, τα οποία εξαφανίζονται αμέσως.

Δεν μπορούν να μετασχηματισθούν σε πραγματικά σωματίδια, γιατί κάτι τέτοιο θα σήμαινε τη...
δημιουργία πραγματικής ενέργειας από το κενό. H γνωστή σχέση της απροσδιοριστίας στην κβαντική φυσική επιτρέπει στα σωματίδια αυτά να εμφανίζονται για μια φευγαλέα στιγμή. Σύμφωνα με τη σχέση αυτή, το γινόμενο του χρόνου ζωής ενός ζεύγους σωματιδίων επί την ενέργεια τους είναι της τάξης της σταθεράς του Πλανκ. Τα πραγματικά σωματίδια μπορούν πάντα να απομακρυνθούν από μια περιοχή, ενώ τα δυνητικά σωματίδια δεν μπορούν -πρωτίστως- να απομακρυνθούν.

Οι ιδιότητες του κενού είναι οι ακόλουθες. Αν κάποιο ισχυρό πεδίο εφαρμοσθεί στο κενό, τότε ενδέχεται ορισμένα δυνητικά σωματίδια να "κλέψουν" επαρκή ενέργεια και να γίνουν πραγματικά. Πα το σκοπό αυτό, αποσπούν ενέργεια από το εξωτερικό πεδίο. Με αυτόν το μηχανισμό, λοιπόν, δημιουργούνται πραγματικά σωματίδια από το κενό, σπαταλώντας την ενέργεια του ισχυρού πεδίου.

Πα παράδειγμα, φορτισμένα σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, έχουν παρατηρηθεί όντως να δημιουργούνται στο κενό μέσα σε ισχυρά ηλεκτρικά πεδία.

Έτσι, επειδή δυνητικά σωματίδια δημιουργούνται και καταστρέφονται σταθερά στο εσωτερικό του κενού χώρου, γι αυτό και το θεωρούμε μια ιδιαίτερα περίπλοκη κατάσταση "βρασμού" κάθε είδους δυνητικών σωματιδίων.

Μια από τις περίεργες ιδιότητες της κατάστασης αυτής του “βρασμού” (του κενού), εξαρτώνται από τη "συνταγή" της προπαρασκευής του – γεγονός που συνεπάγεται ότι είναι δυνατό να υπάρχουν πολλά και διαφορετικά είδη κενού!

Στη συνέχεια, θα δούμε παραδείγματα από διάφορα είδη κενού.

Τώρα, όμως, θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε στο ερώτημα αν η δραστηριότητα του κενού (ο "βρασμός" του) μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας πυκνότητας ενέργειας που να οφείλεται στην αλληλεπίδραση των δυνητικών σωματιδίων.

Πυκνότητα ενέργειας μπορεί πράγματι να εμφανιστεί εκεί μέσα. O Ρώσος θεωρητικός Ζέλντοβιτς τόνισε το γεγονός αυτό από τη δεκαετία του 1960. Κάθε ενέργεια αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη ποσότητα μάζας. Επομένως, μαζί με την πυκνότητα ενέργειας του κενού θα εμφανιστεί και μια πυκνότητα μάζας. Στο σημείο αυτό, ίσως αναρωτηθείτε μήπως αυτό σημαίνει ότι έχουμε διαμορφώσει την αντίληψη κάποιου είδους παγκόσμιου μέσου, ενός νέου "αιθέρα".

Αν αυτό αληθεύει, ένα τέτοιο μέσο μπορεί να αποκαταστήσει τις έννοιες της απόλυτης ηρεμίας και της απόλυτης κίνησης. Στην πραγματικότητα, η κίνηση ως προς το μέσο αυτό, θα ήταν μια κίνηση ως προς το κενό, με άλλα λόγια, ως προς τον απόλυτο χώρο.

Μάλιστα, αν κινούμαστε ως προς αυτόν το νέο "αιθέρα", θα πρέπει να αισθανθούμε το ρεύμα, τον "άνεμο του αιθέρα", να μας κτυπά στο πρόσωπο. Αυτό είχε προσπάθησα να ανίχνευσα ο Μάικελσον στα τέλη του 19ου αιώνα, προσπαθώντας να μετρήσει την κίνηση της Γης μέσα στον αιθέρα, με τα περίφημα ομώνυμα πειράματα, και τα οποία έδωσαν αρνητικά αποτελέσματα.

Αν ο νέος "αιθέρας" έμοιαζε με ένα σύνηθες μέσο, ο "άνεμος" του θα μπορούσε πράγματι να είναι ανιχνεύσιμος. Ωστόσο, το κενό είναι ένα εξαιρετικά ασυνήθιστο μέσο. Εκτός από την πυκνότητα ενέργειας, υπάρχει σε αυτό και τάση, όπως οι τάσεις σε ένα στερεό σώμα στο οποίο δρουν δυνάμεις εφελκυσμού. H τάση αυτή είναι ισοδύναμη με αρνητική πίεση. Με απλά λόγια, παράγεται αρνητική πίεση.

Τα συνήθη μέσα, οφείλουν στην πίεση και την τάση μόνο ένα μικρό κλάσμα από τη συνολική πυκνότητα ενέργειας (η οποία συμπεριλαμβάνει τη μάζα ηρεμίας). Στο κενό η αρνητική πίεση είναι τεράστια και ίση σε μέγεθος με την πυκνότητα ενέργειας. Αυτή η ασυνήθης ιδιότητα σηματοδοτεί τη σπουδαία διαφορά ανάμεσα στο κενό και τα συνήθη μέσα.

Όταν ένας παρατηρητής αρχίσει να κινείται στο μέσο αυτό, θα συναντήσει ροή ενέργειας και ίσως φαίνεται ότι θα ήταν δυνατό να μετρηθεί η ροή αυτή (δηλαδή ο "άνεμος"). Ωστόσο, θα υπάρχει και μια άλλη ροή ενέργειας, λόγω της αρνητικής πίεσης, η οποία έχει αρνητικό πρόσημο και, καθώς το μέγεθος της ισούται με εκείνο της προηγούμενης ροής, οι δύο ροές αλληλοαναιρούνται. Έτσι, δεν παράγεται "άνεμος".

Οποιαδήποτε κι αν είναι η κίνηση του παρατηρητή λόγω της αδράνειας, αυτός μετρά πάντα την ίδια πυκνότητα ενέργειας του κενού (εφόσον αυτή δεν είναι μηδενική) και την ίδια αρνητική πίεση και, έτσι, δεν παράγεται "άνεμος" από την κίνηση. Το κενό είναι το ίδιο για όλους τους παρατηρητές που κινούνται εξαιτίας της αδράνειας ο ένας ως προς τον άλλο.

Ας στραφούμε τώρα στα στοιχειώδη σωματίδια. Όπως γνωρίζουμε η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση ανάμεσα σε ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια είναι αποτέλεσμα της ανταλλαγής φωτονίων. H ασθενής αλληλεπίδραση οφείλεται επίσης σε ειδικά φορτία. H ουσιώδης διαφορά της ηλεκτρομαγνητικής με την ασθενή αλληλεπίδραση είναι ότι η τελευταία εκδηλώνεται μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις. Γνωρίζουμε ότι η ασθενής αλληλεπίδραση οφείλεται στα ενδιάμεσα μποζόνια (φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης).

Τα αλληλεπιδρώντα σωματίδια "δανείζονται" ενέργεια για την παραγωγή και τη μεταφορά των μποζονίων, αλλά για ελάχιστο χρονικό διάστημα. Επομένως, μπορούν να αλληλεπιδράσουν με αυτόν τον τρόπο μόνον αν το ένα βρίσκεται πολύ κοντά στο άλλο. Τι θα συνέβαινε αν οι μάζες όλων των ενδιάμεσων σωματιδίων, φωτονίων και μποζονίων ήταν μηδενικές; Ή ακόμα: τι θα συνέβαινε σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, στις οποίες τα μποζόνια δημιουργούνται το ίδιο εύκολα με τα φωτόνια;

Πράγματι, στις υψηλές θερμοκρασίες όλα τα σωματίδια διαθέτουν μεγάλη ενέργεια, έτσι δεν υπάρχει ανάγκη να την "δανειστούν" για τη δημιουργία μποζονίων μεγάλης μάζας, καθώς αυτά έχουν ήδη την ενέργεια αυτή. Επομένως, η ανταλλαγή των μποζονίων θα ήταν το ίδιο αποτελεσματική με την ανταλλαγή των φωτονίων και θα εμφανιζόταν απόλυτη συμμετρία ανάμεσα στην ασθενή και την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Έχει βρεθεί ότι στις συνθήκες αυτές (δηλαδή, σε πολύ υψηλές ενέργειες), οι δύο αλληλεπιδράσεις εκδηλώνουν την εγγενή ενότητα τους και συγχωνεύονται σε μία ενοποιημένη ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση.

Επομένως, στις αρκετά υψηλές ενέργειες, η αλληλεπίδραση των σωματιδίων είναι η ενοποιημένη ηλεκτρασθενής αλληλεπίδραση (σύμφωνα με υπολογισμούς, η ενοποίηση αυτή συμβαίνει σε θερμοκρασία ενός εκατομμυρίου δισεκατομμυρίων βαθμών Κέλβιν). O αριθμός των μηδενικής μάζας φορέων της -μποζονίων και φωτονίων – είναι μεγάλος. Παρ’ όλα αυτά, έχει βρεθεί ότι η μάζα είναι μηδενική όχι μόνο για τους φορείς της αλληλεπίδρασης, αλλά και για όλα τα σωματίδια που αναφέρθηκαν προηγουμένως: κουάρκ, ηλεκτρόνια κ.λπ! Με την έννοια αυτή, όλα τα σωματίδια γίνονται όμοια με φωτόνια. Όμως, τι συμβαίνει άραγε όταν η θερμοκρασία ελαττωθεί;

Στην περίπτωση αυτή, η σαφής συμμετρία της ηλεκτρομαγνητικής με την ασθενή αλληλεπίδραση παραβιάζεται και εξαφανίζεται. Γιατί συμβαίνει αυτό;

H ουσία είναι ότι εμφανίζονται στο προσκήνιο νέα πεδία μαζί με τα κβάντα τους: σωματίδια για τα οποία ακόμη δεν γνωρίζουμε τίποτα – τα λεγόμενα σωματίδια Χιγκς (Higgs), από το όνομα του ανθρώπου που τα επινόησε Τα σωματίδια αυτά καταστρέφουν τη συμμετρία. Αν δεν υπήρχαν, όλα τα υπόλοιπα σωματίδια δεν θα είχαν μάζα και, έτσι, η συμμετρία ηλεκτρομαγνητικής και ασθενούς αλληλεπίδρασης θα εξακολουθούσε να διατηρείται. Πριν, όμως, εξετάσουμε τα πεδία Χιγκς και το σπάσιμό της συμμετρίας των δύο αλληλεπιδράσεων, να υπενθυμίσουμε ένα απλό πείραμα.

Φαντασθείτε μια μπάλα που μπορεί να κυλά στο εσωτερικό μιας σφαιρικής κοιλότητας. Κάθε φορά που τοποθετούμε την μπάλα στην κοιλότητα, αυτή κυλά προς τα κάτω και, μετά από κάποιες ταλαντώσεις γύρω από το κατώτατο σημείο, ακινητοποιείται στον πυθμένα. Ίσως θυμάστε ότι όσο ψηλότερα βρίσκεται ένα σώμα από το κατώτερο δυνατό σημείο, τόσο μεγαλύτερη είναι η δυναμική ενέργεια του στο βαρυτικό πεδίο (για την ακρίβεια, είναι ανάλογη του ύψους).

Επομένως, όταν μια μπάλα βρίσκεται σε κάποιο σημείο των τοιχωμάτων της κοιλότητας, όσο περισσότερο απέχει από τον άξονα συμμετρίας της κοιλότητας, τόσο μεγαλύτερη είναι η δυναμική ενέργεια της. Βέβαια, στο κατώτατο σημείο η ενέργεια της μπάλας είναι ελάχιστη. Στο επιστημονικό ιδιόλεκτο λέμε ότι η μπάλα βρίσκεται στον πυθμένα του φρέατος δυναμικού.

Ως εδώ όλα είναι αρκετά απλά. Ας αναρωτηθούμε τώρα αν, σε μια συμμετρική κοιλότητα, η μπάλα θα καταλήγει πάντοτε στον άξονα συμμετρίας. H απάντηση είναι αρνητική. Φαντασθείτε έναν λοφίσκο, ένα μικρό εξόγκωμα στο κέντρο της κοιλότητας. Οπουδήποτε κι αν τοποθετήσουμε την μπάλα μας, δεν θα σταματήσει στο κεντρικό σημείο της συμμετρίας, αλλά στα κατώτατα σημεία της βάσης των πλευρών του εξογκώματος. H θέση ηρεμίας της μπάλας θα είναι αρκετά μη συμμετρική, παρά την τέλεια συμμετρία της κοιλότητας με το εξόγκωμα.

Βέβαια, αν τοποθετήσουμε την μπάλα ακριβώς στην κορυφή του κεντρικού εξογκώματος, θα παραμείνει σ’ αυτήν τη συμμετρική θέση. Αυτό, όμως, δεν θα έχει μεγάλη διάρκεια, αφού αυτή η θέση ισορροπίας είναι ασταθής, και η μπάλα θα κυλήσει προς τα κάτω με την παραμικρή διαταραχή.

Το παράδειγμα αυτό δείχνει πώς προκύπτει μία προφανώς ασύμμετρη κατάσταση ισορροπίας σε ένα απολύτως συμμετρικό σύστημα με μια συμμετρική αρχική θέση (στην κορυφή του εξογκώματος). H στιγμή σπασίματος της συμμετρικής κατάστασης και το σημείο κατάληξης της μπάλας είναι τυχαία και λέμε ότι συμβαίνουν αυθόρμητα.

Ας επιστρέψουμε, ωστόσο, στα σωματίδια και τα πεδία. Δυναμική ενέργεια μπορεί να προκύψει και κατά την αλληλεπίδραση τους. H ποσότητα δυναμικής ενέργειας μπορεί να περιγραφεί σε αναλογία με τη θέση της μπάλας στην κοιλότητα -το φρέαρ δυναμικού. Ανάλογα με την κατάσταση, το φρέαρ μπορεί να διαθέτει ή να μην διαθέτει ένα εξόγκωμα. Βέβαια, ίσως σας είναι δύσκολο να συνδέσετε ένα πεδίο με μια μπάλα σε μια κοιλότητα. Στην επιστήμη, ωστόσο, η χρήση αφηρημένων ακόνων είναι ευρέως διαδεδομένη. Στην ειδική περίπτωση μας, το ύψος της μπάλας από τον πυθμένα της κοιλότητας περιγράφει τη δυναμική ενέργεια του πεδίου.

Ας δούμε από κοντά τα πεδία Χιγκς. Τα πεδία αυτά μπορούν να υπάρχουν σε δύο καταστάσεις. Σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από ένα εκατομμύριο δισεκατομμυρίων βαθμών Κέλβιν, τα πεδία υπάρχουν ως μεμονωμένα στοιχειώδη σωματίδια. Καθώς η θερμοκρασία ελαττώνεται σ’ αυτή την οριακή τιμή, τα πεδία υφίστανται ό,τι οι φυσικοί αποκαλούν μετάβαση φάσης. Τα πεδία "συμπυκνώνονται", όπως συμβαίνει με το νερό όταν ψύχονται υπέρθερμοι ατμοί. Έτσι, παράγεται ένα "συμπύκνωμα" από πεδία Χιγκς, το οποίο είναι ανεξάρτητο από τη θέση στο χώρο ή το χρόνο. Το συμπύκνωμα δεν μπορεί με κανένα τρόπο να καταστραφεί στις νέες συνθήκες. Με άλλα λόγια, έχουμε ένα κενό ή, όπως λένε οι φυσικοί, έχει δημιουργηθεί το "νέο κενό".

H θέση της μπάλας στην κορυφή του κεντρικού εξογκώματος αντιστοιχεί στο "παλαιό κενό". Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, το σχήμα του φρέατος είναι διαφορετικό: η κλίση των πλευρών του αυξάνεται απότομα από το κέντρο, οπότε το σημείο αυτό είναι ένα σημείο ευσταθούς ισορροπίας της μπάλας. Ορισμένες φορές, το "παλαιό κενό" ονομάζεται "ψευδοκενό" ή "κατάσταση όμοια με κενό" (θα χρησιμοποιήσουμε συχνά τον τελευταίο όρο). Καθώς η θερμοκρασία ελαττώνεται, το φρέαρ μετατρέπεται σε κάτι που στο κέντρο του έχει εξόγκωμα.

O σχηματισμός του νέου κενού ισοδυναμεί με το κύλισμα της μπάλας προς το κατώτατο σημείο, δηλαδή, προς τη θέση της ελάχιστης ενέργειας στην "κοιλάδα" γύρω από το "λοφίσκο"- εξόγκωμα. H θέση αυτή σαφώς δεν είναι συμμετρική και η κατάσταση.που δημιουργείται είναι "ασύμμετρη".

Έτσι, τα πεδία Higs διαχωρίζονται σε ανόμοιες συνιστώσες. Μία συνιστώσα αντιστοιχεί σε ένα κβάντο, ένα σωματίδιο μεγάλης μάζας και μηδενικού σπιν (ιδιοστροφορμής), το οποίο απορροφάται από τα σωματίδια-φορείς, έτσι ώστε τα διανυσματικά μποζόνια να αποκτήσουν μάζα (δεν θα προσπαθήσω να εξηγήσω εδώ γιατί συμβαίνει αυτό). Την ίδια στιγμή, τα σωματίδια της ύλης, κουάρκ, ηλεκτρόνια κ.λπ., αποκτούν επίσης μάζα, επειδή αλληλεπιδρούν με το μη συμμετρικό συμπύκνωμα των πεδίων Χιγκς που έχει σχηματίσει το νέο (μη συμμετρικό) κενό. Το πώς και γιατί συμβαίνει αυτό είναι πολύ περίπλοκο και δεν αφορά το άρθρο αυτό.

Ας σημειωθεί ότι το φωτόνιο, ως φορέας μόνο των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, εξακολουθεί να μην έχει μάζα. Αυτές οι πολυσχιδείς συνέπειες οφείλονται στο "κύλισμα" των πεδίων Χιγκς σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, προς τη μη συμμετρική κατάσταση του νέου κενού.

Οι λεπτομέρειες για τις συμμετρικές και τις μη συμμετρικές θέσεις της μπάλας και για τα πεδία που "κατηφορίζουν" λόφους ενέργειας, ίσως ακούγονται πολύ αφηρημένες και "πέραν του κόσμου τούτου". Δυστυχώς, δεν μπορούμε να κάνουμε τίποτα γι’ αυτό. Πρέπει να επιστρατεύσετε την προσοχή και τη φαντασία σας ακόμη και για την πιο απλουστευμένη εξήγηση.

Μετά το "κύλισμα προς τα κάτω", οι φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης αποκτούν μάζα. Έτσι, η αλληλεπίδραση αυτή δρα σε πολύ μικρές αποστάσεις, ενώ το μηδενικής μάζας φωτόνιο συνεχίζει να εξασφαλίζει ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μεγάλης εμβέλειας. H προηγούμενη συμμετρία δεν είναι τώρα αναγνωρίσιμη. Αν και τόσο εμφανής στις υψηλές θερμοκρασίες, η συμμετρία έχει πια παραβιαστεί και είναι κρυμμένη.

Έτσι εξηγείται γιατί η αναγνώριση του γεγονότος αυτού από τους φυσικούς υπήρξε τόσο δύσκολη στις συνθήκες του σημερινού Σύμπαντος. Πάντως τα κατάφεραν! Το 1979, ο Stephen Weinberg, ο Sheldon Glashow και ο Αμπντούς Σαλάμ βραβεύτηκαν με Νόμπελ φυσικής για τη δημιουργία της ενοποιημένης θεωρίας της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης.

Οι λεπτομέρειες της εικόνας που σκιαγραφήθηκε παραπάνω δεν έχουν επιβεβαιωθεί όλες στον ίδιο βαθμό. Πα παράδειγμα, η αναζήτηση των μεγάλης μάζας σωματιδίων Χιγκς δεν υπήρξε μέχρι σήμερα επιτυχής. Τουλάχιστον ένα είδος από αυτά τα βαρέα σωματίδια πρέπει να επιζεί, σύμφωνα με την εξέλιξη που προτείνει η θεωρία, και πρέπει επομένως να υπάρχει στο σημερινό Σύμπαν. H πειραματική ανίχνευση του Higgs θα είναι εξαιρετικά δύσκολη, αλλά οι φυσικοί πιστεύουν πως τελικά θα στεφθεί με επιτυχία.

Ας στρέψουμε τώρα την προσοχή μας στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Σωματίδια που υφίστανται την ισχυρή αλληλεπίδραση – τα κουάρκ – αλλά και εκείνα που δεν την αντιλαμβάνονται – για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια – εμφανίζουν τελείως διαφορετική συμπεριφορά στην αλληλεπίδραση αυτή και, κατά συνέπεια, ο αμοιβαίος μετασχηματισμός τους μοιάζει αδύνατος.

Έχουμε ήδη αναφέρει ότι η ενοποιημένη ηλεκτρασθενής αλληλεπίδραση εκδηλώνεται σε θερμοκρασίες πάνω από ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν. Στις χαμηλότερες θερμοκρασίες, η αλληλεπίδραση διαχωρίζεται σε ηλεκτρομαγνητική και ασθενή. H ισχυρή αλληλεπίδραση (ή αλληλεπίδραση χρώματος) διάφερα αρκετά από αυτές τις δύο, ακόμη και στις υψηλές θερμοκρασίες, και δεν μοιάζει καθόλου με την ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση. Στις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις μετέχουν όλα τα σωματίδια, ενώ στην ισχυρή μόνο τα κουάρκ.

Καμιά από τις διαδικασίες που έχουμε εξετάσει μέχρι τώρα δεν μπορεί να οδηγήσει στο μετασχηματισμό, π.χ., ενός κουάρκ σε ηλεκτρόνιο ή ενός κουάρκ σε αντι-κουάρκ. Βέβαια, οι συγκρούσεις επαρκώς ενεργειακών ηλεκτρονίων ενδέχεται να δημιουργήσουν και κουάρκ αλλά μόνο σε ζεύγη με αντι-κουάρκ, έτσι ώστε ο συνολικός αριθμός των κουάρκ να είναι ίσος με το συνολικό αριθμό των αντι-κουάρκ. Παρόμοια, μια σύγκρουση ενός κουάρκ με ένα αντι-κουάρκ έχει σαν αποτέλεσμα την εξαΰλωση και το μετασχηματισμό τους σε άλλα σωματίδια. Όμως, σε κάθε περίπτωση, εξαϋλώνονται σε ζεύγη κουάρκ – αντικουάρκ και ποτέ μεμονωμένα.

Επομένως, στη φύση διατηρείται η διαφορά του αριθμού των κουάρκ και των αντι-κουάρκ. H διαφορά αυτή (για την ακρίβεια, η διαφορά διαιρούμενη διά 3) είναι γνωστή ως βαρυονικό φορτίο. Ως τώρα, το βαρυονικό φορτίο διαφυλασσόταν σε όλα τα πειράματα φυσικής. Όμως, είναι άραγε δυνατόν σε πολύ υψηλές ενέργειες, μεγαλύτερες από εκείνες, τις πραγματικά πολύ υψηλές, που έχουμε μέχρι τώρα εξετάσει, να πραγματοποιηθούν αντιδράσεις στις οποίες το βαρυονικό φορτίο να μην διατηρείται, με άλλα λόγια, αντιδράσεις αδύνατες σε χαμηλότερες ενέργειες; (τις οποίες, επομένως, οι φυσικοί δεν θα μπορούν να ανακαλύψουν)

Σύμφωνα με τη θεωρία, τέτοιες διαδικασίες είναι δυνατές αλλά μόνο σε αφάνταστα υψηλές ενέργειες.
Εξετάσαμε ενέργειες σωματιδίων σε θερμοκρασία ενός εκατομμυρίου δισεκατομμυρίων βαθμών Κέλβιν. Τώρα, πρέπει να προχωρήσουμε σε θερμοκρασίες και ενέργειες ακόμη μεγαλύτερες κατά έναν παράγοντα χιλίων δισεκατομμυρίων.

Τι συμβαίνει σε τόσο υψηλές ενέργειες;

Πρώτα απ’ όλα, σημειώστε ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια, τόσο μικρότερη είναι η απόσταση στην οποία ένα σωματίδιο μπορεί να πλησιάσει ένα άλλο κατά τη σύγκρουση τους.

Έχει δειχθεί ότι στις απειροελάχιστες αποστάσεις, που είναι κατά ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια φορές μικρότερες από το μέγεθος του ατομικού πυρήνα (δηλαδή σε ενέργειες που αντιστοιχούν σε θερμοκρασία ενός δισεκατομμυρίου δισεκατομμυρίων δισεκατομμυρίων βαθμών Κέλβιν), τα τρία είδη αλληλεπίδρασης -η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής και η ισχυρή- πρέπει να είναι εξίσου ενεργά και να χάνουν την ιδιαιτερότητα τους.

Σε ενέργειες μεγαλύτερες αυτής της τιμής (ενός δισεκατομμυρίου δισεκατομμυρίων δισεκατομμυρίων βαθμών Κέλβιν), πρέπει να ισχύει η Μεγάλη (παγκόσμια) Αλληλεπίδραση.

Σε ενέργειες τόσο υψηλές, δημιουργούνται μεγάλες ποσότητες από νέα σωματίδια: σωματίδια φορείς της παγκόσμιας αλληλεπίδρασης. Οι μάζες τους είναι κατά χίλια δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από εκείνες των ενδιάμεσων μποζονίων που εξετάσαμε σε σχέση με την ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση. Σωματίδια τόσο βαριά μπορούν να δημιουργηθούν μόνο σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες. Δεν έχουμε αναφέρει τα σωματίδια αυτά προηγουμένως, επειδή βρισκόμασταν στο βασίλειο των χαμηλότερων ενεργειών.

Οι ιδιότητες των φορέων της παγκόσμιας αλληλεπίδρασης είναι πραγματικά εκπληκτικές: μπορούν να μετασχηματίζουν κουάρκ σε άλλα σωματίδια και αντίστροφα, καθώς και κουάρκ σε αντι-κουάρκ. Τώρα πια, οι διαφορές των κουάρκ και των σωματιδίων, όπως τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα, που είναι τόσο έντονες στις χαμηλές θερμοκρασίες, αμβλύνονται και όλα τα σωματίδια εμφανίζονται ως διαφορετικές εκδηλώσεις του ίδιου "υπερ-σωματιδίου". H εξαφάνιση των διαφορών σηματοδοτεί την άφιξη μιας νέας συμμετρίας ανώτερης τάξης: της συμμετρίας της Μεγάλης Ενοποίησης.

Εκτός από τα σωματίδια που συναντήσαμε προηγουμένως, στις υψηλές θερμοκρασίες που έχουμε αναφέρει, υπάρχει ένα άλλο σύνολο σωματιδίων Χιγκς (σωματίδια που δεν είναι ταυτόσημα με εκείνα που μελετήσαμε νωρίτερα). Καθώς η θερμοκρασία ελαττώνεται κάτω από το κατώφλι της Μεγάλης Ενοποίησης, ενεργοποιείται ο ήδη γνωστός μηχανισμός Χιγκς που σπάει τη συμμετρία – αυτή τη φορά, τη συμμετρία της Μεγάλης Ενοποίησης. H διαφορά είναι ότι τώρα αυτό συμβαίνει στα νέα σωματίδια Χιγκς.

Σε θερμοκρασίες υψηλότερες από το σημείο της Μεγάλης Ενοποίησης, τα σωματίδια Χιγκς είναι ελεύθερα. Καθώς η θερμοκρασία ελαττώνεται, σχηματίζεται ένα νέο συμπύκνωμα του πεδίου Χιγκς. Πρόκειται για τη νέα κατάσταση ελάχιστης ενέργειας του συστήματος, με άλλα λόγια, για ένα άλλο είδος κενού -το τρίτο κατά σειρά.

Διαφορετικά είδη κενού ή, μάλλον, διαφορετικές "καταστάσεις όμοιες με κενό" διαθέτουν διαφορετικές πυκνότητες ενέργειας. Το αποτέλεσμα του σχηματισμού του συμπυκνώματος Xiγκς είναι ότι οι φορείς της παγκόσμιας αλληλεπίδρασης αποκτούν μάζα, γίνονται υπερ-βαρείς, και είναι αδύνατο να δημιουργηθούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. H ενοποιημένη αλληλεπίδραση διαχωρίζεται τώρα στην ισχυρή και την ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση.

Είδαμε, λοιπόν, ότι καθώς η ενέργεια (και η θερμοκρασία) αυξάνεται, διαφορετικά είδη αλληλεπίδρασης, εντελώς ανόμοια στις συνήθεις συνθήκες, αποκτούν παρόμοια χαρακτηριστικά και έπειτα συγχωνεύονται σε μια ενοποιημένη αλληλεπίδραση.

Άρα, στην εποχή μας, πραγματοποιείται το όνειρο του Αϊνστάιν: το όνειρο της ενοποίησης όλων των δυνάμεων στο Σύμπαν. Στις ενέργειες της Μεγάλης Ενοποίησης τρεις δυνάμεις, η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής και η ισχυρή, συντήκονται σε μία. H μόνη δύναμη που έχει ως τώρα μείνει έξω από την ενοποίηση, είναι η βαρυτική δύναμη, η οποία δρα σε όλες τις μορφές ύλης. Το μόνο που απομένει ακόμη είναι η ενοποίηση – σε κάποιες απίστευτα υπερ-υψηλές ενέργειες – της βαρυτικής δύναμης με τη μία δύναμη της Μεγάλης Ενοποίησης. Δυστυχώς, έχει αποδειχθεί ότι αυτό το τελευταίο βήμα είναι το πιο δύσκολο για τη θεωρία.

Επειδή οι προσπάθειες των θεωρητικών να ενοποιήσουν τη βαρυτική δύναμη με τις άλλες δυνάμεις στο Σύμπαν είναι χρονοβόρες και πολύπλοκες, υπενθυμίζουμε μερικά απλά πράγματα: ο χαρακτήρας του βαρυτικού πεδίου είναι στην ουσία γεωμετρικός: πρόκειται για την καμπυλότητα του χωροχρόνου. Είναι αναγκαίο να προσθέσουμε ότι σε κατάλληλες συνθήκες το βαρυτικό πεδίο μπορεί, όπως και το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, να εκδηλώσει κβαντικές ιδιότητες.

Θυμόμαστε ότι τα κβάντα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι τα φωτόνια. Τα κβάντα του βαρυτικού πεδίου είναι τα γκραβιτόνια – υποθετικά σωματίδια που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί -, τα οποία δρουν ως φορείς της βαρυτικής αλληλεπίδρασης. Όπως τα φωτόνια, τα γκραβιτόνια διαθέτουν μηδενική μάζα ηρεμίας και κινούνται πάντοτε με την ταχύτητα του φωτός.

Πηγή: αποσπάσματα από το βιβλίο Το Ποτάμι του Χρόνου, του Igor Novikov, από τις εκδόσεις ΤΡΑΥΛΟΣ

(από physics4u)