Tα πειράματα στο CERN και το σωματίδιο Higgs : Θεωρίες της Φυσικής και Βιβλική Κοσμολογία σε θέση αντίθεση και σύνθεση - Τακαρίδης Γεώργιος (1)

Τακαρίδης Γιώργος

ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ CERN ΚΑΙ

ΤΟ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ HIGGS

ΘΕΩΡΙΕΣ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΒΙΒΛΙΚΗ

ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ ΣΕ ΘΕΣΗ ΑΝΤΙΘΕΣΗ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΣΗ

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

που υποβλήθηκε στο Τμήμα Ποιμαντικής και

Κοινωνικής Θεολογίας του Α.Π.Θ.

ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2012

Σε όλους εκείνους που αναζητούν

τη βαθύτερη συνάντηση

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

ΠΡΟΛΟΓΟΣ 

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ:
ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ CERN ΚΑΙ Η ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟΥ HIGGS

1.1. Σύντομη παρουσίαση του CERN
1.2. Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο CERN κατά το παρελθόν
1.3. Η περίπτωση του σωματιδίου Higgs
I. Η σχέση του σωματιδίου Higgs με το Καθιερωμένο Πρότυπο
II. Η προ του LHC (Large Hadron Collider) κατάσταση
III. Η κατάσταση από την έναρξη του LHC μέχρι σήμερα
1.4. Άλλα πειράματα που διεξάγονται σήμερα στο CERN

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ:
ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ ΠΡΟΣ ΤΟ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ HIGGS

2.1. Η μάζα και η ύλη για τη Φυσική
I. Οι κλασικές αντιλήψεις για την έννοια της μάζας
II. Οι σύγχρονες αντιλήψεις για την έννοια της μάζας
2.2. Οι δύο «γλώσσες» της Επιστήμης
2.3. Η πορεία προς το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)
2.4. Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard model)
I. Σύντομη παρουσίαση των σωματιδίων του Προτύπου
II. Τα εικονικά σωματίδια του μοντέλου ή οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των υλικών σωματιδίων
2.5. Η ενοποίηση των δυνάμεων
2.6. Οι συμμετρίες στη Φύση και η ρήξη τους
2.7. Το σωματίδιο Higgs
I. Τα αναγκαία μαθηματικά προσόντα μιας φυσικής θεωρίας για την
περιγραφή της μικροσκοπικής δομής της ύλης
II. Τα μαθηματικά προσόντα του μηχανισμού Higgs
III. Ποιοτική προσέγγιση της δράσης του πεδίου – σωματιδίου Higgs
IV. Τελικά τι είναι τα σωματίδια Higgs, τι η μάζα και τι η ύλη;

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ:
Η ΒΙΒΛΙΚΗ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΟΙ ΕΡΜΗΝΕΙΕΣ ΤΩΝ ΠΑΤΕΡΩΝ

3.1. Η Παλαιά Διαθήκη – Ο ιδιαίτερος χαρακτήρας της
3.2. Η Βιβλική Κοσμολογία
I. Ο ιδιαίτερος χαρακτήρας του βιβλίου της Γενέσεως
II. Η διήγηση της δημιουργίας
3.3. Προϋποθέσεις προσέγγισης – κατανόησης και ερμηνείας της διήγησης της Γενέσεως
3.4. Η «επιστημονικότητα» της δια του θείου φωτισμού προσέγγισης – κατανόησης και ερμηνείας της διήγησης της Γενέσεως
3.5. «Ἐν ἀρχῇ ἐποίησεν ὁ θεὸς τὸν οὐρανὸν καὶ τὴν γῆν. Ἡ δὲ γῆ ἦν ἀόρατος καὶ ἀκατασκεύαστος…»
I. «Ἐν ἀρχῇ ἐποίησεν ὁ θεὸς»
II. «τὸν οὐρανὸν καὶ τὴν γῆν»
III. «Ἡ δὲ γῆ ἦν ἀόρατος καὶ ἀκατασκεύαστος…»

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ
ΑΝΤΙΘΕΣΗ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΣΗ

4.1. Διάκριση νοερών και αισθητών δημιουργημάτων – κτιστής και
Άκτιστης φύσης
4.2. Τα όρια των δύο Επιστημών. Αντίθεση και σύνθεση

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Πηγές – Έργα πατέρων και εκκλησιαστικών συγγραφέων
Βοηθήματα
Α. Θεολογίας – Φιλοσοφίας
Β. Φυσικής – Φιλοσοφίας της Φυσικής
Γ. WEB

ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Πολλά έχουν ακουστεί και άλλα τόσα έχουν γραφεί για το σωματίδιο Higgs που εκλαϊκευμένα αποκαλείται «σωματίδιο του Θεού» ή εντελώς λανθασμένα από κάποιους «σωματίδιο Θεός». Η εργασία αυτή φιλοδοξεί, αφενός να ρίξει φως στο σωματίδιο από την επιστημονική του πλευρά και αφετέρου να προχωρήσει στην θέαση του νέο–αποκαλυπτόμενου κόσμου των στοιχειωδών σωματιδίων από θεολογικής πλευράς. Από κάποιους επιστήμονες –όχι Φυσικούς– άκουσα να λέγεται «άντε να βρεθεί και αυτό το σωματίδιο και τέρμα οι παπάδες, τέρμα και τα μανουάλια!». Θα μπορούσε άραγε η ανακάλυψη ενός σωματιδίου να κλονίσει την παρουσία του Θεού μέσα στον κόσμο;

Η αφορμή για την συγγραφή της εργασίας αυτής δόθηκε στην πρώτη μου κιόλας επαφή με τη Θεολογική Σχολή, όταν για να εισαχθώ στα προγράμματα μεταπτυχιακών σπουδών του Τμήματος Κοινωνικής και Ποιμαντικής Θεολογίας έπρεπε ως πτυχιούχος της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ. εκτός των άλλων τυπικών διαδικασιών, να περάσω από συνέντευξη. Ο τότε πρόεδρος του Τμήματος κ. Χρήστος Οικονόμου ευθύς εξαρχής μου έθεσε την ερώτηση εάν ως φυσικός θα μπορούσα να ασχοληθώ με το θέμα του σωματιδίου Higgs και εν πάση περιπτώσει «ποιος αέρας» θα μπορούσε να οδηγήσει έναν φυσικό στην Θεολογική Σχολή. Ως προς το πρώτο σκέλος του απάντησα πως δεν ήμουν βέβαιος εκ των προτέρων για την έκβαση ενός τέτοιου εγχειρήματος. Ως προς το δεύτερο δε, του είπα: «οι φυσικοί στο CERN ψάχνουν μέσα από τη συνάντηση των άψυχων σωματιδίων να ανακαλύψουν το σωματίδιο του Θεού. Εγώ στην Θεολογική ήρθα για να βρω πώς οι θεολόγοι μέσα από τη συνάντηση των προσώπων ανακαλύπτουν τον ίδιο τον Θεό». Τώρα που έφτασα στο τέλος αυτού του πονήματος, μπορώ να πω με βεβαιότητα πως το πρώτο (η έρευνα των φυσικών) είναι κάτι πολύ συναρπαστικό· σε γεμίζει με θαυμασμό, με έκπληξη, με δέος για τα μυστήρια της Φύσης. Το δεύτερο σε ολοκληρώνει ως άνθρωπο, σε καθιστά αληθινό πρόσωπο στο βαθμό βέβαια που μετέχεις και βιώνεις μία αυθεντική συνάντηση, συνύπαρξη, κοινωνία προσώπων, ανθρώπων και Θεού.

Τι είναι όμως αυτό που δημιούργησε ένα τέτοιου είδους κλίμα γύρω από ένα σωματίδιο; Από την αρχή πρέπει να τονιστεί πως ο 83χρονος σήμερα Βρετανός φυσικός Peter Higgs, εμπνευστής τού περιβόητου σωματιδίου,  είναι όχι μόνο διαμετρικά αντίθετος με τον χαρακτηρισμό «σωματίδιο του Θεού», αλλά και ιδιαίτερα ενοχλημένος, όπως άλλωστε και πολλοί άλλοι επιστήμονες. Για την ιστορία του πράγματος αναφέρω πως η ονομασία αυτή πρωτοακούστηκε, όταν κυκλοφόρησε το βιβλίο του νομπελίστα φυσικού Λέον Λέντερμαν (Leon Lederman) “The God Particle”: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? («Το Σωματίδιο του Θεού: Αν το Σύμπαν είναι η απάντηση, τότε ποια είναι η ερώτηση;») που εκδόθηκε το 1993. Λέγεται ότι ο Λέντερμαν παραδέχτηκε πως του ασκήθηκαν πιέσεις από τους εκδότες του βιβλίου, ώστε ο τίτλος του να γίνει πιο προκλητικός και επομένως πιο ελκυστικός, ενώ ο ίδιος είχε προτείνει τον τίτλο “The Goddamn Particle”, «το καταραμένο σωματίδιο». Όπως και αν έχει το πράγμα, τελικά η ονομασία αυτή καθιερώθηκε, χρησιμοποιήθηκε και χρησιμοποιείται ακόμη και από επιστήμονες (όχι βέβαια σε επιστημονικές εργασίες), έστω και αν αυτό γίνεται για λόγους μάρκετινγκ –όπως πολλοί τους κατηγορούν–, έστω και αν με τον τρόπο αυτό προσπαθούν να δικαιολογηθούν έμμεσα τα τεράστια χρηματικά ποσά που δαπανώνται για τη λειτουργία των εγκαταστάσεων ανά τον κόσμο, όπου πραγματοποιούνται πειράματα για τον εντοπισμό του.

Υπάρχει τελικά κάποιος ιδιαίτερος λόγος για να μπορέσει να συντηρηθεί όλη αυτή η φιλολογία περί του σωματιδίου πέραν των παραπάνω; Ενώ πράγματι σε κάποιο βαθμό έχει προκληθεί υπερβολικός θόρυβος, το σωματίδιο αυτό έχει κάποια ιδιαιτερότητα, όπως διεξοδικά αναλύεται στην εργασία. Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) αποτελεί μία σχεδόν πλήρη θεωρία για την περιγραφή του κόσμου των στοιχειωδών σωματιδίων, ατομικών και υποατομικών. Στην πρωταρχική μορφή του μοντέλου οι μαθηματικές εξισώσεις που περιέγραφαν την συμπεριφορά όλων των στοιχειωδών σωματιδίων δεν προέβλεπαν τη μάζα τους. Στη μαθηματική – θεωρητική θεμελίωσή τους εμφανίζονται ως «άμαζα»1, γεγονός που συγκρούεται ευθέως με την καθημερινή εμπειρία. Ο Higgs λοιπόν, πριν από περίπου 50 χρόνια, ήταν αυτός που επινόησε θεωρητικά μία φυσική διαδικασία για το πώς τα σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους και στη συνέχεια την επεξεργάστηκε μαθηματικά, ώστε να δώσει ένα πλήρες μοντέλο περιγραφής. Με τον τρόπο αυτό προσπάθησε να καλύψει το κενό περί της μάζας των σωματιδίων σε θεωρητικό επίπεδο. Η  ορθότητα του μοντέλου Higgs ωστόσο έπρεπε να επιβεβαιωθεί και πειραματικά, κάτι που είναι αναγκαίο και επιβεβλημένο στην Επιστήμη, ώστε να καταλήξει σε οριστικά συμπεράσματα. Κεντρικό στοιχείο του μοντέλου Higgs είναι το ομώνυμο σωματίδιο, το οποίο αλληλεπιδρώντας με τα άμαζα αρχικά σωματίδια, είναι αυτό που τελικά τους προσδίδει μάζα. Η υλική μας υπόσταση είναι τόσο προφανής, τόσο αδιαμφισβήτητη από τις αισθήσεις και την εμπειρία μας, ώστε προκαλεί και τον πλέον αδιάφορο η πεποίθηση της Επιστήμης ότι στα πρώτα στάδια της ζωής του σύμπαντος τα πάντα ήταν «άϋλα»2, υπήρχε μόνο ενέργεια και απαιτούνταν κάποιος «μηχανισμός» ή κάποιο σωματίδιο, που θα οδηγούσε στην «ενύλωση» των αρχικά ενεργειακών οντοτήτων.

Τον περασμένο Ιούλιο ανακοινώθηκε η ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου με ιδιότητες παρόμοιες με αυτές που προβλέπει η θεωρία για το σωματίδιο Higgs. Πριν από έναν μόλις μήνα δημοσιεύτηκαν οι εργασίες σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά. Απομένει ένας ενδελεχής έλεγχος για την ταυτοποίηση τού σωματιδίου. Ακόμη και αν δεν ταυτοποιηθεί το σωματίδιο Higgs, θα ταυτοποιηθεί κάποιο νέο με παρόμοιες ιδιότητες. Η Επιστήμη προχωρά και θα εξακολουθήσει να προχωρά. Αργά ή γρήγορα ο «μηχανισμός» Higgs ή κάποιος άλλος θα δώσει την ερμηνεία για το πώς έγινε η μετάβαση από τις ενεργειακές οντότητες στις αντίστοιχες υλικές. Πρόκειται για έναν μηχανισμό της Φύσης ή καλύτερα για μία λειτουργία της. Για έναν νόμο της. Για έναν λόγο που ενυπάρχει σ’ αυτήν.

Για την Ορθόδοξη Θεολογία δεν τίθεται θέμα αποδοχής ή απόρριψης του σωματιδίου, ούτε κάποιος κρυφός φόβος ότι τάχα θα έχανε την ισχύ της ή την εγκυρότητά της ή θα κλονιζόταν τα θεμέλιά της. Αλήθεια, εάν αυτό το σωματίδιο είναι του Θεού, τότε τα άλλα τίνος είναι; Ακόμη και όταν πρόκειται γι’ αυτό το σωματίδιο που έχει τις συγκεκριμένες ιδιότητες.

Οφείλω βαθύτατες ευχαριστίες στον καλό Θεό, που μου έδωσε την ευκαιρία να ασχοληθώ συστηματικά με το θέμα αυτό, με φώτισε και με βοήθησε να ξεκαθαρίσω έννοιες λεπτές τόσο από πλευράς Επιστήμης όσο και από πλευράς της Βιβλικής θεολογίας και της αστείρευτης πατερικής παράδοσης. Ευχαριστίες οφείλω στον σύμβουλο καθηγητή μου κ. Αθανάσιο Παπαρνάκη, ο οποίος μου προσέφερε απεριόριστη ελευθερία στην έρευνά μου, διαρκή ηθική στήριξη και επιστημονική, κάθε φορά που την χρειαζόμουνα. Εύχομαι ο καλός Θεός να του ανταποδώσει πλουσίως το καλό που μου έκανε. Ευχαριστίες οφείλω στους καθηγητές του Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων της Σχολής Θετικών Επιστημών του Τμήματος Φυσικής του Α.Π.Θ. κ.κ. Αναστάσιο Λιόλιο και Χρήστο Ελευθεριάδη, για τη συνεργασία που είχαμε στο μάθημα των στοιχειωδών σωματιδίων του μεταπτυχιακού προγράμματος του Τμήματός τους, καθώς και για τις συζητήσεις και τους προβληματισμούς που μοιράστηκαν μαζί μου. Ευχαριστίες οφείλω στον ομότιμο καθηγητή Θεωρητικής Φυσικής του Α.Π.Θ. κ. Γεώργιο Γούναρη για την αγάπη με την οποία με περιέβαλε και με στήριξε στην προσπάθειά μου να ερμηνεύσω κάποιες λεπτές θεωρητικές έννοιες για τα στοιχειώδη σωματίδια. Ευχαριστίες οφείλω στον καθηγητή του Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων κ. Γεώργιο Κίτη για τους φιλοσοφικούς και θεολογικούς προβληματισμούς, που αντάλλαξε μαζί μου πάνω σε θέματα της Επιστήμης και των ερευνητικών του προγραμμάτων. Ευχαριστίες οφείλω στον καθηγητή Αστρονομίας του Α.Π.Θ. κ. Σταύρο Αυγολούπη για τις πολύ χρήσιμες συζητήσεις μας πάνω σε θέματα Φυσικής, Φιλοσοφίας, Αστρονομίας και Θεολογίας. Τέλος ευχαριστίες από βάθους καρδίας οφείλω και σε όλους όσοι αφανώς και αδιαλείπτως με αγκαλιάζουν με την αγάπη τους και τις ευχές τους.

Κλείνοντας, παρακαλώ τους μη σχετικούς με το χώρο της Φυσικής να κάνουν λίγη υπομονή διαβάζοντας το τμήμα της εργασίας που παραθέτει τις έννοιές της. Προσπάθειά μου ήταν να μη γίνει μία ξερή παράθεση εννοιών και πληροφοριών, αλλά η όλη ανάπτυξη να αποτελεί μία συνεπή ακολουθία νοημάτων, που οδηγούν κατά το δυνατό στις λεπτές και για τη Φυσική έννοιες του σωματιδίου Higgs, της μάζας των σωμάτων, της ενέργειας και της μεταξύ τους σχέσης. Εύχομαι και ελπίζω το ταπεινό αυτό πόνημα να φωτίζει έστω και λίγο το παρεξηγημένο για πολλούς θέμα του «σωματιδίου του Θεού» και της σχέσης που μπορεί να έχει η επιστήμη της Φυσικής με την Θεολογία.

Γιώργος Τακαρίδης

Οκτώβριος 2012

Σημειώσεις
1. Η έκφραση "άμαζο σωματίδιο", όσο και αν ηχεί παράξενα, αποτελεί μια πολύ συγκεκριμένη έννοια στη σχετικιστική κβαντομηχανική, δηλαδή την κβαντομηχανική που ενσωματώνει την ειδική θεωρία σχετικότητας του Einstein. Βλ. Τράκας Ν., «Τι είναι, επί τέλους, αυτό το σωματίδιο higgs;», διαθέσιμο στο http://www.physics.ntua.gr/POPPHYS/articles/higgs.html
2. Για την λέξη άϋλα χρησιμοποιούνται εισαγωγικά, διότι όπως αναπτύσσεται επαρκώς στη μελέτη αυτή, οι ενεργειακές οντότητες των πρώιμων σταδίων του σύμπαντος ήταν εξίσου υλικές, αν και δεν είχαν εμφανίσει ακόμα τα στοιχεία εκείνα που πιστοποιούσαν την υλική τους υπόσταση.

Συνεχίζεται

ΕΙΝΑΙ ΑΚΡΙΒΩΣ ΤΟ ΜΥΣΤΗΡΙΟ ΤΗΣ ΘΕΟΓΟΝΙΑΣ ΤΟΥ ΗΣΙΟΔΟΥ, ΤΗΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΑΠΟ ΠΡΟΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΥΛΗ ΟΠΩΣ ΕΙΧΕ ΕΠΙΚΡΑΤΗΣΕΙ ΝΑ ΟΝΟΜΑΖΕΤΑΙ ΓΙΑ ΝΑ ΔΙΑΚΡΙΘΕΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΚ ΤΟΥ ΜΗΔΕΝΟΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΧΡΙΣΤΙΑΝΙΣΜΟΥ.
ΤΟ ΘΕΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΣΤΗΝ ΚΤΙΣΗ ΕΙΝΑΙ Ο ΝΟΥΣ ΚΑΙ ΕΙΝΑΙ ΜΕΣΑ ΜΑΣ ΚΑΙ ΕΞΩ ΜΑΣ.