Συνέχεια από Δευτέρα, 27 Ιουλίου 2020
2.5. Η ενοποίηση των δυνάμεων
Στην ιστορία της Επιστήμης οι θεμελιώδεις δυνάμεις δεν ήταν μόνο οι τέσσερις που περιγράφηκαν. Πριν από τον Νεύτωνα οι βαρυτικές δυνάμεις που καθόριζαν τις κινήσεις των ουρανίων σωμάτων και οι αντίστοιχες επί της Γης θεωρούνταν διαφορετικές. Με τις εξισώσεις του Νεύτωνα για τη βαρύτητα πραγματοποιήθηκε η πρώτη ενοποίηση στα τέλη του 17ου αιώνα (1686). Η βαρύτητα συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο παντού. Η ουράνια και η επίγεια μηχανική ενοποιήθηκαν117. Δύο αιώνες αργότερα ακολούθησε η δεύτερη μεγάλη ενοποίηση του ηλεκτρισμού με το μαγνητισμό. Ο Maxwell στα 1872 κατάφερε με τις περίφημες εξισώσεις του να δείξει την κοινή συμπεριφορά των ηλεκτρικών και των μαγνητικών δυνάμεων που θεωρούνταν μέχρι τότε διαφορετικές, θεμελιώνοντας την ηλεκτρομαγνητική θεωρία. Δεν υπάρχουν πλέον ο μαγνητισμός και ο ηλεκτρισμός ως ανεξάρτητες φυσικές πραγματικότητες με τις αντίστοιχες θεωρίες που περιγράφουν τη συμπεριφορά τους, αλλά μία φυσική πραγματικότητα που περιγράφεται από τη μία ενιαία θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού. Οι συμπεριφορές εκείνες που μοιάζουν μόνο ηλεκτρικές ή μόνο μαγνητικές αποτελούν πλέον κάποιες επιμέρους περιπτώσεις της ενιαίας θεωρίας.
Μετά από τις δύο αυτές σπουδαίες ενοποιήσεις πραγματοποιήθηκαν και άλλες σε διαφορετικές έννοιες της φυσικής πραγματικότητας, όπως για παράδειγμα ο χώρος με τον χρόνο. Με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein ο χώρος δε μπορεί πλέον να νοηθεί χωρίς το χρόνο. Δε δημιουργήθηκε το Σύμπαν σε κάποια χρονική στιγμή ούτε και ο χρόνος άρχισε να τρέχει κάποτε μέσα σε ένα ήδη υπάρχον Σύμπαν. Καθίστανται έννοιες αλληλένδετες, ώστε να μη μπορεί να υπάρχει ο χώρος χωρίς τον χρόνο και αντίστροφα. Κατόπιν αυτών που αποτελούσαν μείζονος σπουδαιότητας ενοποιήσεις αλλά και κάποιων άλλων ίσως όχι τόσο σημαντικών, σε συνδυασμό με την ιδέα ότι το απλούστερο είναι και κομψότερο, σε κάποιο βαθμό δικαιολογημένα κυριάρχησε η σκέψη ότι δε μπορεί οι θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση να είναι τέσσερις. Δε μπορεί να υπάρχουν τέσσερις ξεκομμένοι χώροι που απαιτούν διαφορετικές ερμηνείες τη στιγμή μάλιστα που οι χώροι αυτοί στη φυσική πραγματικότητα είναι αλληλένδετοι. Μπορεί η Επιστήμη να προσεγγίζει τα φαινόμενα και να δίνει απαντήσεις στις διάφορες ερωτήσεις που τίθενται για τον κάθε χώρο ανεξάρτητα, δεν είναι όμως η προσέγγιση αυτή απολύτως ικανοποιητική, εάν πράγματι υπάρχει μία βαθύτερη θεωρία που δίνει ερμηνεία σε όλους τους χώρους ταυτόχρονα. Από φυσικής απόψεως θεωρείται πιο λογικό να υπάρχει μία κοινή βάση από την οποία προέρχονται οι τέσσερις διαφορετικές δυνάμεις σαν διαφορετικές όψεις του ιδίου νομίσματος. Έτσι έγιναν και εξακολουθούν να γίνονται προσπάθειες για την εξεύρεση της μιας και μοναδικής δύναμης της φύσης, η οποία εμφανίζει τέσσερα επιμέρους πρόσωπα στη σημερινή φυσική πραγματικότητα118.
Ακριβώς έναν αιώνα μετά την ενοποίηση του ηλεκτρισμού με το μαγνητισμό, οι Glashow, Salam και Weinberg στα 1967 – 1968 πρότειναν την ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών με τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις κάτω από μία ενιαία θεωρία η οποία ονομάστηκε ηλεκτρασθενής και ουσιαστικά θεμελίωνε το Καθιερωμένο Πρότυπο119. Επικαλέστηκαν μία διαδικασία που ονομάστηκε «αυθόρμητη ρήξη συμμετρίας»120, σύμφωνα με την οποία τα σωματίδια – φορείς των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων σε υψηλές ενέργειες εμφανίζουν την ίδια ακριβώς συμπεριφορά με τον φορέα των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, το φωτόνιο. Στις ενέργειες αυτές υπάρχει λοιπόν συμμετρία – ομοιομορφία τέτοια, ώστε δεν είναι δυνατό να γίνει διάκριση μεταξύ των δύο τύπων σωματιδίων. Για την ακρίβεια δεν πρόκειται καν για δύο τύπους σωματιδίων, αλλά για ένα μόνο σωματίδιο. Το ένα και μοναδικό σωματίδιο, μετά την ρήξη της ομοιομορφίας – συμμετρίας σε χαμηλότερες τιμές ενέργειας, εμφανίζει τόσο διαφορετικές συμπεριφορές ώστε δίνει την εντύπωση πως πρόκειται για εντελώς διαφορετικά σωματίδια. Έτσι τα σωματίδια – φορείς των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων τα W και Ζ, έχουν πολύ μεγάλες μάζες και πολύ μικρή εμβέλεια, ενώ ο φορέας των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, το φωτόνιο είναι άμαζο και έχει άπειρη εμβέλεια. Αυτό συμβαίνει μετά το σπάσιμο της συμμετρίας· προηγουμένως, τα τόσο διαφορετικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων σωματίδια δεν είναι πολλά αλλά ένα και το αυτό. Αυτό το φαινομενικά παράδοξο γεγονός ερμηνεύεται, σύμφωνα με το μοντέλο των Glashow, Salam και Weinberg, το οποίο θεωρεί τα σωματίδια – φορείς –των δύο σήμερα διαφορετικών δυνάμεων αλληλεπίδρασης– ως τις δύο όψεις του ιδίου νομίσματος. Στις χαμηλότερες τιμές ενέργειας που επικρατούν στη σημερινή κατάσταση του σύμπαντος, τα σωματίδια – φορείς εμφανίζουν διαφορετικές συμπεριφορές, το καθένα στο πεδίο δράσης του. Σε υψηλότερες όμως ενεργειακά καταστάσεις αυτά δείχνουν όχι μόνο ότι έχουν κοινή προέλευση, αλλά ότι πρόκειται για το ίδιο σωματίδιο. Τέτοιες υψηλότερες ενεργειακά καταστάσεις επικρατούσαν στα πρώιμα στάδια της ζωής του σύμπαντος, σύμφωνα με το μοντέλο του Big Bang. Ο Hawking ερμηνεύει αυτήν την παράξενη φαινομενικά συμπεριφορά των σωματιδίων δίνοντας το παράδειγμα της ρουλέτας. Όταν η ρουλέτα περιστρέφεται γρήγορα, η μπίλια έχει αρκετή ενέργεια και συμπεριφέρεται με έναν μόνο τρόπο καθώς στριφογυρίζει μέσα στη ρουλέτα. Όταν όμως η ενέργεια περιστροφής της ρουλέτας μειωθεί, τότε η μπίλια πηγαίνει και καταλαμβάνει μία από τις τριάντα επτά εγκοπές. Εάν εμείς δεν είχαμε τρόπο να δώσουμε ενέργεια στη ρουλέτα ώστε η μπίλια να περιστρέφεται, και παρατηρούσαμε πολλές διαφορετικές ρουλέτες, μετά το τέλος της πολύ προσεκτικής έρευνάς μας θα καταλήγαμε στο συμπέρασμα πως υπάρχουν τριάντα επτά είδη μπίλιας!121
Πάνω στην ίδια ιδέα βασίστηκε η ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών με τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις στο Καθιερωμένο Πρότυπο από τους Salam και Weinberg. Το μαθηματικό μοντέλο πριν τη ρήξη της συμμετρίας υποδείκνυε μία οντότητα, ενώ μετά τη ρήξη της συμμετρίας υποδείκνυε τρεις επιπλέον οντότητες. Έτσι υπέθεσαν ότι μαζί με το φωτόνιο υπάρχουν τρία ακόμη σωματίδια, τρία βαριά διανυσματικά μποζόνια, τα οποία αποτελούν τους φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Πρόκειται για τα σωματίδια W+, W- και Ζ, των οποίων η μάζα υπολογίστηκε θεωρητικά γύρω στα 100 GeV. Αν θα μπορούσαμε να δώσουμε αυτήν την ενέργεια, θα ελέγχαμε αρχικά τουλάχιστον την αλήθεια του Καθιερωμένου Προτύπου, δηλαδή την ύπαρξη των τριών σωματιδίων που προβλέπει το θεωρητικό μοντέλο. Η επιβεβαίωση της απόλυτης ταύτισης των βαρέων μποζονίων με το φωτόνιο απαιτεί πολύ πιο υψηλές ενέργειες, περίπου 10^17eV, δηλαδή περίπου ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από αυτήν που απαιτείται για την ανίχνευσή τους122. Όταν πρωτοδιατυπώθηκε η θεωρία αυτή, λίγοι επιστήμονες της έδωσαν σημασία. Οι τεχνικές δυνατότητες των επιταχυντών που λειτουργούσαν εκείνη την εποχή δεν επέτρεπαν τον έλεγχό της, διότι δεν ήταν εφικτό ακόμα να δοθούν ενέργειες του απαιτούμενου επιπέδου· δεν αρκούσαν ούτε καν για την ανίχνευση των φορέων της ασθενούς δύναμης. Η επόμενη δεκαετία υπήρξε καθοριστική για τη μερική επιβεβαίωση του μοντέλου στις χαμηλότερες ενέργειες που μπορούσαν να δώσουν οι επιταχυντές. Ήταν δε τόσες οι θεωρητικές προβλέψεις που επιβεβαιώθηκαν πειραματικά, ώστε η τριάδα Glashow, Salam και Weinberg τιμήθηκε με βραβείο Νόμπελ στα 1979, πριν ακόμα γίνει η επιβεβαίωση της ύπαρξης των βαρέων διανυσματικών μποζονίων W+, W- και Ζ. Σε σύντομο χρονικό διάστημα η αναβάθμιση των δυνατοτήτων των επιταχυντών έδωσε την ευκαιρία στον Carlo Rubia, το 1983 στο CERN να ανακαλύψει τα τρία διαφορετικά σωματίδια της ασθενούς αλληλεπίδρασης, με τις μάζες και τις ιδιότητες που προέβλεπε το μαθηματικό μοντέλο, και φυσικά να τιμηθεί με το επόμενο βραβείο Νόμπελ στα 1984. Η ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων με τις ασθενείς πυρηνικές ήταν πλέον γεγονός. Η ιδέα της ενοποίησης αργά αλλά σταθερά έπαιρνε σάρκα και οστά. Οι θεμελιώδεις δυνάμεις πλέον στη Φύση είναι τέσσερις με την βεβαιότητα όμως ότι στο παρελθόν ή για την ακρίβεια στις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη –όπου η πυκνότητα της ενέργειας ήταν ασυγκρίτως μεγαλύτερη της σημερινής– ήταν τρεις. Αυθόρμητα από κει και πέρα η σκέψη πηγαίνει στο γιατί όχι και δύο ή τελικά μία. Στον πίνακα 6 παρουσιάζεται η κατηγοριοποίηση των διαφορετικών ειδών δυνάμεων και η πορεία προς την ενοποίησή τους.
Αξίζει να σχολιαστεί πως οι μαθηματικές συναρτήσεις, βάσει των οποίων γίνονται οι μετρήσεις της ισχύος των θεμελιωδών δυνάμεων, ισχύουν και επιβεβαιώνονται σε χαμηλές τιμές ενέργειας, όπου υπάρχει η δυνατότητα της πειραματικής επιβεβαίωσής τους. Αυτό σημαίνει πως οι υπολογισμοί που γίνονται για τις υψηλότερες τιμές ενέργειας και οδηγούν στο συμπέρασμα της ενοποίησης, βασίζονται σε μία προέκταση των παραπάνω εξισώσεων. Επομένως υπάρχουν τρία ενδεχόμενα. Είτε η σύμπτωση των τριών δυνάμεων στα 10^14 GeV είναι τυχαία, οπότε σε ακόμη υψηλότερες τιμές ενέργειας οι δυνάμεις διαχωρίζονται και πάλι, είτε σε υψηλότερες τιμές ενέργειας οι εξισώσεις δεν ισχύουν, είτε πράγματι είμαστε κοντά στην αλήθεια127. Καταλαβαίνουμε λοιπόν πως οι Μεγαλοενοποιημένες θεωρίες δεν είναι ακόμη πλήρεις· περιέχουν αρκετές παραμέτρους που οι τιμές τους δε μπορούν να προβλεφθούν από τη θεωρία, αλλά πρέπει να επιλεγούν έτσι ώστε να συμφωνούν με τα πειραματικά δεδομένα. Επιπλέον οι τιμές της ενέργειας που εκτιμάται ότι απαιτούνται ώστε να γίνει επιβεβαίωσή τους, είναι πολύ μακριά από τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες. Παρόλα αυτά οι προσπάθειες συνεχίζονται για την ενοποίηση των υπολοίπων δυνάμεων. Θεωρείται ότι αργά ή γρήγορα οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις θα καταστεί εφικτό να ενοποιηθούν με τις ηλεκτρασθενείς, διότι έχουν δώσει δείγματα κάποιας κοινής συμπεριφοράς.
Η βαρύτητα αποτελεί το μεγαλύτερο αίνιγμα στην υπόθεση της ενοποίησης, διότι η ισχύς της είναι κατά πολύ μικρότερη της ισχύος των υπολοίπων δυνάμεων. Όπως φαίνεται στον παραπάνω πίνακα η ισχύς των βαρυτικών δυνάμεων είναι κατά 33 τάξεις μεγέθους ασθενέστερες από τις ασθενείς πυρηνικές και 38 τάξεις μεγέθους ασθενέστερες από τις ισχυρές πυρηνικές. Το γεγονός αυτό τις καθιστά ανύπαρκτες –κατά τη σύγκρισή τους με τις υπόλοιπες– στον κόσμο των αλληλεπιδράσεων των στοιχειωδών σωματιδίων. Για την επιβεβαίωση της ενοποίησης της βαρύτητας με τις υπόλοιπες δυνάμεις θα απαιτούνταν τόσο ισχυρός επιταχυντής, που θα έπρεπε να είχε μέγεθος συγκρίσιμο με αυτό του ηλιακού συστήματος128. Ωστόσο, η βαρύτητα, παρά την «άρνησή» της να δώσει έστω και ένα μικρό δείγμα κοινής συμπεριφοράς με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, έδωσε ισχυρότατες αποδείξεις για την ενοποίηση της μάζας με την ενέργεια. Όπως αναπτύχθηκε στην παράγραφο 1.1.ΙΙ, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, που αποτελεί την πιο πλήρη μέχρι τώρα τουλάχιστον θεωρία για τη βαρύτητα, προέβλεψε την καμπύλωση της πορείας του άϋλου και άμαζου φωτός, κάτι το οποίο επιβεβαιώθηκε πειραματικά με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια.
Σημειώσεις
2.5. Η ενοποίηση των δυνάμεων
Στην ιστορία της Επιστήμης οι θεμελιώδεις δυνάμεις δεν ήταν μόνο οι τέσσερις που περιγράφηκαν. Πριν από τον Νεύτωνα οι βαρυτικές δυνάμεις που καθόριζαν τις κινήσεις των ουρανίων σωμάτων και οι αντίστοιχες επί της Γης θεωρούνταν διαφορετικές. Με τις εξισώσεις του Νεύτωνα για τη βαρύτητα πραγματοποιήθηκε η πρώτη ενοποίηση στα τέλη του 17ου αιώνα (1686). Η βαρύτητα συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο παντού. Η ουράνια και η επίγεια μηχανική ενοποιήθηκαν117. Δύο αιώνες αργότερα ακολούθησε η δεύτερη μεγάλη ενοποίηση του ηλεκτρισμού με το μαγνητισμό. Ο Maxwell στα 1872 κατάφερε με τις περίφημες εξισώσεις του να δείξει την κοινή συμπεριφορά των ηλεκτρικών και των μαγνητικών δυνάμεων που θεωρούνταν μέχρι τότε διαφορετικές, θεμελιώνοντας την ηλεκτρομαγνητική θεωρία. Δεν υπάρχουν πλέον ο μαγνητισμός και ο ηλεκτρισμός ως ανεξάρτητες φυσικές πραγματικότητες με τις αντίστοιχες θεωρίες που περιγράφουν τη συμπεριφορά τους, αλλά μία φυσική πραγματικότητα που περιγράφεται από τη μία ενιαία θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού. Οι συμπεριφορές εκείνες που μοιάζουν μόνο ηλεκτρικές ή μόνο μαγνητικές αποτελούν πλέον κάποιες επιμέρους περιπτώσεις της ενιαίας θεωρίας.
Μετά από τις δύο αυτές σπουδαίες ενοποιήσεις πραγματοποιήθηκαν και άλλες σε διαφορετικές έννοιες της φυσικής πραγματικότητας, όπως για παράδειγμα ο χώρος με τον χρόνο. Με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein ο χώρος δε μπορεί πλέον να νοηθεί χωρίς το χρόνο. Δε δημιουργήθηκε το Σύμπαν σε κάποια χρονική στιγμή ούτε και ο χρόνος άρχισε να τρέχει κάποτε μέσα σε ένα ήδη υπάρχον Σύμπαν. Καθίστανται έννοιες αλληλένδετες, ώστε να μη μπορεί να υπάρχει ο χώρος χωρίς τον χρόνο και αντίστροφα. Κατόπιν αυτών που αποτελούσαν μείζονος σπουδαιότητας ενοποιήσεις αλλά και κάποιων άλλων ίσως όχι τόσο σημαντικών, σε συνδυασμό με την ιδέα ότι το απλούστερο είναι και κομψότερο, σε κάποιο βαθμό δικαιολογημένα κυριάρχησε η σκέψη ότι δε μπορεί οι θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση να είναι τέσσερις. Δε μπορεί να υπάρχουν τέσσερις ξεκομμένοι χώροι που απαιτούν διαφορετικές ερμηνείες τη στιγμή μάλιστα που οι χώροι αυτοί στη φυσική πραγματικότητα είναι αλληλένδετοι. Μπορεί η Επιστήμη να προσεγγίζει τα φαινόμενα και να δίνει απαντήσεις στις διάφορες ερωτήσεις που τίθενται για τον κάθε χώρο ανεξάρτητα, δεν είναι όμως η προσέγγιση αυτή απολύτως ικανοποιητική, εάν πράγματι υπάρχει μία βαθύτερη θεωρία που δίνει ερμηνεία σε όλους τους χώρους ταυτόχρονα. Από φυσικής απόψεως θεωρείται πιο λογικό να υπάρχει μία κοινή βάση από την οποία προέρχονται οι τέσσερις διαφορετικές δυνάμεις σαν διαφορετικές όψεις του ιδίου νομίσματος. Έτσι έγιναν και εξακολουθούν να γίνονται προσπάθειες για την εξεύρεση της μιας και μοναδικής δύναμης της φύσης, η οποία εμφανίζει τέσσερα επιμέρους πρόσωπα στη σημερινή φυσική πραγματικότητα118.
Ακριβώς έναν αιώνα μετά την ενοποίηση του ηλεκτρισμού με το μαγνητισμό, οι Glashow, Salam και Weinberg στα 1967 – 1968 πρότειναν την ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών με τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις κάτω από μία ενιαία θεωρία η οποία ονομάστηκε ηλεκτρασθενής και ουσιαστικά θεμελίωνε το Καθιερωμένο Πρότυπο119. Επικαλέστηκαν μία διαδικασία που ονομάστηκε «αυθόρμητη ρήξη συμμετρίας»120, σύμφωνα με την οποία τα σωματίδια – φορείς των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων σε υψηλές ενέργειες εμφανίζουν την ίδια ακριβώς συμπεριφορά με τον φορέα των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, το φωτόνιο. Στις ενέργειες αυτές υπάρχει λοιπόν συμμετρία – ομοιομορφία τέτοια, ώστε δεν είναι δυνατό να γίνει διάκριση μεταξύ των δύο τύπων σωματιδίων. Για την ακρίβεια δεν πρόκειται καν για δύο τύπους σωματιδίων, αλλά για ένα μόνο σωματίδιο. Το ένα και μοναδικό σωματίδιο, μετά την ρήξη της ομοιομορφίας – συμμετρίας σε χαμηλότερες τιμές ενέργειας, εμφανίζει τόσο διαφορετικές συμπεριφορές ώστε δίνει την εντύπωση πως πρόκειται για εντελώς διαφορετικά σωματίδια. Έτσι τα σωματίδια – φορείς των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων τα W και Ζ, έχουν πολύ μεγάλες μάζες και πολύ μικρή εμβέλεια, ενώ ο φορέας των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, το φωτόνιο είναι άμαζο και έχει άπειρη εμβέλεια. Αυτό συμβαίνει μετά το σπάσιμο της συμμετρίας· προηγουμένως, τα τόσο διαφορετικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων σωματίδια δεν είναι πολλά αλλά ένα και το αυτό. Αυτό το φαινομενικά παράδοξο γεγονός ερμηνεύεται, σύμφωνα με το μοντέλο των Glashow, Salam και Weinberg, το οποίο θεωρεί τα σωματίδια – φορείς –των δύο σήμερα διαφορετικών δυνάμεων αλληλεπίδρασης– ως τις δύο όψεις του ιδίου νομίσματος. Στις χαμηλότερες τιμές ενέργειας που επικρατούν στη σημερινή κατάσταση του σύμπαντος, τα σωματίδια – φορείς εμφανίζουν διαφορετικές συμπεριφορές, το καθένα στο πεδίο δράσης του. Σε υψηλότερες όμως ενεργειακά καταστάσεις αυτά δείχνουν όχι μόνο ότι έχουν κοινή προέλευση, αλλά ότι πρόκειται για το ίδιο σωματίδιο. Τέτοιες υψηλότερες ενεργειακά καταστάσεις επικρατούσαν στα πρώιμα στάδια της ζωής του σύμπαντος, σύμφωνα με το μοντέλο του Big Bang. Ο Hawking ερμηνεύει αυτήν την παράξενη φαινομενικά συμπεριφορά των σωματιδίων δίνοντας το παράδειγμα της ρουλέτας. Όταν η ρουλέτα περιστρέφεται γρήγορα, η μπίλια έχει αρκετή ενέργεια και συμπεριφέρεται με έναν μόνο τρόπο καθώς στριφογυρίζει μέσα στη ρουλέτα. Όταν όμως η ενέργεια περιστροφής της ρουλέτας μειωθεί, τότε η μπίλια πηγαίνει και καταλαμβάνει μία από τις τριάντα επτά εγκοπές. Εάν εμείς δεν είχαμε τρόπο να δώσουμε ενέργεια στη ρουλέτα ώστε η μπίλια να περιστρέφεται, και παρατηρούσαμε πολλές διαφορετικές ρουλέτες, μετά το τέλος της πολύ προσεκτικής έρευνάς μας θα καταλήγαμε στο συμπέρασμα πως υπάρχουν τριάντα επτά είδη μπίλιας!121
Πάνω στην ίδια ιδέα βασίστηκε η ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών με τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις στο Καθιερωμένο Πρότυπο από τους Salam και Weinberg. Το μαθηματικό μοντέλο πριν τη ρήξη της συμμετρίας υποδείκνυε μία οντότητα, ενώ μετά τη ρήξη της συμμετρίας υποδείκνυε τρεις επιπλέον οντότητες. Έτσι υπέθεσαν ότι μαζί με το φωτόνιο υπάρχουν τρία ακόμη σωματίδια, τρία βαριά διανυσματικά μποζόνια, τα οποία αποτελούν τους φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Πρόκειται για τα σωματίδια W+, W- και Ζ, των οποίων η μάζα υπολογίστηκε θεωρητικά γύρω στα 100 GeV. Αν θα μπορούσαμε να δώσουμε αυτήν την ενέργεια, θα ελέγχαμε αρχικά τουλάχιστον την αλήθεια του Καθιερωμένου Προτύπου, δηλαδή την ύπαρξη των τριών σωματιδίων που προβλέπει το θεωρητικό μοντέλο. Η επιβεβαίωση της απόλυτης ταύτισης των βαρέων μποζονίων με το φωτόνιο απαιτεί πολύ πιο υψηλές ενέργειες, περίπου 10^17eV, δηλαδή περίπου ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από αυτήν που απαιτείται για την ανίχνευσή τους122. Όταν πρωτοδιατυπώθηκε η θεωρία αυτή, λίγοι επιστήμονες της έδωσαν σημασία. Οι τεχνικές δυνατότητες των επιταχυντών που λειτουργούσαν εκείνη την εποχή δεν επέτρεπαν τον έλεγχό της, διότι δεν ήταν εφικτό ακόμα να δοθούν ενέργειες του απαιτούμενου επιπέδου· δεν αρκούσαν ούτε καν για την ανίχνευση των φορέων της ασθενούς δύναμης. Η επόμενη δεκαετία υπήρξε καθοριστική για τη μερική επιβεβαίωση του μοντέλου στις χαμηλότερες ενέργειες που μπορούσαν να δώσουν οι επιταχυντές. Ήταν δε τόσες οι θεωρητικές προβλέψεις που επιβεβαιώθηκαν πειραματικά, ώστε η τριάδα Glashow, Salam και Weinberg τιμήθηκε με βραβείο Νόμπελ στα 1979, πριν ακόμα γίνει η επιβεβαίωση της ύπαρξης των βαρέων διανυσματικών μποζονίων W+, W- και Ζ. Σε σύντομο χρονικό διάστημα η αναβάθμιση των δυνατοτήτων των επιταχυντών έδωσε την ευκαιρία στον Carlo Rubia, το 1983 στο CERN να ανακαλύψει τα τρία διαφορετικά σωματίδια της ασθενούς αλληλεπίδρασης, με τις μάζες και τις ιδιότητες που προέβλεπε το μαθηματικό μοντέλο, και φυσικά να τιμηθεί με το επόμενο βραβείο Νόμπελ στα 1984. Η ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων με τις ασθενείς πυρηνικές ήταν πλέον γεγονός. Η ιδέα της ενοποίησης αργά αλλά σταθερά έπαιρνε σάρκα και οστά. Οι θεμελιώδεις δυνάμεις πλέον στη Φύση είναι τέσσερις με την βεβαιότητα όμως ότι στο παρελθόν ή για την ακρίβεια στις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη –όπου η πυκνότητα της ενέργειας ήταν ασυγκρίτως μεγαλύτερη της σημερινής– ήταν τρεις. Αυθόρμητα από κει και πέρα η σκέψη πηγαίνει στο γιατί όχι και δύο ή τελικά μία. Στον πίνακα 6 παρουσιάζεται η κατηγοριοποίηση των διαφορετικών ειδών δυνάμεων και η πορεία προς την ενοποίησή τους.
ΠΙΝΑΚΑΣ 6
Η πορεία για την ενοποίηση των διαφόρων δυνάμεων που κατά καιρούς θεωρήθηκαν βασικές. Οι διακεκομμένες γραμμές αναφέρονται σε προσπάθειες που γίνονται τώρα και δεν έχουν καταλήξει ακόμα σε τελικά συμπεράσματα123.
Όπως γίνεται κατανοητό από τα παραπάνω, περαιτέρω ενοποίηση δυνάμεων στον μέχρι τώρα γνωστό μας κόσμο δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί, όπως συνέβη με τον ηλεκτρομαγνητισμό. Η ηλεκτρασθενής θεωρία πιστοποίησε την κοινή συμπεριφορά των ηλεκτρομαγνητικών και των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων σε συνθήκες πολύ υψηλής ενέργειας, τέτοιες που δεν επικρατούν σήμερα στα συνήθη φαινόμενα. Ήταν επομένως ενοποιημένες οι δυνάμεις πριν τη ρήξη της συμμετρίας, η οποία πραγματοποιήθηκε εξαιτίας της σταδιακής μείωσης της πυκνότητας της ενέργειας στο Σύμπαν λόγω της διαστολής του. Έτσι το κλειδί στην πορεία προς την περαιτέρω ενοποίηση φάνηκε πως είναι η ενέργεια. Δίνοντας σε σωματίδια υψηλές τιμές ενέργειας και φέρνοντάς τα σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ τους, μπορούμε να δούμε πώς αυτά αλληλεπιδρούσαν μεταξύ τους, όταν επικρατούσαν τέτοιες συνθήκες στο Σύμπαν.
Επιπλέον στο θεωρητικό πεδίο σημαντική ώθηση προς την ιδέα της περαιτέρω ενοποίησης έδωσε το γεγονός ότι οι εντάσεις των θεμελιωδών δυνάμεων –εκτός της βαρύτητας– δεν είναι σταθερές ποσότητες αλλά εξαρτώνται από την ενέργεια. Η ένταση των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων μειώνεται όσο αυξάνεται η ενέργεια. Αυτό οφείλεται στην ιδιότητα που έχουν και την περιγράψαμε ως ασυμπτωτική ελευθερία. Όσο πιο κοντά μεταξύ τους βρίσκονται τα κουάρκς τόσο πιο ελεύθερα «αισθάνονται» και τόσο πιο άνετα και με μεγαλύτερες ενέργειες κινούνται. Αυτό σημαίνει πως σε μεγαλύτερες ενέργειες αλληλεπιδρούν ασθενέστερα, και επομένως η ισχύς της δύναμης αυτής μειώνεται. Απεναντίας, δεν ισχύει το ίδιο για τις ηλεκτρομαγνητικές και τις ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις, στις οποίες όσο μεγαλώνει η απόσταση, τόσο μειώνεται η ισχύς τους124. Στο σχήμα 1 φαίνεται ότι σε τιμές ενέργειας περίπου 10^14 GeV οι εντάσεις των τριών δυνάμεων αποκτούν την ίδια τιμή. Τα 10^14 GeV αντιστοιχούν σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ των σωματιδίων, τέτοιες που επικρατούσαν στα πρώτα απειροστά κλάσματα της ζωής του Σύμπαντος. Τα μοντέλα των Μεγαλοενοποιημένων Θεωριών (GUT, Grand Unification Theories) εκτιμούν πως το χρονικό διάστημα από 10^(-43) μέχρι 10^(-35) του δευτερολέπτου από τη Μεγάλη Έκρηξη η θερμοκρασία του Σύμπαντος κυμαίνονταν μεταξύ των τιμών 10^19 και 10^14 GeV, και επέτρεπε την ενιαία συμπεριφορά των θεμελιωδών δυνάμεων εκτός της βαρύτητας. Την περίοδο από 10^(-35) μέχρι 10^(-12) του δευτερολέπτου η θερμοκρασία σταδιακά έπεσε από 10^14 στα 10^2GeV. Στην αρχή αυτής της περιόδου διαχωρίστηκε η ισχυρή πυρηνική δύναμη από τις ηλεκτρασθενείς που ακόμη διατηρούνταν ενοποιημένες.
Όπως γίνεται κατανοητό από τα παραπάνω, περαιτέρω ενοποίηση δυνάμεων στον μέχρι τώρα γνωστό μας κόσμο δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί, όπως συνέβη με τον ηλεκτρομαγνητισμό. Η ηλεκτρασθενής θεωρία πιστοποίησε την κοινή συμπεριφορά των ηλεκτρομαγνητικών και των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων σε συνθήκες πολύ υψηλής ενέργειας, τέτοιες που δεν επικρατούν σήμερα στα συνήθη φαινόμενα. Ήταν επομένως ενοποιημένες οι δυνάμεις πριν τη ρήξη της συμμετρίας, η οποία πραγματοποιήθηκε εξαιτίας της σταδιακής μείωσης της πυκνότητας της ενέργειας στο Σύμπαν λόγω της διαστολής του. Έτσι το κλειδί στην πορεία προς την περαιτέρω ενοποίηση φάνηκε πως είναι η ενέργεια. Δίνοντας σε σωματίδια υψηλές τιμές ενέργειας και φέρνοντάς τα σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ τους, μπορούμε να δούμε πώς αυτά αλληλεπιδρούσαν μεταξύ τους, όταν επικρατούσαν τέτοιες συνθήκες στο Σύμπαν.
Επιπλέον στο θεωρητικό πεδίο σημαντική ώθηση προς την ιδέα της περαιτέρω ενοποίησης έδωσε το γεγονός ότι οι εντάσεις των θεμελιωδών δυνάμεων –εκτός της βαρύτητας– δεν είναι σταθερές ποσότητες αλλά εξαρτώνται από την ενέργεια. Η ένταση των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων μειώνεται όσο αυξάνεται η ενέργεια. Αυτό οφείλεται στην ιδιότητα που έχουν και την περιγράψαμε ως ασυμπτωτική ελευθερία. Όσο πιο κοντά μεταξύ τους βρίσκονται τα κουάρκς τόσο πιο ελεύθερα «αισθάνονται» και τόσο πιο άνετα και με μεγαλύτερες ενέργειες κινούνται. Αυτό σημαίνει πως σε μεγαλύτερες ενέργειες αλληλεπιδρούν ασθενέστερα, και επομένως η ισχύς της δύναμης αυτής μειώνεται. Απεναντίας, δεν ισχύει το ίδιο για τις ηλεκτρομαγνητικές και τις ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις, στις οποίες όσο μεγαλώνει η απόσταση, τόσο μειώνεται η ισχύς τους124. Στο σχήμα 1 φαίνεται ότι σε τιμές ενέργειας περίπου 10^14 GeV οι εντάσεις των τριών δυνάμεων αποκτούν την ίδια τιμή. Τα 10^14 GeV αντιστοιχούν σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ των σωματιδίων, τέτοιες που επικρατούσαν στα πρώτα απειροστά κλάσματα της ζωής του Σύμπαντος. Τα μοντέλα των Μεγαλοενοποιημένων Θεωριών (GUT, Grand Unification Theories) εκτιμούν πως το χρονικό διάστημα από 10^(-43) μέχρι 10^(-35) του δευτερολέπτου από τη Μεγάλη Έκρηξη η θερμοκρασία του Σύμπαντος κυμαίνονταν μεταξύ των τιμών 10^19 και 10^14 GeV, και επέτρεπε την ενιαία συμπεριφορά των θεμελιωδών δυνάμεων εκτός της βαρύτητας. Την περίοδο από 10^(-35) μέχρι 10^(-12) του δευτερολέπτου η θερμοκρασία σταδιακά έπεσε από 10^14 στα 10^2GeV. Στην αρχή αυτής της περιόδου διαχωρίστηκε η ισχυρή πυρηνική δύναμη από τις ηλεκτρασθενείς που ακόμη διατηρούνταν ενοποιημένες.
Από τη χρονική στιγμή 10^(-12) του δευτερολέπτου και μετά, διαχωρίστηκαν και οι ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις από τις ηλεκτρομαγνητικές. Έκτοτε υπάρχουν και αναγνωρίζονται οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του γνωστού μας κόσμου που περιγράψαμε125.
ΣΧΗΜΑ 1
Η μεταβολή των εντάσεων των τριών βασικών αλληλεπιδράσεων, ισχυρής, ασθενούς και ηλεκτρομαγνητικής126
Αξίζει να σχολιαστεί πως οι μαθηματικές συναρτήσεις, βάσει των οποίων γίνονται οι μετρήσεις της ισχύος των θεμελιωδών δυνάμεων, ισχύουν και επιβεβαιώνονται σε χαμηλές τιμές ενέργειας, όπου υπάρχει η δυνατότητα της πειραματικής επιβεβαίωσής τους. Αυτό σημαίνει πως οι υπολογισμοί που γίνονται για τις υψηλότερες τιμές ενέργειας και οδηγούν στο συμπέρασμα της ενοποίησης, βασίζονται σε μία προέκταση των παραπάνω εξισώσεων. Επομένως υπάρχουν τρία ενδεχόμενα. Είτε η σύμπτωση των τριών δυνάμεων στα 10^14 GeV είναι τυχαία, οπότε σε ακόμη υψηλότερες τιμές ενέργειας οι δυνάμεις διαχωρίζονται και πάλι, είτε σε υψηλότερες τιμές ενέργειας οι εξισώσεις δεν ισχύουν, είτε πράγματι είμαστε κοντά στην αλήθεια127. Καταλαβαίνουμε λοιπόν πως οι Μεγαλοενοποιημένες θεωρίες δεν είναι ακόμη πλήρεις· περιέχουν αρκετές παραμέτρους που οι τιμές τους δε μπορούν να προβλεφθούν από τη θεωρία, αλλά πρέπει να επιλεγούν έτσι ώστε να συμφωνούν με τα πειραματικά δεδομένα. Επιπλέον οι τιμές της ενέργειας που εκτιμάται ότι απαιτούνται ώστε να γίνει επιβεβαίωσή τους, είναι πολύ μακριά από τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες. Παρόλα αυτά οι προσπάθειες συνεχίζονται για την ενοποίηση των υπολοίπων δυνάμεων. Θεωρείται ότι αργά ή γρήγορα οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις θα καταστεί εφικτό να ενοποιηθούν με τις ηλεκτρασθενείς, διότι έχουν δώσει δείγματα κάποιας κοινής συμπεριφοράς.
Η βαρύτητα αποτελεί το μεγαλύτερο αίνιγμα στην υπόθεση της ενοποίησης, διότι η ισχύς της είναι κατά πολύ μικρότερη της ισχύος των υπολοίπων δυνάμεων. Όπως φαίνεται στον παραπάνω πίνακα η ισχύς των βαρυτικών δυνάμεων είναι κατά 33 τάξεις μεγέθους ασθενέστερες από τις ασθενείς πυρηνικές και 38 τάξεις μεγέθους ασθενέστερες από τις ισχυρές πυρηνικές. Το γεγονός αυτό τις καθιστά ανύπαρκτες –κατά τη σύγκρισή τους με τις υπόλοιπες– στον κόσμο των αλληλεπιδράσεων των στοιχειωδών σωματιδίων. Για την επιβεβαίωση της ενοποίησης της βαρύτητας με τις υπόλοιπες δυνάμεις θα απαιτούνταν τόσο ισχυρός επιταχυντής, που θα έπρεπε να είχε μέγεθος συγκρίσιμο με αυτό του ηλιακού συστήματος128. Ωστόσο, η βαρύτητα, παρά την «άρνησή» της να δώσει έστω και ένα μικρό δείγμα κοινής συμπεριφοράς με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, έδωσε ισχυρότατες αποδείξεις για την ενοποίηση της μάζας με την ενέργεια. Όπως αναπτύχθηκε στην παράγραφο 1.1.ΙΙ, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, που αποτελεί την πιο πλήρη μέχρι τώρα τουλάχιστον θεωρία για τη βαρύτητα, προέβλεψε την καμπύλωση της πορείας του άϋλου και άμαζου φωτός, κάτι το οποίο επιβεβαιώθηκε πειραματικά με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια.
Σημειώσεις
117. Βλ. Jayant Narlikar, όπ. παρ., σελ. 42 – 47.
118. Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 86 –89.
119. Donald Perkins, Particle Astrophysics, Oxford Univercity Press, New York 2003, σελ. 34 – 37 και 377 – 382.
120. Για τις συμμετρίες και το σπάσιμό τους γίνεται διεξοδικότερη αναφορά στην επόμενη παράγραφο.
118. Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 86 –89.
119. Donald Perkins, Particle Astrophysics, Oxford Univercity Press, New York 2003, σελ. 34 – 37 και 377 – 382.
120. Για τις συμμετρίες και το σπάσιμό τους γίνεται διεξοδικότερη αναφορά στην επόμενη παράγραφο.
121. Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ. 110 – 111.
122. Βλ. Jayant Narlikar, όπ. παρ., σελ. 261.
123. Πηγή: Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 86.
123. Πηγή: Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 86.
124. Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ. σελ. 113.
125. Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 368 – 370.
126. Πηγή: Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 88.
127. Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 87 – 88.
128. Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ. σελ. 114.125. Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 368 – 370.
126. Πηγή: Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 88.
127. Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 87 – 88.
4 σχόλια:
Αν χρησιμοποιήσουμε το 2ο νόμο του Νεύτωνα F=m.a (δύναμη=μάζα*επιτάχυνση) τότε η μάζα του σώματος στο νόμο αυτό λέγεται αδρανειακή. Αν όμως χρησιμοποιήσουμε το παγκόσμιο νόμο της βαρύτητας F = G.m1.m2/R2 (ανάμεσα π.χ στη Γη και ένα σώμα) τότε η μάζα του σώματος στο νόμο της βαρύτητας, λέγεται βαρυτική.
Είναι όμως οι δύο μάζες (αδρανειακή και βαρυτική) ίσες; Αυτό ήταν ένα ερώτημα που βασάνισε αρχικά το Νεύτωνα και ύστερα το Γαλιλαίο με αυτή όμως την διατύπωση: Άραγε σώματα με διαφορετική μάζα επιταχύνονται εξίσου στο βαρυτικό πεδίο της Γης;.
Τα δύο αυτά ερωτήματα είναι ισοδύναμα. Ο νόμος βαρύτητας του Νεύτωνα δείχνει ότι η επιτάχυνση ενός σώματος, που βρίσκεται σε συγκεκριμένο σημείο του βαρυτικού πεδίου της Γης, εξαρτάται μόνο από τη μάζα της Γης, δηλαδή είναι η ίδια για κάθε σώμα με οποιαδήποτε μάζα που θα βρεθεί στο σημείο αυτό.
Η πρώτη εκδοχή:
Με βάση τα παραπάνω, διατυπώθηκε η πρώτη από τις τρεις εκδοχές της Αρχής της Ισοδυναμίας, η γνωστή κι ως Ασθενής Αρχή της Ισοδυναμίας, η οποία εμφανίζεται υπό δύο ισοδύναμες μορφές: Την Αρχή Ισοδυναμίας του Γαλιλαίου «Σώματα με διαφορετική μάζα επιταχύνονται εξίσου εντός βαρυτικού πεδίου», (γι'αυτό και ονομάστηκε και ως «Αρχή της Ομοιόμορφης Ελεύθερης Πτώσης») και την Αρχή Ισοδυναμίας του Νεύτωνα «Η αδρανειακή και η βαρυτική μάζα κάθε σώματος είναι ίσες μεταξύ τους».
Η αρχή της ισοδυναμίας βαρύτητας και αδράνειας, που προβλέπει την ισότητα της βαρυτικής και της αδρανειακής μάζας, εκτός του Γαλιλαίου (1610) και Νεύτωνα (1680) είχε και έχει γίνει προσπάθεια πειραματικής επαλήθευσης και από άλλους: από τον Ιωάννη το Φιλόπονο της Αλεξανδρείας (490-570 μ.Χ.), τον Simon Stevin (1586), τον Friedrich Wilhelm Bessel (1832), μέχρι τον Loránd Eötvös (1908) που βρήκε ισότητα με ακρίβεια 1 προς 1 δισεκατομμύριο, τους Roll, Krotkov και Dicke (1964) με ακρίβεια 1 προς 100 δισεκατομμύρια και άλλους πολλούς, φτάνοντας σήμερα στη φανταστική ακρίβεια του 1 προς 1 τρισεκατομμύριο.
Η δεύτερη εκδοχή:
Η ισοδυναμία αδρανειακής και βαρυτικής μάζας που στη θεωρία του Νεύτωνα ήταν μια απλή σύμπτωση, ΕΝΟΧΛΟΥΣΕ τον Αϊνστάιν. Ο Αϊνστάιν στήριξε τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας στην αρχή της ισοδυναμίας σύμφωνα με την οποία, δεν υπάρχει πείραμα που να μπορεί να διακρίνει ένα πεδίο βαρύτητας από μια ισοδύναμη ομαλή επιτάχυνση. Δηλαδή το ίδιο φυσικό φαινόμενο αποδίδεται είτε στην επιτάχυνση του συστήματος αναφοράς είτε στην επίδραση της βαρύτητας ανάλογα με το σύστημα αναφοράς. Έτσι ένα διαστημόπλοιο που περιστρέφεται στο διάστημα, δημιουργεί συνθήκες τεχνητής βαρύτητας.
Η προηγούμενη όμως Αρχή της Ισοδυναμίας, όπως την διατύπωσε ο Αϊνστάιν, είναι η δεύτερη εκδοχή, γνωστή και ως Ενδιάμεση (ή Μετρίως Ισχυρή) Αρχή της Ισοδυναμίας η οποία αναφέρεται από πολλούς συγγραφείς ως Αρχή Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν, έχοντας συνδεθεί με τη θεωρία του. Βεβαίως στη θεωρία του ισχύει και η Ασθενής Αρχή της Ισοδυναμίας και ότι κάθε μη βαρυτικό φαινόμενο της Φυσικής, παρατηρούμενο από τοπικά αδρανειακό σύστημα αναφοράς, είναι ανεξάρτητο από το σημείο του σύμπαντος στο οποίο ευρίσκεται το εν λόγω σύστημα. Ας τονιστεί ότι στην δεύτερη Αρχή της Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν ή την Ενδιάμεση Αρχή δεν περιορίζεται μόνο στα φαινόμενα της κίνησης, όπως στην περίπτωση της Ασθενούς Αρχής, αλλά επεκτείνεται και σε άλλα, όπως εκείνα του ηλεκτρομαγνητισμού ή της σωματιδιακής φυσικής (όχι όμως, ακόμα, σε όλα!)
(συνεχίζεται)
(συνέχεια)
Η τρίτη εκδοχή:
Υπάρχει όμως και η τρίτη εκδοχή της Αρχής της Ισοδυναμίας: η Ισχυρή Αρχή της Ισοδυναμίας. Το περιεχόμενο της είναι ίδιο με την 2η εκδοχή (Ενδιάμεση Αρχή της Ισοδυναμίας), μόνο που αναφέρεται όχι μόνο στα μη βαρυτικά φαινόμενα της φυσικής, αλλά σε όλα τα φαινόμενα της φυσικής. Γι αυτό, η 3η Αρχή αφορά και φαινόμενα όπως, για παράδειγμα, μια πειραματική διάταξη για τη μέτρηση της βαρυτικής έλξης μεταξύ δύο σωμάτων προς επαλήθευση του Νόμου της Παγκόσμιας Έλξης (Ζυγός του Cavendish) ή τη βαρυτική έλξη μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων που συγκροτούν τους πυρήνες των ατόμων ενός σώματος (Ενέργεια βαρυτικής Σύνδεσης) φαινόμενο μεγάλου ενδιαφέροντος σε ό,τι αφορά τον πειραματικό έλεγχο της Αρχής της Ισοδυναμίας.
Επιπτώσεις της Αρχής Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν:
Η Αρχή της Ισοδυναμίας (κυρίως η δεύτερη) έχει ορισμένες επιπτώσεις που έχουν ΕΠΙΒΕΒΑΙΩΘΕΙ πειραματικά και άλλαξαν δραστικά τις απόψεις μας για την υπόσταση της βαρύτητας ως αλληλεπίδρασης.
Ένα φαινόμενο το οποίο προβλέπεται από την 2η Αρχή της Ισοδυναμίας είναι η καμπύλωση μιας φωτεινής ακτίνας εξαιτίας της βαρύτητας. Το 1919 αστρονομικές παρατηρήσεις της θέσης των άστρων που βρίσκονται κοντά στον Ήλιο έδειξαν ότι πραγματικά υπάρχει μια καμπύλωση της τροχιάς των φωτεινών ακτίνων που έρχονται από τα άστρα αυτά λόγω της βαρυτικής έλξης του Ηλίου. Το φαινόμενο αυτό το συναντάμε στις φωτεινές ακτίνες των μακρινών κβάζαρ όταν διέρχονται κοντά από ένα γαλαξία, οπότε οι ακτίνες κάμπτονται.
Υπάρχει όμως κι ένα άλλο επακόλουθο της αρχής της ισοδυναμίας: είναι η επίδραση της βαρύτητας στο χρόνο. Για να το καταλάβουμε ας θεωρήσουμε έναν κυκλικό δίσκο που περιστρέφεται γύρω από άξονα συνδεδεμένο με τη Γη. Στην περιφέρεια του δίσκου αυτού έχει τοποθετηθεί ένα ρολόι, ενώ ένα δεύτερο στον άξονα περιστροφής.
Τότε ο παρατηρητής που βρίσκεται στη Γη βλέπει το ρολόι της περιφέρειας να πηγαίνει πιο αργά από το ρολόι του άξονα περιστροφής, που είναι ακίνητο στο σύστημα αναφοράς της Γης. Ο παρατηρητής στη Γη δικαιολογεί τη διαφορά στις ενδείξεις των δύο ρολογιών από την ταχύτητα του ρολογιού, που κινείται με τον δίσκο και, άρα, υφίσταται το φαινόμενο της διαστολής του χρόνου που προβλέπει η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας.
Η δικαιολογία όμως αυτή δεν ισχύει για τον παρατηρητή που κινείται μαζί με το δίσκο. Γι’ αυτόν κανένα ρολόι δεν κινείται. Το κινούμενο ρολόι όμως υφίσταται, λόγω της κυκλικής κίνησης, μια φυγόκεντρο δύναμη, που δεν ασκείται στο ρολόι που βρίσκεται στον άξονα περιστροφής. Έτσι ο κινούμενος με το ρολόι παρατηρητής δικαιολογεί τη διαφορά χρόνου των δύο ρολογιών στο γεγονός ότι αυτά βρίσκονται υπό την επίδραση διαφορετικών πεδίων δυνάμεων. Σύμφωνα με αυτήν, ρολόγια που βρίσκονται σε ισχυρά βαρυτικά πεδία προχωρούν βραδύτερα από ρολόγια που βρίσκονται σε ασθενέστερα πεδία. Το φαινόμενο αυτό της επίδρασης της βαρύτητας πάνω στο χρόνο, γνωστό ως βαρυτική μετατόπιση, διαπιστώθηκε και πειραματικά με τη μετατόπιση των φασματικών γραμμών προς μικρότερες συχνότητες (προς το ερυθρό) εξαιτίας του πεδίου βαρύτητας της Γης ή του Ήλιου, ανάλογα στο πεδίο που γίνεται.
(συνεχίζεται)
(συνέχεια)
Νέα πειράματα επαλήθευσης της Αρχής της Ισοδυναμίας:
Πειράματα επαλήθευσης – παρόλη την φανταστική ακρίβεια που έχουν πετύχει οι φυσικοί – εκτελούνται ακόμα στο πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, που έχουν τοποθετήσει όρια στη διαφορική επιτάχυνση των αντικειμένων προς τη Γη, τον Ήλιο και ως προς τη σκοτεινή ύλη στο γαλαξιακό κέντρο. Κάποια μελλοντικά δορυφορικά πειράματα – STEP (Δορυφορική Δοκιμή της Αρχής Ισοδυναμίας), Galileo Galilei, και MICROSCOPE (Μικροδορυφόρος για την Παρατήρηση της Αρχής της Ισοδυναμίας) – θα εξετάσουν την Ασθενή Αρχή Ισοδυναμίας στο διάστημα, με πολύ πιο υψηλή ακρίβεια.
Η ανάγκη να συνεχιστεί η πειραματική επιβεβαίωση της θεωρία της βαρύτητας του Einstein μπορεί να φαίνεται περιττή, δεδομένου ότι είναι κατά πολύ η πιο κομψή γνωστή θεωρία της βαρύτητας, και ότι είναι συμβατή με σχεδόν όλες τις παρατηρήσεις που έχουν γίνει μέχρι σήμερα (εκτός από την περίπτωση της ανωμαλίας του Pioneer). Εντούτοις, δεν ξέρουμε καμία κβαντική θεωρία της βαρύτητας, και οι περισσότερες από τις προταθείσες θεωρίες παραβιάζουν μία από τις Αρχές Ισοδυναμίας σε κάποιο επίπεδο. Η θεωρία χορδών, η υπερβαρύτητα ακόμη και η πεμπτουσία, παραδείγματος χάριν, φαίνονται να παραβιάζουν την Αρχή της Ασθενούς Ισοδυναμίας, επειδή αυτές περιέχουν πολλά ελαφρά βαθμωτά πεδία με μακρά μήκη κύματος Compton. Αυτά τα πεδία πρέπει να παραγάγουν μια πέμπτη δύναμη (σε αντίθεση με τις τέσσερις δυνάμεις της Γενικής Σχετικότητας) και μια μεταβολή των θεμελιωδών σταθερών.
Πάμε πάλι σε "αλλαγή παραδείγματος";
Είναι προφανές ότι οι δυνάμεις αυτές είναι ήδη ενωμένες. Επειδή όμως η ενότητά τους είναι άγνωστη, όπως άγνωστη είναι η ουσία καί τής φύσεως καί τού ανθρώπου καί τού Θεού κατασκευάζουν μιά τεχνητή, εικονική ενότητα μέ τήν μαθηματική επινόηση τού πλαισίου,μιά εικονική ουσία τού παντός στά ίχνη τού Αυγουστίνου, ένα άθεο κατ'εικόνα τό οποίο φιλοδοξούν νά αντικαταστήσει τήν δημιουργία, τό κατά φύσιν, γιά νά νικήσουν τόν θάνατο. ΣΑΝ ΘΕΟΙ. Τό ερώτημα πού ίσως τούς βοηθούσε νά δούν τό μάταιο τής προθέσεώς τους, τό οποίο δέν τίθεται συνειδητώς, είναι: γιατί η βαρυτική είναι η ασθενέστερη τών δυνάμεων τής πραγματικότητος καί τό θεμέλιό της;
Δημοσίευση σχολίου