Το νετρίνο διασώζει την αρχή διατήρησης της ενέργειας

Posted on 27/07/2013

0


Ο Pauli προτείνει την ύπαρξη ενός άγνωστου σωματιδίου για να διασώσει τις αρχές διατήρησης 

Ο Niels Bohr το 1929 για να εξηγήσει ο φαινόμενο πρότεινε ότι η αρχή διατήρησης της ενέργειας κατά την διάσπαση β ίσχυε μόνο κατά μέσο όρο - ότι η ελλείπουσα ενέργεια ήταν ζήτημα στατιστικής - και έγραφε: «Πρέπει να περιμένουμε και άλλες νέες εκπλήξεις από τον κόσμο του ατόμου».

Ο Niels Bohr για να εξηγήσει ο φαινόμενο της διάσπασης β αμφισβήτησε την ισχύ της αρχής διατήρησης της ενέργειας στον πυρήνα του ατόμου 

Ένα ζήτημα που απασχολούσε τον Wolfgang Pauli, το 1930, ήταν το τι συμβαίνει όταν οι πυρήνες κάποιων ατόμων διασπώνται αποβάλλοντας ηλεκτρόνια. Οι μετρήσεις των πειραματικών φυσικών έδειχναν ότι κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας – της επονομαζόμενης διάσπασης β – η ενέργεια του πυρήνα πριν την εκπομπή του ηλεκτρονίου ήταν μεγαλύτερη από την συνολική ενέργεια του θυγατρικού πυρήνα και του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου. Κάπου, με κάποιο τρόπο, κάποια ποσότητα ενέργειας χανόταν.

Ήταν δυνατόν να παραβιάζεται η αρχή διατήρησης της ενέργειας, μια από τις βασικότερες αρχές της φυσικής;

Και γιατί στην διάσπαση β – σε αντίθεση με την διάσπαση α, όπου τα εκπεμπόμενα σωματίδια α ήταν μονοενεργειακά – τα ηλεκτρόνια δεν έχουν μια συγκεκριμένη ενέργεια αλλά ένα εύρος ενεργειών;

Ο Niels Bohr το 1929 για να εξηγήσει ο φαινόμενο πρότεινε ότι η αρχή διατήρησης της ενέργειας κατά την διάσπαση β ίσχυε μόνο κατά μέσο όρο – ότι η ελλείπουσα ενέργεια ήταν ζήτημα στατιστικής – και έγραφε: «Πρέπει να περιμένουμε και άλλες νέες εκπλήξεις από τον κόσμο του ατόμου».

Ο Pauli, αλλά και η πλειονότητα των φυσικών, διαφωνούσε έντονα.

Ρωτούσε, για παράδειγμα, τον Bohr, αστειευόμενος: «Τι θα συνέβαινε εάν κάποιος σου χρωστούσε ένα μεγάλο χρηματικό ποσό και προσφερόταν να το αποπληρώσει με δόσεις, αλλά κάθε φορά το προκαθορισμένο ποσό της δόσης μειωνόταν; Θα το θεωρούσες στατιστικό σφάλμα ή ένδειξη ότι κάτι λείπει;»

Στα άρθρα περί κβαντικής ηλεκτροδυναμικής που ο Pauli συνέγραψε με τον Heisenberg το 1929, είχε δείξει ότι η αρχή διατήρησης της ενέργειας ενυπήρχε στις εξισώσεις της θεωρίας. Τελικά, κατέληξε σε μια τολμηρή πρόταση. Ίσως πράγματι να έλειπε κάτι.

H λύση του προβλήματος της διάσπασης β του Βισμουθίου-210 από τον Pauli με την υπόθεση της ύπαρξης του νετρίνιου.

H λύση του προβλήματος της διάσπασης β του Βισμουθίου-210 από τον Pauli χρησιμοποιώντας την υπόθεση της ύπαρξης του νετρίνιου.

Θα μπορούσαν, άραγε, οι πυρήνες που υφίσταντο διάσπαση β να εξέπεμπαν ένα σωματίδιο που δεν είχε ακόμα ανιχνευθεί, και το οποίο θα εξισορροπούσε το ισοζύγιο ενέργειας;

Ο Pauli κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένα τέτοιο σωματίδιο θα ήταν ηλεκτρικά ουδέτερο, η μάζα του δεν θα ήταν μεγαλύτερη του ηλεκτρονίου και το σπιν του ίσο με ½.

Ο Pauli στις 4 Δεκεμβρίου 1930 έστειλε μια ανοιχτή επιστολή προς τους πειραματικούς συναδέλφους του, που ξεκινούσε με την προσφώνηση
«Ραδιενεργές κυρίες και κύριοι …»,
όπου τους περιέγραφε για πρώτη φορά την υπόθεσή του,

σύμφωνα με την οποία,
θα μπορούσε να διασωθεί ο νόμος διατήρησης της ενέργειας, αρκεί να υπήρχαν ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια, τα οποία αποκαλούσε νετρόνια (αργότερα ονομάστηκαν νετρίνα). Το συνεχές φάσμα της β διάσπασης θα αποκτούσε νόημα αν υποθέταμε ότι μαζί με την εκπομπή του ηλεκτρονίου εκπέμπεται και ένα νετρόνιο (νετρίνο) τέτοιο ώστε το άθροισμα των ενεργειών νετρονίου (νετρίνου) και ηλεκτρονίου να είναι σταθερό.
«Αλλά μέχρι στιγμής» – συνέχιζε στην επιστολή – «δεν τολμώ να δημοσιεύσω οτιδήποτε σχετικό μ’ αυτή την ιδέα, και εμπιστευτικά απευθύνομαι πρώτα σε σας, με την ερώτηση του κατά πόσο είναι πιθανό να βρούμε πειραματικές αποδείξεις για την ύπαρξη τέτοιων νετρονίων (νετρίνων) … Ομολογώ πως η ερμηνεία μου μπορεί να φαίνεται σχεδόν απίθανη, γιατί αν υπήρχαν αυτά τα νετρόνια (νετρίνα), θα έπρεπε να είχαν βρεθεί μέχρι σήμερα».

Η επιστολή του Pauli στην οποία περιγράφει για πρώτη φορά την υπόθεση του για την ύπαρξη του νετρίνου. Η επιστολή ξεκινά με την προσφώνηση:

Η επιστολή του Pauli στην οποία περιγράφει για πρώτη φορά την υπόθεση του για την ύπαρξη του νετρίνου. Η επιστολή ξεκινά με την προσφώνηση: «Ραδιενεργές κυρίες και κύριοι …»

Το να προτείνει κανείς την ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου το 1930 ήταν πρωτοφανές. Κανένας δεν το είχε τολμήσει μέχρι τότε.
Όταν ο Pauli έκανε την πρότασή του για το νέο σωματίδιο, το νετρίνο, που όμως ο ίδιος ονόμαζε νετρόνιο, δεν είχε ανακαλυφθεί ακόμα το γνωστό μας νετρόνιο. Αυτό ανακαλύφθηκε το 1932, από τον James Chadwick. Όμως ήταν πολύ βαρύ για να είναι το σωματίδιο που προέβλεπε ο Pauli. Μέχρι τότε τα γνωστά σωματίδια ήταν το πρωτόνιο, το ηλεκτρόνιο και το κβάντο του φωτός, το φωτόνιο.

Όμως σιγά-σιγά η επιστημονική κοινότητα πειθόταν πως ο Pauli μάλλον είχε δίκιο. Λίγα χρόνια μετά, ο Enrico Fermi, βάφτισε το σωματίδιο του Pauli νετρίνο.

To νετρίνο αποτελούσε αναπόσπαστο κομμάτι της θεωρίας για την διάσπαση β που διατύπωσε ο Fermi το 1934. Σύμφωνα μ’ αυτήν, τα νετρίνα αλληλεπιδρούσαν εξαιρετικά ασθενώς με την ύλη. Το νετρίνο επρόκειτο, μάλλον, για ένα σωματίδιο φάντασμα: μπορούσε να διαπεράσει ολόκληρη τη Γη χωρίς καμία αλληλεπίδραση. Παρ’ όλα αυτά, τα νετρίνα αποτελούσαν θεμελιώδες συστατικό του σύμπαντος, η ύπαρξη των οποίων ήταν απαραίτητα σύμφωνα με τους βασικούς νόμους της φυσικής.

Μετά την υπόθεση του Pauli για την ύπαρξη του νετρίνου, τα νέα πειραματικά δεδομένα σχετικά με την διάσπαση β έδειχναν ότι αν το νετρίνο υπήρχε η μάζα του θα έπρεπε να είναι αμελητέα.

Τελικά η ύπαρξη των νετρίνων αποδείχθηκε πειραματικά 26 χρόνια μετά, τον Ιούνιο του 1956 από τους Frederick Reines και Clyde Cowan. Αμέσως ενημέρωσαν με τηλεγράφημα τον Pauli, που βρίσκονταν σε ένα συνέδριο στο CERN.
O ίδιος το ανακοίνωσε με περηφάνια στο κοινό:
«Με ικανοποίηση σας πληροφορούμε ότι έχουμε μετά βεβαιότητας ανιχνεύσει νετρίνα σε προϊόντα σχάσης μέσω παρατήρησης της αντίστροφης διάσπασης β των πρωτονίων. Η παρατηρούμενη ενεργός διατομή βρίσκεται σε συμφωνία με την αναμενόμενη τιμή των 6•10-44 cm2»

Ο Pauli έγινε παγκοσμίως γνωστός ως ο «πατέρας του νετρίνου» και προσκλήθηκε σε πολλά μέρη του κόσμου για να κάνει διαλέξεις επί του θέματος.
Φημολογείται ότι μετά την ανακάλυψη σχολίασε με αρκετή ικανοποίηση: «Όλα έρχονται σε εκείνον που ξέρει να περιμένει».

Πηγές:
1.
Arthur I. Miller, «ΓΙΟΥΝΓΚ-ΠΑΟΥΛΙ, Ο Ψυχαναλυτής, ο Φυσικός και ο αριθμός 137», εκδόσεις Τραυλός
2. Kurt Riesselmann, «Neutrino invention»,
3. The Neutrino Hypothesis
4. wikipedia.org

Ετικέτα: ,