Philip Anderson: από την υπεραγωγιμότητα στο μποζόνιο Higgs

Posted on 12/12/2013

0


Ο Philip Warren Anderson, γεννήθηκε στις 13 Δεκεμβρίου του 1923 και αύριο συμπληρώνει το ενενηκοστό έτος της ηλικίας του.

Ο Philip Warren Anderson, γεννήθηκε στις 13 Δεκεμβρίου του 1923 και αύριο συμπληρώνει το ενενηκοστό έτος της ηλικίας του !

O Superconducting Super Collider (SSC) θα ήταν ο μεγαλύτερος επιταχυντής του κόσμου, αν το πρόγραμμα κατασκευής δεν ματαιωνόταν το 1993 εξαιτίας των προβλημάτων στην χρηματοδότησή του. Θα είχε περιφέρεια 87 χιλιομέτρων και θα μπορούσε να επιταχύνει πρωτόνια μέχρι ενέργειες 20 TeV, ξεπερνώντας κατά πολύ τον σημερινό Large Hadron Collider (LHC) του CERN.
Ήταν ο πρώτος επιταχυντής στον κόσμο που σχεδιάστηκε αποκλειστικά για την αναζήτηση του σωματιδίου Higgs.

Το 1988 ο πρόεδρος των ΗΠΑ Ronald Reagan ενέκρινε το πρόγραμμα κατασκευής, το οποίο υποστήριξε επίσης και ο διάδοχός του, ο τεξανός George W. Bush, μιας και εγκατάσταση του επιταχυντή ορίστηκε σε μια μικρή πόλη του Τέξας. Θα ήταν η ακριβότερη και η μεγαλύτερη εγκατάσταση φυσικής στην ιστορία.

Οι φυσικοί των υψηλών ενεργειών υπερασπίστηκαν την κατασκευή αυτή με μεγάλη θέρμη. Υποστήριζαν ότι ένας τέτοιος σούπερ – επιταχυντής, εκτός του ότι θα απαντούσε σε θεμελιώδη ερωτήματα της φυσικής, θα βοηθούσε επίσης στην ανάπτυξη ιατρικών τεχνικών π.χ. εναντίον του καρκίνου – και αυτό θα γινόταν παράλληλα διαμέσου της έρευνας σχετικά με την κατασκευή των απαραίτητων υπεραγώγιμων μαγνητών.

Υπήρχαν όμως και φυσικοί που υποστήριζαν ότι με το γιγαντιαίο και πανάκριβο πρόγραμμα του SSC, η φυσική των υψηλών ενεργειών υπερχρηματοδοτούνταν σε βάρος άλλων τομέων της φυσικής, όπως π.χ. της φυσικής στερεάς κατάστασης.

Πολέμιος του SSC ήταν ο Philip Warren Anderson, ένας Αμερικανός φυσικός, βραβευμένος με το Νόμπελ φυσικής το 1977, για τις έρευνές του στην φυσική στερεάς κατάστασης (μαζί με τους Nevill F. Mott και John H. van Vleck).

Ο Philip Anderson πολύ νωρίς – από το 1971 – είχε εκφράσει την άποψη ότι «η πίτα είναι πεπερασμένη και ό,τι είναι “υπέρ” της φυσικής των υψηλών ενεργειών είναι “κατά” για κάποιον άλλο τομέα της φυσικής, και αν θέλουμε να διατηρήσουμε μια υγιή επιστήμη τότε πρέπει να αντιμετωπίζουμε όλους τους τομείς της με κριτική διάθεση».

Ο Anderson διαφωνούσε έντονα με τους «ηγέτες» της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων (Steven Weinberg, Leon Lederman κ.ά) και τους ισχυρισμούς τους ότι η φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων είναι μονόδρομος για την αποκάλυψη θεμελιωδών ερωτημάτων της επιστήμης. Υποστήριζε ότι εξίσου θεμελιώδης ήταν η έρευνα του Alan Turing στους υπολογιστές, όπως και η ανακάλυψη της δομής του DNA από τους Crick και Watson.

Τελικά το καλοκαίρι του 1993 ματαιώθηκε η κατασκευή του Superconducting Super Collider.
Οι απόψεις του νομπελίστα Anderson σίγουρα έπαιξαν κάποιο ρόλο στην ματαίωση του μεγάλου έργου, αλλά το βέβαιο είναι ότι εξόργισαν την κοινότητα των φυσικών που ασχολούνται με τα στοιχειώδη σωματίδια.

Και κάποιοι λένε ότι αυτός είναι ο λόγος που ο Philip Anderson δεν πλαισίωνε τους Englert και Higgs στην τελετή απονομής του βραβείου Νόμπελ φυσικής 2013.

Η ειρωνεία της τύχης έφερε τον Anderson, έναν φυσικό της στερεάς κατάστασης – εξπέρ στην υπεραγωγιμότητα – ο οποίος εναντιώθηκε στην κατασκευή του αμερικανικού υπερ-επιταχυντή που πιθανόν να ανίχνευε το σωματίδιο Higgs πριν φύγει ο εικοστός αιώνας, να είναι ο πρώτος που προσέγγισε θεωρητικά τον μηχανισμό Higgs .

O Anderson το Νοέμβριο του 1962 υπέβαλλε προς δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review, την εργασία του με τίτλο «Plasmons, Gauge Invariance, and Mass» η οποία εμφανίστηκε στο τεύχος του Απριλίου του 1963, μαζί με άλλα άρθρα της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Στην εργασία αυτή δανείστηκε ένα παράδειγμα από την θεωρία των υπεραγωγών με τους οποίους ήταν εξοικειωμένος. Στους υπεραγωγούς εμφανίζονταν άμαζα σωματίδια τα οποία αποκτούσαν μάζα εξαιτίας του τρόπου αλληλεπίδρασής τους.
Στην υπεραγωγιμότητα περιλαμβάνεται μια ασυνήθιστη σπασμένη συμμετρία, αλλά με την συμμετοχή των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων που δρουν σε μεγάλες αποστάσεις.

Ο Anderson κατανόησε ότι ένα «άμαζο πεδίο βαθμίδας» (που περιγράφει συνήθεις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις) θα μπορούσε να συνδυαστεί με έναν «άμαζο τρόπο Goldstone» – μια υπογραφή του σπασίματος συμμετρίας – ώστε να δώσει καθαρές διεγέρσεις με μάζα.

Χοντρικά, αυτό αντανακλά την «απέχθεια» των υπεραγωγών για τα μαγνητικά πεδία, το επονομαζόμενο φαινόμενο Meissner, που το βλέπουμε δραματοποιημένο όταν μαγνήτες αιωρούνται πάνω από κομμάτια υπεραγωγών.

Στο σημείο αυτό ο Anderson «συναντήθηκε» με τους φυσικούς των στοιχειωδών σωματιδίων οι οποίοι προσπαθούσαν να διασώσουν ένα δυναμικό που περιέγραφε μικρής εμβέλειας δυνάμεις μέσα σε ένα ζωολογικό κήπο σωματιδίων που είχαν ανακαλυφθεί στους επιταχυντές.

Αυτή η περιγραφή είχε ένα βασικό λάθος – τα πεδία βαθμίδας ήταν άμαζα και έτσι περιέγραφαν δυνάμεις με μεγάλη εμβέλεια. Ο Anderson συνειδητοποίησε ότι εισάγοντας ένα δεύτερο λάθος – ένα άμαζο μποζόνιο Goldstone εξαιτίας του σπασίματος συμμετρίας – μπορούσε να κάνει κάτι σωστό.

Σήμερα, αυτό το μαγικό τρικ που  συνήθως αναφέρεται ως μηχανισμός Higgs – Anderson, αποδίδεται στον Higgs με την επιπλέον συνειδητοποίηση ότι ο μηχανισμός συνεπάγεται ένα επιπρόσθετο σωματίδιο με μάζα που ο Anderson δεν πήρε υπόψη του.

Σε κάθε περίπτωση, κοιτάζοντας μέσα σε ένα «κομμάτι μέταλλο», ο Anderson έλυσε έναν γρίφο σχετικά με τα στοιχειώδη σωματίδια.
Η ενέργεια που απαιτείται για την υπεραγωγιμότητα είναι το ένα χιλιοστό του ηλεκρονιοβόλτ, ενώ η ενέργεια του σωματιδίου Higgs είναι εκατοντάδες εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη ή εναλλακτικά το μέγεθος του σωματιδίου Higgs είναι εκατοντάδες τρισεκατομμύρια φορές μικρότερο από το μέγεθος της μικρότερης υπεραγώγιμης μονάδας που ονομάζεται ζεύγος ηλεκτρονίων Cooper.

Γιατί άραγε τα ίδια μαθηματικά μπορούν να περιγράψουν δυο φαινόμενα, εντελώς διαφορετικά μεταξύ τους;

Η ερμηνεία αυτού του εκπληκτικού γεγονότος είναι μια κεντρική μετα-ιδέα στην μεταπολεμική φυσική. Σύμφωνα μ’ αυτή αν δεν επικεντρωθούμε πάρα πολύ στις χωρικές λεπτομέρειες, τα μαθηματικά απλοποιούνται σε ένα σύνολο «θεωριών πεδίου», που στη συνέχεια παρέχουν ένα ενιαίο μαθηματικό πλαίσιο για ένα ευρύ φάσμα φαινομένων.

Tα μέταλλα είναι φτιαγμένα από ηλεκτρόνια και πυρήνες, αλλά όταν παραβλέψουμε «αυτές τις λεπτομέρειες», καταλήγουμε στη θεωρία πεδίου Anderson.
Στην σωματιδιακή, παραβλέποντας τις αντίστοιχες λεπτομέρειες – που επιπλέον είναι άγνωστες και ίσως περιγράφονται από την θεωρία των χορδών –καταλήγουμε σε μια παρόμοια θεωρία με την θεωρία πεδίου Anderson. Αυτό που ονομάζεται τρόπος Anderson, ονομάζεται σωματίδιο Higgs, αλλά και τα δυο περιγράφουν μια κατανομή σε ένα υποκείμενο μέσο, που στη μια περίπτωση είναι γνωστό και στην άλλη άγνωστο.

Οι πανταχού παρούσες αποτελεσματικές θεωρίες πεδίου δεν σημαίνει ότι ο μηχανισμός Higgs – Anderson είναι το μόνο παράδειγμα στενών αναλογιών μεταξύ διαφορετικών φαινομένων στην σύγχρονη φυσική. Για να αναφέρουμε ένα πρόσφατο παράδειγμα, η εργασία του φυσικού σωματιδίων Edward Witten στις τοπολογικές θεωρίες πεδίου στη δεκαετία του 1980, για την οποία τιμήθηκε με το μετάλλιο Fields στα μαθηματικά, κατέληξε να είναι κεντρικής σημασίας στην κατανόηση του φαινομένου Hall σε συστήματα ημιαγωγών, ακόμη και αν δεν σχεδιάστηκε για κάτι τέτοιο.

Έτσι η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs είναι ένας θρίαμβος γι αυτή την συγκριτική ματιά στην μοντέρνα φυσική. Αποδεικνύεται ότι ο χώρος στερούμενος ορατών σωματιδίων έχει κάτι κοινό με ένα υπεραγώγιμο μέταλλο. Επιπλέον μας λέει ότι δεν ήταν πάντα έτσι: όταν το σύμπαν ήταν νεώτερο και θερμότερο, έμοιαζε περισσότερο με ένα κομμάτι υπεραγωγού που θερμάνθηκε μέχρι το σημείο που η υπεραγωγιμότητα εξαφανίστηκε, και ως εκ τούτου έπαψε να υπάρχει το σωματίδιο Higgs.

Όσον αφορά το φετινό βραβείο Νόμπελ φυσικής, σύμφωνα με τον Shivaji Sondhi, η επιτροπή έχασε μια μεγάλη ευκαιρία μη συμπεριλαμβάνοντας τον Anderson μαζί με τους Higgs και Englert. Ήταν μια ευκαιρία να αποδοθεί τιμή στη συνεισφορά του και πάνω απ’ όλα θα ήταν ένας φόρος τιμής στην αξιοσημείωτη πνευματική ενότητα της σύγχρονης φυσικής.

ΠΗΓΗ: «The tao of modern physics», Shivaji Sondhi

==================
(νεώτερη ενημέρωση)
Διαβάστε επίσης: A lifetime of contributions to physics: Philip Anderson
==================