Το σπάσιμο του καθρέφτη της ομοτιμίας

Οι φυσικοί Chen-Ning Yang (αριστερά) και Tsung-Dao Lee, βραβεύθηκαν το 1957 Νόμπελ Φυσικής, για την δημοσίευσή τους σχετικά με την παραβίαση της ομοτιμίας

Τον Νοέμβριο του 1954, ο Wolfgang Pauli – ένας από τους μεγαλύτερους φυσικούς του 20ου αιώνα – είδε ένα όνειρο τόσο παράξενο ώστε ακόμη και μετά από τρία χρόνια το συγκρατούσε στη μνήμη του. Όπως συνήθιζε το περιέγραψε σε μια επιστολή που έστειλε στον ψυχαναλυτή Carl Jung. Ο Pauli έδειχνε μεγάλο ενδιαφέρον για την έννοια της συμμετρίας, τόσο στη φυσική όσο και στην ψυχολογία, όπου θεωρούσε το συνειδητό και το ασυνείδητο ως κατοπτρικά μεταξύ τους είδωλα. Στο εν λόγω όνειρο βλέπει ότι βρίσκεται με μια σκοτεινή γυναίκα – την ανιμά του – σε ένα δωμάτιο στο οποίο εκτελούνται πειράματα με αντικατοπτρισμούς. Οι «άλλοι» που βρίσκονται στο δωμάτιο πιστεύουν ότι οι αντικατοπτρισμοί δείχνουν πραγματικά αντικείμενα, όμως ο Pauli και η σκοτεινή γυναίκα γνωρίζουν ότι πρόκειται απλά για κατοπτρικά είδωλα. Και το κρατούν μυστικό. «Το μυστικό αυτό μας γεμίζει με φόβο». Κατά διαστήματα, η σκοτεινή γυναίκα μεταμορφώνεται στην Κινέζα που εμφανιζόταν σε προηγούμενα όνειρα και είχε παρουσιάσει τον Pauli μπροστά στους «αγνώστους». Η Κινέζα, σύμφωνα με τον Jung, αντιπροσωπεύει την ολιστική πλευρά της σκοτεινής γυναίκας, καθότι η κινεζική φιλοσοφία επιδιώκει να συμφιλιώσει τα αντίθετα.
Ο Pauli υπέθεσε ότι οι «άλλοι» αντιπροσωπεύουν τη συλλογική άποψη την οποία εξέλαβε ως «δικές του συμβατικές αντιρρήσεις … προς ορισμένες ιδέες – και τον φόβο του γιαυτές». Το πρόβλημα με το οποίο παλεύει είναι ότι «δεν υπάρχει συμμετρία ‘αντικειμένων’ και ‘ αντικατοπτρισμών’ στο όνειρο αυτό, εφόσον όλη η ουσία έγκειται στη διάκριση μεταξύ των δυο. Μολονότι αυτός μπορεί να αντιληφθεί πως ότι φαίνεται ως αντικείμενο είναι απλά αντικατοπτρισμός, δεν συμβαίνει το ίδιο και με τους «άλλους». Στο όνειρο αυτό δεν υπάρχει κατοπτρική συμμετρία. Κάτι που είναι αδύνατο.

Η διατήρηση της κατοπτρικής συμμετρίας ή της ομοτιμίας (parity), το αναλλοίωτο σε μετασχηματισμούς αναστροφής χώρου, πιο απλά, η συμμετρία αριστερού-δεξιού, μεταφέρθηκε από την κλασική στην κβαντική φυσική από τον Wigner προς το τέλος της δεκαετίας του 1920, παίρνοντας μια θέση στο βάθρο των «αναμφισβήτητων» αρχών διατήρησης. Έτσι, όταν το 1929 ο Weyl πρότεινε μια κυματική εξίσωση Dirac δυο συνιστωσών για σωματίδια με μηδενική μάζα και σπιν ½, ο Pauli την απέρριψε ακριβώς επειδή παραβίαζε την αρχή διατήρησης της ομοτιμίας (Η εξίσωση Weyl αποκαταστάθηκε πολύ αργότερα, μετά την ανακάλυψη της μη διατήρησης της ομοτιμίας). Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1950, οι φυσικοί δεν αμφισβητούσαν το δόγμα της διατήρησης της ομοτιμίας.

Ο Pauli πίστευε φανατικά στην διατήρηση κατοπτρικής συμμετρίας, ότι η φύση δεν διακρίνει μεταξύ του «αριστερά» και του «δεξιά». Πως αν εκτελέσουμε ένα πείραμα και παρατηρήσουμε το είδωλό του στον καθρέπτη θα διαπιστώσουμε ότι αυτά τα δυο είναι πανομοιότυπα. Το δεύτερο θα πρέπει να αποτελεί τέλεια κατοπτρική ανάκλαση του πρώτου. Στα μαθηματικά η διατήρηση της ομοτιμίας συνεπάγεται ότι μια εξίσωση της φυσικής πρέπει να παραμείνει αναλλοίωτη κατά την εναλλαγή αριστερού-δεξιού.

Τη εποχή που είδε το όνειρο με την Κινέζα και τους αντικατοπτρισμούς που δεν ήταν αντικατοπτρισμοί, ο Pauli έγραφε ένα άρθρο-ορόσημο με αφορμή τα εβδομηκοστά γενέθλια του Bohr, όπου εκλάμβανε την διατήρηση της ομοτιμίας ως αξίωμα. Τότε όμως δεν έδωσε στο όνειρο περαιτέρω σημασία.

Τον Ιούνιο του 1956 – δυο κινεζικής καταγωγής αμερικανοί φυσικοί, ο Chen-Ning Yang και ο Tsung-Dao Lee έστειλαν στον Pauli ένα άρθρο τους. Σ’ αυτό αποδείκνυαν ότι στην ασθενή αλληλεπίδραση δεν διατηρείται η κατοπτρική συμμετρία ή ομοτιμία. Ο Pauli χαμογέλασε ειρωνικά και δεν έδωσε καμία περαιτέρω σημασία στο άρθρο.

Εκείνη την εποχή, οι φυσικοί πίστευαν ότι όλες οι γνωστές θεμελιώδεις δυνάμεις – ο ηλεκτρομαγνητισμός, η βαρύτητα, η ισχυρή δύναμη και η ασθενής δύναμη – υπάκουαν στη συμμετρία ομοτιμίας, ότι όλοι νόμοι της φύσης είναι αμφιδέξιοι. Γιατί το σύμπαν να μην φαίνεται το ίδιο στον καθρέφτη;

Η εργασία των Lee και Yang με τίτλο “Question of Parity Conservation in Weak Interactions”, που δημοσιεύτηκε την 1η Οκτωβρίου 1956, εντυπωσίασε την κοινότητα της φυσικής. Οι ιδέες τους προκάλεσαν μια φρενίτιδα συζητήσεων και πειραμάτων, και μόλις ένα χρόνο μετά μοιράστηκαν το Νόμπελ Φυσικής!

Μια μουντή μέρα του Γενάρη του 1957 στη Ζυρίχη, ο Wolfgang Pauli έγραφε στον συνάδελφό του Victor Weisskopf «είμαι έτοιμος να στοιχηματίσω ένα πολύ μεγάλο ποσό» ότι κανένα πείραμα δεν θα επιβεβαίωνε παραβίαση της κατοπτρικής συμμετρίας. Είχε αμφιβολίες σχετικά με την πρόταση των Lee και Yang και αποτύπωσε τον σκεπτικισμό του με την θρυλική διατύπωσή του: «Ich glaube aber nicht, daß der Herrgott ein schwacher Linkshänder ist». (Δεν πιστεύω ότι ο Θεός είναι ασθενής αριστερόχειρας.)

Όμως δύο μέρες αργότερα, ο κομψός καθρέφτης της ομοτιμίας γκρεμίστηκε. Μια Κινέζα, η Chien-Shiung Wu, πραγματοποίησε ένα πολύ όμορφο πείραμα, με το οποίο αποδεικνυόταν πέραν πάσης αμφιβολίας η παραβίαση της ομοτιμίας στην περίπτωση των ασθενών αλληλεπιδράσεων. Τα αρχικά δεδομένα από το πείραμα της Wu έδειξαν ότι η θεωρία των Lee και Yang ήταν σωστή. Ο Pauli έγραψε: «Sehr aufregend. Wie sicher ist die Nachricht;» (Πολύ συναρπαστικό. Πόσο σίγουρο είναι αυτό το νέο;).

Με ένα ιστορικό πείραμα η Chien-Shiung Wu έδειξε ότι η φύση μερικές φορές παραβίαζε την ομοτιμία, αποδεικνύοντας την ορθότητα της θεωρίας των Lee και Yang. Παρά τον καθοριστικό της ρόλο, η Wu δεν βραβεύθηκε ποτέ με Νόμπελ για τη εργασία της – όπως συνέβη με τους Lee and Yang.

Την δεκαετία του 1950, οι φυσικοί μαστίζονταν από ένα πρόβλημα γνωστό ως παράδοξο ταυ – θήτα. Τα σωματίδια τ+ και θ+ – που τώρα ονομάζονται καόνια- είχαν την ίδια μάζα, ίδιο φορτίο, ίδιο χρόνο ζωής, όμως το ένα αποσυντίθετο σε δυο πιόνια: (θ+→ π+ + π0), ενώ το άλλο σε τρία: τ+→ π+ + π0 + π0 ή π+ + π+ + π.

Οι υποθέσεις για την επίλυση του γρίφου τ-θ πολλαπλασιάζονταν. Μερικοί φυσικοί πρότειναν ότι τα σωματίδια δεν ήταν τελικά πανομοιότυπα – ότι το ταυ ήταν λίγο βαρύτερο από το θήτα – ή ότι οι υψηλοί αριθμοί σπιν μπορεί να εξηγήσουν την παράξενη διάσπαση. Τα πειράματα απέδειξαν γρήγορα ότι όλα αυτά τα μοντέλα ήταν λάθος.

Σε ένα συνέδριο τον Απρίλιο του 1956, ο Yang συζήτησε τον γρίφο τ-θ, προκαλώντας μια έντονη συζήτηση. Κάποια στιγμή, ο Richard Feynman έθεσε μια ερώτηση στον Martin Block: «Μήπως … η ομοτιμία δεν διατηρείται… μήπως η φύση έχει έναν τρόπο να ορίζει μοναδικά τη δεξιοχειρία ή την αριστεροχειρία;» Ο Yang απάντησε ότι αυτός και ο Lee είχαν ερευνήσει την ερώτηση αλλά δεν κατέληξαν σε οριστικό συμπέρασμα.

Μετά το συνέδριο, ο Lee έκανε μια σημαντική ανακάλυψη μιλώντας με τον Jack Steinberger, την οποία θυμήθηκε κατά τη διάρκεια μιας ομιλίας του 2001: «Αν η ομοτιμία δεν διατηρείται στις διασπάσεις παράξενων σωματιδίων, θα μπορούσε να υπάρξει μια ασυμμετρία μεταξύ των γεγονότων… Αυτό είναι το κλειδί που λείπει!» Η συζήτηση οδήγησε τον Steinberger και τους συναδέλφους του να αναζητήσουν παραβίαση ομοτιμίας στη διάσπαση υπερονίων, αλλά με πολύ λίγα δεδομένα -μόλις 48 ανιχνευμένα σωματίδια- τα αποτελέσματά τους ήταν ασαφή.

Εν τω μεταξύ, ο Lee και ο Yang άρχισαν να εξετάζουν τα υπάρχοντα δεδομένα. Σύμφωνα με τον ιστορικό της φυσικης Allan Franklin, εκείνη την εποχή όλοι πίστευαν ορθά – τουλάχιστον από όσο γνωρίζουμε τώρα – ότι η ομοτιμία διατηρείται στις ισχυρές και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Είχε επιβεβαιώσει κανείς ότι η ομοτιμία διατηρείται στις ασθενεις αλληλεπιδράσεις; Η απάντηση των Lee και Yang ήταν όχι. (Στην πραγματικότητα, τα πειράματα στη δεκαετία του 1930 είχαν ήδη αποκαλύψει παραβίαση της ομοτιμίας, αλλά κανείς δεν έδωσε σημασία, λέει ο Franklin.)

Πολλοί φυσικοί, όπως ο Pauli, αμφισβητούσαν την παραβίαση της ομοτιμίας. «Γιατί η φύση πρέπει να διακρίνει μεταξύ αριστερά και δεξιά;» λέει ο Franklin. Ο Feynman πόνταρε εναντίον του 50 προς 1 και ο Felix Bloch είπε στους συναδέλφους του στο Stanford ότι θα στοιχημάτιζε το καπέλο του. Αργότερα εκμυστηρεύτηκε στον Lee, ότι ήταν τυχερός που δεν είχε καπέλο.

Τελικά ο γρίφος λύθηκε από τους Lee και Yang διατυπώνοντας την υπόθεση ότι οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις παραβιάζουν τη διατήρησης της ομοτιμίας. Η υπόθεση ήταν αποδεκτή από τους πειραματικούς φυσικούς, αλλά αντιμετωπίστηκε ως ύβρις από τους θεωρητικούς. Κι αυτό γιατί η ομοτιμία είναι μια συμμετρία του χωροχρόνου όπως και οι στροφές, επομένως έπερεπε να διατηρείται απολύτως.

Πέρα από τις αμφιβολίες, οι πειραματιστές άρπαξαν την ιδέα των Lee και Yang. Η Chien Shiung Wu, συνάδελφός τους στο Columbia, εγκατέλειψε όλα τα σχέδιά της και σχεδίασε ένα πείραμα χρησιμοποιώντας την διάσπαση του κοβαλτίου-60. Μέχρι τον Δεκέμβριο, είχε αρκετά δεδομένα για να αποδείξει την παραβίαση της ομοτιμίας.

Όταν οι συνάδελφοι φυσικοί στο Columbia, Leon Lederman και Richard Garwin, άκουσαν για το επίτευγμα της Wu, συνειδητοποίησαν ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν μια δέσμη μιονίων για να επιβεβαιώσουν το αποτέλεσμά της. Αργά το βράδυ της Παρασκευής, ο Lederman, Garwin και ένας μεταπτυχιακός φοιτητής ονόματι Marcel Weinrich έστησαν ένα πείραμα χρησιμοποιώντας καθημερινά απλά υλικά.

«Μέχρι τις έξι το πρωί, ήμασταν σε θέση να καλέσουμε συναδέλφους και να τους πούμε ότι οι νόμοι της ομοτιμίας παραβιάζουν την κατοπτρική συμμετρία», θυμόταν αργότερα ο Lederman. Το σύμπαν, με διαφορά περίπου 1 στις 10.000, έδειχνε να «κλίνει» προς τα αριστερά και όχι δεξιά.

Και τα δύο πειράματα δημοσιεύτηκαν στις 15 Φεβρουαρίου 1957 στο Physical Review. Παρά τον πρωταγωνιστικό ρόλο της Wu και τις 26 υποψηφιότητές της για Νόμπελ, δεν έλαβε ποτέ το βραβείο, κάτι που προκαλούσε την οργή συναδέλφων της, όπως ο Pauli. Η πρώτη της αναγνώριση για την πειραματική επαλήθευση της παραβίασης της ομοτιμίας ήρθε μετά από πολύ καιρό, με το βραβείο Wolf το 1978.

Χιουμοριστική επιστολή Pauli προς Bohr:
«Με μεγάλη λύπη μας γνωστοποιούμε ότι η για πολλά χρόνια αγαπημένη μας φίλη
ΟΜΟΤΙΜΙΑ
πέθανε γαλήνια στις 19 Ιανουαρίου 1957, μετά από μια σύντομη ταλαιπωρία που υπέστη λόγω πειραματικής μεταχείρισης,
Εκ μέρους των συγγενών
e, μ, ν

Η ανακάλυψη της παραβίασης της ομοτιμίας έβαλε στο επίκεντρο την έρευνα για την ανακάλυψη της παραβίασης συζυγίας φορτίου και ομοτιμίας (CP) και άλλων φαινομένων που σπάζουν τη συμμετρία που οδήγησαν στην διαρύπωση του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωμτιδίων. «Το γεγονός ότι η ίδια η ομοτιμία παραβιάστηκε ήταν απλώς μια τεράστια αλλαγή στον τρόπο που σκεφτόμαστε», λέει ο Franklin.

Οι φυσικοί που είχαν αντιμετωπίσει τις συμμετρίες της φύσης με θρησκευτική ευλάβεια, ένιωσαν μια συγκλονιστική προδοσία. Όπως είπε ο Yang στην ομιλία κατά την απονομή του βραβείου Νόμπελ: «Αυτή η προοπτική δεν μας άρεσε. Αντίθετα, μπορούμε να πούμε πως οδηγηθήκαμε σ’ αυτή με μεγάλη δυσφορία».

πηγές:
1. October 1956: Lee and Yang Crack the Mirror of Parity
2. Arthur I. Miller: ‘Ο ΨΥΧΑΝΑΛΥΤΗΣ, Ο ΦΥΣΙΚΟΣ ΚΑΙ Ο ΑΡΙΘΜΟΣ 137’, μετάφραση: Νίκος Αποστολόπουλος, εκδόσεις Τραυλός



Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: , , ,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: