Δύο πολύ διαφορετικές δυνάμεις
Όταν εξετάζουμε το πώς λειτουργούν οι ηλεκτρομαγνητικές και οι ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις στο σύμπαν μας, είναι εύκολο να καταλάβουμε γιατί οι φυσικοί δεν αντιλήφθηκαν αμέσως την ειδική τους σχέση.
Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις βρίσκονται παντού γύρω μας. Σ’ αυτές βασίζεται η παραγωγή και η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας, το μαγνητικό πεδίο της Γης που μας προστατεύει από τις κοσμικές ακτίνες, οι τηλεπικοινωνίες και το φως, χημικοί δεσμοί, η λειτουργία του μυακορδίου, η επικοινωνία των νευρώνων κλπ.
Aντιθέτως, η ασθενής πυρηνική δύναμη αν και είναι επίσης απαραίτητη, την συναντάμε σπανιότερα. Ευθύνεται για τη ραδιενεργό διάσπαση βήτα, μια υποατομική διαδικασία κατά την οποία ασταθείς πυρήνες μετασχηματίζονται σε ελαφρύτερους πυρήνες εκπέμποντας ηλεκτρόνια και αντινετρίνα (ή ποζιτρόνια και νετρίνα). Είναι επίσης σημαντική σε πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης που πραγματοποιούνται στο εσωτερικό του ήλιου και άλλων άστρων.
Και η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής πυρηνική δύναμη δεν διαφέρουν μόνο ως προς τα αποτελέσματά τους, αλλά και ως προς τα σωματίδια που μεταφέρουν την δράση τους. Ένα από τα βασικά δόγματα της σωματιδιακής φυσικής είναι ότι τα πάντα στον συνηθισμένο, καθημερινό μας κόσμο αποτελούνται από σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια είναι στην πραγματικότητα «τοπικές διεγέρσεις», ουσιαστικά μικροσκοπικές κινήσεις, μέσα σε κβαντικά πεδία που διαπερνούν όλο το χώρο. Κάθε τύπος σωματιδίου περιγράφεται από ένα κβαντικό πεδίο.
Μια τοπική διέγερση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου ονομάζεται φωτόνιο. Όλα τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα που παρατηρούμε είναι το αποτέλεσμα ενός συνδυασμού φωτονίων. Το φωτόνιο δεν έχει ούτε ηλεκτρικό φορτίο, ούτε μάζα ηρεμίας. Είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης και διασχίζει το σύμπαν με την ταχύτητα φωτός.
Φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης είναι: το ουδέτερο μποζόνιο Z και τα δύο μποζόνια W+, W– , το ένα φέρει θετικό και το άλλο αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Σε σχέση με τα φωτόνια, αυτά τα τρία σωματίδια που μεταφέρουν την ασθενή δύναμη είναι βαριά και σχετικά αργά. Θα διασπαστούν πριν προλάβουν να διασχίσουν μια μικρή απόσταση – ακόμα και όσο το εύρος ενός ατομικού πυρήνα.
Όταν οι φυσικοί παρατηρούν τη συμπεριφορά των σωματιδίων-φορέων της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς δύναμης στο σύμπαν μας, φαίνεται ξεκάθαρα πως είναι εκφράσεις δύο ξεχωριστών και διακριτών θεμελιωδών δυνάμεων. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιούν τα μαθηματικά της σωματιδιακής φυσικής για να περιγράψουν πώς συμπεριφέρονται αυτά τα σωματίδια, η κατάσταση γίνεται λίγο πιο περίπλοκη.
Μία δύναμη, διαχωρίσιμη
Οι φυσικοί χρησιμοποιούν τις εξισώσεις κίνησης για να περιγράψουν πώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια φορείς με τα σωματίδια της ύλης, δίνοντας μια εικόνα των πιθανών κινήσεων και συμπεριφοράς τους. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ασθενής δύναμη και τα αντίστοιχα σωματίδια μπορούν όλα να περιγραφούν από αυτό που είναι γνωστό ως θεωρία βαθμίδας (gauge theory) – μαθηματικά εργαλεία που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να κατανοήσουν ποιοι τύποι αλληλεπιδράσεων είναι δυνατοί για διαφορετικούς τύπους σωματιδίων.
Αν έχουμε κάποια αλληλεπίδραση που μεταφέρεται από ένα [σωματίδιο δύναμης], τότε προκύπτει πάντα μια θεωρία βαθμίδας. Ο όρος περιγράφει την πολύ συγκεκριμένη μαθηματική δομή στην οποία διατυπώνεται η θεωρία.
Κάθε είδος σωματιδίου απαιτεί τη δική του θεωρία βαθμίδας. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ όλων αυτών των σωματιδίων ικανοποιούν κανόνες και νόμους που περιορίζουν το τι μπορεί να συμβεί.
Για παράδειγμα, το φωτόνιο – και το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο κατ’ επέκταση – είναι «αναλλοίωτο τοπικής φάσης». Η τοπική φάση ενός σωματιδίου είναι μια ποσότητα που ποικίλλει στο χωροχρόνο και επηρεάζει τον υπολογισμό της κυματοσυνάρτησης του σωματιδίου. Η κυματοσυνάρτηση είναι ένα εργαλείο που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να μάθουν σχετικά με την πιθανότητα λήψης ορισμένων αποτελεσμάτων όταν παρατηρούν το σωματίδιο.
Τα φωτόνια περιγράφονται ως «αναλλοίωτα τοπικής-φάσης». Κι αυτό διότι όταν εφαρμόζουμε το αναλλοίωτο φάσης στις εξισώσεις κίνησης αυτές παραμένουν ίδιες – ανεξάρτητα από την τιμή της τοπικής φάσης του σωματιδίου που εισήχθη. Έτσι, παίρνουμε μια μαθηματική θεωρία που περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτονίων και άλλων σωματιδίων. Κι όχι μόνο αυτό, παίρνουμε επίσης μια μαθηματική θεωρία που περιγράφει όλα όσα γνωρίζουμε για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, τόσο το κβαντικό της πεδίο όσο και τα φωτόνια που αναδύονται από αυτήν.
Αυτό είναι μέρος αυτού που κάνει μια θεωρία «θεωρία βαθμίδας». Θέτοντας μερικούς περιορισμούς σε μια γενική θεωρία της κίνησης των σωματιδίων, αυτά τα αναλλοίωτα βαθμίδας καταλήγουν σε εξισώσεις που περιγράφουν με μεγάλη ακρίβεια τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων.
Ο ηλεκτρομαγνητικός τομέας έχει μόνο ένα αναλλοίωτο βαθμίδας, που συνοδεύεται από το μοναδικό σωματίδιο φορέα της δύναμης του, το φωτόνιο. Τα μποζόνια της ασθενούς δύναμης αντιστοιχούν σε ένα σύνολο τριών αναλλοίωτων τοπικής βαθμίδας, ένα για καθένα από τα τρία μποζόνια της ασθενούς δύναμης (Z, W+, W–). Αν εφαρμόσουμε τα αναλλοίωτα των ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών δυνάμεων στις εξισώσεις κίνησης και καθορίσουμε τους όρους της ενεργειακής κλίμακας σε αυτές τις εξισώσεις ώστε να ταιριάζουν με τις ενεργειακές κλίμακες της πραγματικότητας που βιώνουμε ως καθημερινοί άνθρωποι, θα έχουμε τις δύο εντελώς διαφορετικές θεωρίες: της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς δύναμης.
Ας σημειωθεί ότι, ενώ η ηλεκτρομαγνητική δύναμη θεωρείται ως θεωρία βαθμίδας, η ασθενής δύναμη, όπως την παρατηρούμε στον καθημερινό μας κόσμο, τεχνικά δεν είναι τέτοια – για λόγους που δεν έχουμε τον χώρο-χρόνο να εξετάσουμε εδώ. Ωστόσο, αν καθορίσουμε τους ενεργειακούς μας όρους μέχρι τις υψηλότερες ενεργειακές κλίμακες του αρχέγονου σύμπαντος, συμβαίνει κάτι πολύ ενδιαφέρον. Σε αυτές τις κλίμακες υψηλής ενέργειας, οι ασθενείς και οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις συνδυάζονται σε μια ενοποιημένη θεωρία βαθμίδας – μια ενιαία θεμελιώδη δύναμη που αποτελείται από τέσσερα άμαζα σωματίδια, όλα σχετικά των τεσσάρων σωματιδίων που σχετίζονται με τις ξεχωριστές ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις (το φωτόνιο και τα μποζόνια Z, W+, W–)
Σήμερα οι φυσικοί θεωρούν ότι κλάσματα δευτερολέπτων αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, υπήρχε μία, ενωμένη ηλεκτρασθενής δύναμη. Λίγα picoseconds αργότερα, αυτή η ενοποιημένη ηλεκτρασθενης δύναμη χωρίστηκε στις ηλεκτρομαγνητικές και τις ασθενείς δυνάμεις που βλέπουμε σήμερα.
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες δεν ήταν σίγουροι για το πώς συνέβη αυτή η μετάβαση, και υπέθεταν ότι κάτι έπρεπε να είχε διασπάσει την αρχέγονη δύναμη. Όταν το σύμπαν ψύχθηκε από πολύ υψηλές θερμοκρασίες προς χαμηλότερες θερμοκρασίες, υπέστη μια μετατροπή φάσης στην ενεργειακή κλίμακα στην οποία σπάει η ηλεκτρασθενής δύναμη. Αυτό μοιάζει πολύ με την μετατροπή της υγρής φάσης του νερού μιας λίμνης προς την στερεά φάση του πάγου όταν η θερμοκρασία πέφτει κάτω από 0 οC.
Ό,τι διασπούσε την ηλεκτροασθενή δύναμη κατά τη διάρκεια αυτής της μετατροπής φάσης έπρεπε να έχει ως αποτέλεσμα τα τέσσερα αρχικά άμαζα σωματίδια της ηλεκτροασθενούς δύναμης να μετασχηματιστούν προς τα τρία πολύ βαριά σωματίδια-φορείς της ασθενούς δύναμης και το άμαζο ηλεκτρομαγνητικό σωματίδιο, το φωτόνιο.
Με βάση αυτή την ιδέα, οι επιστήμονες προέβλεψαν την ύπαρξη ενός κβαντικού πεδίου που θα μπορούσε να δώσει μάζα σε ορισμένα (αλλά όχι όλα) στοιχειώδη σωματίδια: το πεδίο Higgs. Το 2012, επιστήμονες μετά από πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων ανακοίνωσαν την ανακάλυψη του σωματιδίου που σχετίζεται με αυτό το πεδίο, το μποζόνιο Higgs.
Ερωτήματα που παραμένουν
Φυσικά, υπάρχουν πολλά πράγματα που οι φυσικοί δεν γνωρίζουν ακόμη για αυτή τη μετατροπή. Δεν ξέρουμε αν συνέβη σιγά-σιγά ή πολύ ξαφνικά, Αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό ερώτημα που πρέπει να απαντηθεί σχετικά με το πώς εξελίχθηκε το αρχέγονο σύμπαν μας από τη Μεγάλη Έκρηξη και θα μπορούσε επίσης να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε ορισμένα μυστήρια, όπως το γιατί η ύλη δεν εξαϋλώθηκε μαζί με την αντιύλη κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης, δημιουργώντας ένα βαρετό σύμπαν που θα περιείχε μόνο φως.
Οι επιστήμονες αναρωτιούνται επίσης αν οι ηλεκτρομαγνητικές και οι ασθενείς δυνάμεις δεν είναι οι μόνες δυνάμεις που ήταν ενοποιημένες στο αρχέγονο σύμπαν. Αυτή η ιδέα προέρχεται από την Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία (GUT), σύμφωνα με την οποία μια τρίτη θεμελιώδης δύναμη – η ισχυρή πυρηνική δύναμη – μπορεί να υνδεόταν κάποτε με την ηλεκτρασθενή δύναμη.
Η ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς δύναμης σε μια μόνο δύναμη μας υπέδειξε με αρκατά πειστικό τρόπο, ότι ίσως και η ισχυρή δύναμη ενοποιείται με αυτές σε υψηλότερες ενέργειες.
Υπάρχουν έμμεσες ενδείξεις ότι αυτό είναι μια δυνατότητα… Τα μαθηματικά αυτών των δυνάμεων έχουν μια ξεκάθαρη σχέση που τις κάνει να συγκλίνουν προς μία δύναμη σε πολύ υψηλές ενέργειες. Αν μπορούσαμε να κατασκευάσουμε έναν μεγάλο επιταχυντή αδρονίων στο μέγεθος της τροχιάς του Άρη γύρω από τον ήλιο, τότε ίσως φτάσουμε σε αυτές τις ενεργειακές κλίμακες και να δούμε άμεσα μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία.
Μερικοί θεωρητικοί μάλιστα προτείνουν ότι η τέταρτη θεμελιώδης δύναμη που γνωρίζουμε, η βαρύτητα, μπορεί να ήταν επίσης μέρος αυτής της ενοποίησης. Ελπίζουν ότι θα βρουν μια συμμετρία, μια ομάδα μετασχηματισμών, που θα ήταν σε θέση να εξηγήσει τα πάντα – τις ασθενείς, τις ισχυρές, τις ηλεκτρομαγνητικές και τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις.
Γενικά, οι μεγάλες θεωρίες ενοποίησης ασχολούνται μόνο με την ενοποίηση των ασθενών, των ισχυρών και των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων. Η ενοποίηση της βαρύτητας εμπίπτει σε ένα διαφορετικό σύνολο ιδεών που είναι γνωστό ως θεωρία χορδών.
Σε κάθε περίπτωση, είτε ψάχνοντας την υπερσυμμετρία, είτε διερευνώντας τις θεωρίες των χορδών ή άλλες θεωρίες, υπάρχουν πολλά να ανακαλύψουμε για την ενοποίηση των δυνάμεων πέραν της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης. Άλλωστε, γιατί να σταματήσουμε εκεί;
δείτε επίσης: Είναι δύναμη … η ασθενής πυρηνική δύναμη;
πηγή: https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-the-electroweak-force?language_content_entity=und
Κατηγορίες:ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ, ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε