Είναι γνωστό ότι το σύμπαν καθορίζεται από τέσσερις δυνάμεις: την ισχυρή πυρηνική, την ηλεκτρομαγνητική, την ασθενή πυρηνική και την βαρυτική. Συνήθως λέμε ότι η ισχυρότερη από αυτές τις δυνάμεις είναι η ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αν θεωρήσουμε συμβατικά την ισχύ της ισχυρής δύναμης ίση με την μονάδα, τότε η ισχύς της ηλεκτρομαγνητικής είναι 0,01, της ασθενούς πυρηνικής είναι 10^-5 και της βαρυτικής περίπου 10^-40. Όμως αυτή η διαβάθμιση ισχύος των τεσσάρων δνάμεων αληθεύει μόνο για αποστάσεις που είναι συγκρίσιμες με την ακτίνα ενός πρωτονίου. Για διαφορετικές κλίμακες μεγέθους, η σειρά ισχύος των δυνάμεων μπορεί να είναι πολύ διαφορετική.

Ο τρόπος με τον οποίο η ισχύς των δυνάμεων αλλάζει με την απόσταση δεν είναι ο ίδιος. Για να καταλάβουμε την ιδέα, ας θεωρήσουμε ότι υπήρχαν δύο υποθετικές δυνάμεις, η μία που είναι πολύ ισχυρή για κοντινές αποστάσεις, αλλά εξασθενεί για μεγάλες αποστάσεις, και μια δεύτερη δύναμη που είναι πιο ασθενής σε μικρές αποστάσεις, αλλά δεν μεταβάλλεται. Σε μια τέτοια περίπτωση, η μία δύναμη είναι ισχυρότερη από την άλλη σε μικρές αποστάσεις, ενώ η άλλη είναι ισχυρότερη σε μεγάλες αποστάσεις. Δεν μπορείτε να πείτε ποιά είναι ισχυρότερη χωρίς περισσότερες πληροφορίες. Για τις 4 δυνάμεις που μας ενδιαφέρουν, η απόσταση που επιλέχθηκε για να συγκριθεί η ισχύς των είναι περίπου 10^-15m=1 fm (φεμτόμετρο). Αυτό είναι περίπου το μέγεθος ενός πρωτονίου, το οποίο είναι εξαιρετικά μικρό. Η απόσταση αυτή επιλέχθηκε γιατί σ’ αυτήν την απόσταση πραγματοποιούνται τα πειράματα σωματιδιακής φυσικής.

Αν συγκρίνουμε την ηλεκτρομαγνητική και την βαρυτική δύναμη διαπιστώνουμε ότι οι δύο αυτές δυνάμεις εξαρτώνται από την απόσταση με τον ίδιο τρόπο. Και οι δυο μειώνονται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης, αλλά σημαντικό ρόλο στην ισχύ των δυνάμεων παίζουν η σταθερά k του νόμου Coulomb και η σταθερά G της παγκόσμιας έλξης. Και οι δύο σταθερές εξαρτώνται από τις μονάδες – τη μονάδα ηλεκτρικού φορτίου στην περίπτωση του ηλεκτρομαγνητισμού και την μονάδα μάζας στην περίπτωση της βαρύτητας.

Ας εξετάσουμε τον λόγο της βαρυτικής προς την ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ δυο πανομοιότυπων σωματιδίων φορτίου q και μάζας m: . Για δύο ηλεκτρόνια, η βαρυτική δύναμη είναι φορές ασθενέστερη από την ηλεκτρική, αλλά για δύο πρωτόνια, η βαρυτική δύναμη είναι μόνο φορές ασθενέστερη της ηλεκτρικής, δηλαδή σχεδόν τρεισήμισι εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την περίπτωση των ηλεκτρονίων.

Η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι διαφορετική. Για παράδειγμα, η ισχύς της έχει πολύ διαφορετική εξάρτηση από την απόσταση. Αν δύο σωματίδια που αλληλεπιδρούν με την ισχυρή πυρηνική δύναμη βρίσκονται πολύ κοντά το ένα στο άλλο, τότε αισθάνονται πολύ μικρή δύναμη μεταξύ τους. Ωστόσο, όταν απέχουν περίπου 1 fm (φεμτόμετρο) μεταξύ τους – περίπου όσο το μέγεθος ενός πρωτονίου – τότε η δύναμη γίνεται ισχυρότερη φθάνοντας σε περίπου δέκα χιλιάδες Newton. Η ισχυρή δύναμη μεταξύ δυο σωματιδίων δεν μεταβάλλεται καθώς αυτά απομακρύνονται. Βασικά παραμένει σταθερή. Αλλά, όπως όταν τεντώνουμε ένα ελατήριο η δυναμική ενέργεια αυξάνεται, έτσι και για δυο σωματίδια που απομακρύνονται σε μια απόσταση πολλαπλάσια του μεγέθους ενός πρωτονίου, αποθηκεύεται τόση πολλή ενέργεια που τελικά μετατρέπεται σε ύλη, δημιουργώντας νέα σωματίδια. Αυτά τα νέα σωματίδια διατάσσονται έτσι ώστε τα αρχικά σωματίδια να μην αισθάνονται πλέον καμία δύναμη μεταξύ τους. Έτσι, η ισχυρή πυρηνική δύναμη, σε πολύ μικρές αποστάσεις είναι μηδενική. Και για μεγάλες αποστάσεις, η δύναμη είναι επίσης μηδενική, αλλά για το εύρος μιας απόστασης περίπου στο μέγεθος του πρωτονίου έως μερικά πρωτόνια, η δύναμη είναι εξαιρετικά ισχυρή.

Και η ασθενής πυρηνική δύναμη; Στην περίπτωση αυτή μπαίνουν στο παιχνίδι διαφορετικοί παράγοντες. Στο κβαντικό επίπεδο, υπάρχουν σωματίδια-φορείς που ‘μεταφέρουν’ την αλληλεπίδραση μεταξύ δύο σωματιδίων ύλης.

Τα σωματίδια που μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική, την βαρυτική και την ισχυρή πυρηνική δύναμη δεν έχουν μάζα (ηρεμίας). Αλλά οι φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης είναι σωματίδια με πολύ μεγάλη μάζα. Ζυγίζουν 80-90 GeV, σχεδόν εκατό φορές περισσότερο από ένα πρωτόνιο, το οποίο έχει μάζα περίπου 1 GeV. Κι αυτό αλλάζει τα πάντα. Στην πραγματικότητα, για τις περισσότερες πυρηνικές διασπάσεις, οι ενέργειες που υπεισέρχονται είναι περίπου ένα εκατομμύριο eV (1 MeV). Tα σωματίδια-φορείς των ασθενούς δύναμης αντιστοιχούν σε περίπου εκατό χιλιάδες μεγαλύτερη ενέργεια. Φαίνεται ότι η ενέργεια της πυρηνικής διάσπασης είναι πολύ μικρή για να δημιουργήσει ένα σωματίδιο ασθενούς δύναμης, κάτι που μας κάνει να νομίζουμε ότι δεν πραγματοποιούνται ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Εδώ λοιπόν υπεισέρχεται η κβαντική μηχανική. Μπορεί η μάζα των σωματιδίων-φορέων της ασθενούς δύναμης να έχουν μάζα, κατά μέσο όρο περίπου 100 MeV, στην πραγματικότητα όμως ακολουθούν σε μια κατανομή μαζών (βλέπε: Η καμπύλη του συντονισμού και ο χρόνος ζωής των σωματιδίων).
Αν στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg , όπου το Τ συμβολίζει τον χαρακτηριστικό χρόνο μέσα στον οποίο η ενέργεια του κβαντικού συστήματος αλλάζει αξιόλογα, θεωρήσουμε ότι το ΔΕ εκφράζει το εύρος της κατανομής μαζών (ενεργειών) των σωματιδίων-φορέων της ασθενούς αλληλεπίδρασης, θα δούμε ότι η πιθανότητα να βρίσκονται μακριά από την κορυφή της κατανομής και να αντιστοιχούν μικροτερες μάζες (1 MeV) να είναι πολύ μικρή, δεν είναι όμως μηδενική. Τα σωματίδια που μεταφέρουν την ασθενή δύναμη έχουν πολύ μεγάλη μάζα, με σημαντική αβεβαιότητα στη μετρούμενη μάζα (ενέργεια), και επομένως εξαιρετικά μικρή διάρκεια ζωής Τ. Στην πραγματικότητα, κατά την διάρκεια της ζωής τους δεν προλαβαίνουν να διανύσουν απόσταση μεγαλύτερη από περίπου 1/1000 του μεγέθους ενός πρωτονίου!

Η ασθενής πυρηνική δύναμη είναι ασθενής γιατί είναι σπάνια. Δύο σωματίδια πρέπει να βρεθούν σε απόσταση μικρότερη από το 1/1000 του μεγέθους του πρωτονίου για να μπει στο παιχνίδι η ασθενής αλληλεπίδραση. Σε μικρότερες αποστάσεις η ασθενής πυρηνική δύναμη δύναμη είναι σχετικά ισχυρή. Και όλα αυτά οφείλονται στη μάζα των σωματιδίων φορέων που μεταφέρουν την ασθενή δύναμη. Αν αυτή η μεγάλη μάζα δεν έπαιζε ρόλο, τότε, η ασθενής πυρηνική και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη θα είχαν παρόμοια ισχύ.

Στο βίντεο που ακολουθεί ο Don Lincoln αναπτύσσει μια πιο λεπτομερή προσέγγιση του ζητήματος. Μας εξηγεί ότι η απλή ιεραρχία των δυνάμεων που διαβάζουμε στα βιβλία είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου. Δεν αρκεί να γνωρίζουμε πώς δρουν οι δυνάμεις σε μια συγκεκριμένη απόσταση και ενέργεια. Πρέπει να κατανοήσουμε πώς συμπεριφέρονται κάτω από διάφορες συνθήκες:

Κατηγορίες:ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: Don Lincoln, PHYSICS