Ο πατέρας της ατομικής θεωρίας Δημόκριτος τον 5ο αιώνα π.Χ. θεωρούσε ότι υπάρχουν άτομα που διαφέρουν σε σχήμα, μέγεθος και διάταξη, όμως όλα τα άτομα ενός συγκεκριμένου τύπου ήταν απολύτως όμοια και μη διακρίσιμα. Πολλούς αιώνες μετά, το 1803, ο John Dalton, θεμελίωσε την σύγχρονη ατομική θεωρία διατυπώνοντας το αξίωμα ότι όλα τα άτομα ενός συγκεκριμένου χημικού στοιχείου είναι απολύτως ίδια σε μέγεθος, μάζα και χημικές ιδιότητες. Ίδιο ήταν και το σκεπτικό του Ludwig Boltzmann στα τέλη 19ου αιώνα, ο οποίος ανέπτυξε την Στατιστική Μηχανική υποθέτοντας πως όλα τα άτομα ή τα μόρια ενός συγκεκριμένου αερίου είναι μακροσκοπικά πανομοιότυπα.
Μερικές δεκαετίες αργότερα, με την διατύπωση της κβαντικής φυσικής, εδραιώθηκε η αντίληψη ότι δύο άτομα με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, νετρονίων και ηλεκτρονίων, τα οποία βρίσκονται στην ίδια ενεργειακή κατάσταση (θεμελιώδη ή διεγερμένη), είναι εντελώς πανομοιότυπα και απολύτως μη διακρίσιμα. Στον κβαντικό κόσμο δεν υπάρχει κανένα εγγενές χαρακτηριστικό ή ταμπέλα που να ξεχωρίζει το ένα από το άλλο.
Στην κβαντική θεωρία, τα στοιχειώδη σωματίδια και τα άτομα κατηγοριοποιήθηκαν επιπλέον και σε δύο μεγάλες οικογένειες: τα φερμιόνια και τα μποζόνια. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι όταν πρόκειται για το ίδιο είδος, η θεμελιώδης διαφορά τους δεν κρύβεται στη δομή τους, αλλά στους κανόνες συμπεριφοράς τους.
Τα φερμιόνια, αν και πανομοιότυπα, υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli, σ’υμφωνα με την οποία απαγορεύται να βρίσκονται ταυτόχρονα στην ίδια ακριβώς κβαντική κατάσταση. Αντίθετα, τα μποζόνια, όπως π.χ. τα άτομα του ισοτόπου 4He, δεν υπακούουν στην αρχή του Pauli. Γιαυτό σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες μπορούν να «συγχωνευτούν» μαζικά σε μια ενιαία κβαντική κατάσταση και υπακούοντας στην επονομαζόμενη στατιστική Bose-Einstein δημιουργούν εντυπωσιακά φαινόμενα όπως η υπερρευστότητα.
Έτσι φτάσαμε μέχρι σήμερα να θεωρούμε αυτονόητο ότι τα άτομα δεν είναι μοναδικά. Αν δύο άτομα έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, νετρονίων και ηλεκτρονίων, θα είναι πανομοιότυπα, μη διακρίσιμα και θα συμπεριφέρονται ακριβώς το ίδιο. Πρόκειται για μια υπόθεση θεμελιώδη στη φυσική για την κατανόηση της συμπεριφοράς της ύλης.
Όμως κάποιοι φυσικοί, όπως ο Mark G. Raizen, θεωρούν ότι η μη διακρισιμότητα των ατόμων είναι απλώς μια παραδοχή (υποθέτοντας σιωπηρά ότι η κβαντομηχανική είναι ελλιπής), και επιθυμούν να ελέγξουν πειραματικά αυτή την ιδέα. Έτσι, στην πρόσφατη δημοσίευσή του με τίτλο «Testing distinguishability and determinism in atoms», που δημοσιεύτηκε στο Physics Letters B, προτείνει μια σειρά πειραμάτων με σκοπό την ανάδειξη για πρώτη φορά των πιθανών διαφορών ανάμεσα στα θεωρούμενα πανομοιότυπα σωματίδια ή άτομα. «Μας αρέσει η θεωρία και το πείραμα να βαδίζουν μαζί», αναφέρει ο Raizen. «Αυτό το ερώτημα δεν έχει ελεγχθεί ποτέ πειραματικά στο παρελθόν, επομένως, αυτό είναι που το κάνει ενδιαφέρον για εμένα.»
Αν τα άτομα ήταν διακρίσιμα, το να κοιτάς δύο άτομα του ίδιου τύπου θα ήταν σαν να κοιτάς δύο αυτοκίνητα της ίδιας μάρκας και μοντέλου. Βγαίνοντας κατευθείαν από την γραμμή παραγωγής, μπορεί να φαίνεται αδύνατο να τα ξεχωρίσεις. Αλλά αν πλησιάσεις πιο κοντά για να μετρήσεις με απόλυτη ακρίβεια το σφίξιμο κάθε βίδας και τα μικροσκοπικά κενά μεταξύ των θυρών και του πλαισίου, θα αρχίσουν να γίνονται πιο εμφανείς ορισμένες μικρές διαφορές.
Για να επιτευχθούν πολύ ακριβείς ατομικές μετρήσεις, ο Raizen προτείνει ένα πείραμα με χρήση λέιζερ για την ψύξη και την παγίδευση μεμονωμένων ισοτόπων σε ένα εξαιρετικά ακριβές ατομικό ρολόι. Αυτή η διάταξη θα επέτρεπε στους ερευνητές να ανιχνεύσουν ελάχιστες διαφορές στα ενεργειακά επίπεδα των ισοτόπων, εξετάζοντας τις μαγνητικές ιδιότητες του πυρήνα κάθε σωματιδίου, αυτό που ονομάζεται πυρηνική μαγνητική ροπή.
Το πείραμα βασίζεται σε παλαιότερη πειραματική εργασία του Raizen. Ξεκινώντας ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST), συμμετείχε στην ανάπτυξη ενός τρόπου με τον οποίο τα ατομικά ρολόγια θα μπορούσαν να ψύχουν και να παγιδεύουν μια σειρά από φορτισμένα άτομα «σαν μαργαριτάρια σε ένα κολιέ». Μέρος της μετέπειτα εργασίας του επικεντρώθηκε στη δημιουργία μεθόδων ελέγχου αυτών των παγιδευμένων σωματιδίων. Αυτή η έρευνα οδήγησε σε πιο αποτελεσματικούς τρόπους διαχωρισμού των ισοτόπων – ένα σημαντικό βήμα σε πολλές θεραπείες καρκίνου με βάση την ακτινοβολία και στη διαγνωστική απεικόνιση – και αποτελεί βασικό κορμό στο σχέδιό του για τον έλεγχο της διακρισιμότητας των ατόμων.
«Στην πραγματικότητα κλείνει ένας κύκλος που ξεκίνησε για μένα πριν από 30 ή 35 χρόνια, και από αυτή την άποψη, είναι πολύ ικανοποιητικό και συναρπαστικό να μπορώ να συνδυάσω αυτά τα πράγματα στα οποία δεν περίμενα ποτέ ότι θα επέστρεφα», επισημαίνει ο Raizen.
Ακόμη και οι επιστήμονες που δεν έχουν πειστεί πλήρως ότι τα άτομα θα μπορούσαν να είναι μοναδικά, συμφωνούν πως τα πειράματα που ελέγχουν ευρέως αποδεκτές παραδοχές αποτελούν ουσιαστικό μέρος της επιστημονικής διαδικασίας και της μακράς ιστορίας επιτευγμάτων που εξελίσσουν τον τομέα. Οι υποθέσεις είναι αυτό που χρειαζόμαστε για να καταλήξουμε σε νέες, δημιουργικές ιδέες, αλλά στο τέλος, θεωρούμε τα πειραματικά αποτελέσματα ως τον πραγματικό κριτή.
«Ο Θεός δεν παίζει ζάρια»
Αυτή είναι η διάσημη ρήση του Αϊνστάιν, ο οποίος απεχθανόταν την ιδέα της κβαντικής τυχαιότητας. Στα χνάρια αυτού του συλλογισμού, ο Mark G. Raizen επιθυμεί να κλείσει την επιστημονική του πορεία χρησιμοποιώντας την τεράστια πειραματική του εμπειρία. H έρευνά του σχετικά με την ομοιότητα των ατόμων συνδέεται άμεσα με το θεμελιώδες ερώτημα: Είναι το σύμπαν μας τυχαίο ή ντετερμινιστικό;
Αν αποδείξουμε πως τα άτομα είναι διακρίσιμα, δηλαδή ότι έχουν μικροσκοπικές διαφορές, όπως διαφορετική «ηλικία», τότε επιστρέφουμε στον ντετερμινισμό. Τότε η συμπεριφορά τους, π.χ. πότε εκπέμπουν ένα φωτόνιο ή πότε διασπώνται, δεν είναι καθόλου τυχαία. Η φαινομενική «τυχαιότητα» της κβαντομηχανικής θα είναι απλώς μια ψευδαίσθηση που προκύπτει από την άγνοιά μας για αυτές τις κρυφές διαφορές.
Έτσι, ο Raizen εστιάζει στην μέτρηση της πυρηνικής μαγνητικής ροπής και κατ’ επέκταση στις ατομικές ενεργειακές στάθμες που αυτή επηρεάζει. Πρόκειται για έναν συνδυασμό της ακριβέστερης μετρητικής ικανότητας που διαθέτουμε και του τι επιτρέπουν οι νόμοι της φυσικής να μεταβληθεί.
Τα πιο ακριβή εργαλεία της σύγχρονης φυσικής είναι τα ατομικά ρολόγια. Τα ατομικά ρολόγια δεν μετρούν το μέγεθος ή την μάζα του ατόμου, αλλά συχνότητες. Συγκεκριμένα, μετρούν την ενέργεια που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο για να μεταπηδήσει μεταξύ δύο πολύ συγκεκριμένων ενεργειακών σταθμών – την λεγόμενη υπέρλεπτη υφή. Αυτή η υπέρλεπτη υφή εξαρτάται άμεσα από την πυρηνική μαγνητική ροπή. Η ακρίβεια αυτών των μετρήσεων είναι εκπληκτική: φτάνει στα 18 δεκαδικά ψηφία. Επομένως, αν θέλουμε να βρούμε μια απειροελάχιστη διαφορά μεταξύ δύο ατόμων που θεωρούνται πανομοιότυπα, θα ψάξουμε εκεί όπου οι πειραματικές μας δυνατότητες έχουν την μεγαλύτερη ακρίβεια. Για άλλα μεγέθη (π.χ. ακτίνα ή μάζα), η ακρίβεια των οργάνων μας είναι τάξεις μεγέθους μικρότερη.
Για να μπορέσει ένα άτομο να «γεράσει» ή να μεταβληθεί καθώς κυλάει ο χρόνος χωρίς να πάψει να είναι το ίδιο στοιχείο, πρέπει η αλλαγή να συμβεί εκέι όπου υπάρχει περιθώριο για εσωτερικές ανακατατάξεις. Το ηλεκτρικό φορτίο, ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων ή η μάζα ηρεμίας του ηλεκτρονίου απαγορεύεται από τους νόμους διατήρησης να αλλάξουν. Αν άλλαζε το φορτίο, το σύμπαν θα κατέρρεε. Επειδή ο πυρήνας ενός ατόμου δεν είναι μια συμπαγής σφαίρα, αλλά μια δυναμική «σούπα» πρωτονίων και νετρονίων που αλληλεπιδρούν διαμέσου της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, η πυρηνική μαγνητική ροπή προκύπτει από την ακριβή διάταξη και κίνηση αυτών των σωματιδίων μέσα στον πυρήνα. Η εσωτερική δομή αυτού του συσσωματώματος πρωτονίων-νετρονίων μπορεί να αναδιατάσσεται μικροσκοπικά, αλλάζοντας την μαγνητική του ροπή, χωρίς όμως να αλλάζει το συνολικό του φορτίο ή η ταυτότητά του ως χημικό στοιχείο. Ο Raizen επέλεξε να εξετάσει αν μεταβάλλεται με τον χρόνο η πυρηνική μαγνητική ροπή γιατί είναι μια ιδιότητα του πυρήνα που μπορούμε να μετρήσουμε με εξωφρενική ακρίβεια.
Για να έχει νόημα η υπόθεσή του, πρέπει κανείς να υποθέσει ότι η σημερινή κβαντομηχανική είναι ελλιπής. Η δικαιολόγησή του περί μιας αργής διαδικασίας «θερμοδυναμικής χαλάρωσης» σε βάθος δισεκατομμυρίων ετών δεν εξηγείται θερμοδυναμικά. Απαιτούνται ριζοσπαστικές παραδοχές όπως η ύπαρξη κρυφών μεταβλητών που καθορίζουν την συμπεριφορά των σωματιδίων, οι οποίες προς το παρόν μας διαφεύγουν.
Ο Raizen βαδίζει σε σίγουρο δρόμο. Γνωρίζει ότι στη φυσική δεν υπάρχουν αποτυχημένα πειράματα. Αν τα άτομα αποδειχθούν απολύτως ολόιδια ακόμη και με ακρίβεια 18 δεκαδικών ψηφίων, αυτό θα αποτελέσει έναν ακόμη θρίαμβο της κβαντομηχανικής, επιβεβαιώνοντας ότι η μη διακρισιμότητα δεν είναι απλώς μια ανθρώπινη φιλοσοφική παραδοχή, αλλά ένας απόλυτος νόμος της φύσης.
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ: Each atom in the universe might be unique – https://www.scientificamerican.com/article/each-atom-in-the-universe-might-be-unique/
Κατηγορίες:ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, ΣΥΜΠΑΝ
physicsgg 
Σχολιάστε