Physics Geek
Του
Μιχάλη Σαρρή

Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs ήταν ένα συγκλονιστικό γεγονός που επάξια διεκδίκησε το βραβείο Nobel to 2013 καθώς το μποζόνιο αυτό είναι που δίνει σε όλα τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου τη μάζα τους. Η ονομασία του, “The God Particle”,προέρχεται από τον φυσικό Leon M. Lederman και δεν έχει να κάνει με τον Θεό. Απλούστατα αυτό το τόσο σημαντικό φαίνεται να ξέφευγε από οποιαδήποτε μέθοδο ανίχνευσης οπότε η αρχική ιδέα για το όνομα του βιβλίου ήταν “The Goddamn Particle” που άλλαξε για προφανείς λόγους.

Και από τι προέρχεται η μάζα των σωμάτων?

Το παράδοξο αυτό ερώτημα σε τελική ανάλυση είναι σχετικά απλό μόλις κάποιος αντιληφθεί τη σύνδεση μεταξύ ενέργειας και μάζας. Εδώ εισάγεται η πασίγνωστη εξίσωση του Einstein: E=m*c^2. Η οποία όμως αρχικά γράφτηκε ως m=E/c^2 (στο παρακάτω paper θα συναντήσετε αντί για E, L για την ενέργεια που διαφεύγει σε μορφή ακτινοβολίας) γιατί έχει περισσότερες συνέπειες στον τρόπο με τον οποίο πρέπει να αντιμετωπίζουμε τη μάζα και όχι την ενέργεια. Η μάζα δεν είναι μορφή ενέργειας ούτε μετατρέπεται σε ενέργεια.

Για να το αντιληφθούμε καλύτερα πρέπει να καταρρίψουμε πρώτα μία πεποίθηση που έχει ριζωθεί στην άκρη του μυαλού μας. Η μάζα ενός αντικειμένου δεν είναι απλώς η μάζα των επιμέρους συστατικών του αλλά παίζει σημασία ο τρόπος που αυτά διατάσσονται στο χώρο αλλά και ο τρόπος με τον οποίο κινούνται. Με αυτή τη λογική ένας ανεμιστήρας που περιστρέφεται δεν έχει την ίδια μάζα με έναν ολόιδιο ακίνητο. Αφού έχει περισσότερη κινητική ενέργεια και λόγω τριβών στο μηχανισμό υπάρχει θερμική ενέργεια ο ανεμιστήρας έχει περισσότερη μάζα βάση του προαναφερόμενου τύπου. Φυσικά στην καθημερινότητα μας αυτή η επιπλέον μάζα δεν είναι παρατηρήσιμη αλλά μπορεί στην πραγματικότητα να μετρηθεί.

Με αυτό τον τρόπο τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια που μας αποτελούν αποκτούν μάζα μέσω των ισχυρών πυρηνικών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Τα πρωτόνια p(u,u,d) και τα νετρόνια n(u,d,d) όμως δεν είναι στοιχειώδη και αποτελούνται από άλλα σωματίδια τα οποία ονομάζονται κουάρκ. Αλλά ούτε εδώ η μάζα προκύπτει από τη προσθήκη των μαζών των επιμέρους quark. Στην πραγματικότητα οφείλεται στην αλληλεπίδραση των κουάρκ εντός του gluon field, ουσιαστικά λόγω αλληλεπιδράσεων ισχυρής πυρηνικής δύναμης.

Αυτές οι αλληλεπιδράσεις περιγράφονται από ένα τμήμα της φυσικής που ονομάζεται Quantum ChromoDynamics. Τα κουάρκ δηλαδή πέρα του ηλεκτρικού φορτίου φέρουν και ένα άλλο είδος φορτίου που ονομάζεται χρωματικό.  Φυσικά σε μία τέτοια κλίμακα δεν υφίσταται ιδιότητα όπως το χρώμα απλώς είναι ένας τρόπος να περιγραφεί το φορτίο. Τα πιθανά χρωματικά φορτία είναι τρία (R,G,B) και τα αντίστοιχα χρωματικά φορτία των αντισωματιδίων που συμβολίζονται με τον ίδιο τρόπο και μία παύλα από επάνω. Ένα σύνθετο σωματίδιο για να υφίσταται πρέπει το συνολικό χρωματικό του φορτίο να είναι μηδέν (άσπρο συνδυάζοντας τα χρώματα). Τα σωματίδια που σχηματίζονται από ένα σωματίδιο και ένα αντισωματίδιο ονομάζονται μεσόνια ενώ αυτά που σχηματίζονται από τρία κουαρκ που συνολικά έχουν μηδέν (είτε RGB είτε ο αντίστοιχος συνδυασμός από αντικουάρκ) χρωματικό φορτίο και ονομάζονται βαρυόνια, με κλασσικό παράδειγμα τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Εφόσον το συνολικό χρωματικό φορτίο είναι μηδέν υφίσταται σωμάτιο και με παραπάνω κουαρκ και για αυτό είναι λάθος να θεωρούμε ένα πρωτόνιο ως απλώς ο συνδυασμός αυτών των τριών κουάρκ. Θα μπορούσε παραδείγματος χάρη μέσα στο χώρο του πρωτονίου να εμφανιστεί ένα ζεύγος κουαρκ-αντικουάρκ από τις κβαντικές διακυμάνσεις ενέργειας στο χώρο που έχει μηδενικό συνολικό χρωματικό φορτίο. Οπότε μπορεί να δημιουργηθεί ένα πρωτόνιο με περιττό αριθμό κουαρκ.

Αποτέλεσμα εικόνας για quantum fluctuations

Κβαντικές διακυμάνσεις στο χώρο

Με ένα βαθμό ελευθερίας θα μπορούσαμε να προσομοιάσουμε ακόμα και τη μάζα των στοιχειωδών σωματιδίων ως τον περιορισμό στον οποίο υπόκεινται εντός του πεδίου Higgs καθώς αλληλεπιδρούν μαζί του και αυτό τα εμποδίζει από το να κινούνται με τη ταχύτητα του φωτός παραχωρόντας τους τις ιδιότητες της μάζας. Οπότε όλη η μάζα προκύπτει από τις αλληλεπιδράσεις πρακτικά σωματιδίων χωρίς μάζα εντός των διαφορετικών πεδίων. Ταυτόχρονα η μάζα οποιουδήποτε σωματιδίου δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλαται ανάλογα με την κινητική του κατάσταση με ιδιαίτερες μεταβολές στις σχετικιστικές ταχύτητες. Για αυτό έχει εισαχθεί ο όρος μάζα ηρεμίας που περιγράφει την μάζα του αντικειμένου ή του συστήματος ανεξαρτήτως της κινητικής κατάστασης του συστήματος.

Αλλά κατά την άποψη μου η πιο απρόσμενη επίπτωση της σχέσης της υλοενέργειας είναι ότι μερικές φορές το σύνολο των επιμέρους σωματιδίων έχει μεγαλύτερη μάζα από το τελικό προϊόν. Για την ακρίβεια αυτό συμβαίνει σε όλα τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Εξετάζοντας την πιο απλοποιημένη μορφή ατόμου, αυτή του υδρογόνου, μπορεί να παρατηρήσει κάποιος εύκολα το φαινόμενο. Το άτομο του υδρογόνου αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο που περιφέρεται γύρω του. Εφόσον αυτά τα δύο έλκονται η δυναμική τους ενέργεια είναι αρνητική δηλαδή απαιτείται έργο για να απομακρυνθούν. Αυτή η ενέργεια ονομάζεται ενέργεια διαχωρισμού (binding/separation energy). Η μάζα του υδρογόνου είναι η μάζα του ηλεκτρονίου και η μάζα του πρωτονίου συν τη μάζα που προκύπτει από την δυναμική ενέργεια που προκύπτει αρνητική. Άρα η μάζα του υδρογόνου είναι μικρότερη των σωματιδίων που το αποτελούν.

Τελικά η μάζα μπορεί να χαρακτηρηστεί ως στοιχειώδης ιδιότητα; Ή μήπως χάνει την ουσία της όσο κοιτάμε βαθύτερα στη δομή της ύλης; Σίγουρα δεν έχει την μορφή που της αποδίδαμε καιρό πριν..

Βιβλιογραφία:

“Does the inertia of a body depend upon its energy content?” A. Einstein, 1905 http://www.astro.puc.cl/~rparra/tools/PAPERS/e_mc2.pdf