Η Κβαντική Θεωρία Πεδίου και το σωματίδιο Higgs

 

Η Κβαντική Θεωρία Πεδίου και το σωματίδιο Higgs

Στην παρούσα ανάρτηση επιχειρώ να μιλήσω για το τέλος της αναγωγικής διαδικασίας στο οποίο καταλήγει η σύγχρονη φυσική. Είναι μια εξαιρετικά απλουστευμένη παρουσίαση η οποίο μπορεί να δώσει μια αίσθηση και στον αδαή της μη υλικής φύσης του φυσικού κόσμου

Κάθε υλικό που υπάρχει γύρω μας γνωρίζουμε και πάλι από το σχολείο ότι είναι ένας συνδυασμός χημικών ενώσεων. Κάθε χημική ένωση είναι ένας συνδυασμός μορίων και κάθε μόριο είναι ένας συνδυασμός ατόμων. Το κάθε άτομο αποτελείται από τα λεγόμενα υποατομικά σωματίδια τα πλέον γνωστά είναι το ηλεκτρόνιο, το πρωτόνιο και το νετρόνιο. Τα δύο τελευταία συγκροτούν τον πυρήνα του ατόμου και τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από αυτόν. Για το τι είναι και τον τρόπο ύπαρξης αυτών των υποατομικών σωματιδίων μας μιλά η ΚΘΠ. Όχι μόνο για αυτά αλλά και για τα σωματίδια τα οποία συνθέτουν τα πρωτόνια, τα νετρόνια και ότι άλλο υπάρχει στους πυρήνες των ατόμων, που είναι δεκάδες άλλα υποσωματίδια.

Η ΚΘΠ είναι ένα σύνολο μαθηματικών μοντέλων που 

α. σε κάθε σημείο του φυσικού χώρου και του χρόνου 

β. για κάθε στοιχειώδες ατομικό και υποατομικό σωματίδιο 

γ. για κάθε φυσική ιδιότητα

δ. σε κάθε χρονική στιγμή

ε. υπολογίζει μια μαθηματική οντότητα που ονομάζεται τελεστής. 

Αυτή είναι η ειδοποιός διαφορά ενός κλασσικού από ένα κβαντικό πεδίο. Στο κλασσικό μπορούμε να υπολογίσουμε τιμές ενώ στο κβαντικό μαθηματικά μεγέθη, δηλαδή συναρτήσεις. Με διάφορες μαθηματικές τεχνικές από τις συναρτήσεις υπολογίζουμε τιμές τις οποίες εν τέλει βρίσκουμε στις πειραματικές μας συσκευές, στους τεράστιους επιταχυντές σωματιδίων και στους θαλάμους αερίων που καταγράφουν τις τροχιές των υποατομικών σωματιδίων. Η ακρίβεια των υπολογισμών είναι ασύλληπτη, ξεπερνά κάθε άλλη φυσική θεωρία.

Για κάθε σωματίδιο και για κάθε ιδιότητα πρακτικά διατυπώνεται μια διαφορετική εκδοχή ΚΘΠ, επομένως έχουμε ένα σύνολο ΚΘΠ. Η αφετηρία όλων ήταν η μελέτη του ΗΜΠ και η σύνδεση του ηλεκτρονίου με το φωτόνιο. Την σύνδεση αυτή την παρουσίασε πρώτος ο Herman Weyl ο οποίος μελετώντας τι συμβαίνει όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται μέσα σε ένα ΗΜΠ ανακάλυψε ένα νέο μαθηματικό μέγεθος, που ονομάσθηκε σύνδεση βαθμίδας (gauge connection), το οποίο διαπίστωσε ότι περιέγραφε πλήρως, δηλαδή ταυτιζόταν, με το φωτόνιο που παραγόταν κατά την κίνηση του φορτίου μέσα στο ΗΜΠ. Γρήγορα άλλοι φυσικοί διαπίστωσαν ότι με τον ίδιο τρόπο μπορούσαν να περιγράψουν όλα τα τότε γνωστά σωματίδια, τα ηλεκτρόνια, θα αντι ηλεκτρόνια, δηλαδή τα ποζιτρόνια, τα πρωτόνια τα νετρόνια και στην συνέχεια να προβλέψουν την ύπαρξη νέων μη ανακαλυφθέντων σωματιδίων των οποίων η ανακάλυψη έλαβε χώρα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Όλες οι θεωρίες που είχαν αυτήν την δομή ονομάζονται Θεωρίες Βαθμίδας (Gauge Theories).

Σε αυτή την περιγραφή για κάθε ιδιότητα κάθε σωματιδίου, έχουμε ένα πεδίο, όπως το περιγράψαμε προηγουμένως, δηλαδή σε κάθε σημείο του χώρου αντιστοιχεί μια μαθηματική οντότητα, από την οποία “παράγονται” κορυφές και κοιλάδες που εκφράζουν διέγερση και χαλάρωση και κάθε διέγερση είναι ένα σωματίδιο. Με άλλα λόγια κάθε τι υλικό που υπάρχει γύρω μας είναι σύνθεση της διέγερσης τεράστιου αριθμού πεδίων. Μόνο που τα πεδία αυτά δεν είναι σαν τα κλασσικά πεδία. Το παιχνίδι παίζεται στον εσωτερικό χώρο κάθε σημείου του χωροχρόνου και αυτό δημιουργεί τεράστια προβλήματα και τεχνικά και φιλοσοφικά.

Για δύο κυρίως λόγους: Αφ’ ενός μεν, τεχνικά, για να λειτουργήσουν τα μοντέλα της ΚΘΠ πρέπει να πάρουμε ως δεδομένες ένα μεγάλο αριθμό σταθερών τις οποίες δεν μπορούμε με κανένα τρόπο να υπολογίσουμε, αλλά βάζουμε αυθαίρετα. Αφετέρου δε φιλοσοφικά γιατί δεν είναι εύκολο να ενσωματώσουμε στην παραδοσιακή οντολογία της φυσικής, τον μαθηματικό φορμαλισμό των Θεωριών Βαθμίδας, που μιλούν για ένα εσωτερικό κόσμο με παράδοξες ιδιότητές που “υπάρχει” ότι και αν σημαίνει αυτό “πίσω” και πάλι ότι και αν σημαίνει αυτό από κάθε σημείο του χωροχρόνου.

Το πεδίο Higgs

Η μεγαλύτερη επιτυχία της ΚΘΠ ήταν η ανακάλυψη το 2012 του πεδίου Higgs, μια ανακάλυψη με τεράστιο φιλοσοφικό ενδιαφέρον. Σύμφωνα με τα ανωτέρω για κάθε σωματίδιο και για κάθε ιδιότητά του υπάρχει ένα κβαντικό πεδίο του οποίου η διέγερση καθορίζει την εν λόγω ιδιότητα. Πολλά σωματίδια έχουν μάζα και κάποια δεν έχουν. Για όσα έχουν, η μάζα τους είναι μια από τις φυσικές τους ιδιότητες και επομένως θα έπρεπε να την υπολογίζει κάποια εκδοχή ΚΘΠ. Υπήρχε όμως μια θεμελιώδης αντίφαση που παρατηρήθηκε σχεδόν αμέσως. 

Η ιδιότητα μάζα έπρεπε να παράγεται από την διέγερση ενός πεδίου, η οποία να ταυτίζεται με μια σύνδεση βαθμίδας. Οι συνδέσεις όμως βαθμίδας είναι εξ ορισμού χωρίς μάζα. Επομένως η μάζα έπρεπε να είναι κάτι που δεν έχει μάζα, λογική αντίφαση. Στην δεκαετία του 60 όμως ένας σπουδαίος φυσικός Peter Higgs σκέφτηκε μια διαδικασία κατά την οποία μπορούσε να ξεπερασθεί η αντίφαση. Και περιέγραψε ένα πεδίο το οποίο μέσα από αυτήν την διαδικασία έλυνε το πρόβλημα. Το κβαντικό αυτό πεδίο, από το οποίο εν τέλει παράγεται η μάζα των στοιχειωδών σωματιδίων, όπως όλα τα άλλα θα έπρεπε να δημιουργεί και ένα σωματίδιο, το οποίο θα έπρεπε να τo παρατηρήσουμε σε κάποια από τις σχετικές πειραματικές εγκαταστάσεις.

Υπήρχε όμως ένα τεχνικό πρόβλημα. Το σωματίδιο αυτό ήταν πολύ βραχύβιο και κατά συνέπεια, σύμφωνα με την Κβαντική Θεωρία, έχει πολύ μεγάλη ενέργεια. Αυτήν την ενέργεια δεν μπορούσαν να δημιουργήσουν οι παλιότερες εγκαταστάσεις επιταχυντών, μέχρι την στιγμή που τέθηκε σε λειτουργία η αναβάθμιση της εγκατάστασης του CERN οπότε και τελικά το σωματίδιο παρατηρήθηκε και ονομάσθηκε σωματίδιο Higgs. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώθηκαν πλήρως από όλες τις μεταγενέστερες μετρήσεις. Το σωματίδιο Higgs δίδει υπόσταση στην μάζα των άλλων σωματιδίων, δηλαδή υπόσταση στην ύλη, με άλλα λόγια σε εμάς, και ονομάσθηκε, κατά την αγγλοσαξονική συνήθεια, σωματίδιο του Θεού, χωρίς βέβαια να έχει καμμιά σχέση με κάποιο Θεό.

Το πεδίο Higgs είναι ένα πεδίο που διατρέχει και γεμίζει τον χώρο ολόκληρου του σύμπαντος και μέσα σε αυτό κινούνται όλα τα άλλα σωματίδια και κατά κάποιον τρόπο εμποδίζει την κίνησή τους. Προβάλει αντίσταση σε αυτήν. Ανάλογα με την ένταση της αντίστασης είναι και η μάζα. Αν είναι μικρή η αντίσταση είναι μικρή η μάζα, αν είναι μεγάλη η αντίσταση είναι μεγάλη και η μάζα του σωματιδίου. Η δράση του πεδίου αυτού αναμένεται να λύσει πολλά ζητήματα που απασχολούν την φυσική και την κοσμολογία, αλλά μας αποκαλύπτει πλήρως γιατί όσοι οραματίζονται την επίλυση του ερωτήματος της διεπαφής νου και εγκεφάλου έχουν σαν πηγή έμπνευσης τα πεδία της Κβαντικής Θεωρίας Πεδίου.