Φυσική & Φιλοσοφία (199 άρθρα)

Το φθινόπωρο έρχεται στον Κρόνο...

Οι τέσσερις εποχές στη Γη, χειμώνας, άνοιξη, καλοκαίρι και φθινόπωρο, σχετίζονται με έναν θεμελιώδη νόμο της φυσικής: την αρχή διατήρησης της στροφορμής. Συνέπεια της διατήρησης της ιδιοστροφορμής είναι η σταθερότητα του άξονα περιστροφής της Γης, και της διατήρησης της τροχιακής στροφορμής, η επίπεδη τροχιά της. Παρά λοιπόν το γεγονός ότι η Γη περιφέρεται αδιάκοπα γύρω από τον Ήλιο, ο άξονας περιστροφής της Γης έχει κλίση 23,4° με την κάθετη στο επίπεδο της τροχιάς της. Και γι αυτό δημιουργούνται οι 4 εποχές στην Γη, όπως εξηγεί το βίντεο που ακολουθεί:

Κάτι παρόμοιο συμβαίνει και στον πλανήτη Κρόνο (η αντίστοιχη κλίση του άξονα ιδιοπεριστροφής του είναι 27°), με την διαφορά ότι οι η κάθε εποχή του διαρκεί πάνω από 7 χρόνια. Τα δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble δείχνουν ότι από το 2018 έως το 2020 ο ισημερινός του Κρόνου έγινε 5 έως 10% τοις εκατό φωτεινότερος και οι άνεμοι μεταβλήθηκαν. Το 2018, οι άνεμοι που μετρήθηκαν κοντά στον ισημερινό είχαν ταχύτητα περίπου 1.600 χιλιόμετρα την ώρα, ισχυρότεροι από αυτούς που μετρήθηκαν από το διαστημικό σκάφος Cassini της NASA κατά την περίοδο 2004-2009, όταν η ταχύτητά τους ήταν περίπου 1.300 χιλιόμετρα την ώρα. Το 2019 και το 2020 μειώθηκαν στις ταχύτητες που είχε μετρήσει το Cassini.

Ο Κρόνος είναι ο έκτος πλανήτης του ηλιακού μας συστήματος σε απόσταση περίπου 1,4 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα από τον Ήλιο. Χρειάζονται περίπου 29 γήινα χρόνια για να ολοκληρώσει μια πλήρη περιφορά γύρω απόν Ήλιο, και γι αυτό η κάθε εποχή στον Κρόνο διαρκεί κάτι περισσότερο από επτά γήινα χρόνια.

Πηγή

Οι έρημοι Λουτ στο Ιράν και Σονόρα στο Μεξικό (στα σύνορα με τις ΗΠΑ) κατέχουν τα νέα ρεκόρ υψηλής θερμοκρασίας στην επιφάνεια της Γης, με επιφανειακές θερμοκρασίες 80,8 βαθμών Κελσίου, που καταγράφηκαν τα καλοκαίρια του 2018 και 2019, αντίστοιχα. Από την άλλη πλευρά, η χαμηλότερη θερμοκρασία καταγράφηκε το 2016 μέσω δορυφόρου στην Ανταρκτική (-110,9 βαθμοί).

Τα θερμοκρασιακά ρεκόρ, τα οποία βασίζονται σε μία νέα αξιολόγηση δορυφορικών δεδομένων υψηλής ανάλυσης, παρουσιάζουν επιστήμονες, με επικεφαλής τη δρα Yunxia Zhao του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, σε σχετική δημοσίευσή τους στο περιοδικό της Αμερικανικής Μετεωρολογικής Εταιρείας, σύμφωνα με το «Science».

Η μεγαλύτερη μεταβολή θερμοκρασίας μέσα σε μία ημέρα ήταν 81,8 βαθμοί Κελσίου -από τους -23,7 στους 58,1- και καταγράφηκε στις 20 Ιουλίου 2006 στην περιοχή Καϊντάμ της Κίνας, στο θιβετανικό οροπέδιο. Το ρεκόρ υψηλότερης θερμοκρασίας του αέρα πάνω από μία περιοχή κατέχει η Κοιλάδα του Θανάτου στην Καλιφόρνια, με 56,7 βαθμούς στις 10 Ιουλίου 1913.

Περισσότεροι από 11.000 επανδρωμένοι και αυτόματοι μετεωρολογικοί σταθμοί σε όλον τον κόσμο καταγράφουν τις θερμοκρασίες υπό σκιά σε ύψος περίπου ενάμισι μέτρο από το έδαφος. Όμως, τεράστιες εκτάσεις του πλανήτη μας δεν έχουν τέτοια όργανα μέτρησης και οι θερμοκρασίες στην επιφάνειά τους μπορούν να υπολογιστούν μόνο με τη βοήθεια οργάνων από δορυφόρους. Οι θερμοκρασίες επιφανείας τείνουν να είναι υψηλότερες από εκείνες του αέρα πάνω από την ίδια περιοχή, ιδίως όταν υπάρχει ηλιοφάνεια (για τον ίδιο λόγο π.χ. που η άμμος σε μία παραλία καίει περισσότερο από ό,τι ο αέρας από πάνω της). Παραμένει ασαφές, σύμφωνα με τους ερευνητές, κατά πόσο η κλιματική αλλαγή αυξάνει τις θερμοκρασίες στην επιφάνεια της Γης.

Πηγή

Η ομάδα ΘΑΛΗΣ + ΦΙΛΟΙ συνεχίζει τη δραστηριότητά της με μία σειρά βιντεοσκοπημένων συνεντεύξεων με κορυφαίες προσωπικότητες από τον χώρο της επιστήμης, της λογοτεχνίας και της τέχνης. Η πρωτοβουλία της ομάδας, που τιτλοφορείται «Συναντήσεις πάνω στη Γέφυρα»– αναφορά στη γεφύρωση του χάσματος ανάμεσα στα μαθηματικά και σε διάφορες μορφές πολιτιστικής δραστηριότητας-, συνεχίζεται με τη συνέντευξη που παραχώρησε ο Βρετανοϊρακινός θεωρητικός Jim Al – Khalili στον φυσικό Θοδωρή Πιερράτο.

Ο Τζιμ Αλ-Καλίλι είναι Βρετανός καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σάρεϊ, συγγραφέας, και ραδιοτηλεοπτικός παρουσιαστής. Γεννήθηκε στις 20 Σεπτεμβρίου 1962 στη Βαγδάτη (Ιράκ). Ακολούθησε τον Ιρακινό πατέρα του και την Αγγλίδα μητέρα του όταν εγκαταστάθηκαν στην Αγγλία, το 1979. Στη νέα του πατρίδα σπούδασε φυσική στο Πανεπιστήμιο του Σάρεϊ. Έλαβε το διδακτορικό του στη θεωρητική φυσική (πυρηνική φυσική, στοιχειώδη σωμάτια) το 1989 και αφού εργάστηκε στο Πανεπιστημιακό Κολέγιο του Λονδίνου, επέστρεψε το 1992 στο Σάρεϊ ως Καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής (όπου, έως σήμερα, διδάσκει κβαντική μηχανική). Επιπλέον, διευθύνει το Τμήμα Επικοινωνίας και Διάδοσης Επιστημονικών Θεμάτων προς το Ευρύ Κοινό (Public Engagement in Science) στο ίδιο Πανεπιστήμιο. Τα ερευνητικά ενδιαφέροντά του εστιάζουν στη μελέτη των ιδιοτήτων ατομικών πυρήνων που περιέχουν άλω από νετρόνια, καθώς και στην Κβαντική Βιολογία. Τα τελευταία χρόνια, παρουσιάζει την εβδομαδιαία εκπομπή The life Scientific στο BBC Radio 4, όπου –με αφορμή κάποιο επιστημονικό θέμα που τον εντυπωσίασε– προσκαλεί κορυφαίους επιστήμονες και ερευνητές να μιλήσουν στο ευρύ κοινό για τη ζωή και το έργο τους.

Μέσα από τις συνεντεύξεις του, τόσο οι νομπελίστες όσο και τα νέα, ελπιδοφόρα μυαλά της επιστήμης εξομολογούνται τι τους ενέπνευσε, τι τους παρακινεί και τι οφέλη θα φέρει στον κόσμο η δραστηριότητά τους. Από το 2004 έως σήμερα, παρουσιάζει ανελλιπώς τηλεοπτικές εκπομπές (σε σειρές) και επιστημονικά ντοκιμαντέρ (πάντοτε για το ευρύ κοινό) στο κανάλι BBC 4, καθώς και στο BBC 2, όπως το υποψήφιο για βραβείο BAFTA Chemistry: A Volatile History (BBC4, 2010), το Shock and Awe: The Story of Electricity (BBC4, 2011), το βραβευμένο Britain’s Nuclear Secrets: Inside Sellafield (2015). Τα θέματά του εκτείνονται σε όλο το φάσμα των θετικών επιστημών και της Τεχνολογίας (από τη Μεγάλη Έκρηξη, την Ιστορία της Επιστήμης, τα Χημικά Στοιχεία, τη Σκοτεινή Ύλη, το Σύμπαν και το ταξίδι στο Διάστημα, μέχρι τα μυστικά της Πυρηνικής Ενέργειας, τον Ηλεκτρισμό, το Φως, το Χάος, τα παράδοξα της Κβαντικής Μηχανικής, τις ανακαλύψεις και τους πρωτοπόρους της Επιστήμης).

Τα βιβλία του «Σκουληκότρυπες, μαύρες τρύπες και χρονομηχανές» (1999), «Quantικά Παράδοξα» (2005), «Οι Δαίμονες της Φυσικής» (2012), και «Ζωή στην κόψη: η μυστηριώδης Κβαντική Βιολογία» (2016) [με συν-συγγραφέα τον Johnjoe McFadden· το συγκεκριμένο βιβλίο κατατάχθηκε στη βραχεία λίστα για το βραβείο Winton 2015 της Βασιλικής Εταιρείας], μεταφράστηκαν σε περισσότερες από 26 γλώσσες και κυκλοφορούν στην Ελληνική γλώσσα από τον εκδοτικό οίκο ΤΡΑΥΛΟΣ. Από τις ίδιες εκδόσεις κυκλοφορεί και το πρόσφατο βιβλίο του, «ΕΞΩΓΗΙΝΟΙ | Η επιστήμη ρωτά: υπάρχει κάποιος εκεί έξω;» Ο Τζιμ Αλ-Καλίλι είναι εκπρόσωπος του Βρετανικού Ινστιτούτου Φυσικής στα σχολεία και από το 1998 κάνει διαλέξεις πραγματοποιώντας έτσι αυτό που του αρέσει: να διδάσκει την επιστήμη και τα επιτεύγματά της στους έφηβους και στο ευρύ κοινό.

Συναντήσεις πάνω στη Γέφυρα – ΘΑΛΗΣ + ΦΙΛΟΙ – Επιστημονική επιμέλεια: Τεύκρος Μιχαηλίδης – Δημοσιογραφική επιμέλεια: Γιώργος Καρουζάκης

Πηγή

Μια επιστολή του Αϊνστάιν, η οποία περιλαμβάνει την διάσημη εξίσωσή Ε=mc², πωλήθηκε σε δημοπρασία. Στάλθηκε από τον Einstein στον Πολωνο-Αμερικανό φυσικό Ludwik Silberstein το 1946 και η αξία της είχε αρχικά εκτιμηθεί στα 400.000 δολάρια, σύμφωνα με τον οίκο δημοπρασιών RR Auction.

Η σπανιότητα της επιστολής ωστόσο, οδήγησε σε πόλεμο προσφορών κατά τη δημοπρασία ανάμεσα σε πέντε υποψήφιους αγοραστές, οι οποίοι περιορίστηκαν σε δύο όταν η τιμή ξεπέρασε τα 700.000 δολάρια. Ο νικητής της δημοπρασίας και αγοραστής της επιστολής παρέμεινε ανώνυμος

Στο γράμμα του ο Einstein υπολογίζει την διαφορά μάζας μεταξύ ενός συστήματος δύο ίσων μαζών m, όταν αυτές βρίσκονται σε άπειρη απόσταση μεταξύ τους, και όταν οι ίδιες μάζες βρίσκονται σε τροχιά γύρω από το κέντρο μάζας τους.

Από που προκύπτει το ενδιαφέρον για ένα τόσο απλό σύστημα και έναν τόσο απλό υπολογισμό; Η απάντηση βρίσκεται στην τελευταία παράγραφο της επιστολής του Αϊνστάιν: οι «ατομικές σταθερές» που αναφέρει ο Αϊνστάιν είναι αυτές που σήμερα θεωρούνται ως «θεμελιώδεις» σταθερές – η ταχύτητα του φωτός c, η σταθερά του Planck h, η σταθερά της βαρύτητας G κλπ. Οι τιμές αυτών των σταθερών είναι αυθαίρετες – δεν καθορίζονται από την φυσική θεωρία και θα μπορούσαν ενδεχομένως να έχουν οποιαδήποτε τιμή. Το γιατί έχουν τις συγκεκριμένες τιμές είναι ένα από τα μεγάλα προβλήματα στη φυσική – και ο Αϊνστάιν πίστευε ότι η απάντηση θα δινόταν μέσω μιας «θεωρίας που θα ενοποιούσε την βαρύτητα με τις άλλες δυνάμεις». Σε αυτή την αναζήτηση για μια «ενιαία θεωρία δυνάμεων» κατανάλωσε μάταια το τελευταίο τρίτο της ζωής του ο Αϊνστάιν.

Διαβάστε την επιστολή του Einstein:

Πηγή

Στην καρδιά κάθε γαλαξία βρίσκεται μια τεραστίου μεγέθους μαύρη τρύπα. Αυτές οι μαύρες τρύπες, οι μάζες των οποίων είναι εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές η μάζα του ήλιου μας, τροφοδοτούν τις πιο ενεργητικές διαδικασίες του σύμπαντος, τους αστροφυσικούς πίδακες που συνίστανται από σωματίδια υψηλών ενεργειών και εκτείνονται έως και χιλιάδες έτη φωτός. Η ερευνητική ομάδα Event Horizon Telescope (EHT) που φωτογράφισε και συνεχίζει να ερευνά την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία M87, άρχισε να ξετυλίγει το μυστήριο σχετικά με το τι τροφοδοτεί αυτούς τους πίδακες.

Πριν από αρκετές εβδομάδες, το EHT δημοσίευσε μια δεύτερη φωτογραφία της θηριώδους μαύρης τρύπας M87 – μια διαφορετική οπτική σε σχέση με την πρώτη φωτογραφία που δημοσίευσε το 2019. Και οι δύο εικόνες δείχνουν το φωτεινό πλάσμα γύρω από την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Σε αντίθεση με την πρώτη φωτογραφία, στη νέα εικόνα ο φωτεινός δακτύλιος γύρω από την μαύρη τρύπα έχει ρίγες, υποδηλώνοντας ότι το φως είναι ισχυρά πολωμένο.

Οι ερευνητές λένε ότι το σπειροειδές μοτίβο προκύπτει από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο γύρω από τη μαύρη τρύπα του M87 και ότι αυτό αντιπροσωπεύει τα πρώτα παρατηρησιακά στοιχεία υπέρ μιας θεωρίας σχετικά με την εκτόξευση πιδάκων, ηλικίας 44 χρόνων, γνωστή ως διαδικασία Blandford-Znajek.

Οι Roger Blandford και Roman Znajek, όταν ήταν νέοι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Cambridge το 1977, υποστήριξαν ότι οι περιστρεφόμενες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες θα στρεβλώσουν ελικοειδώς τα περιβάλλοντα μαγνητικά πεδία και αυτή η μεταβολή δημιουργεί μια τάση που αντλεί ενέργεια έξω από την μαύρη τρύπα και κατά μήκος της έλικας προκαλώντας τον γιγαντιαίο πίδακα. Στο βίντεο που ακολουθεί (όπου μιλάει και ο ίδιος ο Roger Blandford) περιγράφεται πως θα μπορούσε να εξηγηθεί το φαινόμενο του πίδακα μιας θηριώδους μαύρης τρύπας:

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ: Physicists Identify the Engine Powering Black Hole Energy Beams

Τα διαγράμματα Feynman είναι μια εικονική αναπαράσταση που περιγράφει την συμπεριφορά και την αλληλεπίδραση των στοιχειωδών σωματιδίων. Τα παρουσίασε για πρώτη φορά ο Richard Feynman το 1948 οπτικοποιώντας τις πολύπλοκες εξισώσεις που περιγράφουν τις αντίστοιχες αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων που συμμετέχουν σ’ αυτές. Ενώ τα διαγράμματα εφαρμόζονται κυρίως στην κβαντική θεωρία πεδίου, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν και σε άλλους τομείς, όπως στην φυσική στερεάς κατάστασης.

Το βίντεο που ακολουθεί περιγράφει αυτά που πρέπει να ξέρουμε ώστε να κατανοούμε στοιχειωδώς τα διαγράμματα Feynman:

Έχετε δει ποτέ εκτόξευση πυραύλων – από το διάστημα; Παρατηρώντας προσεκτικά το βίντεο που ακολουθεί θα δούμε έναν πύραυλο που εκτοξεύεται από τη Γη για να μπει σε τροχιά γύρω από τη Γη, Το βίντεο λήφθηκε από τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό και παρακολουθεί τον ρωσικό πύραυλο Soyuz-FG που εκτοξεύθηκε τον Νοέμβριο του 2018 από το κοσμοδρόμιο στο Καζακστάν, μεταφέροντας τα απαραίτητα εφόδια στον Διαστημικό Σταθμό.

Πηγή

Ο γαλαξίας «ακιδωτός τροχός» (γνωστός και ως NGC 5457 ή Messier 101 ή M101) βρίσκεται σε απόσταση 27 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη στον αστερισμό της Μεγάλης Άρκτου. Η παραπάνω σύνθετη εικόνα του ακιδωτού τροχού συνδυάζει δεδομένα από τέσσερα διαστημικά τηλεσκόπια της NASA (Spitzer, Hubble, GALEX, Chandra) που «βλέπουν» σε διαφορετικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, από την υπέρυθρη ακτινοβολία μέχρι τις ακτίνες Χ. Η τελική σύνθετη εικόνα (πάνω) είναι αυτό που θα βλέπαμε αν μπορούσαμε να παρατηρήσουμε τον γαλαξία ταυτόχρονα: με κανονική κάμερα, με γυαλιά νυχτερινής όρασης, με υπεριώδη κάμερα και με όραση ακτίνων Χ !

Αυτή είναι μια εικόνα του Ήλιου. Λήφθηκε βράδυ. Με νετρίνα. Τα οποία ταξίδεψαν από τον Ήλιο διαμέσου της Γης, η οποία είναι ουσιαστικά διαφανής στα νετρίνα, για να φτάσουν στον ανιχνευτή Super-Kamiokande.

H «φωτογραφική μηχανή»
O Super-Kamiokande είναι ένα γιγάντιος ανιχνευτής χτισμένος 1000 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της Γης σε ένα ορυχείο ψευδαργύρου, 250 χιλιόμετρα νοτιο-δυτικά του Τόκιο. Αποτελείται από μια δεξαμενή γεμάτη με 50.000 τόνους νερού. Το νερό είναι τόσο καθαρό που οι φωτεινές ακτίνες ταξιδεύουν 70 μέτρα μέχρι η έντασή τους να μειωθεί στο μισό – στο νερό μιας συνηθισμένης πισίνας αυτό συμβαίνει μετά από μερικά μέτρα. Περισσότεροι από 11.000 φωτοανιχνευτές είναι τοποθετημένοι στα πλάγια, στο πάνω και κάτω μέρος της δεξαμενής και σκοπό έχουν μετρήσουν τις ασθενείς εκλάμψεις φωτός στο υπερ – καθαρό νερό. Ένα νετρίνο που διέρχεται μέσα από την δεξαμενή είναι πιθανό να αλληλεπιδράσει στο νερό με έναν ατομικό πυρήνα ή ένα ηλεκτρόνιο. Από τις συγκρούσεις αυτές παράγονται φορτισμένα σωματίδια – μιόνια από νετρίνα του μιονίου και ηλεκτρόνια από τα νετρίνα του ηλεκτρονίου. Γύρω από τα φορτισμένα σωματίδια δημιουργούνται εκλάμψεις μπλε φωτός, την ακτινοβολία Cherenkov. Το σχήμα και η ένταση της ακτινοβολίας Cherenkov αποκαλύπτει τον τύπο του νετρίνου που την προκάλεσε.

Για να προκύψει η παραπάνω εικόνα χρειάστηκαν πάνω από 503 ημέρες συλλογής ηλιακών νετρίνων από τον Super-Kamiokande. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην εικόνα δεν φαίνεται ολόκληρος ο Ήλιος – αλλά ο ηλιακός πυρήνας, εκεί όπου γίνεται η σύντηξη και παράγονται τα νετρίνα.

Ενώ για να διαφύγει ένα φωτόνιο από τον πυρήνα του ήλιου να χρειάζεται πάνω από 100.000 χρόνια (!), τα νετρίνα διαφεύγουν μέσα σε τρία δευτερόλεπτα.

… και ένα βίντεο σχετικά με τον ανιχνευτή νετρίνων Super-Kamiokande

Πηγή

Η κατασκευή του επόμενου μεγάλου επιταχυντή είναι πλέον επιτακτική.

Νίμα Αρκάνι-Χαμέντ

Ο Nima Arkani-Hamed είναι ένας από τους κορυφαίους θεωρητικούς φυσικούς της εποχής μας. Εργάζεται στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών, στο Πρίνστον, και τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα σχετίζονται με την θεωρία των χορδών, την κοσμολογία και την φυσική των υψηλών ενεργειών.

Πριν από μερικές μέρες έδωσε μια συνέντευξη στο cerncourier.com όπου είπε πολλά ενδιαφέροντα πράγματα. Στη συνέχεια θα αναφέρουμε επιγραμματικά μερικά από αυτά:

Είναι η καλύτερη εποχή για να είναι κανείς φυσικός. Είμαστε εξαιρετικά τυχεροί που ζούμε σε μια εποχή όπου οι άνθρωποι καταφέρνουν να αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά θεμελιώδη ερωτήματα, όπως τι είναι ο χώρος, τι είναι χρόνος, ποια είναι η προέλευση και η εξέλιξη του τεράστιου σύμπαντός μας.

Κάποιοι μπορεί να μην αισθάνονται τον ίδιο ενθουσιασμό και απογοητευμένοι να μονολογούν «ανακαλύψαμε μόνο το σωματίδιο Higgs και τίποτε άλλο» . Όμως η άποψη πως η σωματιδιακή φυσική είναι η μελέτη των δομικών στοιχείων της ύλης κι ότι η «νέα φυσική» σημαίνει «νέα σωματίδια» ανήκει στην δεκαετία του 1960, που οδήγησε στην ανάπτυξη του Καθιερωμένου Προτύπου. Η «σωματιδιακή φυσική» είναι η μελέτη των θεμελιωδών νόμων της φύσης που διέπονται από την προς το παρόν μυστηριώδη ενοποίηση του χωροχρόνου και της κβαντομηχανικής.

Από μια βαθύτερη θεωρητική προοπτική ο ορισμός του τι είναι ένα σωματίδιο επικαλείται και την κβαντική φυσική και την σχετικότητα με ένα κρίσιμο τρόπο. Έτσι, αν μεγαλύτερη προσδοκία για εσάς είναι ένα διάγραμμα ενεργού διατομής με ένα τεράστιο καρούμπαλο (συντονισμό), που εξασφαλίζει ένα εισιτήριο για Στοκχόλμη, τότε μετά την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs καλά θα κάνετε να πάτε σπίτι σας, αφού δεν μπορούμε να δώσουμε καμία τέτοια εγγύηση.

Η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs, μαζί με την ανακάλυψη του επιταχυνόμενου σύμπαντος, εύκολα προσαρμόζονται στις εξισώσεις μας, αλλά οι θεωρητικές προσπάθειες υπολογισμού της ενέργειας κενού και της κλίμακας της μάζας Higgs αποτελούν τεράστιες και ίσως αλληλένδετες θεωρητικές προκλήσεις.

Είναι απόλυτα σαφές για το πως πρέπει να προχωρήσουν οι πειραματικοί φυσικοί: να μετρήσουν την κόλαση των τρελών αυτών φαινομένων. To Higgs είναι ο σπουδαιότερος πρωταγωνιστής σε αυτή την ιστορία που διατίθεται προς πειραματική μελέτη.

Ευτυχώς υπάρχουν πολλοί έξοχοι νέοι πειραματιστές που πιστεύουν πως αξίζει να μελετήσουμε το Higgs μέχρι θανάτου, ενώ επίσης θα ψάχνουμε για οτιδήποτε βρίσκεται σε όσο μεγαλύτερες ενέργειες μπορούμε να φτάσουμε, χωρίς προκαταλήψεις για το τι θα μπορούσε να βρεθεί.

Γιατί το μποζόνιο Higgs αποτελεί έναν τόσο πολύτιμο στόχο για έναν μελλοντικό επιταχυντή; Διότι είναι το πρώτο ανιχνευθέν σωματίδιο που αποτελεί τον απλούστερο δυνατό τύπο στοιχειώδους σωματιδίου. Δεν έχει σπιν, δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο, διαθέτει μόνο μάζα, και αυτή η ακραία απλότητα προκαλεί αμηχανία στους θεωρητικούς. Υπάρχει μια χτυπητή διαφορά μεταξύ των σωματιδίων με μάζα και σωματιδίων χωρίς μάζα που έχουν σπιν. Για παράδειγμα, το φωτόνιο είναι ένα άμαζο σωματίδιο με σπιν 1, και επειδή κινείται με την ταχύτητα του φωτός δεν μπορούμε να το «προλάβουμε». Έτσι βλέπουμε ότι έχει δύο «πολώσεις» ή τρόπους που μπορεί να περιστραφεί. Αντίθετα, το μποζόνιο Ζ, το οποίο επίσης έχει σπιν 1, διαθέτει μάζα και αφού το «προλαβαίνετε», μπορείτε να το δείτε να περιστρέφεται σε οποιαδήποτε από τις τρεις κατευθύνσεις. Αυτή η διαπίστωση ότι «το δύο δεν ισούται με το τρία» είναι αρκετά βαθιά. Καθώς τα σωματίδια συγκρούονται με όλο και αυξανόμενες ενέργειες, μπορεί να νομίζουμε ότι οι μάζες τους είναι ασήμαντες μικροσκοπικές διαταραχές στις ενέργειές τους, αλλά αυτό είναι λάθος, διότι κάτι πρέπει να εξηγεί τους επιπλέον βαθμούς ελευθερίας.

Ολόκληρη η ιστορία του μποζονίου Higgs είναι για την ερμηνεία του ότι «δύο δεν ισούται με τρία», για να εξηγήσουμε τις πρόσθετες καταστάσεις σπιν που απαιτούνται για τα σωματίδια με μάζα W και Z, τους φορείς των ασθενών αλληλεπιδράσεων. Κι αυτό μας δείχνει γιατί οι μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων πρέπει να είναι συνδεδεμένες με εκείνη του σωματιδίου Higgs.

Αλλά η τεράστια ειρωνεία είναι ότι δεν γνωρίζουμε πως εξηγείται η μάζα του ίδιου του Higgs. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν υπάρχει διαφορά στον αριθμό των βαθμών ελευθερίας μεταξύ σωματιδίων – με μάζα ή χωρίς μάζα – που έχουν σπιν μηδέν, και σε σχέση με αυτό, οι απλές εκτιμήσεις για τη μάζα Higgs από τις αλληλεπιδράσεις του με τα εικονικά σωματίδια του κενού είναι εντελώς λάθος. Υπάρχουν επίσης καλά θεωρητικά επιχειρήματα, επαρκώς επιβεβαιωμένα σε ανάλογα συστήματα συμπυκνωμένης ύλης και αλλού στη φυσική σωματιδίων, γιατί δεν πρέπει να βλέπουμε ένα τέτοιο θηρίο μόνο του – μη συνοδευόμενο από άλλα σωματίδια. Η φύση έχει σαφώς διαφορετικές ιδέες από τους θεωρητικούς για το τι είναι το Higgs.

Η υπερσυμμετρία εξακολουθεί να αποτελεί κίνητρο για έναν νέο επιταχυντή. Πολλές εκδοχές των ιδεών της υπερσυμμετρίας, των επιπλέον διαστάσεων κλπ, που ήταν δημοφιλείς στη δεκαετία του 1980 και του 1990, είτε είναι νεκρές είτε πήραν παράταση ζωής από τα δεδομένα LHC, ενώ άλλες που προτάθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 2000 είναι ακόμα ζωντανές. Το γεγονός ότι ο LHC απέκλεισε μερικές από τις πιο δημοφιλείς θεωρίες είναι ένα φανταστικό δώρο για εμάς τους θεωρητικούς. Φαίνεται ότι η κατανόηση της προέλευσης της μάζας Higgs πρέπει να περιλαμβάνει μια ακόμα μεγαλύτερη αλλαγή παραδείγματος από ό,τι πολλοί είχαν φανταστεί.

Κατά ειρωνικό τρόπο, αν ο LHC ανακάλυπτε υπερσυμμετρικά σωματίδια, τα επιχειρήματα υπέρ της κατασκευής του επόμενου κυκλικού επιταχυντή θα ήταν λίγο ασθενέστερα σε σχέση με αυτά που υπάρχουν τώρα, διότι αυτά (έμμεσα) θα υποστήριζαν την εικόνα μιας ερήμου μεταξύ της κλίμακας των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων και της κλίμακας Planck. Σε αυτήν την εικόνα του κόσμου, οι περισσότεροι επιστήμονες θα ήθελαν έναν γραμμικό επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων για να μετρήσουν λεπτομερώς τις συζεύξεις των υπερσυμμετρικών συντρόφων των γνωστών σωματιδίων. Είναι μια εικόνα που οι άνθρωποι αγάπησαν πολύ στη δεκαετία του 1990 και μια εικόνα που φαίνεται να είναι λάθος. Αλλά όταν οι θεωρητικοί δυσκολεύονται όλο και περισσότερο, τότε έρχεται η ώρα για περισσότερα και όχι λιγότερα πειράματα.

Ποιες οριστικές απαντήσεις μπορεί να μας δώσει ένας μελλοντικός επιταχυντής υψηλότερων ενεργειών;
Πρώτα απ’ όλα, πηγαίνουμε σε υψηλές ενέργειες επειδή θέλουμε να ξεπεράσουμε τα όρια ελπίζοντας σε νέες ανακαλύψεις. Παρότι δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι θα παράξουμε νέα σωματίδια, σίγουρα θα ελέγξουμε τους υπάρχοντες νόμους μας στα πιο ακραία περιβάλλοντα που είχαμε ποτέ. Ωστόσο, μετρώντας τις ιδιότητες του Higgs, είναι σίγουρο πως θα απαντηθούν κάποιες σημαντικές ερωτήσεις. Όλο το δράμα που περιστρέφεται γύρω από την ύπαρξη του σωματιδίου Higgs θα πάει πολύ μακριά αν διαπιστωθεί πως έχει κάποια δομή. Αλλά από τον LHC, έχουμε μόνο μια ασαφή εικόνα για το «πόσο σημειακό σωματίδιο είναι το Higgs» . Ένα εργοστάσιο παραγωγής σωματιδίων Higgs θα δώσει οριστική απάντηση στο ερώτημα μέσα από ακριβείς μετρήσεις της σύζευξης του Higgs με ένα πλήθος άλλων σωματιδίων σε ένα πολύ καθαρό πειραματικό περιβάλλον.

Μετά από αυτό, το έσχατο ερώτημα είναι αν το Higgs φαίνεται ως σημειακό ακόμα κι όταν αλληλεπιδρά με τον εαυτό του. Η απλούστερη δυνατή αλληλεπίδραση μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων είναι όταν τρία σωματίδια συναντώνται σε ένα χωροχρονικό σημείο. Αλλά δεν έχουμε δει ποτέ κανένα απλό στοιχειώδες σωματίδιο να απολαμβάνει αυτή την απλούστερη πιθανή αλληλεπίδραση. Σύμφωνα με την σχετικότητα και την κβαντική μηχανική, υπάρχει πάντα κάποιος κβαντικός αριθμός που πρέπει να αλλάξει σε αυτήν την αλληλεπίδραση. Το Higgs είναι το μόνο γνωστό στοιχειώδες σωματίδιο που μπορεί να έχει αυτή την πιο βασική διαδικασία κυρίαρχη στην αλληλεπίδραση με τον εαυτό του. Ένας επιταχυντής 100 TeV που παράγει δισεκατομμύρια σωματίδια Higgs όχι μόνο θα ανιχνεύσει την συγκεκριμένη αυτό-αλληλεπίδραση, αλλά θα μπορέσει να την μετρήσει με μεγάλη ακρίβεια.

Ποιες είναι οι προοπτικές σχετικά με την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης; Πέρα από τις μετρήσεις των ιδιοτήτων του σωματιδίου Higgs, μια από τις σημαντικές έρευνες που θα μπορούσε να κάνει ένας επιταχυντής των 100TeV   είναι σχετικά με την σκοτεινή ύλη WIMP (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματιδία με Μάζα – Weakly Interacting Massive Particles). Υπάρχει μια αστεία αντίληψη, σχετική με την απουσία υπερσυμμετρίας στο LHC, ότι το απλό παράδειγμα της σκοτεινής ύλης WIMP αποκλείστηκε από τα πειράματα άμεσης ανίχνευσης. Λάθος! Στην πραγματικότητα, τα πολύ απλά μοντέλα της σκοτεινής ύλης WIMP είναι απόλυτα ζωντανά. Μόλις προσδιοριστούν οι ηλεκτρασθενείς κβαντικοί αριθμοί των σωματιδίων σκοτεινής ύλης, μπορείτε να υπολογίσετε αναμφίβολα τι μάζα θα πρέπει να έχει ένα ηλεκτρασθενώς φορτισμένο σωματίδιο σκοτεινής ύλης. Παίρνετε έναν αριθμό μεταξύ 1-3 TeV, υπερβολικά βαρύ για να παραχθεί σε μεγάλες ποσότητες στον LHC. Επιπλέον, συμβαίνει να έχουν μικροσκοπικές ενεργές διατομές αλληλεπίδρασης για άμεση ανίχνευση. Έτσι αυτές οι πολύ απλούστερες θεωρίες της σκοτεινής ύλης WIMP είναι απρόσιτες στα πειράματα του LHC για άμεση ανίχνευση. Όμως, ένας επιταχυντής 100 TeV έχει τη δυνατότητα για να δει αυτά τα σωματίδια ή να αποκλείσει αυτή την απλούστερη εικόνα WIMP.

Ποια είναι η πολιτιστική αξία ενός υπερ-επιταχυντή 100 χιλιομέτρων; Τόσο το βάθος όσο και η ενστικτώδης χαρά των πειραμάτων στη φυσική των σωματιδίων αποκαλύπτεται στο πόσο απλό είναι να εξηγηθούν: σπάμε σωματίδια μεταξύ τους με τα μεγαλύτερα μηχανήματα που έχουν ποτέ κατασκευαστεί, για να διερευνήσουμε τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης στις πιο μικρές αποστάσεις που έχουμε ποτέ δει. Τα πειράματα αυτά ενισχύουν την αυτοπεποίθηση μας ως όντα που μπορούν να κάνουν σπουδαία πράγματα. Ο κόσμος μαστίζεται από όλα τα είδη των μακροχρόνιων προβλημάτων, μερικά από τα οποία μπορεί να φαίνονται αδύνατα να επιλυθούν. Επομένως, είναι σημαντικό να έχουμε μια ομάδα ανθρώπων που, εδώ και αιώνες, δίνουν ένα συγκεκριμένο πρότυπο για το πως να προχωρήσουν στην αντιμετώπιση και τελικά στην επίλυση φαινομενικά ανυπέρβλητων προβλημάτων. Επιπλέον, ας υποθέσουμε ότι σε 200 χρόνια από τώρα, ότι δεν θα υπάρχουν πλέον μεγάλοι επιταχυντές στον πλανήτη. Πώς θα μπορούσαν τότε οι άνθρωποι να είναι σίγουροι ότι υπάρχουν τα στοιχειώδη σωματίδια και το μποζόνιο Higgs; Επειδή το λένε κάποια σκονισμένα παλιά βιβλία; Καθώς προχωράμε στο μέλλον, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να κάνουμε τα πράγματα που κάναμε στο παρελθόν. Εξάλλου, η τελευταία φορά που η θεμελιώδης γνώση αναζητήθηκε σε παλιά βιβλία με σκονισμένα φύλλα ήταν κατά την διάρκεια του μεσαίωνα, μια εποχή με ολέθρια αποτελέσματα για τη Δύση.

Και όσον αφορά την δικαιολόγηση του κόστους του επόμενου επιταχυντή; Υπάρχει ένας αριθμός σχεδίων με τα αντίστοιχα κόστη για τα οποία μπορούμε να μιλάμε, αλλά ας μιλήσουμε για ένα εύρος 5 έως 25 δισεκατομμύρια δολάρια. Ακούγoνται πολλά, έτσι; Όμως, η παγκόσμια οικονομία αναπτύσσεται, δεν συρρικνώνεται και το κόστος των επιταχυντών ως ένα κλάσμα του ΑΕΠ έχει αλλάξει ελάχιστα τα τελευταία 40 χρόνια – ακόμη και ένας επιταχυντής 100 TeV χονδρικά κοστίζει στην ουσία το ίδιο. Εν τω μεταξύ, τα επιστημονικά ζητήματα που διακυβεύονται είναι πιο βαθιά από ό,τι εδώ και πολλές δεκαετίες, οπότε έχουμε σίγουρα ένα έντιμο επιστημονικό επιχείρημα για να πράξουμε αυτό που πρέπει.

Οι άνθρωποι λένε μερικές φορές ότι αν δεν ξοδεύαμε δισεκατομμύρια δολάρια σε επιταχυντές, τότε θα μπορούσαμε να πραγματοποιήσουμε έναν μεγάλο αριθμό άλλων φτηνών πειραμάτων. Είμαι φανατικός οπαδός των πειραμάτων μικρής κλίμακας, αλλά αυτό το επιχείρημα είναι ανόητο επειδή η χρηματοδότηση της επιστήμης δεν είναι ένα μίζερο παιχνίδι μηδενικού αθροίσματος. Έτσι, ο προβληματισμός δεν είναι του στυλ «θέλουμε να ξοδέψουμε δεκάδες δισεκατομμύρια ή για τη φυσική των επιταχυντών ή σε κάτι άλλο», αλλά μάλλον «θέλουμε να ξοδέψουμε δεκάδες δισεκατομμύρια για βασικά πειράματα φυσικής».

Ένα άλλο επιχείρημα είναι ότι πρέπει να περιμένουμε μέχρι να γίνει κάποια πρόοδος στην τεχνολογία επιταχυντών, αντί να κατασκευάζουμε άκριτα μεγαλύτερες μηχανές. Αυτό είναι αφελές. Φυσικά τα θαύματα μπορούν πάντα να συμβούν, αλλά δεν μπορούμε να σχεδιάσουμε την επιστήμη αναμένοντας τα θαύματα. Παρόμοια επιχειρήματα ακούστηκαν όταν απορρίφθηκε η κατασκευή του Superconducting Super Collider (SSC) πριν από 30 χρόνια, από εξέχοντες φυσικούς συμπυκνωμένης ύλης λέγοντας ότι η κατασκευή του SSC πρέπει να περιμένει την ανάπτυξη υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας που θα μειώσουν δραματικά το κόστος. Φυσικά η ανάπτυξη τέτοιων υπεραγώγιμων υλικών δεν υλοποιήθηκε ποτέ, ενώ η σωματιδιακή φυσική εξελισσόταν με την καλύτερη διαθέσιμη τεχνολογία.

Θα ήταν καλό να υπάρξει δημόσια συζήτηση για τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μελλοντικών επιταχυντών, υπό την καθοδήγηση ανθρώπων με βαθιά κατανόηση των σχετικών τεχνικών και επιστημονικών θεμάτων. Είναι αστείο το ότι οι μη-εμπειρογνώμονες δεν διατυπώνουν καν τα καλύτερα επιχειρήματα εναντίον των επιταχυντών. Θα μπορούσα να κάνω πολύ καλύτερη τη δουλειά τους! Σας υπενθυμίζω μια εξαιρετικά έντονη συζήτηση σχετικά με τους μελλοντικούς επιταχυντές που έγινε πριν από δύο χρόνια: (Int. J. Mod. Phys., 31 1630053 και 1630054). Ο C. N. Yang, ένας από τους μεγαλύτερους φυσικούς του 20ού αιώνα με τεράστια επιρροή στην Κίνα, επιτέθηκε με σφοδρότητα εναντίον των επιταχυντών. Σ’ αυτή τη σοβαρή επίθεση υπήρξε η κατάλληλη αριστοτεχνική απάντηση από τον David Gross.

Όσον αφορά την τωρινή ερευνητική εργασία του, ο Nima Arkani-Hamed είπε: Περίπου μια δεκαετία πριν, μετά από λίγα χρόνια προβληματισμού για την κοσμολογία του «αιώνιου πληθωρισμού» σε σχέση με τις λύσεις στα προβλήματα της κοσμολογικής σταθεράς και της ιεραρχίας, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι αυτά τα προβλήματα δεν μπορούν να γίνουν κατανοητά χωρίς να επανακαθοριστεί τι είναι στην πραγματικότητα ο χωροχρόνος και η κβαντική μηχανική. Προσπάθησα να κατανοήσω την δυναμική της σκέδασης των σωματιδίων, όπως οι συγκρούσεις στον LHC, από ένα νέο σημείο εκκίνησης, βλέποντας τον χωροχρόνο και την κβαντική μηχανική να πηγάζουν από πιο πρωταρχικές έννοιες. Αυτό αποδείχθηκε μια συναρπαστική περιπέτεια και βλέπουμε πολλά παραδείγματα νέων εκπληκτικών μαθηματικών δομών, που αναπάντεχα φαίνεται να αποτελούν τη βάση της φυσικής σκέδασης των σωματιδίων σε μια μεγάλη ποικιλία θεωριών, ορισμένες από τις οποίες προσεγγίζουν τον πραγματικό κόσμο. Επίσης, στρέφω την προσοχή μου πίσω στον αρχικό μου στόχο, την προσπάθεια κατανόησης της κοσμολογίας, καθώς και τις πιθανές θεωρίες για την προέλευση της μάζας του Higgs και της κοσμολογικής σταθεράς, από αυτή τη νέα οπτική γωνία. Σε όλες τις προσπάθειές μου συνεχίζω να προχωρώ θέτοντας πάνω απ’ όλα, την επιθυμία μου να συνδέσω βαθιές θεωρητικές ιδέες με τα πειράματα και τον πραγματικό κόσμο.

Μπορείτε να διαβάσετε ολόκληρη τη συνέντευξη του Nima Arkani-Hamed ΕΔΩ.

Πηγή