Κατέβασμα παρουσίασης
Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε
1
Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας
Ένας μαγικός ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ
2
χωρίς να κρύψει τα χρόνια της
"Πόσων χρονών είσαι ;" κι εκείνη απάντησε χωρίς να κρύψει τα χρόνια της "Είμαι 325"
3
η ΦΥΣΙΚΗ, σε ηλικία 225 ετών ο Planck ο Rutherford ο Einstein
ο Lorentz η Courie
4
Και μία φυσικός ΓΥΝΑΙΚΑ
1911, Βρυξέλες, Hotel Metropole. Πρώτο Συνέδριο Φυσικής Solvay ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΚΑΙ ΚΒΑΝΤΑ 23 άνδρες φυσικοί. Ούτε ένας Αμερικανός οι 22 με μουστάκι Και μία φυσικός ΓΥΝΑΙΚΑ Ήταν η πρώτη μεγάλη συνάντηση κορυφής των Φυσικών. Οι νεώτεροι όρθιοι. Οι της παλιάς φρουράς καθιστοί. Στη φωτογραφία δεν ποζάρει βέβαια ο Werner Heisenberg. Την εποχή εκείνη δεν είναι παρά ένα παιδί 10 ετών. Το ίδιο ισχύει για τον Paul Dirac . Δεν υπάρχει επίσης ο τότε 26χρονος Niels Bohr.
5
αλλά σε ΧΡΟΝΟ διαφορετικό
στον ίδιο ΧΩΡΟ αλλά σε ΧΡΟΝΟ διαφορετικό έτος 1927
6
1927, Βρυξέλες, Hotel Metropole.
Πέμπτο Συνέδριο Φυσικής Solvay ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ ΚΑΙ ΦΩΤΟΝΙΑ Niels BOHR και Albert Einstein Η ΜΕΓΑΛΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, , Th. De Donder, E. Schrödinger, J.E. Verschaffelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R.H. Fowler, L. Brillouin P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg, H.A. Kramers, P.A.M. Dirac, A.H. Compton, L. de Broglie, M. Born, N. Bohr; I. Langmuir, M. Planck, M. Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, , C.T.R. Wilson, O.W. Richardson
8
Ναι αλλά τι είναι ΦΥΣΙΚΗ ;
9
θυγατέρα της Φιλοσοφίας
η ΦΥΣΙΚΗ είναι θυγατέρα της Φιλοσοφίας Το «σπέρμα» που γονιμοποίησε τη μητέρα ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ εμπεριείχε τρία κυρίως συστατικά ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΕΜΠΕΙΡΙΑ το πανάρχαιο ενδιαφέρον για τον ΟΥΡΑΝΟ και ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ
10
ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ ΦΥΣΙΚΗ + = ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΕΜΠΕΙΡΙΑ ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ
11
Το αρχικό δηλαδή ΣΧΕΔΙΟ δεν περιείχε την απρόβλεπτη κατάδυση στα σπλάχνα της ύλης
τον μαγικό ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟ
12
τα πρώτα 150 χρόνια, ήταν ένα «ισόγειο»
τα πρώτα 150 χρόνια, ήταν ένα «ισόγειο» ΔΟΜΗ 1 σήμερα . . τετραώροφο στους αιώνες που έρχονται ; ; ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ STANDARD MODEL ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑ ΘΕΩΡΙΑ ΥΠΕΡΧΟΡΔΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΝΕΥΤΩΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ
13
ΔΟΜΗ 2 ΟΥΡΑΝΟΣ και ΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ και ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ ΧΩΡΟΣ και ΧΡΟΝΟΣ
η Φυσική είναι μια διεργασία ενοποίησης ΔΟΜΗ 2 ΟΥΡΑΝΟΣ και ΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ και ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ ΧΩΡΟΣ και ΧΡΟΝΟΣ ΜΑΖΑ και ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ και ΚΥΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ και ΑΣΘΕΝΗΣ
14
ο «μαγευτικός» ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ
η Φυσική αντικρίζει δύο ΒΥΘΟΥΣ ο «ΒΥΘΟΣ των ουρανών» ο «μαγευτικός» ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ Και οι δύο αινιγματικοί και δυσπρόσιτοι
15
Ο ένας είναι ο «βυθός» των ουρανών
με Αρκτούρο και με Αλδεβαράν, με Κασσιόπη και με ζωδιακή λεωφόρο των πλανητών, με το ορατό ρυάκι του Γαλαξία μας και με τα αόρατα γαλαξιακά υπερσμήνη .
16
αλλά και μετά την αρχική της οικοδόμηση
Το σπέρμα που γονιμοποίησε τη Φιλοσοφία και έφερε στον Κόσμο τη Φυσική εμπεριείχε και το πανάρχαιο ενδιαφέρον για τον Ουρανό, αλλά και μετά την αρχική της οικοδόμηση η Φυσική δεν έπαψε να ενδιαφέρεται για το Σύμπαν στο σύνολό του, σε σημείο που ένα από τα κλαδιά της έκανε την εμφάνιση του τον 20ο αιώνα με το όνομα ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ Με το σκάφος ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ ο άνθρωπος βυθίζεται όλο και περισσότερο στην απέραντη αδιαφάνεια του ουράνιου κόσμου
17
« υπάρχει ένας ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ της ύλης »
Ο άλλος «βυθός» είναι ο «μαγευτικός» ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ Τον 18ο αιώνα, κληρονομημένη από τη «μητέρα» Φιλοσοφία, έκανε την εμφάνισή στην Επιστήμη η ΙΔΕΑ ότι « υπάρχει ένας ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ της ύλης » με αόρατα σωματίδια που κινούνται και αλληλεπιδρούν» Η ιδέα δεν ήταν καινούρια. Είχε για πρώτη φορά κάνει την εμφάνισή της στο έργο των Ελλήνων προσωκρατικών. Στους αιώνες που ακολούθησαν δεν κυριάρχησε αλλά και δεν εξαφανίστηκε. Διατηρήθηκε ως ιδέα «περιθωριακή» και γύρω στα 1800 «ξαναζωντάνεψε» με απρόβλεπτες συνέπειες
18
Η ιδέα δεν υιοθετήθηκε αμέσως από τους Ευρωπαίους ερευνητές.
Εκδηλώθηκαν σοβαρές αντιρρήσεις οι οποίες διατηρήθηκαν επί έναν αιώνα περίπου - τον 19ο - αλλά στο μεταξύ η ΙΔΕΑ είχε γεννήσει ΔΥΟ ΘΕΩΡΙΕΣ που συνεχώς εδραιώνονταν Την ΑΤΟΜΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ η οποία συνέβαλε στην οικοδόμηση της Χημείας και την ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ η οποία συνέβαλε στην οικοδόμηση της Θερμοδυναμικής.
19
Οι δύο «Κόσμοι» ο Μικρόκοσμος. ο Μακρόκοσμος Από τη μια Από την άλλη
ο Μικρόκοσμος. Ο αδιαφανής Μικρόκοσμος της Ύλης, ένας σαγηνευτικός «βυθός» στον οποίο η ανθρώπινη Σκέψη θέλει να καταδυθεί. Από τη μια ο Μακρόκοσμος των αισθήσεων, των μετρήσεων και των άμεσων εμπειριών. Ένας κόσμος χωρίς κρύο ούτε ζέστη χωρίς καθόλου γεύσεις, χρώματα και μυρωδιές Ένας Κόσμος με θερμόμετρα, μανόμετρα, μπαλόνια, μηχανές εσωτερικής καύσεως και σωληνάκια με χρωματιστά υγρά. Ένας «κόσμος μαγευτικός», ένας κόσμος Χάρι Πότερ με απίστευτα πολλά σωματίδια τα οποία δεν κάνουν τίποτε άλλο από το να κινούνται και να αλληλεπιδρούν, ένας κόσμος «πλάσμα της ανθρώπινης σκέψης», μια θεωρία επιστημονική .
20
ένα πολύ σκληρό καρύδι κινούμενο αδιάκοπα
το οποίο όμως δεν ανοίγει ποτέ . . ένα Α - ΤΟΜΟ για τον Δημόκριτο καθένα από αυτά τα σωματίδια ήταν Στη σκέψη των ερευνητών του 19ου αιώνα διατηρήθηκε ως ένα πολύ σκληρό συμπαγές σφαιρίδιο, ένα κουκούτσι που δεν σπάει ποτέ
21
ωστόσο στον 20ο αιώνα η πανάρχαια εικόνα άλλαξε
κι όλα άρχισαν στα τέλη του 19ου αιώνα όταν οι Ευρωπαίοι ανακάλυψαν ένα απίστευτο πιτσιρίκι σωματίδιο εγκατεστημένο στα σπλάχνα του ατόμου
22
οι Γερμανοί επέμεναν ότι είναι ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ
έτος 1890, το ερώτημα «τι είναι οι ΚΑΘΟΔΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ; » ήταν στο επίκεντρο και η διαμάχη για την απάντηση στο αποκορύφωμά της οι Γερμανοί επέμεναν ότι είναι ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ενώ οι Άγγλοι πίστευαν ότι πρόκειται για ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ
23
ο J.J. THOMSON οδηγήθηκε στο σχετικό συμπέρασμα
Εάν οι Άγγλοι είχαν δίκιο, καθένα από τα άγνωστα αυτά ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ θα έπρεπε να είναι ένα, χωρίς προηγούμενο, ΠΙΤΣΙΡΙΚΙ με μάζα 1800 φορές μικρότερη από τη μάζα του ελαφρότερου ΑΤΟΜΟΥ, του μικρότερου δηλαδή -μέχρι τότε- όντος που είχε συλλάβει ο ανθρώπινος νους και οι Άγγλοι είχαν δίκιο ο J.J. THOMSON οδηγήθηκε στο σχετικό συμπέρασμα
24
ΧΩΡΟΣ το Cambridge ΧΡΟΝΟΣ το έτος 1897 ΔΙΑΤΑΞΗ ένας σωλήνας
με μήκος 27 εκατοστών
25
ηλεκτρόνιο οι Έλληνες να το πουν Οι Άγγλοι ήταν οι «νονοί» .
ήταν λοιπόν φυσικό οι Έλληνες να το πουν ηλεκτρόνιο Οι Άγγλοι ήταν οι «νονοί» . Το βάφτισαν electron, δημιουργώντας μία ακόμα λέξη με υλικό από την δεξαμενή της αρχαίας ελληνικής γλώσσας.
26
Και πολύ γρήγορα έγινε το αγαπημένο
e Και πολύ γρήγορα έγινε το αγαπημένο των Χημικών και των Ηλεκτρολόγων
27
εκτός από αυτό, έγινε βασικό στοιχείο
των μοντέλων για το ΑΤΟΜΟ, Πρόσφερε μια απάντηση στο ερώτημα «πώς παράγεται το ΦΩΣ ;» φως
28
οδήγησε τη σκέψη των θεωρητικών στην έννοια σωματίδιο - κύμα,
οδήγησε τη σκέψη των θεωρητικών στην έννοια σωματίδιο - κύμα, αλλά έγινε τελικά και ένας από τους μεγαλύτερους πρωταγωνιστές στην οικοδόμηση της Φυσικής του 20ου αιώνα, στον οποίο θεωρήθηκε ΛΕΠΤΟΝΙΟ
29
Τι θα λέμε στο μέλλον; Τι κρύβεται «ΜΕΣΑ» σε κάθε ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ; Ίσως κάτι που η φαντασία μας δεν μπορεί προς το παρόν να συλλάβει Σήμερα το electron είναι ο ηλικίας 114 ετών πατριάρχης όλων των στοιχειωδών σωματιδίων
30
Στο μεταξύ, η σκέψη του Dirac είχε οδηγήσει στην έννοια ΑΝΤΙΥΛΗ
Στις δεκαετίες που ακολούθησαν δύο ακόμα στοιχειώδη σωματίδια, το ΠΡΩΤΟΝΙΟ και το ΝΕΤΡΟΝΙΟ, εντοπίστηκαν στον πυρήνα του ατόμου αλλά εδώ και σαράντα περίπου χρόνια δεν θεωρούνται ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ Αντίθετα, ένα άλλο σωματίδιο, ένα φάντασμα που γεννήθηκε το 1931 στη σκέψη του Pauli και κυνηγήθηκε επί 25 περίπου χρόνια εξακολουθεί να θεωρείται στοιχειώδες έχει το όνομα ΝΕΤΡΙΝΟ Στο μεταξύ, η σκέψη του Dirac είχε οδηγήσει στην έννοια ΑΝΤΙΥΛΗ
31
1932. Αντιύλη
32
Το 1928, ο Paul Dirac επιχειρεί να δημιουργήσει μια γέφυρα ανάμεσα
στις συγκρουόμενες τα χρόνια εκείνα Κβαντομηχανική και Σχετικότητα και δείχνει ότι ακόμα και για την περιγραφή της «περιπέτειας» ενός ηλεκτρονίου είναι αναγκαίες και οι δύο. Με τα λόγια του Einstein « είναι η τέλεια εξίσωση της Κβαντικής Φυσικής » Η εξίσωση αυτή οδηγούσε τη σκέψη του Dirac στο παράξενο συμπέρασμα ότι στο Σύμπαν πρέπει να κυκλοφορούν σωματίδια καθένα από τα οποία είναι δίδυμο αδελφάκι του ηλεκτρονίου, «ηλεκτρόνιο με θετικό φορτίο», «αντιηλεκτρόνιο» . Αντίστοιχα στο Σύμπαν πρέπει να κυκλοφορούν και «ΑΝΤΙΠΡΩΤΟΝΙΑ». Δεν ήταν παρά μία θεωρητική υπόθεση. Ωστόσο τρία μόλις χρόνια αργότερα η υπόθεση επιβεβαιώθηκε όταν ο Αμερικανός πειραματικός Carl Anderson ανίχνευσε αντιηλεκτρόνια- στην κοσμική ακτινοβολία. Τα αντιηλεκτρόνια ονομάστηκαν ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΑ. Εικοσιπέντε χρόνια μετά, ο Ιταλός Emilio Segré ανίχνευσε και τα αντιπρωτόνια. Ο Dirac είχε προβλέψει την ΑΝΤΙΥΛΗ. Σύμφωνα με τη σχετική θεωρία κατά τη σύγκρουση ενός ηλεκτρονίου με αντιηλεκτρόνιο θα συνέβαινε εξαφάνιση και των δύο και δημιουργία ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας
33
Cloud chamber, Θάλαμος Wilson
1932, Το πρώτο ποζιτρόνιο Cloud chamber, Θάλαμος Wilson
34
Η Ιουλιέτα positron συναντά τον Ρωμαίο electron και πεθαίνουν μαζί
Ύλη και Αντιύλη Δίδυμη γένεση Εξαΰλωση Ένα ποζιτρόνιο συναντά ένα ηλεκτρόνιο και πεθαίνουν μαζί, με ταυτόχρονη δημιουργία φωτονίων Ένα φωτόνιο ταξιδεύει για λίγο ως φωτόνιο για να εξαφανιστεί, στη συνέχεια και στη θέση του να γεννηθούν δίδυμα, ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο Θάλαμος Bubble στο Fermilab
35
Ύλη και Αντιύλη Bubble Chambers στο CERN.
η τροχιά του electron Ένα ποζιτρόνιο συναντά ένα «αμελητέας ταχύτητας» ηλεκτρόνιο και του μεταβιβάζει όλη την ορμή του. Είναι μια ένδειξη ότι έχουν ίσες μάζες η τροχιά του positron Από την καμπύλωση κάθε τροχιάς υπολογίζεται η ορμή του ενός σωματιδίου 54±15 MeV/c και η ορμή του άλλου 54±13 MeV/c Το positron και το electron έχουν ίσες μάζες
36
νe νετρίνο
37
«δέκα εντολές της επιστήμης» ένας οδηγός Αλήθειας.
Από τη δεκαετία του 1920 η ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ της ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ εμπλουτισμένη από την ισοδυναμία μάζας- ενέργειας Ε = mc2 είχε γίνει μία από τις «δέκα εντολές της επιστήμης» ένας οδηγός Αλήθειας. Ένα από τα φαινόμενα που δεν είχαν ικανοποιητικά ερμηνευτεί ήταν η ραδιενέργεια β Η θεωρία που είχε προταθεί παραβίαζε τον νόμο ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ της ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ καθώς έλειπε μια ποσότητα ενέργειας από τον ισολογισμό Το 1931 ο γεννημένος στη Βιέννη Wolfgang Pauli διατηρώντας «θρησκευτική πίστη» στην εντολή της ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ προχώρησε τολμηρά στην επινόηση της ύπαρξης ενός ΣΩΜΑΤΙΔΙΟΥ το οποίο όφειλε να μην έχει ούτε μάζα ούτε ηλεκτρικό φορτίο Πίστεψε ότι υπάρχει ένα σωματίδιο – φάντασμα, το οποίο ήταν ίσως αδύνατο να ανιχνευτεί Την επόμενη χρονιά ο γεννημένος στη Ρώμη Enrico Fermi έχοντας και αυτός πιστέψει στην ύπαρξη του, του έδωσε και όνομα Το βάφτισε ΝΕΤΡΙΝΟ που στα ιταλικά σημαίνει ΟΥΔΕΤΕΡΟΠΙΤΣΙΡΙΚΙ
38
και κύλησαν χρόνια 25 με τους φυσικούς, που πίστευαν
Στα χρόνια που ακολούθησαν καμία από τις ιδέες που προτάθηκαν για την ανίχνευσή του δεν καρποφόρησε Το χωρίς μάζα και ηλεκτρικό φορτίο «πλάσμα της σκέψης του Pauli» ή εκδήλωνε μια άγνωστη, μέχρι τότε, αλληλεπίδραση ή δεν αλληλεπιδρούσε με την ύλη ή δεν υπήρχε ίσως, πάλι, η ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ να ήταν ένας νόμος που δεν ίσχυε στην περίπτωσή του και κύλησαν χρόνια 25 με τους φυσικούς, που πίστευαν στην ύπαρξή του, να κυνηγούν το πιτσιρίκι φάντασμα Η γόνιμη ιδέα για την ανίχνευση του νετρίνο έκανε τελικά την εμφάνισή της το έτος 1956, 25 ολόκληρα χρόνια μετά τη νοητική σύλληψη, και αυτό έγινε στο USA από τους συνεργαζόμενους Clyde Cowan και Frederick Reines
39
1956. Τα νετρίνα υπάρχουν και όχι μόνο στη σκέψη των θεωρητικών
Η ΙΔΕΑ . Ο σχεδιασμός του πειράματος των Cowan και Reines βασιζόταν στην ιδέα ότι ΝΕΤΡΙΝΑ θα βρίσκονταν, σε σημαντική ποσότητα, κοντά σε πυρηνικό αντιδραστήρα Αλλά και στην ιδέα ότι καθένα από αυτά θα αλληλεπιδρούσε με πρωτόνιο p+, νe + p+→ με συνέπεια την εμφάνιση ενός νετρονίου n0 και ενός ποζιτρονίου e+ νe + p+→ n0 + e+ Στη συνέχεια το ποζιτρόνιο e+ θα συναντούσε ηλεκτρόνιο, θα συνέβαινε εξαύλωση με εμφάνιση δύο ανιχνεύσιμων φωτονίων γ Η ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΙΔΕΑΣ . Και αυτό τελικά συνέβη.. Χρησιμοποίησαν πυρηνικό αντιδραστήρα, ένα δοχείο με νερό που «πρόσφερε» τα πρωτόνια και έναν σπινθηριστή μέσα στο δοχείο ο οποίος ανίχνευσε ακτινοβολία γ. Και τα φωτόνια ανιχνεύτηκαν
40
Ο σχεδιασμός προέβλεπε και την ανίχνευση των νετρονίων .
νe + p+→ n0 + e+ Ο σχεδιασμός προέβλεπε και την ανίχνευση των νετρονίων . Η ΙΔΕΑ . Το κάθε νετρόνιο n0 θα μπορούσε να «συλληφθεί» από συγκεκριμένο ατομικό πυρήνα, και η σύλληψη θα συνοδευόταν από ανιχνεύσιμα φωτόνια γ . Η ΓΝΩΣΗ . Ήξεραν ότι ο πυρήνας του καδμίου ήταν ένα εξαιρετικός «απορροφητής» νετρονίων και ότι η «σύλληψη» κάθε νετρονίου συνοδευόταν από εκπομπή φωτονίου γ n Cd → 109 Cd + γ Η ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΙΔΕΑΣ. Στο δοχείο με το νερό είχαν προσθέσει χλωριούχο κάδμιο, Και το εγχείρημα δικαιώθηκε. Με τον σπινθηριστή ανιχνεύτηκαν φωτόνια γ με μετρήσιμη χρονική καθυστέρηση από τα «άλλα» φωτόνια, αυτά που είχαν προκύψει με την εξαύλωση Η σύμπτωση των δύο ανιχνεύσεων οδηγούσε σε ένα είδος βεβαιότητας για την ύπαρξη του νετρίνο. Πολλά χρόνια αργότερα, το 1995, στον Frederick Reines , απονεμήθηκε το βραβείο Nobel Φυσικής. Ο Clyde Cowan είχε φύγει από τη ζωή
41
Κάθε πειραματική έρευνα είναι ένα σαφάρι
στην ενδοχώρα της Πραγματικότητας κατά το οποίο οι αισθήσεις συνεργάζονται με το «βλέμμα» της ανθρώπινης Σκέψης
42
Το ΝΕΤΡΙΝΟ από σωματίδιο φάντασμα έγινε ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ σωματίδιο, ενσωματωμένο στον κορμό της Φυσικής
Έξη χρόνια αργότερα ο Leon Ledermann, υποστήριξε ότι υπάρχουν και άλλες γεύσεις – μορφές νετρίνων και η εξέλιξη τον δικαίωσε Νετρίνο του μιονίου, Muon neutrino νμ H θεωρητική πρόβλεψη το 1948 Ανίχνευση 1962, Columbia και Brookhaven New York, USA Νετρίνο του ταυ, Ταu neutrino ντ H θεωρητική πρόβλεψη το 1975 H ανίχνευση το 2000, Fermilab Illinois USA Στην αρχική του σύλληψη το νετρίνο του Pauli λέγεται και νετρίνο του ηλεκτρονίου Τα τρία νετρίνα μαζί με τα τρία αντίστοιχα σωματίδια , το ηλεκτρόνιο, το μ και το τ συνιστούν την εξάδα των λεπτονίων, στοιχειωδών σωματιδίων, του σήμερα
43
Η πρώτη ανίχνευση νετρίνο σε bubble chamber με υδρογόνο
η τροχιά του πρωτονίου το νετρίνο μετατρέπεται σε μ- μεσόνιο Αόρατο ΝΕΤΡΙΝΟ συγκρούεται με πρωτόνιο 13 Νοεμβρίου 1970 Η πρώτη ανίχνευση νετρίνο σε bubble chamber με υδρογόνο Η σύγκρουση δημιουργεί π- μεσονιο
44
Η αναζήτηση του νετρίνο εμπλούτισε
τη σκέψη των φυσικών, τους ώθησε στο να ερευνήσουν την ΑΣΘΕΝΗ αλληλεπίδραση Σήμερα το ΝΕΤΡΙΝΟ εξακολουθεί να θεωρείται ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ σωματίδιο ικανό να εκδηλώνει μια ασθενή αλληλεπίδραση με την υπόλοιπη ύλη . . άρα ΛΕΠΤΟΝΙΟ Θεωρείται ένας από τους μεγάλους «αλήτες του Σύμπαντος»
45
από ΛΕΠΤΟΝΙΑ και ΚΟΥΑΡΚ κυρίως . . .
46
σε ένα κυνήγι ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ τα οποία πίστεψαν ότι είναι
Σε μεγάλο βαθμό οι φυσικοί του 20ου αιώνα – αλλά και του 21ου - δραστηριοποιήθηκαν σε ένα κυνήγι ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ τα οποία πίστεψαν ότι είναι τα ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ που συγκροτούν το Σύμπαν και στην αναζήτηση ΘΕΩΡΙΩΝ αναφορικά με το πώς τα σωματίδια αυτά συμπεριφέρονται.
47
Τόσο πολλά είναι τα στοιχειώδη σωματίδια;
Κι ενώ η δεκαετία του ’50 έγερνε στη δύση της, δεκάδες, διαφορετικά μεταξύ τους, «έσχατα» αδρόνια άφηναν τα δικά τους μηνύματα στα «Bubble Chambers» των μεγάλων εργαστηρίων. Σ0, Σ+, Σ-, Ξ0, Ξ+, Ω0, Λ0, Δ0, Δ+, Δ-, Κ-μεσόνια, Πι- μεσόνια, Τόσο πολλά είναι τα στοιχειώδη σωματίδια; Η αμηχανία των θεωρητικών είχε πάρει τον ανήφορο. Είχαν αρχίσει να χάνουν τον έλεγχο. Μα ήταν άραγε δυνατόν; Είχαν πλέον ξεπεράσει τα εκατό. Είτε «βαρέων βαρών», έτσι που να θυμίζουν πρωτόνιο, είτε «μεσαίων βαρών», με μάζες πιο κοντά σε κείνη του ηλεκτρονίου, τα περισσότερα από αυτά δεν ήταν παρά στιγμιαίες αναλαμπές του Πραγματικού. Έρχονταν στον κόσμο με σαφές πεπρωμένο να ζήσουν για ελάχιστα μόνο κλάσματα του δευτερολέπτου.
48
όταν η σκέψη του Murray Gell-mann
Ήταν πια 1964, όταν η σκέψη του Murray Gell-mann οδηγήθηκε στην υπόθεση ότι Πίσω από τη φαινομενικά πληθωρική επιδερμίδα της Πραγματικότητας έπρεπε να κρύβεται κάτι πιο απλό. Τα δεκάδες διαφορετικά μεταξύ τους «έσχατα» αδρόνια ίσως δεν είναι έσχατα αλλά φτιαγμένα από πολύ λιγότερα στοιχειώδη σωματίδια
49
όλα τα αδρόνια του κόσμου συγκροτούνται από ελάχιστα επιτέλους(;) έσχατα σωματίδια.
Ο Murray Gell-mann τα ονόμασε QUARK Το όνομα αιφνιδίασε. Μέχρι τότε στα αόρατα αυτά όντα του Μικρόκοσμου είχαμε δώσει ονόματα αντλημένα από τις δύο μεγάλες γλωσσικές δεξαμενές , την ΕΛΛΗΝΙΚΗ και τη ΛΑΤΙΝΙΚΗ .
50
( και διαβάζει ) λογοτεχνία
ένας ΦΥΣΙΚΟΣ που διαβάζει ΛΟΓΟΤΕΧΝΙΑ Γεννημένος στη Νέα Υόρκη, με γονείς Εβραίους μετανάστες από την Ουκρανία, ο Murray Gell-mann ήταν (και είναι) ένας φυσικός που διάβαζε ( και διαβάζει ) λογοτεχνία
51
Μία από αυτές, η παράξενη λέξη quark, «συναντήθηκε»
Και ιδού ο Murray Gell-mann της δεκαετίας του ’60 να αυθαδιάζει στην παράδοση, να αγνοεί τις δύο μεγάλες δεξαμενές και να δανείζεται λέξη από τον James Joyce, τον μεγαλύτερο Ιρλανδό λογοτέχνη του εικοστού αιώνα. Ο Joyce υπήρξε πατέρας δεκάδων λέξεων οι περισσότερες από τις οποίες απουσιάζουν από τα συνήθη λεξικά. Μία από αυτές, η παράξενη λέξη quark, «συναντήθηκε» με τον Gell-mann όταν εκείνος διάβαζε τη νουβέλα Finnegan’s Wake Η καριέρα της λέξης quark ήταν βέβαια απρόβλεπτη. Θα γινόταν όνομα του έσχατου σωματιδίου, του άτμητου όντος το οποίο, όμως, μόνο του, δεν θα το συναντήσουμε ποτέ.
52
ΜΕΣΑ ΣΕ ΚΑΘΕ ΠΡΩΤΟΝΙΟ κρύβονταν τρία μικροσκοπικά κομμάτια ύλης»,
To 1967 η υπόθεση φάνηκε να επαληθεύεται με πειράματα σκέδασης ηλεκτρονίων σε πρωτόνια τα οποία έγιναν τόσο στον επιταχυντή του STANFORD όσο και στο εργαστήριο του ΜΙΤ «Οι διευθύνσεις στις οποίες ανακρούστηκαν τα ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ έδειχναν ότι ΜΕΣΑ ΣΕ ΚΑΘΕ ΠΡΩΤΟΝΙΟ κρύβονταν τρία μικροσκοπικά κομμάτια ύλης», έγραψε αργότερα ο Richard Feynmann
53
Η ιδέα των κουάρκ φαινόταν να δικαιώνεται
To quark ήταν δηλαδή μία αποκλειστικά αμερικανική υπόθεση ; Όχι ακριβώς . Ακόμα μεγαλύτερη στήριξη πρόσφεραν τα πειράματα σκέδασης ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ - ΝΕΤΡΙΝΩΝ που έγιναν το 1973 στο CERN . Η ιδέα των κουάρκ φαινόταν να δικαιώνεται ήταν αυτό που λέμε σήμερα «τα έξι κουάρκ» ; όχι Χρειάστηκαν τριάντα περίπου χρόνια για να φθάσουμε στα έξι κουάρκ
54
έξι λεπτόνια – με πρωταγωνιστές το ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ και το ΝΕΤΡΙΝΟ –
Στο μεταξύ – λίγο πριν το τέλος του 20ου αιώνα - είχαμε φθάσει και σε έξι λεπτόνια και μπορούσαμε να λέμε ότι η ύλη/μάζα του Κόσμου συγκροτείται κυρίως από έξι λεπτόνια – με πρωταγωνιστές το ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ και το ΝΕΤΡΙΝΟ – και από έξι κουάρκ - με πρωταγωνιστές το u και το d Βλέπω ότι για τα ΛΕΠΤΟΝΙΑ χρησιμοποιείται μόνο κίτρινο χρώμα ενώ για τα ΚΟΥΑΡΚ βλέπω, πίσω από το κόκκινο, και δύο ακόμα χρώματα . Αυτό σημαίνει κάτι ; Κάτι σημαίνει . . αλλά θα το συζητήσουμε αργότερα
55
μπαχαρικά Οδηγός μαγειρικής
56
ότι δεν πρέπει να ξεχνάμε τα φωτόνια της ακτινοβολίας
Κι όταν λες ότι το Σύμπαν αποτελείται ΚΥΡΙΩΣ από λεπτόνια και κουάρκ με το «ΚΥΡΙΩΣ» τι εννοείς ; ότι δεν πρέπει να ξεχνάμε τα φωτόνια της ακτινοβολίας Κι είναι ακόμα και τα σωματίδια της ΑΝΤΙΥΛΗΣ που - μια φορά κι έναν καιρό - ήταν όσα και εκείνα της ΥΛΗΣ τα σωματίδια μεσολαβητές των αλληλεπιδράσεων, μποζόνια, φευγαλέες υπάρξεις, αλλά «υπάρξεις»
57
τα τέσσερα σωματίδια πρώτης γενιάς, e, νe, up, down
Είναι μια παραδοχή των φυσικών του σήμερα ενσωματωμένη στη ΘΕΩΡΙΑ STANDARD MODEL Υποθέτω πως η παραδοχή για έξι κουάρκ – και όχι για οκτώ ή για δεκαπέντε – καθώς και η παραδοχή ότι είναι «τα συγκεκριμένα έξι» είναι επίσης μια ΘΕΩΡΙΑ Το Standard Model προβλέπει μάλιστα ότι από τα έξι λεπτόνια μόνο το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο θεωρούνται σωματίδια πρώτης γενιάς. Και από τα έξι κουάρκ μόνο τα up, down θεωρούνται πρώτης γενιάς. Ο Κόσμος - η ύλη/μάζα - συγκροτείται από τα τέσσερα σωματίδια πρώτης γενιάς, e, νe, up, down Τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια θεωρούνται δεύτερης και τρίτης γενιάς. Υπήρξαν στην αυγή του Big Bang, αλλά σήμερα ανιχνεύονται μόνο στην κοσμική ακτινοβολία και είναι δυνατόν να βρεθούν ως θνησιγενείς οντότητες σε ερευνητικά πειράματα όπως αυτά με τους επιταχυντές, κατά τα οποία «ντοπάρεται» η ύλη μέσα από την ανθρώπινη ερευνητική δραστηριότητα.
58
QUARK πρώτη γενιά up down δεύτερη γενιά strange charm τρίτη γενιά
τρίτη γενιά bottom top
59
- Καθιερωμένο Πρότυπο - είναι μία από τις πιο πετυχημένες θεωρίες
Προσέχω ότι μιλάς συχνά για το STANDARD MODEL και αναφέρεσαι σε αυτό με ιδιαίτερο σεβασμό Εκτιμώ ότι το STANDARD MODEL - Καθιερωμένο Πρότυπο - είναι μία από τις πιο πετυχημένες θεωρίες του 20ου αιώνα
60
STANDARD MODEL
61
Όλα τα μέχρι σήμερα πειραματικά δεδομένα το επαληθεύουν
ενοποιεί την Ηλεκτρασθενή θεωρία QED και την Κβαντική Χρωμοδυναμική, QCD. Όλα τα μέχρι σήμερα πειραματικά δεδομένα το επαληθεύουν
62
α. Το Standard Model προβλέπει ότι τα στοιχειώδη σωματίδια ανήκουν
σε δύο μεγάλες ομάδες τα LEPTONS και τα QUARK. β. To Standard Model αποδέχεται τις τέσσερεις αλληλεπιδράσεις –ηλεκτρομαγνητική, ασθενή, ισχυρή και βαρυτική, με την ενοποιημένη εκδοχή των δύο πρώτων -καθώς και το ότι περιγράφονται αντίστοιχα ως ανταλλαγή φωτονίων, σωματιδίων W, Z, gluons και βαρυτονίων, γ. Εκτός των άλλων, το Standard Model, επαληθεύεται στο ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια προκύπτουν σαν συνδυασμοί των δύο κουάρκ
63
Το πρώτο είναι ότι αδυνατεί να συμπεριλάβει
Έτσι που τα ακούω όλα αυτά μου δημιουργείται η εντύπωση ότι το STANDARD MODEL είναι μια ΘΕΩΡΙΑ χωρίς αδυναμίες Αυτό δεν ισχύει . To Standard Model έχει και αδύνατα σημεία. Τα πιο εμφανή είναι τρία: Το πρώτο είναι ότι αδυνατεί να συμπεριλάβει τη βαρύτητα σε μια συνολική θεωρία για όλες τις αλληλεπιδράσεις το δεύτερο είναι ότι αδυνατεί να δώσει ερμηνεία στο γεγονός ότι κάθε σωματίδιο έχει τη μάζα που έχει το τρίτο ότι αδυνατεί να απαντήσει στο « γιατί το Σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό;» καθώς και στο συναφές «τι είναι η dark matter;»
64
Ένα ρόλο κλειδί στο Standard Model έχει το σωματίδιο Higgs
65
Και είναι το ΜΟΝΟ από τα προβλεπόμενα, από τη Θεωρία αυτή, σωματίδια
Το σωματίδιο Higgs προβλέπεται από το Standard Model. Και είναι το ΜΟΝΟ από τα προβλεπόμενα, από τη Θεωρία αυτή, σωματίδια που δεν έχει μέχρι σήμερα ανιχνευθεί Αυτό οφείλεται ΚΑΙ στο ότι η δημιουργία του απαιτεί ένα τεράστια ποσά ενέργειας
66
την προέλευση δηλαδή της μάζας όλων των άλλων στοιχειωδών σωματιδίων
Ο ρόλος του είναι να προσφέρει ερμηνεία σε ένα από τα αναπάντητα αινίγματα, το οποίο συνιστά και μία από τις αδυναμίες του STANDARD MODEL , την προέλευση δηλαδή της μάζας όλων των άλλων στοιχειωδών σωματιδίων
67
είναι αυτό που δημιουργεί τις μάζες των άλλων σωματιδίων.
Και πιο συγκεκριμένα Το σωματίδιο HIGGS Είναι ένα σωματίδιο μποζόνιο με μηδενικό spin Σύμφωνα με το STANDARD MODEL είναι αυτό που δημιουργεί τις μάζες των άλλων σωματιδίων. ευθύνεται για τη διαφορετικότητα ανάμεσα στις μάζες τόσο των διαφόρων ΛΕΠΤΟΝΙΩΝ όσο και μεταξύ των διάφορων ΚΟΥΑΡΚ. ίσως μπορέσει να εξηγήσει και γιατί η βαρυτική αλληλεπίδραση είναι τόσο ασθενής σε σχέση με τις άλλες τρεις
68
Το μποζόνιο Higgs αναζητείται για να επιβεβαιώσει το STANDARD MODEL και είναι «επικηρυγμένο» με τα δισεκατομμύρια ευρώ και δολάρια που έχουν στοιχίσει οι αντίστοιχοι επιταχυντές στη Γενεύη και στο Σικάγο γιατί είναι ένα ακόμη βασικό στοιχείο στο ψηφιδωτό που φτιάχνεται για τη δομή του κόσμου, με βάση το Standard Model γιατί λέμε ΜΠΟΖΟΝΙΟ higgs ; Τι ακριβώς σημαίνει μποζόνιο ; Το ηλεκτρόνιο είναι μποζόνιο; Το φωτόνιο ;
69
fermions και bosons Ήδη από τη δεκαετία του 1920 – Pauli, 1925 – είχε εδραιωθεί η πεποίθηση ότι τα ηλεκτρόνια υπακούουν στην Απαγορευτική Αρχή, «απαγορεύεται η συγκατοίκηση» τα φωτόνια δεν έχουν κανένα πρόβλημα να καταλάβουν όλα μαζί την ίδια κβαντική κατάσταση και μάλιστα το προτιμούν. ενώ είχε επίσης γίνει σαφές και το ότι Το 1945, ο Dirac πρότεινε μια ταξινόμηση για ΟΛΑ τα σωματίδια σε ΦΕΡΜΙΟΝΙΑ και σε ΜΠΟΖΟΝΙΑ Το ηλεκτρόνιο έγινε το αρχέτυπο της έννοιας ΦΕΡΜΙΟΝΙΟ, ενώ το φωτόνιο έπαιξε τον ίδιο ρόλο για την έννοια ΜΠΟΖΟΝΙΟ Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια που συγκροτούν την ύλη – λεπτόνια και κουάρκ- είναι ΦΕΡΜΙΟΝΙΑ ενώ τα σωματίδια «αγγελιαφόροι», φορείς των τεσσάρων αλληλεπιδράσεων – φωτόνιο, gluons – είναι ΜΠΟΖΟΝΙΑ. Σε γλώσσα πιο αυστηρή τα φερμιόνια έχουν ημιακέραιο spin, ½, 3/2 υπακούουν στην κατανομή Fermi- Dirac και στην απαγορευτική Αρχή του Pauli. Τα μποζόνια έχουν ακέραιο ή μηδενικό spin υπακούουν στην κατανομή Bose-Einstein και δεν υπακούουν στην απαγορευτική Αρχή του Pauli, δύο δηλαδή μποζόνια μπορούν να βρίσκονται την ίδια χρονική στιγμή στην ίδια κβαντική κατάσταση.
70
fermion και boson Τη λέξη fermion o Dirac την έπλασε από το όνομα του Ιταλού Enrico Fermi . Το 1926 , στα 25 χρόνια του, επεξεργάστηκε μαθηματικά το « πως κατανέμεται μια ποσότητα ενέργειας ενός συστήματος στα διακεκριμένα παρόμοια σωματίδια τα οποία το συγκροτούν » εφόσον το σύστημα βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία και εστίαζε στην πιθανότητα, σε ένα σύστημα σωματιδίων, να έχει ένα σωματίδιο ενέργεια Ε Τη λέξη boson τη δημιούργησε από το όνομα του Ινδού Satyendra Nath Bose , ο οποίος το 1924 , 33 ετών , είχε κάνει μια πρόταση για την πιθανότητα, σε ένα σύστημα σωματιδίων, να έχει ένα σωματίδιο ενέργεια Ε Η σχετική συνάρτηση την οποία είχε ενθαρρύνει αλλά και εμπλουτίσει και ο Albert Einstein , τότε 45 ετών, λέγεται κατανομή Bose - Einstein Η σχετική συνάρτηση την οποία είχε προτείνει ανεξάρτητα και ο ίδιος ο Paul Dirac, τότε 24 ετών, λέγεται κατανομή Fermi-Dirac
71
συμφωνική μουσική και συναυλία ροκ
Αν τα φερμιόνια ήταν άνθρωποι Αν τα μποζόνια ήταν άνθρωποι Αν τα μποζόνια ήταν άνθρωποι θα ήταν ιδιαίτερα κοινωνικοί. Δεν έχουν αντίρρηση να μοιραστούν το ίδιο κρεβάτι και χαίρονται να συνωστίζονται το ένα πάνω στο άλλο. Αρνούμενα οποιαδήποτε απαγορευτική Αρχή ενώνονται για να δημιουργήσουν φαινόμενα τα οποία μπορούμε να συλλάβουμε με τις αισθήσεις. Στρατιές ολόκληρες από φωτόνια μπορούν να συνεργαστούν και να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που μας φέρνει τις εικόνες της τηλεόρασης. Αν τα φερμιόνια ήταν άνθρωποι θα ήταν εντελώς αντικοινωνικοί κι αυτό δεν έχει σχέση με το «εάν έχουν ή δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο». Μέσα σε δεδομένο όγκο μπορούμε να συσσωρεύσουμε φερμιόνια μέχρις ενός αριθμού. Για το διασημότερο από αυτά - το ηλεκτρόνιο - η Απαγορευτική Αρχή του Pauli επιβάλλει το ότι δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούν να μοιραστούν την ίδια κβαντική κατάσταση και δίνει μια ερμηνεία στο γιατί μέσα σε άτομο δεν συσσωρεύονται το ένα πάνω στο άλλο στην πιο κοντινή προς τον πυρήνα περιοχή με τη μικρότερη ενέργεια. συμφωνική μουσική και συναυλία ροκ Τα ΦΕΡΜΙΟΝΙΑ είναι οι καθισμένοι θεατές σε αίθουσα συμφωνικής μουσικής τα ΜΠΟΖΟΝΙΑ είναι το πλήθος των νέων σε μια συναυλία ροκ που δεν τους νοιάζει να στριμωχτούν ή και να βρεθούν ακόμα και αγκαλιά έτσι ώστε να είναι όσο πιο κοντά στη σκηνή γίνεται
72
φερμιόνια μποζόνια
73
Θέλεις να μάθεις φυσική, ποια είναι η ροπή και η εντροπία
Θέλεις να μάθεις φυσική, ποια είναι η ροπή και η εντροπία... Τα όνειρα σου μέχρι εκεί, κατάντησαν μια ουτοπία... Τα νεύρα σου είναι μια χορδή, πολλών ρυθμών σε επαλληλία... ψ=αx+β μείον το t συν 13... Είσαι μποζόνιο ή φερμιόνιο, ποιο είναι το spin σου, ποιο είναι το στυλ σου... Είσαι ένα κλασσικό ή σχετικίστικο, ποια είναι η ορμή σου, η προσευχή σου, η στροφορμή σου... Είσαι μποζόνιο ή φερμιόνιο, ποιο είναι το spin σου, ποιο είναι το στυλ σου... Είσαι ένα κλασσικό ή σχετικίστικο, ποια είναι η ορμή σου, η προσευχή σου... Γύρνα και κοίτα τη ζωή, προτού αυτή γυρίσει πλάτη... Καλή είναι και η φυσική, μα μου 'χεις λείψει στο κρεβάτι... Δε νιώθεις πια τους οργασμούς, μόνο ροπές και συμμετρία... Τα μάτια σου όταν με κοιτούν, νιώθω κβαντομηχανική ανωμαλία... Μες στην καρδιά σου έχεις κενό, και στο μυαλό σου εξισώσεις... Όταν θα δεις τι βλέπω εγώ, δε θα'χεις πια ισχύ να δώσεις... Είσαι μποζόνιο ή φερμιόνιο, ποιο είναι το spin σου, ποιο είναι το στυλ σου... Είσαι ένα κλασσικό ή σχετικίστικο, ποια είναι η ορμή σου, η προσευχή σου, η στροφορμή σου . .
74
Αν έχω καταλάβει καλά το STANDARD MODEL μου λέει ότι ο Κόσμος αποτελείται ΚΥΡΙΩΣ από φερμιόνια - λεπτόνια και κουάρκ- και μάλιστα «ΚΥΡΙΩΣ» από ΤΕΣΣΕΡΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ, αυτά της πρώτης γενιάς ; Για το ηλεκτρόνιο και για το νετρίνο-φάντασμα έχω κάποιες εικόνες προσωπικές , αλλά τα «φυλακισμένα» κουάρκ με το κλασματικό ηλεκτρικό φορτίο είναι για μένα πιο σκοτεινά. Με ερεθίζει το ότι οι φυσικοί δεν θα ανιχνεύσουν ποτέ ένα κουάρκ να κυκλοφορεί μόνο του . Τι συμβαίνει με τα κουάρκ ; ΛΕΠΤΟΝΙΑ ΚΟΥΑΡΚ Αυτό ακριβώς . Ηλεκτρόνιο, νετρίνο και τα δύο κουάρκ το up και το down πρώτη γενιά δεύτερη γενιά τρίτη γενιά
75
QUARK Το ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ
76
qu = 2e/3 και qd = -e/3 qd + qd + qu = 0
Για να οικοδομηθεί ικανοποιητικά το μοντέλο σύμφωνα με το οποίο «κάθε πρωτόνιο περιέχει δύο κουάρκ u κι ένα d ενώ κάθε νετρόνιο περιέχει δύο κουάρκ d κι ένα u » θα έπρεπε για το ηλεκτρικό φορτίο να ισχύει Για το φορτίου e πρωτόνιο qu + qu + qd = e και για το μηδενικού φορτίου νετρόνιο qd + qd + qu = 0 Η λύση του συστήματος δίνει Στο σχολείο είχαμε μάθει ότι το ηλεκτρικό φορτίο είναι πάντα ΑΚΕΡΑΙΟ πολλαπλάσιο του e και όχι κλάσμα του e qu = 2e/3 και qd = -e/3
77
QUARK ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ η «ΜΟΝΑΞΙΑ»
78
Κάθε κουάρκ ΥΠΑΡΧΕΙ ΜΟΝΟ ως «ΣΥΝΥΠΑΡΞΗ με άλλο κουάρκ»
Ενώ κάθε ΛΕΠΤΟΝΙΟ μπορεί να αλητεύει μόνο του και οπουδήποτε για τα ΚΟΥΑΡΚ η μοναξιά απαγορεύεται Ta quark δεν κυκλοφορούν μόνα τους. Οι φυσικοί ξέρουν πως, ότι και να κάνουν, σε κανένα μονοπάτι του Σύμπαντος δεν θα συναντήσουν κάποιο μοναχικό κουάρκ.
79
Η έννοια ΧΡΩΜΑ Color charge Charge de couleur Farbladung
QUARK Η έννοια ΧΡΩΜΑ Color charge Charge de couleur Farbladung Carga de color
80
και ότι κάθε «γεύση» κουάρκ απαντούσε σε τρία χρώματα,
Ήταν έτος 1964, όταν ο Oscar Greenberg, του Maryland University, στη συνέχεια και ο Yoιshiro Nambu υποστήριξαν ότι τα κουάρκ – εκτός από κλασματικό ηλεκτρικό φορτίο – έχουν και ΧΡΩΜΑ και ότι κάθε «γεύση» κουάρκ ( η up, η down, η strange ) απαντούσε σε τρία χρώματα, κόκκινο, πράσινο και μπλε.
81
Το ΧΡΩΜΑ ενός κουάρκ είναι μία ΕΝΝΟΙΑ.
ΧΡΩΜΑ !!!!. Τα κουάρκ χρωματιστά ; Μα στον Μικρόκοσμο δεν υπάρχουν χρώματα Το ΧΡΩΜΑ ενός κουάρκ είναι μία ΕΝΝΟΙΑ. Δεν έχει σχέση με τα χρώματα που δίνει στα πράγματα το φως, αυτά δηλαδή που έχεις τώρα στο μυαλό σου. Το ΧΡΩΜΑ ενός κουάρκ είναι «κάτι που το μετράμε» ; Είναι ποσότητα όπως το φορτίο ; Η έννοια ΧΡΩΜΑ είναι μια ΙΔΙΟΤΗΤΑ όπως το ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Και όπως υπάρχουν μόνο δύο τύποι φορτίου, θετικό και αρνητικό - τα χρώματα, στον κόσμο των κουάρκ, είναι μόνο τρία . Το ΧΡΩΜΑ δεν είναι ποσότητα. Η ερώτηση « ένα κουάρκ έχει περισσότερο ή λιγότερο χρώμα από ένα άλλο κουάρκ ;» δεν έχει νόημα
82
Δεν παραβιαζόταν η Απαγορευτική Αρχή
Και πως η φαντασία των φυσικών οδηγήθηκε στην ιδιότητα ΧΡΩΜΑ ; Το 1964, ο Greenberg είχε επισημάνει ότι η συνύπαρξη ορισμένων κουάρκ ίδιας γεύσης στο ΙΔΙΟ σωματίδιο παραβίαζε την Απαγορευτική Αρχή του Pauli. Χαρακτηριστικό παράδειγμα το σωματίδιο Ω- ( sss ) Συγκροτείται από τρία Strange κουάρκ τα οποία εθεωρούντο ταυτόσημα . Έπρεπε να επινοηθεί «κάτι» ώστε να μην παραβιάζεται η Αρχή του Pauli η οποία δεν επιτρέπει τη συγκατοίκηση όμοιων σωματιδίων . Η ιδέα του Greenberg ότι «τα κουάρκ έχουν και χρώμα» πρόσφερε μια λύση . Δεν παραβιαζόταν η Απαγορευτική Αρχή διότι τα τρία s κουάρκ δεν ήταν ταυτόσημα. Καθένα τους είχε διαφορετικό χρώμα
83
Προσφέρει μια εξήγηση στο «ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ η ΜΟΝΑΞΙΑ»
Δηλαδή η ιδιότητα ΧΡΩΜΑ εξυπηρέτησε στο να μείνει όρθια η Αρχή του Pauli κατά τη συγκρότηση ορισμένων σωματιδίων . Υπομονή Σίγουρα, αλλά όχι μόνο αυτό . Αποδείχθηκε ιδιαίτερα γόνιμη στο να προσφέρει ερμηνεία και σε άλλα ζητήματα Προσφέρει μια εξήγηση στο «ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ η ΜΟΝΑΞΙΑ» Δεν νομίζω ότι καταλαβαίνω πολλά πράγματα Συμβάλλει στο να περιγράφεται η ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ των κουάρκ Οδηγεί και ιδέα μιας ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ την οποία αξιοποίησε ο Υoishiro Nambu Να κάνω υπομονή αλλά δεν καταλαβαίνω ούτε τι σημαίνει το «απαγορεύεται η μοναξιά» ούτε και τη σχέση ανάμεσα στο ΧΡΩΜΑ των quark με το «ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ η ΜΟΝΑΞΙΑ τους» ;
84
«ΣΥΝΥΠΑΡΞΗ με άλλο κουάρκ»
Κάθε κουάρκ ΥΠΑΡΧΕΙ ΜΟΝΟ ως «ΣΥΝΥΠΑΡΞΗ με άλλο κουάρκ» Ενώ κάθε ΛΕΠΤΟΝΙΟ μπορεί να αλητεύει μόνο του και οπουδήποτε για τα ΚΟΥΑΡΚ η μοναξιά απαγορεύεται Ta quark δεν κυκλοφορούν μόνα τους. Οι φυσικοί ξέρουν πως, ότι και να κάνουν, σε κανένα μονοπάτι του Σύμπαντος δεν θα συναντήσουν κάποιο μοναχικό κουάρκ.
85
Μου φέρνει στο μυαλό σκληρά ρατσιστικά καθεστώτα
Για να εξηγήσουμε τι σχέση έχει το ΧΡΩΜΑ με το ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ Η ΜΟΝΑΞΙΑ χρειάστηκαν δύο παραδοχές Η πρώτη . Ένα κόκκινο, ένα μπλε κι ένα πράσινο κουάρκ συνδυαζόμενα δίνουν σωματίδιο χωρίς χρώμα Η δεύτερη . Στα δρομάκια του Σύμπαντος «ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ η κυκλοφορία» σε όλους τους έγχρωμους » Μου φέρνει στο μυαλό σκληρά ρατσιστικά καθεστώτα
86
Ένα ΠΡΑΣΙΝΟ UP, ένα ΜΠΛΕ UP και ένα ΚΟΚΚΙNO DOWN μπορούν
ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ Ένα ΠΡΑΣΙΝΟ UP, ένα ΜΠΛΕ UP και ένα ΚΟΚΚΙNO DOWN μπορούν να συνδυαστούν και να δώσουν ένα ΠΡΩΤΟΝΙΟ δύο up, το ένα πράσινο το άλλο μπλε και ένα down κόκκινο . . Το ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ είναι άχρωμο ΠΡΩΤΟΝΙΟ. Η κυκλοφορία επιτρέπεται ένα κόκκινο up και δύο down, το ένα πράσινο, το άλλο μπλε. Το ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ είναι άχρωμο ΝΕΤΡΟΝΙΟ. Η κυκλοφορία επιτρέπεται
87
ή μπορεί και να γίνει πράσινο ;
Θά θελα να ρωτήσω τι σχέση έχει το ΧΡΩΜΑ με την ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ των κουάρκ αλλά πριν προηγουμένως έχω περιέργεια για κάτι άλλο Ένα κόκκινο κουάρκ είναι πάντα κόκκινο ; ή μπορεί και να γίνει πράσινο ; Αν ήταν φίλαθλος του Ολυμπιακού δεν θα ρώταγα. Με ένα κουάρκ τι ισχύει ; Μπορεί ξαφνικά να αλλάξει χρώμα;
88
Κάθε κουάρκ μπορεί να αλλάξει χρώμα
Αυτό που ρωτάς έχει σχέση και με την ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ Κάθε κουάρκ μπορεί να αλλάξει χρώμα καθώς αλληλεπιδρά με ένα άλλο κουάρκ με μεσολαβητή ένα γλοιόνιο
89
Γλοιόνιο ; Τι παράξενη λέξη . Τι σημαίνει; Τα gluons είναι σωματίδια μεσολαβητές, φορείς της ΙΣΧΥΡΗΣ αλληλεπίδρασης. Είναι σωματίδια μποζόνια αντίστοιχα με τα φωτόνια της ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ και τα σωματίδια (W και Z) της ΑΣΘΕΝΟΥΣ Η πρώτη άμεση πειραματική «εμφάνιση» gluons έγινε στο Αμβούργο της Γερμανίας σε συγκρούσεις ηλεκτρονίων ποζιτρονίων στον collider PETRA. Ήταν 1979.
90
Τα gluons είναι η «κόλλα» που συγκρατεί τα κουάρκ
αλλά εξασφαλίζει και τη σταθερότητα του ατομικού πυρήνα
91
Clyde Cowan , Frederick Reines USA
1897 Το ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ J. J. Thomson, Cambridge, Αγγλία 1917 Το πρωτόνιο Ernest Rutherford, Manchester, Αγγλία 1924 Κατανομή Bose- Einstein 1925 Απαγορευτική Αρχή, Pauli 1926 Κατανομή Fermi - Dirac Η ιδέα για Αντιύλη Paul Dirac, Cambridge, Αγγλία 1931 η ιδέα για ΝΕΤΡΙΝΟ Pauli, Ζυρίχη, Ελβετία 1932 Η ιδέα για αντιύλη δικαιώνεται Ποζιτρόνια στην κοσμική ακτινοβολία Carl Anderson, Caltech USA 1932 Το νετρόνιο James Chadwick, Cambridge, Αγγλία 1936 Το λεπτόνιο μ, στην κοσμική ακτινοβολία Carl Anderson, Caltech USA 1945 fermions και bosons Paul Dirac, Cambridge, Αγγλία 1955, Αντιπρωτόνιο Em. Segre, Berkeley California USA 1957 Το ΝΕΤΡΙΝΟ υπάρχει Clyde Cowan , Frederick Reines USA
92
1960 Η ιδέα για σωματίδιο higgs
Peter Higgs, Αγγλία 1964 Η ιδέα για QUARK Murray Gell-mann, Caltech USA Η ιδέα για QUARK δικαιώνεται. Τρία quark u, d, s 1974, Το λεπτόνιο ταυ. Ένα βουβάλι. Stanford, California USA 1974, Το τέταρτο quark, charme Brookehaven, New York, Stanford, California USA φερμιόνια μποζόνια 1977, Το πέμπτο quark, bottom Leon Lederman Fermilab Illinois 1996, To έκτο quark, top, Fermilab Illinois 2011. Μποζόνιο higgs. Το κυνήγι συνεχίζεται
93
users.sch.gr/kassetas
98
ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ SU(3) ΟΙ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ που περιγράφουν μια ισχυρή αλληλεπίδραση
Η ιδέα με τα «χρώματα» εμπεριέχει και μια έννοια ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ SU(3) τι θα πει αυτό ; ΟΙ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ που περιγράφουν μια ισχυρή αλληλεπίδραση ΝΑ ΠΑΡΑΜΕΝΟΥΝ ΙΔΙΕΣ όταν εναλλάσσονται οι τρεις τύποι – χρώματα των κουάρκ. και τι αξία έχει μια SU(3) ; Τότε λέμε ότι οι εξισώσεις έχουν ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ SU(3)
99
Οι φυσικοί πιστεύουν ότι οι θεωρίες με συμμετρία SU(3) προσφέρουν
QCD Οι φυσικοί πιστεύουν ότι οι θεωρίες με συμμετρία SU(3) προσφέρουν την ακριβέστερη περιγραφή των ΙΣΧΥΡΩΝ αλληλεπιδράσεων, την ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΧΡΩΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ, την QCD
101
το σωματίδιο ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ,
Σύμφωνα με τις απόψεις που κυριαρχούν σήμερα το σωματίδιο ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ, α. Είναι στοιχειώδες σωματίδιο β. Δεν είναι στοιχειώδες σωματίδιο και συγκροτείται από τρία κουάρκ γ. Δεν είναι στοιχειώδες σωματίδιο και συγκροτείται από δυο κουάρκ Για να δώσει κάποιος τις απαντήσεις χρειάζεται να είναι σε γνωρίζει ποια σωματίδια θεωρούνται σήμερα στοιχειώδη
102
όλοι τους Ευρωπαίοι του 17ου αιώνα
θυγατέρα της Φιλοσοφίας αλλά οι μαιευτήρες ήταν ΑΝΘΡΩΠΟΙ όλοι τους Ευρωπαίοι του 17ου αιώνα
103
Τα φαινόμενα 1. Δίδυμη γένεση . Ένα φωτόνιο γ υψηλής ενέργειας πεθαίνει για να γεννηθούν δίδυμα ένα ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου 2. Σύγκρουση ηλεκτρονίου με φωτόνιο και οι συνέπειες . Φαινόμενο Compton . 3. Εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από σωματίδια με φορτίο και επιτάχυνση 4 (violet tracks) (bremsstrahlung) and the knock-on electrons or delta ray (blue tracks)
105
Και οι δύο είναι αινιγματικοί και δυσπρόσιτοι
Και στους δύο η κατάδυση είναι απαγορευτική χωρίς τη βοήθεια της αφαιρετικής Σκέψης Ο ένας είναι ο «βυθός» των ουρανών με Αρκτούρο και με Αλδεβαράν, με Κασσιόπη και με ζωδιακή λεωφόρο των πλανητών, με το ορατό ρυάκι του Γαλαξία μας και με τα αόρατα γαλαξιακά υπερσμήνη .
106
αλλά και μετά την αρχική της οικοδόμηση
Βέβαια το σπέρμα που γονιμοποίησε τη Φιλοσοφία και έφερε στον Κόσμο τη Φυσική εμπεριείχε και το πανάρχαιο ενδιαφέρον για τον Ουρανό, αλλά και μετά την αρχική της οικοδόμηση η Φυσική δεν έπαψε να ενδιαφέρεται για το Σύμπαν στο σύνολό του, σε σημείο που ένα από τα κλαδιά της έκανε την εμφάνιση του τον 20ο αιώνα με το όνομα ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ Και όσο η ανθρώπινη αφαιρετική σκέψη στερεώνει σκαλοπάτια και ανεβαίνει, τόσο ο άνθρωπος με το σκάφος ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ βυθίζεται στην απέραντη αδιαφάνεια του ουράνιου κόσμου
107
με αόρατα σωματίδια που κινούνται και αλληλεπιδρούν»
Ο άλλος «βυθός» είναι ο «μαγικός» ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ Τον 18ο αιώνα, κληρονομημένη από τη Φιλοσοφία, έκανε την εμφάνισή στην Επιστήμη η ΙΔΕΑ ότι « υπάρχει ένας ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ της ύλης » με αόρατα σωματίδια που κινούνται και αλληλεπιδρούν» Η ιδέα δεν ήταν καινούρια. Είχε για πρώτη φορά κάνει την εμφάνισή της στο έργο των Ελλήνων προσωκρατικών. Στους αιώνες που ακολούθησαν δεν κυριάρχησε αλλά και δεν εξαφανίστηκε. Διατηρήθηκε ως ιδέα «περιθωριακή»
108
Η ιδέα δεν υιοθετήθηκε αμέσως από τους Ευρωπαίους ερευνητές.
Ειδικά οι θετικιστές αρνήθηκαν την ύπαρξη ενός τέτοιου Κόσμου θεωρώντας τον ως μια επικίνδυνη όσμωση της Φιλοσοφίας στην Επιστήμη. Οι σοβαρές αντιρρήσεις διατηρήθηκαν επί έναν αιώνα περίπου - τον 19ο - αλλά στο μεταξύ η ΙΔΕΑ είχε γεννήσει ΔΥΟ ΘΕΩΡΙΕΣ που συνεχώς εδραιώνονταν, Την ΑΤΟΜΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ η οποία συνέβαλε στην οικοδόμηση της Χημείας και την ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ η οποία συνέβαλε στην οικοδόμηση της Θερμοδυναμικής.
109
οι δύο Κόσμοι ο Μικρόκοσμος. ο Μακρόκοσμος Από τη μια Από την άλλη
ο Μικρόκοσμος. Ο αδιαφανής Μικρόκοσμος της Ύλης, ένας σαγηνευτικός «βυθός» στον οποίο η ανθρώπινη Σκέψη θέλει να καταδυθεί. Από τη μια ο Μακρόκοσμος Ένας κόσμος χωρίς κρύο ούτε ζέστη χωρίς καθόλου γεύσεις, χρώματα και μυρωδιές Ένας «μαγικός κόσμος», ένας κόσμος Χάρι Πότερ με απίστευτα πολλά σωματίδια τα οποία δεν κάνουν τίποτε άλλο από το να κινούνται και να αλληλεπιδρούν, των αισθήσεων, των μετρήσεων και των άμεσων εμπειριών. Ένας Κόσμος με θερμόμετρα, μανόμετρα, μπαλόνια, μηχανές εσωτερικής καύσεως και σωληνάκια με χρωματιστά υγρά. Ο Μακρόκοσμος των αερίων περιγράφεται από τη Θερμοδυναμική με τις «δικές του» έννοιες. Την πυκνότητα, την πίεση, τη θερμοκρασία, και τη θερμότητα. ένας κόσμος «πλάσμα της ανθρώπινης σκέψης», μια θεωρία επιστημονική .
110
η ανθρώπινη σκέψη χρειάστηκε
Για να οδηγηθεί από το αισθητηριακό δεδομένο στην « εικόνα » «νερό σε μια κατσαρόλα» «κενός χώρος με σωματίδια σε αδιάκοπη κίνηση και αλληλεπίδραση» η ανθρώπινη σκέψη χρειάστηκε να λειτουργήσει αφαιρετικά ( να «απογυμνώσει» τις επί μέρους εικόνες με τους ήχους, τις οσμές, τα χρώματα και τις αντίστοιχες εσωτερικευμένες αναπαραστάσεις τους, από το κάθε στοιχείο διαφορετικότητας ) να χρησιμοποιήσει τη γενίκευση ( να αποδεχθεί δηλαδή ότι αυτό συμβαίνει με τα οποιοδήποτε αντικείμενο ροδάκινο, κατσαβίδι, κατσαρόλα με νερό )
111
σωματίδιο με αδράνεια, αλληλεπίδραση,
αλλά να λειτουργήσει και διεργασιακά, να εισαγάγει δηλαδή τις έννοιες χρόνος, κενός χώρος, αέναη κίνηση, σωματίδιο με αδράνεια, αλληλεπίδραση, να αποδώσει στο χώρο αυτό μια γεωμετρία -προκειμένου να ορίσει τη θέση κάθε γεωμετρικού σημείου στην οποία θα βρίσκεται σε κάθε στιγμή της ζωής του το σωματίδιο, θεωρούμενο σημειακό αντικείμενο, αλλά και παραπέρα να ορίσει τις μετατοπίσεις του, την τροχιά του και την ταχύτητά του, την ορμή του, την κινητική του ενέργεια και τη δυναμική του ενέργεια
112
Τον ίδιο αιώνα αποσαφηνίζεται και η διαφορά ανάμεσα σε ΜΟΡΙΟ και ΑΤΟΜΟ
Τον 19ο αιώνα η αντίληψη ότι «ΥΠΑΡΧΕΙ ένας ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ με αεικίνητα ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ» - particles, particules , teilchen έχει αρχίσει να εδραιώνεται Τον ίδιο αιώνα αποσαφηνίζεται και η διαφορά ανάμεσα σε ΜΟΡΙΟ και ΑΤΟΜΟ
113
τι ήταν το άτομο για έναν άνθρωπο του 19ου αιώνα ;
ένα πολύ σκληρό συμπαγές σφαιρίδιο, υποθέτω . . ένα κουκούτσι που δεν σπάει ποτέ
114
ένα πολύ σκληρό καρύδι κινούμενο αδιάκοπα
για τον Δημόκριτο ; ένα πολύ σκληρό καρύδι κινούμενο αδιάκοπα το οποίο όμως δεν ανοίγει ποτέ . . ένα Α - ΤΟΜΟ
115
η πανάρχαια εικόνα άλλαξε
ωστόσο στον 20ο αιώνα η πανάρχαια εικόνα άλλαξε
116
Το άτομο έχει εσωτερική δομή
20ος αιώνας Το άτομο έχει εσωτερική δομή
117
κι όλα άρχισαν στα τέλη του 19ου όταν οι Άγγλοι ανακάλυψαν
ένα απίστευτο πιτσιρίκι σωματίδιο εγκατεστημένο στα σπλάχνα του ατόμου οι Γάλλοι το είπαν electron, οι Γερμανοί elektron, οι Σουηδοί elektron, οι Δανοί elektroner, οι Ιταλοί elettrone, οι Ισπανοί electrón, οι Πορτογάλοι electrão, οι Ρώσοι электон, οι Σέρβοι elektrona, οι Αλβανοί elektronet κάποτε θα γινόταν το αγαπημένο των Χημικών και των Ηλεκτρολόγων
118
οι Γερμανοί επέμεναν ότι είναι ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ενώ οι Άγγλοι
οι Άγγλοι είχαν δίκιο ή οι Γερμανοί ; έτος 1890, το ερώτημα «τι είναι οι ΚΑΘΟΔΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ ; » ήταν στο επίκεντρο και η διαμάχη για την απάντηση στο αποκορύφωμά της οι Γερμανοί επέμεναν ότι είναι ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ενώ οι Άγγλοι πίστευαν ότι πρόκειται για ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ καθένα από τα οποία έβγαινε από τα σπλάχνα ενός ΑΤΟΜΟΥ
119
η επινόηση αλλά και ανακάλυψη του ηλεκτρονίου
Μια από τις συνέπειες της τελικής επικράτησης αυτής της ΙΔΕΑΣ και των αντίστοιχων θεωριών ήταν η επινόηση αλλά και ανακάλυψη του ηλεκτρονίου που σχεδόν αμέσως έγινε το αγαπημένο των χημικών και των ηλεκτρολόγων και στη συνέχεια η κατάδυση στον πυρήνα της ύλης και η εμφάνιση της Κβαντομηχανικής. Σε μεγάλο βαθμό οι φυσικοί του 20ου αιώνα – αλλά και του 21ου - δραστηριοποιήθηκαν σε ένα κυνήγι ΑΟΡΑΤΩΝ σωματιδίων, τα οποία πίστεψαν ότι είναι τα ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ που συγκροτούν το Σύμπαν και στην αναζήτηση ΘΕΩΡΙΩΝ αναφορικά με το πώς τα σωματίδια αυτά συμπεριφέρονται.
120
Ήταν η εποχή που στο προσκήνιο έκανε την εμφάνιση του ο Joseph John Thomson. Πιστεύοντας ότι οι καθοδικές ακτίνες είναι σωματίδια επεδίωξε να εμβαθύνει στην έρευνα σε ολοένα υψηλότερο κενό και να δείξει, μέσα εκεί, την εκτροπή τους από ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ. κάθοδος άνοδος αρνητικό θετικό Μερικά χρόνια αργότερα, το κατάφερε. Απέδειξε δηλαδή εργαστηριακά ότι σε πολύ υψηλό κενό οι καθοδικές ακτίνες, παρουσία ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ πεδίου, εκτρέπονται από την ευθύγραμμη διάδοση και προς ορισμένη πάντα κατεύθυνση. Αυτό ενίσχυε την άποψη ότι οι καθοδικές ακτίνες ήταν ΚΙΝΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ καθένα από τα οποία είχε πολύ μικρή μάζα και αρνητικό φορτίο
121
εάν ο J.J. THOMSON είχε δίκιο, το νεογέννητο,
για την ανθρώπινη σκέψη, αυτό ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ θα έπρεπε να είναι ένα χωρίς προηγούμενο ΠΙΤΣΙΡΙΚΙ με μάζα 1800 φορές μικρότερη από τη μάζα του ελαφρότερου ΑΤΟΜΟΥ, του μικρότερου δηλαδή μέχρι τότε όντος που είχε συλλάβει ο ανθρώπινος νους και είχε δίκιο ο J.J.THOMSON έγινε «πατέρας» του νεογέννητου σωματιδίου. . ήταν έτος 1897,
122
ηλεκτρόνιο οι Έλληνες να το πουν Οι Άγγλοι ήταν οι «νονοί» .
ήταν λοιπόν φυσικό οι Έλληνες να το πουν ηλεκτρόνιο Οι Άγγλοι ήταν οι «νονοί» . Το βάφτισαν electron, δημιουργώντας μία ακόμα λέξη με υλικό από την δεξαμενή της αρχαίας ελληνικής γλώσσας.
123
Από πού «πήγαζαν» τα ηλεκτρόνια ;
Το ερώτημα ήταν καίριο και ο «πατέρας» Τζέι Τζέι αναζητώντας μία απάντηση κατάφερε να αποδείξει ότι για κάθε ένα από τα κινούμενα ηλεκτρόνια το πηλίκο του φορτίου προς τη μάζα παρέμενε το ίδιο, ανεξάρτητα από τη φύση των μεταλλικών ηλεκτροδίων που χρησιμοποιήθηκαν, ανεξάρτητα από το είδος του αερίου που υπήρχε έστω και σε ίχνη μέσα στον σωλήνα , ανεξάρτητα από οτιδήποτε. Η απάντηση που δόθηκε από τον Thomson έδειχνε να είναι πειστική. «ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ ΕΚΠΕΜΠΟΝΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟ ΜΕΤΑΛΛΟ ΤΗΣ ΚΑΘΟΔΟΥ» είτε αυτό είναι χάλκινο είτε σιδερένιο, είτε από οποιοδήποτε άλλο μέταλλο. Ο ίδιος, τολμώντας μία παραπέρα γενίκευση, ισχυρίστηκε ότι ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ ΕΙΝΑΙ Ο ΜΟΝΑΔΙΚΟΣ ΦΟΡΕΑΣ ΑΡΝΗΤΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΑΛΛΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΑΤΙΚΟ ΟΛΩΝ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΤΗΣ ΥΛΗΣ. Η γενίκευση σήμαινε ότι τα ηλεκτρόνια όλων των ατόμων του Σύμπαντος είναι ίδια, υπό την έννοια ότι έχουν ίσα φορτία και ίσες μάζες ηρεμίας.
124
Μέσα σε ΟΛΑ τα ΑΤΟΜΑ
125
σε κάθε άτομο υπάρχει ένας πυρήνας
Στις αρχές του 20ου αιώνα, με ένα από τα κρισιμότερα πειράματα στην ιστορία της επιστήμης, ο Ernest Rutherford, o σημαντικότερος ίσως πειραματικός φυσικός του αιώνα, οδηγήθηκε στη θεωρία ότι σε κάθε άτομο υπάρχει ένας πυρήνας
126
Το νέο μοντέλο για το άτομο πρότεινε μια δομή με πυρήνα και ηλεκτρόνια
Κάθε ηλεκτρόνιο, σωματίδιο με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, θεωρήθηκε ότι έχει ΚΙΝΗΤΙΚΗ ενέργεια εφόσον βρίσκεται σε αδιάκοπη κίνηση και ΔΥΝΑΜΙΚΗ ενέργεια εφόσον αλληλεπιδρά με τον πυρήνα και με άλλα ηλεκτρόνια. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι ενέργεια του ατόμου και το σύνολο των ενεργειών όλων των ατόμων αντιστοιχεί στη χημική ενέργεια του σώματος
127
Για το εσωτερικό κάθε πυρήνα το σχετικό μοντέλο πρότεινε σωματίδια με θετικό ηλεκτρικό φορτίο τα οποία ονομάστηκαν πρωτόνια, μερικά χρόνια αργότερα, το 1932, το μοντέλο για τον πυρήνα εμπλουτίστηκε και με σωματίδια δίχως ηλεκτρικό φορτίο, τα νετρόνια
128
ηλεκτρόνιο πρωτόνιο νετρόνιο πυρήνας
130
Νετρόνια της Αγίας Βραδύτητας
Όταν το 1932 ανακαλύφθηκε ότι υπάρχουν και νετρόνια οι φυσικοί αναρωτήθηκαν μήπως τα χωρίς ηλεκτρικό φορτίο νετρόνια θα μπορούσαν να πλησιάζουν τους πυρήνες ως δολιοφθορείς και να εισέρχονται με μεγάλη ευκολία στο εσωτερικό τους. Ειδικά μάλιστα ο μεγάλος Ιταλός φυσικός Ενρίκο Φέρμι υποψιάστηκε ότι τα αργά νετρόνια είναι ίσως πιο διεισδυτικά από τα «βιαστικά». Αυτός και οι συνεργάτες του βομβάρδισαν όλα τα στοιχεία του περιοδικού συστήματος με αργά νετρόνια. Κανένα ωστόσο βομβαρδισμός δεν οδήγησε σε κάποιο ανατρεπτικό συμπέρασμα μέχρι το 1938. Ήταν η ώρα που έκαναν την εμφάνισή τους στο προσκήνιο δύο σημαντικοί γερμανόφωνοι επιστήμονες. Ο Γερμανός χημικός Όττο Χαν και η γεννημένη στη Βιέννη Λίζε Μάιτνερ που εκτός από γυναίκα και φυσικός ήταν και Εβραία.
131
Απίστευτο αλλά είναι ΒΑΡΙΟ
Το και ενώ η Εβραϊκής καταγωγής Λίζε Μάιτνερ δεν βρίσκεται στη Γερμανία αλλά στη Σουηδία, έχοντας αποδράσει από το ναζιστικό περιβάλλον - ο Όττο Χαν καταπιάνεται με τον συνήθη βομβαρδισμό πυρήνων Ουρανίου 235 – πυρήνων με 92 πρωτόνια και με 235 συνολικά σωματίδια – με νετρόνια και εστιάζοντας την προσοχή του στη χημική ανάλυση του «στόχου» διαπιστώνει το ακόμα πιο εντυπωσιακό ότι με τους βομβαρδισμούς «έκαναν την εμφάνισή τους» ίχνη ενός στοιχείου το οποίο – μολονότι αδιανόητο –έδειχνε να είναι Βάριο, μήνυμα εντυπωσιακό δεδομένου ότι ο πυρήνας του Βαρίου είναι περίπου ο μισός από εκείνον του Ουρανίου.
132
Το τούβλο και το ρεβύθι Η εργαστηριακή ανάλυση έλεγε ότι με ένα αργό νετρόνιο είχε διασπαστεί ο πυρήνας του Ουρανίου σε δύο περίπου ίσα κομμάτια και σύμφωνα με τις αποδεκτές τότε θεωρίες αυτό ήταν τόσο αδιανόητο όσο το να σπάσει κανείς ένα τούβλο φυσώντας πάνω του ένα ρεβίθι με καλαμάκι. Γρήγορα διαπιστώθηκε ότι εκτός από πυρήνα Βαρίου 56 πρωτόνια ο βομβαρδισμός δημιουργούσε και πυρήνα του στοιχείου Κρυπτόν με 36 πρωτόνια .
135
πρόκειται για ΔΙΑΣΠΑΣΗ – ΣΧΑΣΗ ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΑ ΤΟΥ ΟΥΡΑΝΙΟΥ.
Παραμονές Χριστουγέννων του 1938, η Lise Meitner παίρνει την επιστολή του Otto Han στην οποία περιγράφεται το τι συνέβη. Σύντομα εκείνη θα εκφράσει την πεποίθηση ότι πρόκειται για ΔΙΑΣΠΑΣΗ – ΣΧΑΣΗ ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΑ ΤΟΥ ΟΥΡΑΝΙΟΥ. Ο πυρήνας του Ουρανίου 235, πυρήνας με 92 πρωτόνια, με τη διασπάστηκε σε πυρήνα Βαρίου με 56 νετρόνια και σε πυρήνα του στοιχείου «Κρυπτόν» με 36 πρωτόνια Βιαστικά θα ενημερώσει τον Niels Bohr στην Κοπεγχάγη διότι «ο δάσκαλος» θα έφευγε για τις Ηνωμένες Πολιτείες που θα πήγαινε να εργαστεί για λίγους μήνες στο Princeton με τον Albert Einstein. Έτσι ο Bohr μετέφερε αμέσως στην Αμερική το συνταρακτικό νέο.
137
ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ η σχάση κάθε ατομικού πυρήνα ουρανίου 235
Δύο αξιοσημείωτες παρατηρήσεις προσέδιδαν στην καινούρια ανακάλυψη τρομακτικό ενδιαφέρον, όχι μόνο για την εξέλιξη της φυσικής, αλλά και για το παγκόσμιο κοινωνικό γίγνεσθαι. Η πρώτη ήταν ότι η σχάση κάθε ατομικού πυρήνα ουρανίου 235 φαινόταν να συνοδεύεται με απελευθέρωση τρομακτικών ποσοτήτων ενέργειας. ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ
138
ενώ κάθε σχάση συντελείται με ένα μόνο νετρόνιο, στα προϊόντα της,
Η δεύτερη ήταν ότι ενώ κάθε σχάση συντελείται με ένα μόνο νετρόνιο, στα προϊόντα της, εκτός από τους δύο πυρήνες-θραύσματα, έκαναν την εμφάνισή τους έως και τρία νετρόνια, καθένα από τα οποία θα μπορούσε με τη σειρά του να προκαλέσει μία νέα σχάση και να συντελεστεί αλυσιδωτή αντίδραση .
139
Nuclear fission = πυρηνική σχάση Neutron = Νετρόνιο
Fission product = προϊόντα της σχάσης Chain reaction = Αλυσιδωτή αντίδραση
141
Μια πρωτοφανής πηγή ενέργειας είχε ανακαλυφθεί.
Την ανακάλυψη την συνόδευε η ανησυχία ότι η σχετική «πυρηνική αντίδραση» έπρεπε να βρίσκεται συνεχώς υπό έλεγχο.
142
Η ανακάλυψη οδήγησε στην δημιουργία του πρώτου πυρηνικού αντιδραστήρα ισχύος το 1942 στο Σικάγο. Η ερευνητική ομάδα ήταν υπό την καθοδήγηση του Ενρίκο Φέρμι και την ίδια περίπου εποχή – προς τα τέλη του πολέμου – στην κατασκευή μιας βόμβας.
143
Τον Αύγουστο του 1945 η Χιροσίμα και μια εβδομάδα αργότερα το Ναγκασάκι της Ιαπωνίας γνώρισαν την τρομακτική καταστροφή από τη ρίψη της νέας βόμβας.
144
Στις δεκαετίες που ακολούθησαν οι πυρηνικοί αντιδραστήρες ισχύος, λειτουργώντας με το φαινόμενο πυρηνική σχάση, πρόσφεραν ενέργεια σε διάφορες κοινωνίες οι οποίες για να αντιμετωπίσουν το ενεργειακό τους πρόβλημα, επέλεξαν την «πυρηνική ενέργεια», αποδεχόμενοι και τις συνέπειες αυτής της επιλογής. Η ελληνική κοινωνία δεν έχει αποδεχτεί την ενεργειακή αυτή επιλογή
148
Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας
149
Μοντέλο του Thomson. ο υλικός φορέας του οποίου ήταν άγνωστος.
Το επόμενο βήμα ήταν να προτείνει ένα ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΙΑ ΤΗ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ. Η βασική ιδέα ήταν ότι το άτομο περιέχει ΑΡΝΗΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ - υλικός φορέας του οποίου είναι τα ηλεκτρόνια - και ίση ποσότητα ΘΕΤΙΚΟΥ, ο υλικός φορέας του οποίου ήταν άγνωστος. Στο μοντέλο που πρότεινε, τα θετικά φορτία κατανέμονται σε μία διάχυτη μάζα, ένα είδος ζελέ, που καταλαμβάνει όλο τον χώρο του ατόμου και μέσα σε αυτό το ζελέ είναι προσκολλημένα τα ηλεκτρόνια. Κάτι σαν σταφίδες σε σταφιδόψωμο έτσι ώστε το ολικό ηλεκτρικό φορτίο να είναι μηδέν
150
ήταν έτος 1907 Κάθε ΑΤΟΜΟ είναι ένα σώμα
Κάθε ΑΤΟΜΟ είναι ένα σώμα «μουσκεμένο» με θετικό φορτίο και με τα πιτσιρίκια ηλεκτρόνια να βρίσκονται εντοπισμένα μέσα σ΄ αυτό. Κάτι σαν plum puddling που μοιάζει με το ελληνικό ΣΤΑΦΙΔΟΨΩΜΟ. Το ψωμί μουσκεμένο με θετικό ηλεκτρικό φορτίο και οι μικροσκοπικές σταφίδες τα με αρνητικό φορτίο ηλεκτρόνια ήταν έτος 1907
151
το πλανητικό μοντέλο και ο Ernest Rutherford
152
γεννημένος στη Νέα Ζηλανδία,
δεκαπέντε χρόνια μικρότερος από τον Τζέι Τζέι Τόμσον και οκτώ χρόνια μεγαλύτερος από τον Αϊνστάιν, έκανε την εμφάνισή του στη σκηνή ο Έρνεστ Ράδερφορντ, για να γίνει ο μεγαλύτερος πειραματικός του 20ου αιώνα
153
Μέρες του 1911 Τις μέρες εκείνες ερευνούσαμε τη σκέδαση που υφίστανται τα σωματίδια άλφα όταν πέφτουν πάνω σε υλικά αντικείμενα και ο δόκτωρ Geiger , στο μικρό μας εργαστήριο, είχε μελετήσει το ζήτημα λεπτομερώς ». τα άλφα εκπέμπονται με μεγάλες ταχύτητες από τα σπλάχνα της ύλης τα άλφα που τα βρίσκατε ; είναι αυτό που λέμε ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ ; ακριβώς. . χρειαζόμασταν λοιπόν ραδιενεργές ουσίες, όπως το ΡΑΔΙΟ ή το ΠΟΛΩΝΙΟ Στην Αγγλία δεν υπάρχει ΡΑΔΙΟ. Μας είχε όμως δανείσει η Ακαδημία Επιστημών της Βιέννης 350 γραμμάρια ραδίου, προερχόμενο από τα ορυχεία Joakimstahl της Αυστροουγγαρίας που βρίσκατε ΡΑΔΙΟ στην Αγγλία ; στα ορυχεία ;
154
τα αόρατα άλφα μπορούσαμε να τα μετράμε . .
ή τουλάχιστον να τα υπολογίζουμε παρατηρώντας με ένα απλό μικροσκόπιο τους ΣΠΙΝΘΙΡΙΣΜΟΥΣ Μα πώς τα μετράγατε αφού είναι αόρατα ; είχα διαπιστώσει ότι εάν τα σωματίδια άλφα πέσουν σε θειούχο ψευδάργυρο προκαλούν ΣΠΙΝΘΙΡΙΣΜΟΥΣ Είχαμε ξεκινήσει μια έρευνα, βάζοντας το ράδιο σε μολύβδινο δοχείο, βομβαρδίζαμε, με τα αόρατα άλφα, ένα λεπτό φύλλο χρυσού, παρατηρούσαμε τους σπινθηρισμούς στο περίβλημα θειούχου ψευδάργύρου που είχαμε φροντίσει να υπάρχει γύρω από το φύλλο χρυσού ποιους ΣΠΙΝΘΙΡΙΣΜΟΥΣ ;
155
επέστρεφαν προς τα πίσω.
«είχα συνεννοηθεί με τον Geiger και ζητήσαμε από τον νεαρό Ernest Marsden να ερευνήσει μήπως ορισμένα σωματίδια άλφα σκεδάζονται υπό μεγάλες γωνίες» Ομολογώ ότι δεν πίστευα πως κάτι τέτοιο θα μπορούσε να συμβεί. «Ξέραμε ότι τα σωματίδια άλφα ήταν βαριά σωματίδια πολύ μεγάλης ταχύτητας και η πιθανότητα να σκεδαστούν από κάποια υποτιθέμενη συσσωρευμένη ύλη ήταν από ελάχιστη έως ανύπαρκτη. « Θυμάμαι ωστόσο ότι δύο ή τρεις μέρες αργότερα ήρθε ο Geiger συγκινημένος και μου είπε: « τελικά διαπιστώσαμε ότι ορισμένα σωματίδια άλφα σκεδάζονται με μεγάλες γωνίες αλλά το εντυπωσιακό ήταν ότι, μερικά από τα βλήματα, κυριολεκτικά, επέστρεφαν προς τα πίσω. Σε κάθε 8000 «βλήματα» άλφα το ένα επέστρεφε
156
ήταν το πιο ΑΠΙΣΤΕΥΤΟ πράγμα που είχε ποτέ συμβεί μέσα σε εργαστήριο
157
σαν να πυροβολούσες ένα φύλλο χαρτί και η σφαίρα να έκανε γκελ και να γύριζε πισω να σε σκοτώσει
158
"It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life.
" It was almost as incredible as if you had fired a fifteen inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you."
159
Αλλά να προτείνω και ένα μοντέλο για το ΑΤΟΜΟ.
Ένας πυρήνας με θετικό φορτίο και τα ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ να περιφέρονται γύρω από αυτόν
160
του ηλιακού μας συστήματος, ήταν το πρώτο μοντέλο ατόμου
το μοντέλο αυτό, σαν μικρογραφία του ηλιακού μας συστήματος, ήταν το πρώτο μοντέλο ατόμου που στηριζόταν σε δεδομένα πειράματος ήξερα όμως ότι είχε και σοβαρές αδυναμίες όλα τα μοντέλα έχουμε αδυναμίες
162
και τις νεαρές μαθήτριες
ωστόσο το πλανητικό ανάλογο δεν πρέπει να «αποπλανήσει» τους νεαρούς μαθητές και τις νεαρές μαθήτριες
164
χωρίς συγκρούσεις-αλληλεπιδράσεις με τα υπόλοιπα.
Κι αυτό διότι ένα ηλιακό σύστημα, όπως αυτό στο οποίο ζούμε, βρίσκεται τόσο μακριά από τα υπόλοιπα ώστε τις βαρυτικές επιδράσεις να μπορούμε - συγκρίνοντάς τις με τις αντίστοιχες ενδοπλανητικές - να τις αγνοήσουμε. Το ηλιακό μας δηλαδή σύστημα απομονωμένο σε κάποια γειτονιά του Σύμπαντος γράφει την ιστορία του χωρίς συγκρούσεις-αλληλεπιδράσεις με τα υπόλοιπα. στην περίπτωση των ατόμων η εικόνα είναι εντελώς διαφορετική. Σε κάθε δευτερόλεπτο «της ζωής του» κάθε «πλανητικό» ατομικό συγκρότημα -ευρισκόμενο σε αδιάκοπη θερμική κίνηση - συγκρούεται με κάποιο άλλο ατομικό συγκρότημα δισεκατομμύρια φορές. Εάν κάτι ανάλογο συνέβαινε σε δύο ηλιακά συστήματα, τίποτα δεν θα έμενε όρθιο. Στην καλύτερη περίπτωση οι τροχιές των πλανητών θα είχαν τόσο διαταραχθεί που το σύστημα δεν θα θύμιζε σε τίποτα "αυτό που ήταν" πριν από τη σύγκρουση.
165
Στον Μικρόκοσμο των ατόμων η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική
Στον Μικρόκοσμο των ατόμων η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Κάθε ατομικό "πλανητικό" συγκρότημα βγαίνει από τις αδιάκοπες συγκρούσεις εντελώς αναλλοίωτο. Αυτό τουλάχιστον συμπεραίνουμε από τη χημική του συμπεριφορά. Ότι ένα τόσο ντελικάτο δημιούργημα του Σύμπαντος συγκρουόμενο αδιάκοπα παραμένει ευσταθές και αμετάβλητο. Η όλη εικόνα προκαλεί τον κοινό νου εφόσον αυτός καταφεύγει στην κλασική φυσική για να ερμηνεύσει τον κόσμο.
166
Προκαθορισμένη όμως από τι;
τα μακροδημιουργήματα του Σύμπαντος έχουν παρελθόν και μέλλον. Έχουν ιστορία. Αυτό δεν ισχύει για τα "όντα" του Μικρόκοσμου. Τα άτομα του Υδρογόνου είναι ίδια από τότε που έκαναν την εμφάνισή τους στο Σύμπαν. Και θα παραμείνουν ίδια. Δεν θα "γεράσουν" ποτέ. Η μορφή τους είναι προκαθορισμένη. Προκαθορισμένη όμως από τι; Για να απαντηθεί αυτό το ερώτημα χρειάστηκε μια επανάσταση. η κβαντική επανάσταση
167
βασιζόταν σε εργαστηριακά δεδομένα.
Παρά τις σοβαρές αδυναμίες του το πλανητικό μοντέλο του Rutherford ήταν το πρώτο μοντέλο ατόμου που βασιζόταν σε εργαστηριακά δεδομένα. Στα χρόνια που ακολούθησαν έλαβε χώρα η σημαντική παρέμβαση του Niels Bohr αλλά από τις νέες ιδέες που περιείχε το μοντέλο του Rutherford εκείνη για την ύπαρξη ενός πυρήνα δεν ανετράπη ποτέ. . Την ίδια περίπου εποχή η ιδέα για ένα πυρήνα με θετικό φορτίο εμπλουτίστηκε από την παραδοχή ότι κάθε ατομικός πυρήνας έχει με τη σειρά του κάποια δομή.
168
Ο πυρήνας του ατόμου έχει δομή
20ος αιώνας Ο πυρήνας του ατόμου έχει δομή
169
Όπως συνέβη και με το ηλεκτρόνιο η άκρη του νήματος που οδήγησε
ΠΡΩΤΟΝΙΟ Όπως συνέβη και με το ηλεκτρόνιο η άκρη του νήματος που οδήγησε στο πρωτόνιο βρίσκεται στη μελέτη της αγωγιμότητας σε σωλήνα υψηλού κενού. Το 1886 ο Γερμανός Eugen Goldstein χρησιμοποίησε μία διάτρητη κάθοδο μέσα στον καθοδικό σωλήνα και διαπίστωσε την ύπαρξη «ακτίνων» οι οποίες «φαίνονταν» να διαδίδονται μέσα από τις οπές της καθόδου σε αντίθετη κατεύθυνση από εκείνη των καθοδικών ακτίνων. Στις ακτίνες αυτές έδωσε στο όνομα Kanalstrahlen το οποίο στην ελληνική γλώσσα αποδόθηκε ως Διαυλικές ακτίνες. Μερικά χρόνια αργότερα ο Γάλλος Perrin απέδειξε εργαστηριακά ότι κάθε τέτοια δέσμη αποτελείται από θετικά φορτισμένα σωματίδια. Μετά το ενδιαφέρθηκε για τις ακτίνες αυτές και ο J.J. Thomson. Τις ονόμασε Positive rays -στα ελληνικά Θετικές ακτίνες- και χρησιμοποιώντας μορφές «ανάκρισης» με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία κατάφερε να καταγράψει και να συγκρίνει τις εκτροπές διαφορετικών θετικών «ιόντων». Η μέθοδος αυτή έμελλε να οδηγήσει στην ανακάλυψη των ισοτόπων
170
Ernest Rutherford Στο μεταξύ είχε ήδη πάρει σκυτάλη στα χέρια του ο βασικός ερευνητής του φαινομένου ραδιενέργεια, ο Ernest Rutherford, ο μεγαλύτερος πειραματικός φυσικός της γενιάς του . Ανάμεσα στο 1906 και το 1909 χρησιμοποιώντας την ίδια με τον J.J. Thomson «μέθοδο ανάκρισης με μαγνητικά πεδία» -ερεύνησε εντατικά τη φύση των σωματιδίων ΑΛΦΑ που εκπέμπονταν από κάθε ραδιενεργό παρασκεύασμα, για να καταλήξει στο συμπέρασμα ότι κάθε μεμονωμένο σωματίδιο ΑΛΦΑ είναι ένα άτομο Ηλίου χωρίς ηλεκτρόνια.
171
Έτος 1914. Το σωματίδιο PROTON
Έτος Το σωματίδιο PROTON Το 1914 υπέθεσε ότι οι απλούστερες θετικές ακτίνες είναι οι προερχόμενες από αέριο Υδρογόνο και σ’ αυτή την περίπτωση κάθε κινούμενο σωματίδιο αυτών των ακτίνων θα έπρεπε να είναι ΤΟ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ, ΜΕ ΘΕΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ, ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ ΤΗΣ ΥΛΗΣ, στο οποίο έδωσε το όνομα proton. Και μέσα από μία λογική παρόμοια με εκείνη που είχε επικρατήσει για τα ηλεκτρόνια, γρήγορα κυριάρχησε η άποψη ότι όλα τα πρωτόνια του Σύμπαντος ήταν ίδια και βρίσκονταν μέσα στα άτομα της ύλης. Για τα επόμενα δεκαοκτώ χρόνια η επικρατούσα άποψη ήταν ότι τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια ήταν τα μοναδικά σωματίδια που συγκροτούσαν την ύλη. Στην ελληνική γλώσσα το proton του Rutherford αποδόθηκε με τη λέξη πρωτόνιο. Στη γαλλική γλώσσα είναι proton, στη γερμανική και στη σουηδική, γράφεται επίσης proton, στην ιταλική protone, στην ισπανική protón, στην πορτογαλική protão, στη ρωσική протон, στη δανική protoner, στη σερβική proton, στην αλβανική protonet
172
Πρώτη γενιά των βομβαρδισμών
ΒΟΜΒΑΡΔΙΣΜΟΙ με αόρατα βλήματα Πρώτη γενιά των βομβαρδισμών Σωματίδια ΑΛΦΑ
173
αν . . ΒΟΜΒΑΡΔΙΖΑΜΕ . . θα μπορούσαμε ίσως να προκαλέσουμε ΑΛΛΑΓΗ στο στοιχείο ;
174
σωματίδια άλφα, Το "Άλφα" μάθημα του Πατριάρχη
Ο ιδέα ήταν ότι θα μπορούσε να ερευνηθεί η ύλη με την εργαστηριακή μέθοδο «βομβαρδισμός των πυρήνων» . Ποια θα ήταν όμως τα ΑΟΡΑΤΑ ΒΛΗΜΑΤΑ ; Για τον Πατριάρχη της εργαστηριακής έρευνας τα καταλληλότερα βλήματα ήταν τα ήδη δοκιμασμένα σωματίδια άλφα, «γυμνοί πυρήνες Ηλίου πολύ μεγάλης ενέργειας –της τάξης των 4 MeV- που προσφέρονταν γενναιόδωρα από ένα ραδιενεργό δείγμα.
175
τη μετατροπή του πυρήνα σε πυρήνα άλλου στοιχείου.
Αυτό ήταν το μάθημα του πατριάρχη Ράδερφορντ. Μέσα από την τεράστια ερευνητική του πείρα συμπέραινε ότι καμιά χημική μέθοδος δεν μπορεί να επηρεάσει τον πυρήνα παρά μόνον η διείσδυση σωματιδίων στο εσωτερικό του. Η διείσδυση αυτή θα μπορούσε να προκαλέσει κάποια αναστάτωση και μία ενδεχόμενη ανακατάταξη του πυρηνικού υλικού, με κατάληξη τη μετατροπή του πυρήνα σε πυρήνα άλλου στοιχείου.
176
επί είκοσι περίπου χρόνια οι πειραματιστές
Τα δοκιμασμένα άλφα, ήταν σωματίδια μεγάλης ταχύτητας, με σχετικό βέβαια μειονέκτημα το θετικό ηλεκτρικό τους φορτίο το οποίο εμπόδιζε τη διείσδυση, δεδομένου ότι έπρεπε να διαθέτει ενέργεια τόση ώστε να αντιμετωπίσει τα τείχη που όρθωνε το επίσης θετικό φορτίο του πυρήνα, το –στη γλώσσα των φυσικών- λεγόμενο «φράγμα δυναμικού». Την απαιτούμενη βέβαια ενέργεια την διέθεταν τα άλφα γι αυτό και επί είκοσι περίπου χρόνια οι πειραματιστές τα χρησιμοποιούσαν σε όλους σχεδόν τους σχετικούς βομβαρδισμούς. Με αυτά πραγματοποιήθηκε, το 1911, το ιστορικό πείραμα του βομβαρδισμού του φύλλου χρυσού που οδήγησε στην πρόταση για το πυρηνικό μοντέλο του ατόμου.
177
βομβάρδισε το πυρήνα άζωτο μετατρέποντάς το σε οξυγόνο,
Με αυτά, το 1919, ο ίδιος ο πατριάρχης βομβάρδισε το πυρήνα άζωτο μετατρέποντάς το σε οξυγόνο, 42He 147N 11H + 178O + για να γίνει ο πρώτος άνθρωπος που μετέτρεψε ένα χημικό στοιχείο σε ένα άλλο στοιχείο, υλοποιώντας σε μια σύγχρονη έκδοση το όνειρο των αλχημιστών.
178
Με προερχόμενα από ραδιενεργό πολώνιο
βλήματα άλφα βομβάρδισε το 1928 ο Walther Bothe το Βηρύλλιο για να διαπιστώσει τη δημιουργία μιας πολύ διεισδυτικής δέσμης στην οποία δεν μπόρεσε να διακρίνει το νετρόνιο. Με προερχόμενα από ένα εξαιρετικά ισχυρό παρασκεύασμα Πολωνίου βλήματα αλφα η Irène Joliot -Curie και ο Frederic Joliot επανέλαβαν, το 1931, τους βομβαρδισμούς βηρυλλίου χωρίς να μπορέσουν να διακρίνουν το σωματίδιο νετρόνιο. Με τα ίδια βλήματα άλφα , το 1934 οι δύο Γάλλοι βομβάρδισαν το αλουμίνιο για να ανακαλύψουν έτσι το φαινόμενο τεχνητή ραδιενέργεια.
180
ανακάλυψε το σωματίδιο νετρόνιο
ΝΕΤΡΟΝΙΟ Στο μεταξύ το 1932, με τα ίδια - προερχόμενα από πολώνιο - βλήματα άλφα ο James Chadwick, πιστός μαθητής του πατριάρχη, βομβάρδισε το Βηρύλλιο και έκανε διαφορετική ανάγνωση από τους προηγούμενους ανακάλυψε το σωματίδιο νετρόνιο που άνοιξε την δρόμο για την καινούρια φάση της πυρηνικής φυσικής.
181
Δεύτερη γενιά των βομβαρδισμών
ΒΟΜΒΑΡΔΙΣΜΟΙ με αόρατα βλήματα 1932 Δεύτερη γενιά των βομβαρδισμών ΝΕΤΡΟΝΙΑ
182
Νετρόνια της Αγίας Βραδύτητας.
Enrico Fermi. Επί 25 περίπου χρόνια το «ΑΛΦΑ μάθημα» του πατριάρχη της εργστηριακής έρευνας υπήρξε ξεκάθαρο και έδωσε εντυπωσιακά αποτελέσματα. Όταν λοιπόν το 1932 ανακαλύφθηκε ότι υπάρχουν και νετρόνια οι φυσικοί αναρωτήθηκαν μήπως «τα χωρίς ηλεκτρικό φορτίο αυτά σωματίδια θα μπορούσαν να πλησιάζουν τους πυρήνες ως δολιοφθορείς και να εισέρχονται με μεγάλη ευκολία στο εσωτερικό τους. Ειδικά μάλιστα ο Ενρίκο Φέρμι υποψιάστηκε ότι τα αργά νετρόνια είναι ίσως πιο δραστικά από τα «βιαστικά». Σύντομα η υποψία του επιβεβαιώθηκε. Το φθινόπωρο του 1934, οι φυσικοί της ερευνητικής του ομάδας παρατήρησαν ότι τα νετρόνια που διέρχονταν μέσα από παραφίνη ήταν πολύ πιο δραστικά από εκείνα που εκπέμπονταν απευθείας από πηγή ραδονίου-βηρυλλίου.
183
Ο Φέρμι διετύπωσε την απρόβλεπτη ερμηνεία ότι τα βραδέα νετρόνια ήταν πιο δραστικά από τα σχετικώς ταχύτερα που παράγονταν κατά τις πυρηνικές αντιδράσεις και αφοσιώθηκε στην αξιοποίηση αυτής της διαπίστωσης. Άρχισε να βομβαρδίζει με αργά νετρόνια – με κινητική ενέργεια όση τα μόρια του αέρα ενός δωματίου- τους πυρήνες διαφόρων χημικών στοιχείων και να δημιουργεί μεταστοιχειώσεις. Ήταν οι πρώτες πυρηνικές αντιδράσεις με ΝΕΤΡΟΝΙΑ τα οποία εμφανίστηκαν αποτελεσματικότεροι εκπορθητές των πυρηνικών κάστρων από τα ΑΛΦΑ του πατριάρχη Ράδερφορντ. κι ας είχαν ελάχιστη κινητική ενέργεια σε σχέση με αυτά. Ο Όττο Χαν έγραψε τότε: « Ο Ιταλός Φέρμι είναι ο πρώτος ο οποίος υπέδειξε τη μεγάλη σημασία των νετρονίων στην πραγματοποίηση πυρηνικών αντιδράσεων. Αυτός και οι συνεργάτες του βομβάρδισαν όλα τα στοιχεία του περιοδικού συστήματος με νετρόνια και πήραν κατ’ αρχήν ραδιενεργά ισότοπα των ίδιων στοιχείων τα οποία στη συνέχεια με εκπομπή ακτίνων β μεταστοιχειώνονταν
184
Νετρόνια και σχάση του πυρήνα. Στα χρόνια που ακολούθησαν, οι Ιταλοί ερευνητές υπό την καθοδήγηση του Enrico Fermi, βομβάρδισαν τους πυρήνες όλων των στοιχείων του Περιοδικού Πίνακα , φθάνοντας μέχρι και το Ουράνιο, το βαρύτερο στοιχείο με τα 92 πρωτόνια. Κατά την «ανάγνωση», όμως, του γεγονότος ’’μεταστοιχείωση του ουρανίου’’ ένα νέο σοβαρό ερωτηματικό έκανε την εμφάνισή του. Ποια ήταν τα προϊόντα της πυρηνικής αυτής αντίδρασης; Ο Φέρμι διετύπωσε την άποψη ότι προκύπτουν πυρήνες άγνωστων στοιχείων βαρύτερων από το ουράνιο τα οποία ονόμασε υπερουράνια. Η συγκεκριμένη άποψη δεν έπεισε τους θεωρητικούς, όπως δεν έπεισε και μία εντελώς διαφορετική «ανάγνωση» , το 1935, σύμφωνα με την οποία, μετά την εισβολή του νετρονίου, ο πυρήνας του ουρανίου διασπάται σε δύο κομμάτια. Ήταν η ώρα που έκαναν την εμφάνισή τους στο προσκήνιο δύο μεγάλοι γερμανόφωνοι επιστήμονες άνθρωποι με βαθιά θεωρητική κατάρτιση αλλά και με αξιοζήλευτη πειραματική εμπειρία. Ο Γερμανός χημικός Όττο Χαν και η γεννημένη στη Βιέννη Λίζε Μάιτνερ που εκτός από γυναίκα ήταν και Εβραία
185
έδειχνε να είναι Βάριο, ένα στοιχείο με ατομικό αριθμό μόλις 56.
« Απίστευτο. . . αλλά ΕΙΝΑΙ Βάριο » 1939 και ο Otto Hahn σε συνεργασία με τον Fritz Strassmann επαναλαμβάνει για μία ακόμα φορά τον συνήθη βομβαρδισμό των πυρήνων με ΝΕΤΡΟΝΙΑ εστιάζοντας την προσοχή του στη χημική ανάλυση του «στόχου» διαπιστώνει κάτι εντυπωσιακό. Με τους βομβαρδισμούς «έκαναν την εμφάνισή τους» ίχνη ενός στοιχείου το οποίο – μολονότι αδιανόητο – έδειχνε να είναι Βάριο, ένα στοιχείο με ατομικό αριθμό μόλις 56.
186
το τούβλο και το ρεβίθι Ύστερα από εξαντλητικές χημικές αναλύσεις οι δύο χημικοί κατέληξαν στο ότι το Βάριο είναι αναμφίβολα Βάριο. Το αναμφίβολο ήταν συγχρόνως και αδιανόητο. Και ήταν αδιανόητο γιατί η άποψη ότι «κατά τις πυρηνικές αντιδράσεις επιτρέπονται μικρά μόνο άλματα μεταστοιχείωσης κατά μία ή δύο το πολύ θέσεις» είχε γίνει ένα είδος αμετακίνητης αλήθειας και ο πυρήνας του Βαρίου είναι περίπου ο μισός από εκείνον του Ουρανίου. Η εργαστηριακή ανάλυση έλεγε ότι με ένα αργό νετρόνιο είχαν διασπάσει τον πυρήνα του Ουρανίου σε δύο περίπου ίσα κομμάτια και σύμφωνα με τις αποδεκτές τότε θεωρίες αυτό ήταν τόσο αδιανόητο όσο το να σπάσει κανείς ένα τούβλο φυσώντας πάνω του ένα ρεβίθι με καλαμάκι.
187
οι δύο ατομικοί αριθμοί 56 και 36 προστιθέμενοι δίνουν τον αριθμό 92
Γρήγορα ωστόσο διαπίστωσαν ότι εκτός από Βάριο 56 ο βομβαρδισμός δημιουργούσε και Κρυπτόν 36 και οι δύο ατομικοί αριθμοί 56 και 36 προστιθέμενοι δίνουν τον αριθμό 92 που είναι ο ατομικός αριθμός του Ουρανίου. Οι δύο συνεργάτες βρέθηκαν σε αμηχανία. Είχαν εκτελέσει τα πειράματά τους με μεγάλη προσοχή αλλά μια τέτοιου είδους εξέλιξη ήταν κυριολεκτικά ανεξήγητη.
188
ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΑ ΤΟΥ ΟΥΡΑΝΙΟΥ,
Εβραία, γυναίκα, φυσικός, μόνη, ψάχνει Παραμονές Χριστουγέννων και η Lise Meitner παίρνει την επιστολή του Otto Han. Κατά τη διάρκεια των χριστουγεννιάτικων διακοπών συναντά τον ανεψιό της Otto Frisch. Είναι κι εκείνος φυσικός, έχει επίσης αποδράσει από τη Γερμανία από το 1933 και από το 1934 εργάζεται στο εργαστήριο του Bohr στην Κοπεγχάγη. Η συνεργασία των δύο φυσικών πάνω στο συγκεκριμένο ζήτημα έδωσε γρήγορα καρπούς. Εξέφρασαν την άποψη ότι πρόκειται για ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΑ ΤΟΥ ΟΥΡΑΝΙΟΥ, απέδειξαν ότι η συγκεκριμένη διάσπαση ήταν ενεργειακά εφικτή και βασιζόμενοι το μοντέλο του Bohr για τον ατομικό πυρήνα έδωσαν μια ικανοποιητική ερμηνεία για τη διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου 235
189
Στο πυρηνικό μοντέλο που είχε προτείνει το 1936 ο Bohr τα σωματίδια του πυρήνα είναι προσκολλημένα το ένα στο άλλο όπως τα μόρια μιας σταγόνας νερού και συγκρατούνται από μία μυστηριώδη ελκτική «πυρηνική» δύναμη που είναι τόσο ισχυρή ώστε να υπερνικά την ηλεκτρική άπωση ανάμεσα στα στοιβαγμένα πρωτόνια με το θετικό φορτίο. Η μυστηριώδης ωστόσο αυτή δύναμη έχει πολύ μικρή εμβέλεια, δρα δηλαδή σε πολύ μικρές αποστάσεις που αντιστοιχούν σε κλάσμα της διαμέτρου του πυρήνα και πέρα από αυτές τις αποστάσεις οι απωστικές ηλεκτρικές δυνάμεις υπερισχύουν . Σύμφωνα με τη δική τους θεώρηση όταν ένα σωματίδιο συλληφθεί από τον «υγρό» πυρήνα, εκείνος αρχίζει να πάλλεται βίαια. Σε κάποια φάση της παλμικής αυτής κίνησης είναι δυνατόν να τεντωθεί αποκτώντας ένα σχήμα επίμηκες. Οι μικρής εμβέλειας ελκτικές πυρηνικές δυνάμεις δεν είναι πλέον αρκετά ισχυρές ώστε να τον κρατήσουν σε συνοχή. Οι απωστικές ηλεκτρικές δυνάμεις αναλαμβάνουν τότε ρόλο να αρχίσουν να απομακρύνουν όλο και περισσότερο τα δύο άκρα του πυρήνα έτσι που θα δημιουργηθεί κάπου στο μέσον ένας λαιμός και ο πυρήνας θα χωριστεί με τον τρόπο που διαιρούνται τα βιολογικά κύτταρα αλλά με πολύ ταχύτερο ρυθμό
191
Σε ένα άρθρο, ορόσημο για την πυρηνική φυσική, το οποίο δημοσίευσαν στο περιοδικό Nature προτείνουν για το καινούριο φαινόμενο τον δανεισμένο από τη βιολογία, όρο Kernspalung, στα αγγλικά Nuclear Fission και στην ελληνική γλώσσα Πυρηνική Σχάση. 10n U 14156Ba Kr n Ο Otto Frisch γύρισε βιαστικά στην Κοπεγχάγη ώστε να προλάβει να ενημερώσει τον Niels Bohr διότι «ο δάσκαλος» θα έφευγε για τις Ηνωμένες Πολιτείες. Έτσι ο Bohr μετέφερε αμέσως στην Αμερική το συνταρακτικό νέο. Εκείνη την εποχή έχει φθάσει στην Αμερική και ο Ενρίκο Φέρμι, αηδιασμένος από το φασιστικό καθεστώς της Ιταλίας, με σκοπό να εγκατασταθεί μόνιμα εκεί. Όταν έμαθε το νέο εντυπωσιάστηκε και αφοσιώθηκε στο να ανακαλύψει και άλλες συνέπειες του φαινομένου Πυρηνική Σχάση. Αλλά και ο ίδιος ο Niels Bohr θα συμβάλλει στην παραπέρα θεωρητική επεξεργασία του φαινομένου. Σε συνεργασία με τον Wheeler θα αποφανθεί ότι μόνο το ισότοπο Ουράνιο 235 και όχι το 238 μπορεί να υποστεί την πυρηνική σχάση με βραδύ νετρόνιο
192
με απελευθέρωση τρομακτικών ποσοτήτων ενέργειας.
Δύο αξιοσημείωτες επισημάνσεις προσέδιδαν στην καινούρια ανακάλυψη τρομακτικό ενδιαφέρον, όχι μόνο για την εξέλιξη της φυσικής, αλλά και για το παγκόσμιο κοινωνικό γίγνεσθαι. Η πρώτη ήταν ότι η σχάση κάθε ατομικού πυρήνα ουρανίου 235 φαινόταν να συνοδεύεται με απελευθέρωση τρομακτικών ποσοτήτων ενέργειας. δηλαδή; πόσο τρομακτικές ; Περίπου 200 MeV σε κάθε σχάση Συγκρινόμενη με εκείνη των σωματιδίων της ραδιενέργειας - μερικά MeV - είναι τεράστια
193
Πώς δικαιολογείται τόση ενέργεια ;
Οι πυρήνες με ατομικούς αριθμούς γύρω στο 120 είναι σταθερότεροι από τους αντίστοιχους με Α = 240 . Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο των Α = 240 είναι περίπου 7,6 MeV ανά νουκλεόνιο, ενώ για Α= 120 είναι περίπου 8,5 MeV ανά νουκλεόνιο. Η διαφορά 8,5 MeV- 7,6 MeV = 0,9 MeV για 235 νουκλεόνια είναι περίπου 210 MeV
194
έκαναν την εμφάνισή τους έως και τρία νετρόνια,
Η δεύτερη επισήμανση ήταν ότι ενώ κάθε σχάση συντελείται με ένα μόνο νετρόνιο, στα προϊόντα της εκτός από τους δύο πυρήνες-θραύσματα έκαναν την εμφάνισή τους έως και τρία νετρόνια, καθένα από τα οποία θα μπορούσε με τη σειρά του να προκαλέσει μία νέα σχάση.
196
Ποια είναι τα προϊόντα της σχάσης;
Δεν προκύπτει πάντα Βάριο και Κρυπτόν; Έχουν αναγνωριστεί περισσότερα από 100 πυρήνες που αντιπροσωπεύουν περισσότερα από 100 στοιχεία Τα περισσότερα από τα θραύσματα έχουν μαζικούς αριθμούς από 90 έως 100 και από 135 έως 145.
197
10n U 14054 Xe Sr n 10n U 14355 Cs Rb n
198
users.sch.gr/kassetas
200
νe νετρίνο
201
«δέκα εντολές της επιστήμης» ένας οδηγός Αλήθειας.
Από τη δεκαετία του 1920 η ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ της ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ εμπλουτισμένη από την ισοδυναμία μάζας- ενέργειας Ε = mc2 είχε γίνει μία από τις «δέκα εντολές της επιστήμης» ένας οδηγός Αλήθειας. Ένα από τα φαινόμενα που δεν είχαν ικανοποιητικά ερμηνευτεί ήταν η ραδιενέργεια β Η θεωρία που είχε προταθεί παραβίαζε τον νόμο ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ της ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ καθώς έλειπε μια ποσότητα ενέργειας από τον ισολογισμό Το 1931 ο γεννημένος στη Βιέννη Wolfgang Pauli διατηρώντας «θρησκευτική πίστη» στην εντολή της ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ προχώρησε τολμηρά στην επινόηση της ύπαρξης ενός ΣΩΜΑΤΙΔΙΟΥ το οποίο όφειλε να μην έχει ούτε μάζα ούτε ηλεκτρικό φορτίο Πίστεψε ότι υπάρχει ένα σωματίδιο – φάντασμα, το οποίο ήταν ίσως αδύνατο να ανιχνευτεί Το βάφτισε ΝΕΤΡΙΝΟ που στα ιταλικά σημαίνει ΟΥΔΕΤΡΟΠΙΤΣΙΡΙΚΙ Την επόμενη χρονιά ο γεννημένος στη Ρώμη Enrico Fermi έχοντας και αυτός πιστέψει στην ύπαρξη του, του έδωσε και όνομα
202
Στα χρόνια που ακολούθησαν καμία από τις ιδέες που προτάθηκαν
για την ανίχνευσή του δεν καρποφόρησε Το χωρίς μάζα και ηλεκτρικό φορτίο πλάσμα της σκέψης του Pauli ή δεν υπήρχε ή δεν αλληλεπιδρούσε με την ύλη ίσως, πάλι , η ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ να ήταν ένας νόμος που δεν ίσχυε στην περίπτωσή του και κύλησαν χρόνια 25 με τους φυσικούς που πίστευαν στην ύπαρξή του να κυνηγούν το πιτσιρίκι φάντασμα Η γόνιμη ιδέα για την ανίχνευση του νετρίνου έκανε τελικά την εμφάνισή της το έτος 1956, 25 ολόκληρα χρόνια μετά τη νοητική σύλληψη, και έγινε στο USA από τους Cowan και Reines Το ΝΕΤΡΙΝΟ από σωματίδιο φάντασμα έγινε ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ σωματίδιο, ΛΕΠΤΟΝΙΟ ενσωματωμένο στον κορμό της Φυσικής Θεωρείται ένας από τους μεγάλους «αλήτες του Σύμπαντος»
203
Ανίχνευση ΝΕΤΡΙΝΩΝ
204
Σήμερα το ΝΕΤΡΙΝΟ είναι ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ σωματίδιο ένα σωματίδιο – Αλήθεια,
ικανό να εκδηλώνει μια ασθενή αλληλεπίδραση με την υπόλοιπη ύλη . . άρα ΛΕΠΤΟΝΙΟ
205
μ ένα βαρύ αντίγραφο του ηλεκτρονίου
το μαιευτήριο ψηλά, στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας πεθαίνει λίγο μετά που θα γεννηθεί αλλά προλαβαίνει να φθάσει κάτω Οι φυσικοί της εποχής μας εξακολουθούν να πιστεύουν ότι δεν συγκροτείται από άλλα σωματίδια ότι είναι δηλαδή ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ σωματίδιο
207
ΧΡΩΜΑ στα κουάρκ
208
και ότι κάθε «γεύση» κουάρκ απαντούσε σε τρία χρώματα,
Ήταν έτος 1964, όταν ο Oscar Greenberg, του Maryland University, στη συνέχεια και ο Yoιshiro Nambu υποστήριξαν ότι τα κουάρκ – εκτός από κλασματικό ηλεκτρικό φορτίο – έχουν και ΧΡΩΜΑ και ότι κάθε «γεύση» κουάρκ ( η up, η down, η strange ) απαντούσε σε τρία χρώματα, κόκκινο, πράσινο και μπλε.
209
Το ΧΡΩΜΑ ενός κουάρκ είναι μία ΕΝΝΟΙΑ.
ΧΡΩΜΑ !!!!. Τα κουάρκ χρωματιστά ; Μα στον Μικρόκοσμο δεν υπάρχουν χρώματα Το ΧΡΩΜΑ ενός κουάρκ είναι μία ΕΝΝΟΙΑ. Δεν έχει σχέση με τα χρώματα που δίνει στα πράγματα το φως, αυτά δηλαδή που έχεις τώρα στο μυαλό σου. Το ΧΡΩΜΑ ενός κουάρκ είναι «κάτι που το μετράμε» ; Είναι ποσότητα όπως το φορτίο ; Η έννοια ΧΡΩΜΑ είναι μια ΙΔΙΟΤΗΤΑ όπως το ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Και όπως υπάρχουν μόνο δύο τύποι φορτίου, θετικό και αρνητικό - τα χρώματα, στον κόσμο των κουάρκ, είναι μόνο τρία . Το ΧΡΩΜΑ δεν είναι ποσότητα. Η ερώτηση « ένα κουάρκ έχει περισσότερο ή λιγότερο χρώμα από ένα άλλο κουάρκ ;» δεν έχει νόημα
210
Δεν παραβιαζόταν η Απαγορευτική Αρχή
Και πως η φαντασία των φυσικών οδηγήθηκε στην ιδιότητα ΧΡΩΜΑ ; Το 1964, ο Greenberg είχε επισημάνει ότι η συνύπαρξη ορισμένων κουάρκ ίδιας γεύσης στο ΙΔΙΟ σωματίδιο παραβίαζε την Απαγορευτική Αρχή του Pauli. Χαρακτηριστικό παράδειγμα το σωματίδιο Ω- ( sss ) Συγκροτείται από τρία Strange κουάρκ τα οποία εθεωρούντο ταυτόσημα . Έπρεπε να επινοηθεί «κάτι» ώστε να μην παραβιάζεται η Αρχή του Pauli η οποία δεν επιτρέπει τη συγκατοίκηση όμοιων σωματιδίων . Η ιδέα του Greenberg ότι «τα κουάρκ έχουν και χρώμα» πρόσφερε μια λύση . Δεν παραβιαζόταν η Απαγορευτική Αρχή διότι τα τρία s κουάρκ δεν ήταν ταυτόσημα. Καθένα τους είχε διαφορετικό χρώμα
211
Προσφέρει μια εξήγηση στο «ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ η ΜΟΝΑΞΙΑ»
Δηλαδή η ιδιότητα ΧΡΩΜΑ εξυπηρέτησε στο να μείνει όρθια η Αρχή του Pauli κατά τη συγκρότηση ορισμένων σωματιδίων . Υπομονή Σίγουρα, αλλά όχι μόνο αυτό . Αποδείχθηκε ιδιαίτερα γόνιμη στο να προσφέρει ερμηνεία και σε άλλα ζητήματα Προσφέρει μια εξήγηση στο «ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ η ΜΟΝΑΞΙΑ» Δεν νομίζω ότι καταλαβαίνω πολλά πράγματα Συμβάλλει στο να περιγράφεται η ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ των κουάρκ Οδηγεί και ιδέα μιας ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ την οποία αξιοποίησε ο Υoishiro Nambu Να κάνω υπομονή αλλά δεν καταλαβαίνω ούτε τι σημαίνει το «απαγορεύεται η μοναξιά» ούτε και τη σχέση ανάμεσα στο ΧΡΩΜΑ των quark με το «ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ η ΜΟΝΑΞΙΑ τους» ;
212
«ΣΥΝΥΠΑΡΞΗ με άλλο κουάρκ»
Κάθε κουάρκ ΥΠΑΡΧΕΙ ΜΟΝΟ ως «ΣΥΝΥΠΑΡΞΗ με άλλο κουάρκ» Ενώ κάθε ΛΕΠΤΟΝΙΟ μπορεί να αλητεύει μόνο του και οπουδήποτε για τα ΚΟΥΑΡΚ η μοναξιά απαγορεύεται Ta quark δεν κυκλοφορούν μόνα τους. Οι φυσικοί ξέρουν πως, ότι και να κάνουν, σε κανένα μονοπάτι του Σύμπαντος δεν θα συναντήσουν κάποιο μοναχικό κουάρκ.
213
Μου φέρνει στο μυαλό σκληρά ρατσιστικά καθεστώτα
Για να εξηγήσουμε τι σχέση έχει το ΧΡΩΜΑ με το ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ Η ΜΟΝΑΞΙΑ χρειάστηκαν δύο παραδοχές Η πρώτη . Ένα κόκκινο, ένα μπλε κι ένα πράσινο κουάρκ συνδυαζόμενα δίνουν σωματίδιο χωρίς χρώμα Η δεύτερη . Στα δρομάκια του Σύμπαντος «ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ η κυκλοφορία» σε όλους τους έγχρωμους » Μου φέρνει στο μυαλό σκληρά ρατσιστικά καθεστώτα
214
Ένα ΠΡΑΣΙΝΟ UP, ένα ΜΠΛΕ UP και ένα ΚΟΚΚΙNO DOWN μπορούν
ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΤΑΙ Ένα ΠΡΑΣΙΝΟ UP, ένα ΜΠΛΕ UP και ένα ΚΟΚΚΙNO DOWN μπορούν να συνδυαστούν και να δώσουν ένα ΠΡΩΤΟΝΙΟ δύο up, το ένα πράσινο το άλλο μπλε και ένα down κόκκινο . . Το ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ είναι άχρωμο ΠΡΩΤΟΝΙΟ. Η κυκλοφορία επιτρέπεται ένα κόκκινο up και δύο down, το ένα πράσινο, το άλλο μπλε. Το ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ είναι άχρωμο ΝΕΤΡΟΝΙΟ. Η κυκλοφορία επιτρέπεται
215
ή μπορεί και να γίνει πράσινο ;
Θά θελα να ρωτήσω τι σχέση έχει το ΧΡΩΜΑ με την ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ των κουάρκ αλλά πριν προηγουμένως έχω περιέργεια για κάτι άλλο Ένα κόκκινο κουάρκ είναι πάντα κόκκινο ; ή μπορεί και να γίνει πράσινο ; Αν ήταν φίλαθλος του Ολυμπιακού δεν θα ρώταγα. Με ένα κουάρκ τι ισχύει ; Μπορεί ξαφνικά να αλλάξει χρώμα;
216
Κάθε κουάρκ μπορεί να αλλάξει χρώμα
Αυτό που ρωτάς έχει σχέση και με την ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ Κάθε κουάρκ μπορεί να αλλάξει χρώμα καθώς αλληλεπιδρά με ένα άλλο κουάρκ με μεσολαβητή ένα γλοιόνιο
217
Γλοιόνιο ; Τι παράξενη λέξη . Τι σημαίνει; Τα gluons είναι σωματίδια μεσολαβητές, φορείς της ΙΣΧΥΡΗΣ αλληλεπίδρασης. Είναι σωματίδια μποζόνια αντίστοιχα με τα φωτόνια της ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ και τα σωματίδια (W και Z) της ΑΣΘΕΝΟΥΣ Η πρώτη άμεση πειραματική «εμφάνιση» gluons έγινε στο Αμβούργο της Γερμανίας σε συγκρούσεις ηλεκτρονίων ποζιτρονίων στον collider PETRA. Ήταν 1979.
218
Τα gluons είναι η «κόλλα» που συγκρατεί τα κουάρκ
αλλά εξασφαλίζει και τη σταθερότητα του ατομικού πυρήνα
219
ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ SU(3) ΟΙ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ που περιγράφουν μια ισχυρή αλληλεπίδραση
Η ιδέα με τα «χρώματα» εμπεριέχει και μια έννοια ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ SU(3) τι θα πει αυτό ; ΟΙ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ που περιγράφουν μια ισχυρή αλληλεπίδραση ΝΑ ΠΑΡΑΜΕΝΟΥΝ ΙΔΙΕΣ όταν εναλλάσσονται οι τρεις τύποι – χρώματα των κουάρκ. και τι αξία έχει μια SU(3) ; Τότε λέμε ότι οι εξισώσεις έχουν ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ SU(3)
220
Οι φυσικοί πιστεύουν ότι οι θεωρίες με συμμετρία SU(3) προσφέρουν
QCD Οι φυσικοί πιστεύουν ότι οι θεωρίες με συμμετρία SU(3) προσφέρουν την ακριβέστερη περιγραφή των ΙΣΧΥΡΩΝ αλληλεπιδράσεων, την ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΧΡΩΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ, την QCD
221
1911, Cloud Chamber Θάλαμος Wilson
Cloud chambers played a prominent role in the experimental particle physics from 1920s till 1950s, until the advent of the bubble chamber. In particular, the discoveries of the positron in 1932 (acknowledged by a Nobel Prize in Physics in 1936) and the kaon in 1953 were made using cloud chambers as detectors. Charles Thomson Rees Wilson (1869–1959), a Scottish physicist, is credited with inventing the cloud chamber. Inspired by sightings of the Brocken spectre while working on the summit of Ben Nevis in 1894, he began to develop expansion chambers for studying cloud formation and optical phenomena in moist air. Very rapidly he discovered that ions could act as centers for water droplet formation in such chambers. He pursued the application of this discovery and perfected the first cloud chamber in 1911. In Wilson's original chamber the air inside the sealed device was saturated with water vapor, then a diaphragm is used to expand the air inside the chamber (adiabatic expansion). This cools the air and water vapor starts to condense. When an ionizing particle passes through the chamber, water vapor condenses on the resulting ions and the trail of the particle is visible in the vapor cloud. Wilson, along with Arthur Compton, received the Nobel Prize in Physics in 1927 for his work on the cloud chamber. This kind of chamber is also called a Pulsed Chamber, because the conditions for operation are not continuously maintained.
222
For a long time, bubble chambers were used for this purpose, but with the improvement of electronics, it became desirable to have a detector with fast electronic read-out. (In bubble chambers, photographs were made, printed and then looked through.) A wire chamber is a chamber with many parallel wires, arranged as a grid and put on high voltage, with the metal casing being on ground potential. As in the Geiger counter, a particle leaves a trace of ions and electrons, which drift toward the case or the nearest wire, respectively. By marking off the wires which had a pulse of current, one can see the particle's path. Muon neutrino θεωρητική πρόβλεψη το 1948 Ανίχνευση 1962, Columbia και Brookhaven New York, USA Ταu neutrino θεωρητική πρόβλεψη το 1975 Ανίχνευση 2000, Fermilab Illinois USA
223
Cloud chamber, Θάλαμος Wilson
1932, Το πρώτο ποζιτρόνιο Cloud chamber, Θάλαμος Wilson
224
Ένα πρωτόνιο συγκρούεται με αντιπρωτόνιο Spark chamber
A spark chamber is a particle detector, a device used in particle physics for detecting electrically charged particles. They were most widely-used as research tools from the 1930s to the 1960s, and have since been superseded by more sophisticated detectors such as drift chambers and silicon detectors. Today, working spark chambers are mostly found in science museums and educational organisations, where they are used to demonstrate aspects of particle-physics and astro-physics.
225
1952, Bubble Chamber, Θάλαμος φυσαλίδων
Donald Arthur Glaser (born September 21, 1926), is an American physicist, neurobiologist, and Nobel Prize in Physics laureate for his invention of the Bubble chamber used in subatomic particle physics. Born in Cleveland, Ohio, Glaser completed his B.Sc. degree in physics and mathematics from the Case Western Reserve University in He completed his Ph.D. in physics from the California Institute of Technology in Glaser accepted a position as an instructor at the University of Michigan, and was promoted to professor in He joined the faculty of the University of California at Berkeley, in 1959, as a Professor of Physics. During this time his research concerned short-lived elementary particles. The bubble chamber enabled him to observe the paths and lifetimes of the particles. Starting in 1962, Glaser changed his field of research to molecular biology, starting with a project on ultraviolet-induced cancer. In 1964, he was given the additional title of Professor of Molecular Biology. Glaser's current position (since 1989) is Professor of Physics and Neurobiology in the Graduate School. 1952, Bubble Chamber, Θάλαμος φυσαλίδων
226
A bubble chamber is a vessel filled with a superheated transparent liquid (most often liquid hydrogen) used to detect electrically charged particles moving through it. It was invented in 1952 by Donald A. Glaser, for which he was awarded the 1960 Nobel Prize in Physics. Anecdotally, Glaser was inspired by the bubbles in a glass of beer; however, in a 2006 talk, he refuted this story, saying that although beer was not the inspiration for the bubble chamber, he did experiments using beer to fill early prototypes. Cloud chambers work on the same principles as bubble chambers, only they are based on supersaturated vapor rather than superheated liquid. While bubble chambers were extensively used in the past, they have now mostly been supplanted by wire chambers and spark chambers. Historically, notable bubble chambers include the Big European Bubble Chamber (BEBC) and Gargamelle.
227
wire chamber A multi-wire chamber (or just wire chamber) is a detector for particles of ionizing radiation which is an advancement of the concept of the Geiger counter and the proportional counter. A proportional counter uses a wire, under high voltage, which runs through a metal or conductive enclosure whose walls are held at ground potential. The enclosure is filled with carefully chosen gas, such as an argon/methane mix, such that any ionizing particle that passes through the tube will ionize surrounding gaseous atoms. The resulting ions and electrons are accelerated by the electric field around the wire, causing a localised cascade of ionization which is collected on the wire and results in an electric current proportional to the energy of the detected particle. This allows the experimenter to count particles and importantly, in the case of the proportional counter, to determine their energy.
228
το σωματίδιο ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ,
Σύμφωνα με τις απόψεις που κυριαρχούν σήμερα το σωματίδιο ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ, α. Είναι στοιχειώδες σωματίδιο β. Δεν είναι στοιχειώδες σωματίδιο και συγκροτείται από τρία κουάρκ γ. Δεν είναι στοιχειώδες σωματίδιο και συγκροτείται από δυο κουάρκ Για να δώσει κάποιος τις απαντήσεις χρειάζεται να είναι σε γνωρίζει ποια σωματίδια θεωρούνται σήμερα στοιχειώδη
229
όλοι τους Ευρωπαίοι του 17ου αιώνα
θυγατέρα της Φιλοσοφίας αλλά οι μαιευτήρες ήταν ΑΝΘΡΩΠΟΙ όλοι τους Ευρωπαίοι του 17ου αιώνα
230
Τα φαινόμενα 1. Δίδυμη γένεση . Ένα φωτόνιο γ υψηλής ενέργειας πεθαίνει για να γεννηθούν δίδυμα ένα ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου 2. Σύγκρουση ηλεκτρονίου με φωτόνιο και οι συνέπειες . Φαινόμενο Compton . 3. Εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από σωματίδια με φορτίο και επιτάχυνση 4 (violet tracks) (bremsstrahlung) and the knock-on electrons or delta ray (blue tracks)
231
Η Ιουλιέτα positron συναντά τον Ρωμαίο electron και πεθαίνουν μαζί
Ύλη και Αντιύλη Δίδυμη γένεση Εξαΰλωση Ένα ποζιτρόνιο συναντά ένα ηλεκτρόνιο και πεθαίνουν μαζί, με ταυτόχρονη δημιουργία φωτονίων Ένα φωτόνιο ταξιδεύει για λίγο ως φωτόνιο για να εξαφανιστεί, στη συνέχεια και στη θέση του να γεννηθούν δίδυμα, ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο Θάλαμος Bubble στο Fermilab
232
Ύλη και Αντιύλη Bubble Chambers στο CERN.
η τροχιά του electron Ένα ποζιτρόνιο συναντά ένα «αμελητέας ταχύτητας» ηλεκτρόνιο και του μεταβιβάζει όλη την ορμή του. Είναι μια ένδειξη ότι έχουν ίσες μάζες η τροχιά του positron Από την καμπύλωση κάθε τροχιάς υπολογίζεται η ορμή του ενός σωματιδίου 54±15 MeV/c και η ορμή του άλλου 54±13 MeV/c Το positron και το electron έχουν ίσες μάζες
234
Το πρωτόνιο, το νετρόνιο και το ηλεκτρόνιο
Με την ανακάλυψη του νετρονίου – το η κυρίαρχη άποψη είναι ότι η ύλη του Σύμπαντος συγκροτείται από τρία στοιχειώδη σωματίδια. Το πρωτόνιο, το νετρόνιο και το ηλεκτρόνιο Υπάρχουν βέβαια ως οντότητες και τα φωτόνια της ακτινοβολίας Στα χρόνια που θα ακολουθήσουν η άποψη αυτή αρχικά θα υπονομευτεί και τελικά θα ανατραπεί Η υπονόμευσή της θα συντελεστεί μέσα από δύο φάσεις. Στην πρώτη θα αρχίσουν να κάνουν την «εμφάνισή τους» και άλλα σωματίδια που θα θεωρηθούν στοιχειώδη. Στη δεύτερη θα τεθεί το ερώτημα εάν τα τρία στοιχειώδη σωματίδια δεν είναι στοιχειώδη, αλλά συγκροτούνται από άλλα απλούστερα
Παρόμοιες παρουσιάσεις
© 2024 SlidePlayer.gr Inc.
All rights reserved.