ΠΥΡΗΝΕΣ ΚΑΙ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ

Πυρήνες και Σωματίδια

Από τί αποτελούνται οι πυρήνες και με ποιό τρόπο τα διάφορα συστατικά τους συγκρατούνται μέσα σε αυτούς; Έχει βρεθεί ότι οι δυνάμεις συνοχής, οι υπεύθυνες για τη συγρότηση των πυρήνων, είναι τεραστίου μεγέθους. Όταν αυτές οι δυνάμεις απελευθερώνονται, η εκλυόμενη ενέργεια είναι τόσο τρο­μερά μεγαλύτερη, ουγκρινόμενη με τη χημική ενέργεια, με την ίδια αναλογία τις ισχύος μιας έκρηξης ατομικής βόμβας, προς μια έκρηξη δυναμίτη (ΤΝΤ), επειδή, φυσικά, η ατομική βόμβα έχει να κάνει με μεταβολές εντός του πυρήνα, ενώ μια έκρηξη ΤΝΤ έχει να κάνει με τις μεταβολές της κατάστασης των εξωτερικών ηλεκτρονίων των ατόμων. Το ερώτημα είναι, ποιές είναι οι δυνάμεις που κατακρατούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί, στο εσωτερικό του πυρήνα; Όπως η ηλεκτρική αλληλεπίδραση μπορεί να συνδεθεί με ένα σωματίδιο, το φωτόνιο, ο Yukawa πρότεινε ότι οι δυνάμεις μεταξύ νε­τρονίων και πρωτονίων επίσης μπορούν να συνδεθούν με ένα πεδίο· όταν το πεδίο αυτό διεγείρεται τότε συμπεριφέρεται ως σωματίδιο. Υπέθεσε επομένως ότι υπάρχουν και μερικά άλλα σωματίδια στον κόσμο, εκτός από τα πρωτόνια και τα νετρόνια και κατάψερε να καθορίσει τις ιδιότητές τους, με βάση τα ήδη γνωστά χαρακτηριστικά των πυρηνικών δυνάμεων.

Για παράδειγμα, προέβλεψε ότι αυτά τα νέα σωματίδια θα είχαν μάζα δύο ή τρεις εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρο­νίου· και, ιδού! ανακαλύφθηκε, στις κοσμικές ακτίνες, ένα σωματίδιο, η μάζα ίου οποίου ταίριαζε στις προβλέψεις! Αργότερα όμως, αποδείχθηκε ότι αυτό ήταν κάποιο άλλο σωματίδιο· ονομάστηκε μ-μεσόνιο [μ-meson), ή αλλιώς μιόνιο (muon).

Λίγο αργότερα, πάντως, το 1947 ή το 1948, ανακαλύφθηκε ένα άλλο σωματίδιο, το π-μεσόνιο (π- meson), ή αλλιώς πιόνι ο (ρίοη), το οποίο ικανοποιούσε το κριτήριο Yukawa. Εκτός από το πρωτόνιο και το νετρόνιο, λοιπόν, για να λάβουμε τις πυρηνικές δυνάμεις, θα πρέπει να προσθέσουμε και την ύπαρξη του πιονιού. Τώρα, μπορείτε να αναφωνήσετε, «Θαυμάσια! με τη θεωρία αυτή μπορούμε να συζητούμε για κβαντική νουκλεοδυναμική, χρησιμοποιώντας τα πιόνια με τον τρόπο ακριβώς που ήθελε ο Yukawa, διαπιστώνουμε ότι όλα λειτουργούν όπως πρέπει και τότε έχουμε εξηγήσει τα πάντα!» Ατυχία· αποδεικνύεται ότι οι υπολογισμοί που εμπλέκονται στη θεωρία αυτή είναι τόσο δύσκολοι, ώστε κανένας δεν έχει καταφέρει να διαπιστώσει ποιές είναι οι συνέπειες ιης θεωρίας αυτής, ή να την αντιπαραβάλλει με το πείραμα- αυτή, μάλιστα, είναι η κατάσταση των πραγμάτων, εδώ και σχεδόν είκοσι χρόνια !

Έχουμε λοιπόν στα χέρια μας μια θεωρία, την οποία δε γνωρίζουμε εάν θα πρέπει να χαρακτηρί­σουμε ως αληθή ή ψευδή, γνωρίζουμε όμως ότι είναι τουλάχιστον λίγο λανθασμένη, ή, σε τελική ανά­λυση, ελλειπής. Ενώ επιδιδόμαοταν σε θεωρητικές περιπλανήσεις, προσπαθώντας να υπολογίσουμε τις συνέπειες της θεωρίας αυτής, οι πειραματικοί φυσικοί, συνέχιζαν τη δουλειά τους και ανακάλυψαν ορισμένα πράγματα. Για παράδειγμα, ήταν ήδη γνωστή η ύπαρξη του μ-μεσονίου, ή μιονίου, για το οποίο δε γνωρίζαμε ακόμη πού ταιριάζει στο οικοδόμημά μας. Επίσης, ένας μεγάλος αριθμός άλλων, «πλεοναζόντων» σωματιδίων, ανακαλύφθηκε στις κοσμικές ακτίνες. Σήμερα, έχουμε περίπου τριάντα είδη διαφορετικών σωματιδίων και είναι πολύ δύσκολο να κατανοήσουμε τις σχέσεις που διέπουν την αλληλεπίδραση αυτών των σωματιδίων, για το τί ακριβώς τα χρειάζεται η φύση, ή ποιές σχέσεις υφίστανται μεταξύ τους. Όπως έχει η κατάσταση σήμερα, δεν είμαστε σε θέση να αντιληφθούμε τα διάφορα αυτά σωματίδια ως διαφορετικές εκφάνσεις μιας και μοναδικής οντότητας και το γεγονός της ύπαρξης τόσων ασύνδετων μεταξύ τους σωματιδίων, είναι μια αναπαράσταση του γεγονότος ότι έχουμε τόση πολλή ασύνδετη πληροφορία, χωρίς να υπάρχει μια καλή θεωρία για αυτήν. Μετά τις μεγάλες επιτυχίες της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, έχει παραχθεί μια συγκεκριμένη ποσότητα γνώσης που αφορά την πυρηνική φυσική, η οποία είναι χονδρική γνώση, ένα μίγμα εμπειρίας και θεωρητικών συλλογισμών, η οποία υποθέτει την ύπαρξη μιας δύναμης μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων και η οποία καταμετρά τις συνέπειες της ύπαρξης αυτής, χωρίς όμως να δίνει ουσιαστικές απαντήσεις στο ερώτημα περί της προέλευσης των δυνάμεων αυτών. Πέρα από αυτό, η πρόοδος που έχει σημειωθεί, χαρακτηρίζεται ως ισχνή. Έχουμε συγκεντρώσει έναν τεράστιο αριθμό χημικών στοιχείων. Στην πε­ρίπτωση της χημείας, εμφανίστηκε ξαφνικά μια σχέση μεταξύ των στοιχείων αυτών, μια αναπάντεχη σχέση, η οποία ενυπάρχει στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων του Mendeleev. Για παράδειγμα, το νάτριο (sodium) και το κάλιο (potassium) παρουσιάζουν παρεμφερείς χημικές ιδιότητες και βρίσκον­ται στην ίδια στήλη του πίνακα του Mendeleev. Προσπαθήσαμε να βρούμε έναν χάρτη, παρόμοιο του πίνακα του Mendeleev, για τα νέα σωματίδια. Ένας τέτοιος χάρτης κατασκευάστηκε, ανεξάρτητα, από τον Gell-Mann στις Η.Π.Α. και τον Nishijima στην Ιαπωνία. Η βάση της κατηγοριοποίησής τους είναι ένας νέος αριθμός, όπως το ηλεκτρικό φορτίο, ο οποίος μπορεί να ανατεθεί σε κάθε σωματίδιο και ονομάζεται παραδοξότητα [strangeness), S. Ο αριθμός αυτός διατηρείται, όπως και το ηλεκτρικό φορτίο, στις διάφορες αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα με τη συμμετοχή των πυρηνικών δυνάμεων.

Στον Πίνακα 2-2 αναγράφονται όλα τα σωματίδια αυτά. Δεν μπορούμε να τα συζητήσουμε λεπτο­μερειακά στην παρούσα φάση, ο πίνακας όμως αυτός θα σας δείξει τουλάχιστον πόσα πράγματα δεν γνωρίζουμε ακόμη. Κάτω από καθένα σωματίδιο αναγράφεται η μάζα του, μετρημένη σε μια συγ­κεκριμένη μονάδα, που είναι το MeV. Ένα MeV (μεγα-ηλεκτρονιο-νοΐί) ισούται με 1.782 X ΙΟ-27 gr. Ο λόγος επιλογής της μονάδας αυτής είναι καθαρά ιστορικός και δε θα τον συζητήσουμε εδώ. Τα βαρύτερα σωματίδια καταλαμβάνουν τις ανώτερες θέσεις του πίνακα· βλέπουμε ότι ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, έχουν την ίδια σχεδόν μάζα. Στις κατακόρυφες στήλες έχουμε τοποθετήσει τα σωματίδια με το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο· όλα τα ουδέτερα σωματίδια βρίσκονται σε μια από αυτές, όλα τα θετικά φορτισμένα βρίσκονται στα δεξιά της στήλης αυτής και όλα τα αρνητικά φορτισμένα στα αριστερά της.

Τα σωματίδια αναγράφονται με συνεχή γραμμή και οι «συντονισμοί» με διακεκομμένη. Μερικά σωματίδια, απουσιάζουν από τον πίνακα αυτόν. Σε αυτά συμπεριλαμδάνονται τα σημαντικά, μηδενι­κής μάζας και φορτίου σωματίδια, το φωτόνιο και το βαρυτόνιο, τα οποία δεν εμπίπτουν στο σχήμα κατηγοριοποίησης βαρυονίων-μεσονίων-λεπτονίων απουσιάζουν επίσης μερικοί πρόσφατα ανακαλυ- φθέντες συντονισμοί (Κ*, φ, η). Τα αντι-σωματίδια των μεσονίων αναγράφονται στον πίνακα αυτόν, τα                                       

ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2  ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

         

αντι-σωματίδια όμως ίων λεπιονίων και των βαρυονίων θα έπρεπε να αναγραφούν σε έναν άλλο πίνα­κα, ο οποίος θα ήιαν σχεδόν ταυτόσημος με αυτόν στον οποίο αναφερόμαστε, με μόνη τη διαφορά ότι ο καινούριος θα είχε υποστεί ανάκλαση γύρω από την κεντρική του στήλη (στήλη μηδενικού φορτίου). Αν και όλα τα σωματίδια, εκτός του ηλεκτρονίου, του νετρίνου, του φωτονίου, του βαρυτονίου και του πρωτονίου, είναι ασταθή, προϊόντα της διάσπασής τους απεικονίζονται μόνο για τους συντονισμούς. Η ανάθεση τιμής παραδοξότητας δεν έχει νόημα για τα λεπτόνια, επειδή αυτά δεν αλληλεπιδρούν ισχυρά με τον πυρήνα.

Όλα τα σωματίδια, τα οποία ομαδοποιούνται μαζί με τα νετρόνια και τα πρωτόνια, ονομάζονται βαρυόνια (baryons)· αυτά είναι τα εξής: Υπάρχει ένα σωματίδιο «λάμδα» με μάζα ίση με 1115 MeV και τρία άλλα, τα σωματίδια σίγμα, το αρνητικό, το ουδέτερο και το θετικό, των οποίων οι μάζες είναι σχεδόν ίσες. Υπάρχουν ομάδες, ή ηολλαπλέτες (multiplets) από αυτά, των οποίων σωματιδίων οι μάζες είναι ίσες, σε προσέγγιση μιας ή δύο εκατοστιαίων μονάδων. Κάθε σωματίδιο σε μια από αυτές τις πολυπλέτες έχει την ίδια παραδοξότητα. Η πρώτη πολλαπλέτα είναι η διπλέτα (doublet) πρωτονίου- νετρονίου, ακολουθεί μια σιγκλέτα (singlet) (το σωματίδιο Λ) κατόπιν η τριπλέτα (triplet) των Σ και τέλος η διπλέτα των σωματιδίων Ξ. Πολύ πρόσφατα, το 1961, ανακαλύφθηκαν και μερικά ακόμη σωματίδια. Ή μήπως δεν είναι σωματίδια; Αυτά «ζουν» για ένα τόσο μικρό διάστημα, αποσυντίθενται δηλαδή σχεδόν στιγμιαία, αμέσως μόλις δημιουργηθσύν, ώστε να μη μπορούμε να γνωρίζουμε εάν θα πρέπει να θεωρηθούν ως νέα σωματίδια, ή κάποιο είδος «συντονισμού»—μιας αλληλεπίδρασης συγκεκριμένης ενέργειας μεταξύ των Λ και π συστατικών τους, στα οποία αποσυντίθενται.

Εκτός από τα βαρυόνια, υπάρχουν και άλλα σωματίδια που εμπλέκονται στις πυρηνικές αντιδρά­σεις· αυτά ονομάζονται μεσόνια (mesons). Από αυτά, έχουμε πρώτα τα πιόνια, τα οποία υπάρχουν σε τρεις μορφές, τα θετικά, τα αρνητικά και τα ουδέτερα- αυτά αποτελούν μια άλλη πολλαπλέτα. Έχουμε βρει επίσης ορισμένα νέα σωματίδια, που τα αποκαλούμε Κ-μεσόνια και που σχηματίζουν μια διπλέτα, Κ+ και Κ°. Επίσης, σε κάθε σωματίδιο αντιστοιχεί ένα αντι-σωματίδιο, εκτός εάν το ίδιο το σωματίδιο αποτελεί το αντισωματίδιό του. Για παράδειγμα, τα π~ και η+ είναι αντισωματίδια, ενώ το 7ΐ° είναι το αντισωματίδιό του εαυτού του. Το Κ~ είναι το αντισωματίδιό του Κ+ και το αντισωματίδιό

του Κ° είναι το Κ . Επιπλέον, το 1961 ανακαλύψαμε μερικά ακόμη μεσόνια, ή ίσως μεσόνια, τα οποία αποσυντίθεται σχεδόν στιγμιαία.

Υπάρχει ένα σωματίδιο, μάζας 780 στην κλίμακα αυτή, το οποίο ονομάζουμε ω και το οποίο διασπάται σε τρία πιόνια· κάπως λιγότερο σίγουρη είναι η ύπαρξη ενός σωματιδίου που διασπάται σε δύο πιόνια. Τα σωματίδια αυτά, που τα αποκαλούμε μεσόνια και βαρυόνια, όπως και τα αντισωματίδια των μεσονίων, συμπεριλαμβάνονται στον ίδιο πίνακα, τα αντισωματίδια όμως των βαρυονίων θα πρέπει να τοποθετηθούν σε έναν ξεχωριστό αντίστοιχο πίνακα, που έχει υποστεί ανάκλαση γύρω από τη στήλη μηδενικού φορτίου.

Όπως ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων του Mendeleev είναι πολύ λειτουργικός, εκτός από το γεγονός ότι υπάρχει μια σειρά από σπάνιες γαίες που δεν ταίριαζαν πουθενά, έτσι και σπό τον πίνακα των σωματιδίων έχουμε μερικά σωματίδια που δεν κατηγοριοποιούνται, δεν εντάσσονται εύκολα σε αυτόν—σωματίδια που δεν αλληλεπιδρούν ισχυρά με τον πυρήνα, δεν έχουν τίποτε να κάνουν με μια πυρηνική αντίδραση και δεν λαμβάνουν μέρος στα φαινόμενα των ισχυρών αλληλεπιδράσεων (αναφερόμαστε στο είδος εκείνο των αλληλεπιδράσεων που σχετίζονται με την πυρηνική ενέργεια). Τα σωματίδια αυτά αποκαλούνται λεπτόνια (leptons) και είναι τα ακόλουθα: πρώτο είναι το ηλεκτρόνιο, το οποίο διαθέτει μια πολύ μικρή μάζα στην κλίμακα αυτή, μόνο 0.510 MeV. Κατόπιν, έχουμε το μ-μεσόνιο, ή μιόνιο, του οποίου η μάζα είναι πολύ μεγαλύτερη, 206 φορές μεγαλύτερη από αυτή του ηλεκτρονίου. Εξ’ όσων μπορούμε να γνωρίζουμε, από όλα τα πειράματα μέχρι τώρα, η μοναδική διαφορά του ηλεκτρονίου και του μιονίου, είναι η μάζα τους. Τα πάντα λειτουργούν ακριβώς το ίδιο, τόσο για το ηλεκτρόνιο, όσο και για το μιόνιο, εκτός από το ότι το ένα είναι ελαφρύτερο από το άλλο. Για ποιό λόγο υπάρχει το βαρύτερο από αυτά και ποιά είναι η χρησιμότητά του, δεν γνωρίζουμε. Επιπλέον, υπάρχει και ένα λεπτόνιο που είναι ουδέτερο, το οποίο ονομάζεται νετρίνο (neutrino) και έχει μηδενική μάζα. Στην πραγματικότητα, δεν είναι ξεκάθαρο εάν υπάρχουν δύο διαφορετικά είδη νετρίνων, με το ένα από αυτά να σχετίζεται με τα ηλεκτρόνια και το άλλο με τα μιόνια.

Τέλος, έχουμε δύο άλλα σωματίδια, τα οποία δεν αλληλεπιδρούν ισχυρά με τα σωματίδια του πυρήνα. Ένα από αυτά είναι το φωτόνιο και, ίσως, έαν το βαρυτικό πεδίο διαθέτει και αυτό ένα κβαντομηχανικό ανάλογο, (δεν έχουμε καταφέρει μέχρι στιγμής να δημιουργήσουμε μια κ6αντική θεωρία της βαρύτητας), να υπάρχει ένα σωματίδιο γνωστό ως βαρυτόνιο {graviton), το οποίο θα έχει μηδενική μάζα.

Τί εννοούμε λέγοντας «μηδενική μάζα»; Οι μάζες που αναγράφονται στον πίνακα, είναι οι μάζες των σωματιδίων, όταν αυτά ηρεμούν. Το γεγονός ότι ένα σωματίδιο διαθέτει μηδενική μάζα σημαίνει, κατά κάποιο τρόπο, ότι αυτό ποτέ δεν μπορεί να βρεθεί σε ηρεμία, ακίνητο. Ένα φωτόνιο δεν είναι ποτέ ακίνητο, κινείται πάντοτε με την ταχύτητα του φωτός, 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, Θα κατανοήσουμε καλύτερα την έννοια της μάζας, όταν αναφερθούμε στη θεωρία της σχετικότητας, κάτι που θα κάνουμε στα επόμενα.

Έχουμε απέναντι μας, λοιπόν, ένα μεγάλο αριθμό σωματιδίων, τα οποία φαίνεται να είναι τα θε­μελιώδη συστατικά της ύλης. Ευτυχώς, τα σωματίδια αυτά δεν είναι όλα διαφορετικά, κατά τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις. Αυτό που φαίνεται να ισχύει και είναι πολύ σημαντικό, είναι ότι υπάρχουν τέσσερα μόνο είδη αλληλεπιδράσεων, μεταξύ των σωματιδίων, οι οποίες, σε φθίνουσα σειρά ισχύος, είναι η πυρηνική δύναμη, οι ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις, η αλληλεπίδραση της β-διάσπασης και η βαρύτητα. Το φωτόνιο συζεύγνυται με όλα τα φορτισμένα σωματίδια και η ισχύς της αλληλεπίδρα­σης αυτής μετράται με έναν αριθμό, ο οποίος ισούται με 1/137. Ο λεπτομερειακός νόμος αυτής της σύζευξης είναι γνωστός, είναι η κβαντική ηλεκτροδυναμική. Η βαρύτητα συζεύγνυται με κάθε είδους ενέργεια, η σύζευξη αυτή όμως είναι εξαιρετικά ασθενής, πολύ πιο ασθενής από την αντίστοιχη ηλεκτρική. Και ο νόμος που διέπει τη βαρύτητα, είναι επίσης γνωστός. Κατόπιν, έχουμε τις λεγά­μενες ασθενείς διασπάσεις—τη β-διάσπαση, η οποία προκαλεί την αποσύνθεση ενός νετρονίου σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο, η οποία πραγματοποιείται με έναν αργό σχετικά ρυθμό. Ο νόμος αυτός είναι μερικά μόνο γνωστός.12 Η λεγάμενη ισχυρή αλληλεπίδραση, η αλληλεπίδραση μεσονίου-βαρυονίου, διαθέτει ισχύ ίση με τη μονάδα στην κλίμακα αυτή και ο νόμος που τη διέπει είναι πλήρως άγνωστος,13 αν και έχουν βρεθεί κάποιοι κανόνες, όπως το γεγονός ότι ο αριθμός των βαρυονίων παραμένει αναλλοίωτος, σε κάθε τέτοια αντίδραση.

Αυτή λοιπόν είναι η «αποτρόπαιη» κατάσταση της φυσικής σήμερα. Για να την ανακεφαλαιώσουμε, θα μπορούσα να το θέσω ως εξής: έξω από τον πυρήνα, φαίνεται ότι γνωρίζουμε τα πάντα: εντός του πυρήνα, ισχύει η κβαντική μηχανική—οι αρχές της κβαντικής μηχανικής δεν έχουν διαψευσθεί πουθενά έως τώρα. Η σκηνή, στην οποία τοποθετούμε το σύνολο της γνώσης μας, μπορούμε να πούμε ότι είναι ο σχετικιστικός χωρόχρονος: ενδεχομένως η βαρύτητα να εμπλέκεται στο χωρόχρονο. Δε γνωρίζουμε την απαρχή του σύμπαντος, πώς αυτό δημιουργήθηκε και δεν πραγματοποιήσαμε ποτέ πειράματα που να ελέγξουν τις αντιλήψεις μας για τον χώρο και το χρόνο με καθοριστική ακρίβεια, κάτω από ένα όριο αποστάσεων, οπότε, γνωρίζουμε μόνο ότι οι ιδέες μας ισχύουν για μεγαλύτερες από αυτό το όριο αποστάσεις. Θα πρέπει να προσθέσουμε επίσης ότι οι κανόνες του παιχνιδιού είναι οι αρχές της κβαντομηχανικής και ότι οι αρχές αυτές είναι έγκυρες, τόσο σε ό,τι αφορά τα νέα σωμα­τίδια, όσο και σε ό,τι αφορά τα παλαιά. Η αναζήτηση της ερμηνείας των πυρηνικών δυνάμεων μας οδηγεί στην ύπαρξη των νέων σωματιδίων, αυτά όμως, δυστυχώς, εμφανίζονται σε μεγάλο πλήθος και δεν έχουμε ακόμη μια πλήρη αντίληψη των σχέσεων που υφίστανται μεταξύ τους, αν και ήδη έχουμε καταφέρει να αποκαλύψουμε μερικές εκπληκτικές συσχετίσεις μεταξύ των σωματιδίων αυτών. Στην παρούσα φάση, φαίνεται πως πλησιάζουμε αργά προς μια κατανόηση του κόσμου των υποατομικών σωματιδίων, δεν γνωρίζουμε όμως ακόμη πόσο δρόμο έχουμε προς την κατεύθυνση αυτή.

Μετάφραση από τις Διαλέξεις Φυσικής του R. Feynman 1oς ΤΟΜΟΣ

[