Η βασική λειτουργία του Planet Physics είναι να ενθαρρύνει, να προωθήσει και να υποστηρίξει την εκπαίδευση στον τομέα της Φυσικής, κάνοντας τη μάθηση απτή, ενδιαφέρουσα και διαδραστική.

Τι είναι τα quarks?

Tα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια, γνωστά ως quarks. Τα quarks είναι θεμελιώδη σωματίδια στο καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής Φυσικής (Standard Model).

.

Υπάρχουν έξι τύποι ή “γεύσεις” quarks: up, down, charm, strange, top και bottom. Κάθε quark φέρει ένα κλασματικό ηλεκτρικό φορτίο. Τα up, charm και top quarks έχουν φορτίο +2/3, ενώ τα down, strange και bottom quarks έχουν φορτίο -1/3. Αυτό το κλασματικό φορτίο είναι ζωτικής σημασίας για το σχηματισμό των πρωτονίων και των νετρονίων.

.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από διαφορετικούς συνδυασμούς up και down quarks. Ένα πρωτόνιο αποτελείται από δύο up quarks και ένα down quark, με αποτέλεσμα να έχει συνολικό φορτίο +1 (+2/3 + 2/3 – 1/3). Αντίθετα, ένα νετρόνιο αποτελείται από ένα up quark και δύο down quarks, οδηγώντας σε καθαρό φορτίο 0 (+2/3 – 1/3 – 1/3 – 1/3).

.

Τα quarks συνδέονται μεταξύ τους με την ισχυρή πυρηνική δύναμη, με τη μεσολάβηση σωματιδίων που ονομάζονται γκλουόνια (gluons). Αυτή η δύναμη είναι απίστευτα ισχυρή, ξεπερνώντας την απωστική ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ ομοιόμορφα φορτισμένων quarks μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια. Η ισχυρή δύναμη λειτουργεί μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις, γι’ αυτό και είναι κυρίαρχη μόνο στο υποατομικό επίπεδο.

.

Τα quarks διαθέτουν επίσης μια ιδιότητα γνωστή ως “χρωματικό φορτίο”, που δεν σχετίζεται με το οπτικό χρώμα, αλλά είναι απαραίτητη στην αλληλεπίδραση μέσω της ισχυρής δύναμης. Υπάρχουν τρεις τύποι χρωματικών φορτίων, που ονομάζονται κόκκινο, πράσινο και μπλε. Τα quarks πρέπει να συνδυάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζουν “χρωματικά ουδέτερα” σωματίδια, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως “χρωματικός περιορισμός”.

.

Η κατανόηση των quarks είναι θεμελιώδης για την κατανόηση του σύμπαντος. Δεν είναι απλώς δομικά στοιχεία των πρωτονίων και των νετρονίων, αλλά αποτελούν επίσης το κλειδί για την κατανόηση πολύπλοκων φαινομένων, όπως η συμπεριφορά της πυρηνικής ύλης υπό ακραίες συνθήκες, όπως αυτές που απαντώνται στους αστέρες νετρονίων ή στις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Το πείραμα των δύο σχισμών

Ένα από τα πιο γνωστά πειράματα της Φυσικής είναι το πείραμα των δύο σχισμών: Ένα σωματίδιο “εκτοξεύεται” προς έναν “τοίχο” που έχει δύο σχισμές, και από πίσω υπάρχει μια οθόνη καταγραφής, η οποία μας βοηθάει να καταλάβουμε από ποια σχισμή πέρασε το σωματίδιο.

.

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1801 με φως, και το αποτέλεσμα δικαίωσε όσους υποστήριζαν ότι το φως είναι κύμα, καθώς στην οθόνη πίσω από τις δύο σχισμές καταγράφηκαν “κροσσοί συμβολής”, ένα φαινόμενο ενίσχυσης και απόσβεσης, που βλέπουμε όταν δύο κύματα “συναντιόνται”. Το πείραμα μας έδειξε ότι το φως είναι κύμα, που περνάει ταυτόχρονα και από τις δύο σχισμές, έχοντας ως αποτέλεσμα τη συμβολή (στην πορεία βέβαια…αλλάξαμε γνώμη!).

.

Περισσότερο από 100 χρόνια αργότερα, το πείραμα επαναλήφθηκε, αυτή τη φορά όχι με φως, αλλά με ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια έδειξαν παρόμοια συμπεριφορά με το φως, παρουσιάζοντας συμπεριφορά κύματος, που περνάει και από τις δύο σχισμές. Αυτό προβλημάτισε τους Φυσικούς, καθώς όλοι ήξεραν ότι το ηλεκτρόνιο δεν είναι κύμα, αλλά σωματίδιο…

.

Οι Φυσικοί δεν το έβαλαν κάτω και αποφάσισαν να κάνουν ένα “κόλπο”: αντί να στέλνουν πολλά ηλεκτρόνια μαζί προς τις 2 σχισμές, να στέλνουν τα ηλεκτρόνια ένα-ένα. Αποτέλεσμα: ακριβώς το ίδιο. Ήταν σαν το κάθε ηλεκτρόνιο να περνάει ταυτόχρονα και από τις δύο σχισμές! Και στη συνέχεια, να συμβάλλει με τον εαυτό του!

.

Οι Φυσικοί επέμειναν: αποφάσισαν να βάλουν ανιχνευτές ηλεκτρονίων στις σχισμές, για να δουν τελικά από πού περνάει το κάθε ηλεκτρόνιο. Το αποτέλεσμα ήταν…”υπερφυσικό”: με την ύπαρξη των ανιχνευτών, το ηλεκτρόνιο υιοθέτησε μια τελείως διαφορετική συμπεριφορά, και περνούσε ή από τη μία ή από την άλλη σχισμή! Λες και ήξερε ότι το παρακολουθούσαμε!!!

.

Σήμερα θεωρούμε ότι τόσο τα σωματίδια (π.χ. ηλεκτρόνια), όσο και το φως παρουσιάζουν ταυτόχρονα και κυματική, και σωματιδιακή συμπεριφορά (“κυματοσωματιδιακός δυϊσμός”). Κι αυτό, πες, ας το “καταπιούμε”. Το ότι το ηλεκτρόνιο “ξέρει” ότι υπάρχει ανιχνευτής και αλλάζει τη συμπεριφορά του;;;

.

Το πείραμα των δύο σχισμών, αν και πείραμα Φυσικής, εγείρει σοβαρά φιλοσοφικά ερωτήματα…

Ηλεκτρόνια

Στις αρχές του 20ού αιώνα ο Niels Bohr πρότεινε ένα ατομικό μοντέλο όπου τα ηλεκτρόνια περιφέρονταν γύρω από τον πυρήνα σε καθορισμένες διαδρομές, παρόμοιες με τις τροχιές των πλανητών γύρω από τον ήλιο. Ωστόσο, αυτό το μοντέλο, αν και πρωτοποριακό για την εποχή του, δεν θεωρείται πλέον ακριβές υπό το πρίσμα της προηγμένης κβαντικής θεωρίας. Η σύγχρονη φυσική δίνει μια διαφορετική εικόνα, όπου η συμπεριφορά και η θέση των ηλεκτρονίων δεν είναι τόσο απλή όσο οραματιζόταν ο Bohr.

.

Στην κβαντομηχανική, η θέση ενός ηλεκτρονίου ορίζεται από την πιθανότητα, όχι από τη βεβαιότητα. Σύμφωνα με την Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg, δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ταυτόχρονα και τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου, με μεγάλη ακρίβεια. Η αρχή αυτή υποδηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε μια κατάσταση πιθανότητας, καταλαμβάνοντας ταυτόχρονα πολλαπλές πιθανές θέσεις.

.

Η ιδέα ότι ένα ηλεκτρόνιο βρίσκεται ταυτόχρονα σε πολλές θέσεις χωρίς να διασπάται αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο της κβαντικής θεωρίας. Τα ηλεκτρόνια περιγράφονται καλύτερα ως υπάρχοντα σε “νέφη” ή “τροχιακά” γύρω από τον πυρήνα, περιοχές όπου υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθούν. Αυτά τα νέφη δεν απεικονίζουν μια σταθερή διαδρομή αλλά μάλλον μια ασαφή περιοχή πιθανών θέσεων ηλεκτρονίων. Αυτή η πιθανολογική φύση των θέσεων των ηλεκτρονίων αποτελεί τη βάση πολλών κβαντικών φαινομένων και τεχνολογιών.

.

Η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων περιλαμβάνει επίσης την έννοια της υπέρθεσης, όπου σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια μπορούν να υπάρχουν σε πολλαπλές καταστάσεις ή θέσεις ταυτόχρονα. Αυτό δεν σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο είναι χωρισμένο σε πολλά κομμάτια- αντίθετα, υπάρχει σε μια κβαντική κατάσταση που περιλαμβάνει διάφορες δυνατότητες ταυτόχρονα.

.

Η κβαντομηχανική θεώρηση των ηλεκτρονίων ανοίγει έναν κόσμο όπου τα σωματίδια υπάρχουν σε καταστάσεις πιθανοτήτων και όχι σε καθορισμένες θέσεις. Με πιο απλά λόγια, ΕΝΑ ηλεκτρόνιο, ΧΩΡΙΣ να διαιρεθεί, βρίσκεται σε ΠΟΛΛΕΣ θέσεις, ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ!)

.

Εάν δεν μπορείς να καταλάβεις πώς γίνεται αυτό…μην ανησυχείς! Ένα ανέκδοτο που κυκλοφορεί μεταξύ των Φυσικών λέει:

«Ένας Φυσικός δεν καταλαβαίνει ποτέ μια νέα θεωρία. Απλά…τη συνηθίζει!»

Σκουληκότρυπα

Θα ήταν ποτέ δυνατό να ταξιδέψουμε τεράστιες αποστάσεις στο διάστημα, σε μια μόνο στιγμή; Αν και αυτό μπορεί να μας θυμίζει λίγο…Star Trek, ίσως τελικά να μην αποτελεί μόνο σενάριο επιστημονικής φαντασίας…

.

Μια «σκουληκότρυπα» (wormhole) είναι σαν ένα τούνελ με δύο άκρα, το καθένα σε διαφορετικά σημεία του χώρου και του χρόνου. Η ιδέα χρονολογείται από το 1935, όταν οι Einstein και Rosen χρησιμοποίησαν τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας για να προτείνουν την ύπαρξη “γεφυρών” μέσα στο χωροχρόνο. Θεωρητικά, αυτές οι γέφυρες (γνωστές ως «γέφυρες Einstein-Rosen»), συνδέουν δύο διαφορετικά σημεία του χωροχρόνου, δημιουργώντας μια συντόμευση που θα μπορούσε να μειώσει δραστικά τον χρόνο και την απόσταση ταξιδιού.

.

Για τη δημιουργία μιας σκουληκότρυπας, απαιτείται μια μορφή ύλης με αρνητική ενεργειακή πυκνότητα, γνωστή ως «εξωτική ύλη». Αυτή η εξωτική ύλη είναι καθαρά θεωρητική και δεν έχει (ακόμα…;) ανακαλυφθεί ή δημιουργηθεί.

.

Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες πτυχές μιας σκουληκότρυπας είναι η δυνατότητά της όχι μόνο για ταξίδια στο χώρο αλλά και στο χρόνο. Αν το ένα άκρο μιας σκουληκότρυπας μετακινηθεί με συγκεκριμένο τρόπο, θα μπορούσε θεωρητικά να επιτρέψει ταξίδια στο χρόνο. Ωστόσο, αυτή η ιδέα είναι γεμάτη παράδοξα και πολυπλοκότητες, καθιστώντας την ένα ιδιαίτερα αμφιλεγόμενο θέμα.

.

Η έννοια της σκουληκότρυπας προκύπτει αποκλειστικά από τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας, η οποία αποτελεί έναν ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης Φυσικής με πολυάριθμες πειραματικές επικυρώσεις. Ωστόσο, είναι σημαντικό να προσεγγίσουμε τις προβλέψεις της, ειδικά σε τέτοια ακραία σενάρια, με έναν βαθμό σκεπτικισμού. Η Γενική Σχετικότητα λειτουργεί ανεξάρτητα από την Κβαντομηχανική, την άλλη θεμελιώδη θεωρία του σύμπαντος. Αυτός ο διαχωρισμός καθίσταται προβληματικός όταν εξερευνούμε φαινόμενα όπως οι σκουληκότρυπες, τα οποία υπάρχουν στα όρια της κατανόησής μας. Χωρίς μια ενοποιημένη θεωρία που να εναρμονίζει τη Γενική Σχετικότητα με την Κβαντομηχανική, οι εξαιρετικές συνέπειες εννοιών όπως οι σκουληκότρυπες, που προκύπτουν αποκλειστικά από τη Γενική Σχετικότητα, παραμένουν εικασίες και θα πρέπει να ερμηνεύονται με προσοχή…