Σαν ένα Τέλειο Υγρό ξεκίνησε ο Κόσμος – Αναδύεται η Θεωρία των Χορδών;

Μήπως ο Θαλής ο Μιλήσιος είχε δίκιο, και η πρωταρχική ουσία του σύμπαντος να είναι το ύδωρ;
Φυσικοί προσομοίωσαν τις συνθήκες αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη κι έχουν διαπιστώσει ότι το σύμπαν ξεκίνησε ως ένα “τέλειο” υγρό...

Πώς όμως αυτή η κατάσταση μας βοηθάει νανωρίσουμε καλύτερα τις ιδιότητες της ύλης;

Σαν ένα Τέλειο Υγρό ξεκίνησε ο Κόσμος – Αναδύεται η Θεωρία των Χορδών;
Submitted by admin on Monday, 8 March 2010One Comment

Φυσικοί προσομοίωσαν τις συνθήκες αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη κι έχουν διαπιστώσει ότι το σύμπαν ξεκίνησε ως ένα "τέλειο" υγρό. Πώς όμως αυτή η κατάσταση μας βοηθάει να γνωρίσουμε καλύτερα τις ιδιότητες της ύλης;

Όλη η ύλη όπως την ξέρουμε δημιουργήθηκε στα πρώτα δευτερόλεπτα μετά το Big Bang. Αλλά οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακριβώς πώς συνέβη αυτό. Όταν ορισμένοι ερευνητές εξέτασαν την κυρίαρχη θεωρία (κβαντική χρωμοδυναμική), αναγκάζοντας ιόντα χρυσού να συγκρουστούν μαζί με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός το 2004, αντί να δημιουργηθούν συνθήκες που να αντανακλούν ένα τέλειο αέριο, όπως αναμενόταν από την θεωρία, τα ιόντα σχημάτιζαν ένα σχεδόν τέλειο υγρό. Τώρα οι φυσικοί θέλουν να χρησιμοποιήσουν τους επιταχυντές σωματιδίων ώστε με βάση αυτό το εκπληκτικό αποτέλεσμα να επιβεβαιώσουν την θεωρία των χορδών.

Μια πρώτη γεύση

Στις αρχές της δεκαετίας του 1930, οι επιστήμονες γνώριζαν ότι τα άτομα αποτελούνταν από ένα νέφος ηλεκτρονίων και έναν πυρήνα από μικρότερα σωματίδια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Αλλά όλα αυτά ίσχυαν μέχρι τις αρχές του 1970 όταν μια νέα θεωρία, η κβαντική χρωμοδυναμική, περιέγραψε πώς συνδέονται αυτά τα σωματίδια μαζί στους ατομικούς πυρήνες. Αυτή η θεωρία, επίσης, προβλέπει ότι υπό ακραίες συνθήκες, τα πρωτόνια και τα νετρόνια θα λιώνουν, απελευθερώνοντας μικρότερα σωματίδια στο εσωτερικό τους που τα ονομάζουμε κουάρκ και γκλουόνια.



Δεξιά: Πλάσμα από κουάρκ και γκλουόνια μετά από τη σύγκρουση δύο πυρήνων χρυσού
Τα απελευθερωμένα σωματίδια αναμένεται να σχηματίσουν ένα πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων (QGP), μια κατάσταση της ύλης που φυσικοί πιστεύουν ότι υπήρχε μικροδευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Πάντως, μόνο κατά την τελευταία δεκαετία οι νέοι επιταχυντές σωματιδίων πολύ υψηλής ενέργειας έχουν δημιουργήσει τέτοια μορφή πλάσματος για μελέτη.

Ο πρώτος υπαινιγμός του QGP εμφανίστηκε το 2000 στο CERN, αλλά με την σχετικά χαμηλή αρχική θερμοκρασία και τη σύντομη διάρκεια ζωής του πλάσματος ήταν δύσκολο να μελετηθεί το ενδεχόμενο πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων άμεσα. Ώσπου το 2004 οι επιστήμονες στο Brookhaven με τη βοήθεια ενός πιο ισχυρού επιταχυντή με βαρέα ιόντα (τον RHIC) ανίχνευσαν και μέτρησαν τις ιδιότητές του QGP.

Τι είναι το Τέλειο Υγρό

Η ύλη που σχηματίστηκε στον επιταχυντή RHIC μοιάζει πάρα πολύ με το πιο τέλειο υγρό που έχει ποτέ παρατηρηθεί. Οι χιλιάδες των σωματιδίων που προκύπτουν από μια μόνο σύγκρουση των δύο πυρήνων χρυσού κινούνται με ένα υψηλό βαθμό συντονισμού, σε αντίθεση με τα κανονικά υγρά, που τα επιμέρους μόρια τους κινούνται τυχαία. Τα σωματίδια συμπεριφέρονται σχεδόν σαν ένα θεωρητικά “τέλειο” ρευστό με υψηλό βαθμό αλληλεπίδρασης μεταξύ των σωματιδίων και μηδενικό ιξώδες.

Ο επιταχυντής RHIC ξεκίνησε την λειτουργία του το 2001 και παράγει συγκρούσεις υψηλής ενέργειας ιόντων χρυσού, που ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός μέσα σε μια σήραγγα μήκους 3,7 χιλιομέτρων. Οι συγκρούσεις ανεβάζουν την θερμοκρασία, περίπου, σε 2 τρισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, δημιουργώντας εκ νέου τις συνθήκες που υπήρχαν περίπου 10 μικροδευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν τα κουάρκ και τα γκλουόνια κυκλοφορούσαν ακόμη ελεύθερα. Ο επιταχυντής ας σημειωθεί ότι αποτελείται από 1.740 υπεραγώγιμους μαγνήτες στη σειρά.

Όμως το πλάσμα QGP που εντοπίστηκε το 2004 δεν συμπεριφέρεται ακριβώς όπως οι φυσικοί είχαν προβλέψει. Σύμφωνα με τον Steve Vigdor, του εργαστηρίου πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής στο Brookhaven, πριν ξεκινήσει το RHIC, αναμενόταν ότι τα σωματίδια στο πλάσμα QGP μόλις και μετά βίας θα αλληλεπιδρούν, όπως τα άτομα σε ένα ιδανικό αέριο. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν αντίθετα ότι αναδύονται χιλιάδες σωματίδια από μία και μόνο σύγκρουση των δύο πυρήνων χρυσού, που φαίνεται να παρουσιάζουν έναν υψηλό βαθμό συντονισμού της κίνησης. Στην πραγματικότητα, το QGP φαινόταν να έχει όλες τις ιδιότητες ενός σχεδόν «τέλειου» υγρού, με ένα εξαιρετικά χαμηλό ιξώδες (ένα τέλειο υγρό θα έχει μηδενικό ιξώδες).
"Η ιδανική ροή του υγρού απαιτεί εξαιρετικά ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συστατικών – που χρειάζονται για να παραμείνουν ουσιαστικά σε στιγμιαία επαφή το ένα με το άλλο," προσθέτει ο Vigdor. Αυτή η συμπεριφορά έρχεται σε έντονη αντίθεση με τις προβλέψεις της κβαντικής χρωμοδυναμικής.



Πώς είναι η κατάσταση σε ένα αέριο



Πώς είναι η κατάσταση σε ένα υγρό – Βλέπουμε να υπάρχουν ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων


Η κατανόηση του Υγρού με την Θεωρία Χορδών

Η διαφορά μπορεί να εξηγηθεί όχι από την κβαντική χρωμοδυναμική αλλά από την θεωρία των χορδών, μια θεωρητική προσέγγιση όπου τα υποατομικά σωματίδια συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικές, παλλόμενες οντότητες σαν χορδές. Η θεωρία χορδών υφίσταται από το 1970, αλλά μόνο ως μια μαθηματική κατασκευή. Οι φυσικοί εδώ και καιρό ψάχνουν για κάποια πειραματική επιβεβαίωση. Τώρα φαίνεται ότι οι διαπιστώσεις αυτές περί του Τέλειου Υγρού στον επιταχυντή RHIC, να μπορούν να εξηγηθούν από μια πτυχή της θεωρίας των χορδών, που συνδέει τις θεωρίες των ισχυρά αλληλεπιδρώντων σωματιδίων και την βαρύτητα. Αυτό έχει φυσικά ενθαρρύνει τους θεωρητικούς των χορδών να προσπαθούν να προβλέψουν κι άλλες ιδιότητες του πλάσματος QGP που βρέθηκε στον RHIC, αφού οι δοκιμές αυτών των προβλέψεων θα ήταν ένας πολύ καλός τρόπος για να επικυρωθεί η θεωρία.

Οι επιστήμονες του RHIC έχουν ανακαλύψει ότι ορισμένα από τα χαρακτηριστικά πλάσματος QGF, όπως το ιξώδες του, φαίνεται να είναι αρκετά κοντά σε αυτά που προβλέπει η θεωρία των χορδών. Ο πρωταρχικός στόχος για την δεκαετία που διανύουμε είναι να κάνουν πιο λεπτομερείς μετρήσεις του πλάσματος κουάρκ-γκλουονίων. Αλλά για να μπορέσουν να το κάνουν, θα χρειαστούν περισσότερα δείγματα του πλάσματος, πράγμα που σημαίνει περισσότερες συγκρούσεις ανά πείραμα.

Ο αναβαθμισμένος επιταχυντής RHIC, ονομάστηκε RHIC II, στοχεύει στην αύξηση των ρυθμών σύγκρουσης, 10-πλάσιους από την επόμενη χρονιά. Οι βελτιωμένες συγκρούσεις θα επιτρέψουν στους επιστήμονες να διορθώσει τις ατέλειες της δέσμης των ατόμων σε πραγματικό χρόνο. Αυτές οι ατέλειες θα πρέπει να μετρηθούν σε ένα σημείο του επιταχυντή, και οι πληροφορίες αυτές θα αποστέλλονται άμεσα με οπτικές ίνες ή με μικροκύματα σε μια θέση μπροστά από την δέσμη των ιόντων. Εκεί, τα ηλεκτρικά πεδία θα εστιάσουν εκ νέου αυτόματα την δέσμη για να εμποδίσουν τα ιόντα να χαθούν κατά την πορεία της σύγκρουσης τους.

Στο μέλλον, μια άλλη αναβάθμιση θα προσθέσει μία δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας στον επιταχυντή RHlC, κάνοντας τον έτσι τον μοναδικό επιταχυντή όπου θα συγκρούονται ηλεκτρόνια με βαρέα ιόντα. Με αυτό τον τρόπο θα αποκτήσουν οι φυσικοί μια ακριβή εικόνα του πυρήνα και της ισχυρής δύναμης που συγκρατεί τα κουάρκ και τα γκλουόνια μαζί.

Κάθε θεωρία που επιδιώκει να εξηγήσει το σχηματισμό του πρώιμου σύμπαντος πρέπει να μπορεί να υπολογίζει τις διαφορετικές ιδιότητες των συγκρούσεων που παρατηρούνται σε διάφορες τιμές της ενέργειας. Έτσι, μελετώντας τα χαρακτηριστικά του πλάσματος QGP χρησιμοποιώντας πολλούς επιταχυντές θα μπορούν να αναπτύξουν μια πιο ολοκληρωμένη θεωρία. Οι συγκρούσεις βαρέων ιόντων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN θα παράγουν ύλη σε θερμοκρασίες ίσως και δύο έως τρεις φορές υψηλότερες από αυτές που παρατηρήθηκαν στον αμερικανικό επιταχυντή RHIC.

Ακόμη και αν η ύλη αυτή είναι απίθανο να βρίσκεται στην κατάσταση του ιδανικού αερίου, όπως αρχικά προβλεπόταν από την κβαντική χρωμοδυναμική, μπορεί να είναι πιο κοντά σε εκείνη την μορφή που παρατηρήθηκε στον RHlC. Ας σημειωθεί ότι το γερμανικό ερευνητικό κέντρο για την φυσική βαρέων ιόντων, σήμερα κατασκευάζει μια μηχανή για την έρευνα αντιπρωτονίων και ιόντων (FAIR). Έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει τη λειτουργία του το 2016, και πρόκειται να μετρήσει τις ιδιότητες της πυρηνικής ύλης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από ό,τι στον RHIC ή του LHC.

Σαφώς ο συνδυασμός του αμερικανικού RHIC, του ευρωπαϊκού LHC και του γερμανικού FAIR θα μπορούσε να προσφέρει την πιο ολοκληρωμένη εικόνα για το περιεχόμενο του πυρήνα, αλλά και να επιλύσει πολλά από τα σημερινά μυστήρια που περιβάλλουν το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, φέρνοντας εμάς τους φυσικούς πιο κοντά στην κατανόηση της γέννησης του σύμπαντος και της ίδιας της φύσης της ύλης μέσα σε αυτήν.


physics4u