Ο µανδύας του χωροχρόνου

Βρετανοί επιστήµονες οραµατίζονται το µέλλον σαν το «Σταρ Τρεκ»
Η εικόνα είναι βγαλµένη από ταινία επιστηµονικής φαντασίας, όµως κάποια στιγµή ένας «χωροχρονικός µανδύας» θα µας επιτρέπει να «κρύβουµε» ιστορικά γεγονότα, µοντάροντας χρονικές περιόδους. Ο µανδύας θα επιβραδύνει και θα επιταχύνει το φως δηµιουργώντας την ψευδαίσθηση ότι κάποια γεγονότα δεν συνέβησαν ποτέ.
Οποιος θα φορά τον µανδύα θα µπορεί, για παράδειγµα, να ταξιδεύει, ενώ θα φαίνεται ότι έχει εξαφανισθεί, και να εµφανίζεται ξαφνικά σε ένα άλλο µέρος – περίπου όπως γινόταν ο «διακτινισµός» στον τηλεµεταφορέα της σειράς «Σταρ Τρεκ». Οι επιστήµονες του Imperial College του Λονδίνου αναφέρονται στη χρήση νέων υλικών, τα λεγόµενα µεταυλικά, σχεδιασµένα σε µοριακό επίπεδο να αλληλεπιδρούν και να ελέγχουν ηλεκτροµαγνητικά κύµατα, που πάντως δεν αναµένεται να είναι έτοιµα προς χρήση πριν περάσουν κάποιες δεκαετίες.
Οι επιστήµονες πριν αρκετούς µήνες είχαν δείξει µια πιθανή χρήση των µεταυλικών – να γίνονται κάποια αντικείµενα αόρατα κάνοντας το φωςνα αποκλίνει απόαυτά.
Οµως ο καθηγητής Μάρτιν Μακόλ δήλωσε χθες πως έχει επεκτείνει την ιδέα της «αορατότητας» σε έναν µανδύα, ο οποίος µπορεί επίσης να κρύβει γεγονότα τόσο στον χώρο όσο και στον χρόνο. Στην έρευνα που δηµοσιεύθηκε χθες στην Επιθεώρηση Οπτικής, ο Μακόλ, που διευκρινίζει ότι το όλο θέµα ανήκει προς το παρόν σε µια µαθηµατική θεωρία, περιγράφει ότι θεωρητικά είναι πιθανόν τα µεταυλικά να «χειραγωγήσουν» τις ακτίνες του φωτός καθώς µπαίνουν σε ένα υλικό έτσι ώστε κάποια µέρη να επιταχύνουν και κάποια να επιβραδύνουν. Αυτό µπορεί να δηµιουργήσει «τυφλά σηµεία» στον χρόνο, καλύπτοντας ένα γεγονός. Την ώρα που το επιταγχυµένο φως φθάνει σε κάποιο χώρο πριν συµβεί το γεγονός, το υπόλοιπο φως δεν φθάνει στο ίδιο σηµείο παρά µετά το γεγονός.

«Εάν είχες κάποιον να περπατά σε έναν διάδροµο, κάποιος που έβλεπε την εικόνα από µακριά θα νόµιζε ότι είχε µεταφερθεί από το ένα άκρο στο άλλο στιγµιαία», δήλωσε ο καθηγητής. «Αρα θεωρητικά, αυτό το άτοµο µπορεί να κάνει κάτι χωρίς να το δουν οι άλλοι». Ο Αλµπέρτο Φαβάρο, που συµµετέχει στο πρόγραµµα, συγκρίνει τη διαδικασία µε το να διασχίσει ένας πεζός µια λεωφόρο γεµάτη αυτοκίνητα, επιταχύνοντας όσα αµάξια βρίσκονται στούψος του και επιβραδύνοντας όσα τον πλησιάζουν. «Ενας παρατηρητής το µόνο που θα βλέπει θα είναι τα αµάξια να κινούνται», λέει.
www.tanea.gr

Πόσο σταθερές είναι οι «παγκόσμιες σταθερές»;

ΤΟΥ X. BAΡΒΟΓΛΗ
 Η παρατήρηση ότι ορισμένες από τις «παγκόσμιες σταθερές» δεν έχουν τελικά δεδομένη τιμή έχει τεράστιο αντίκτυπο στην αντίληψή μας για τον κόσμο. Μπορεί ακόμη και να σημαίνει ότι είμαστε πιο «μόνοι» στο Σύμπαν από ό,τι νομίζουμε...
Το γενικά αποδεκτό οικοδόμημα της Φυσικής σήμερα βασίζεται στην ύπαρξη ορισμένων σταθερών ποσοτήτων, οι οποίες ονομάζονται «φυσικές σταθερές». Τέτοια φυσική σταθερά, για παράδειγμα, είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό, η οποία οι περισσότεροι γνωρίζουμε ότι ισούται με 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Τα αποτελέσματα ορισμένων πειραμάτων όμως φαίνεται να δείχνουν ότι μερικές από αυτές τις «φυσικές σταθερές» δεν είναι και τόσο σταθερές. Τα τελευταία αποτελέσματα μιας ομάδας αυστραλών φυσικών, οι οποίοι ασχολούνται για πολλά χρόνια με μετρήσεις αυτού του είδους, καταλήγουν σε ένα πραγματικά απίστευτο συμπέρασμα: η τιμή της βασικότερης από όλες τις σταθερές της Φυσικής, αυτής που ονομάζεται σταθερά λεπτής υφής, εξαρτάται από την περιοχή του Σύμπαντος στην οποία κάνουμε τη μέτρηση.

Η σταθερά λεπτής υφής
Από όλες τις σταθερές της Φυσικής, εκείνη που έχει προβληματίσει περισσότερο τους επιστήμονες είναι η σταθερά λεπτής υφής, την οποία εισήγαγε το 1916 ο γερμανός νομπελίστας Ζόμερφελντ (Αrnold Sommerfeld, 1868-1951) για να ερμηνεύσει τη λεπτομερή δομή των φασμάτων των διαφόρων στοιχείων. Στη θεωρία του Ζόμερφελντ η σταθερά αυτή συμβολιζόταν με το ελληνικό γράμμα άλφα και ήταν ίση με το πηλίκο της ταχύτητας του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου, διαιρεμένη με την ταχύτητα του φωτός. Από τότε η σύγχρονη Κβαντομηχανική.....
έχει ξεπεράσει την αρχική θεωρία του Ζόμερφελντ, όμως η σταθερά λεπτής υφής α εξακολουθεί να αποτελεί βασική σταθερά της Φυσικής και να έχει την ίδια αριθμητική τιμή, ίση περίπου με 1/137. Η διαφορά είναι ότι τώρα την ορίζουμε με τη σχέση α = e^2/2 πhc, όπου e είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου, h η σταθερά του Πλανκ, c η ταχύτητα του φωτός και π = 3,14. Τι το ιδιαίτερο έχει αυτή η σταθερά, που την κάνει να ξεχωρίζει από τις υπόλοιπες σταθερές της Φυσικής; Η απάντηση είναι πολύ απλή: η σταθερά αυτή δεν έχει μονάδες, είναι δηλαδή αυτό που λέμε καθαρός αριθμός. Με άλλα λόγια η τιμή της δεν αλλάζει οποιοδήποτε σύστημα μονάδων και αν χρησιμοποιούμε για να μετρήσουμε τις αποστάσεις, τον χρόνο και το φορτίο. Ο διάσημος αμερικανός νομπελίστας Ρίτσαρντ Φάινμαν είχε κάποτε γράψει για τη σταθερά λεπτής υφής πως «το μόνο που μπορούμε να πούμε για αυτήν είναι ότι την έγραψε το χέρι του Θεού,και δεν γνωρίζουμε καν πώς χειρίστηκε το μολύβι του!». Εξαρτημένη από τη... θέση!
Επειδή η τιμή της σταθεράς λεπτής υφής δεν εξαρτάται από το σύστημα μονάδων που χρησιμοποιούμε όταν εκτελούμε ένα πείραμα για να τη μετρήσουμε, η διαπίστωση ότι έχει μεταβλητή τιμή σημαίνει αυτό ακριβώς που καταλαβαίνει και ο μη ειδικός. Αντίθετα, αν για παράδειγμα μετρήσουμε την ταχύτητα του φωτός χθες και σήμερα, και διαπιστώσουμε ότι είναι διαφορετική τις δύο ημέρες, μπορεί να σημαίνει ότι άλλαξε όντως η τιμή αλλά μπορεί και να σημαίνει, π.χ., είτε ότι έχει αλλάξει ο ρυθμός με τον οποίο κυλάει ο χρόνος είτε ότι έχει αλλάξει το μήκος του «χάρακα» με τον οποίο μετράμε τις αποστάσεις. Αυτός είναι ο λόγος που η ομάδα του αυστραλού φυσικού Τζον Γουέμπ (John Webb) ασχολείται για περισσότερο από δέκα χρόνια με την όσο το δυνατόν πιο ακριβή μέτρηση της τιμής αυτής της σταθεράς. Η μέθοδος της ομάδας βασίζεται στη μέτρηση του μήκους κύματος των φασματικών γραμμών διάφορων στοιχείων σε μακρινούς γαλαξίες. Επειδή το μήκος κύματος των φασματικών γραμμών εξαρτάται από την τιμή της σταθεράς α, αν διαπιστωθεί ότι αλλάζει μεταξύ των κοντινών και των μακρινών γαλαξιών και αποκλείσουμε όλες τις πηγές πειραματικών σφαλμάτων, μπορούμε να καταλήξουμε με βεβαιότητα ότι η «σταθερά» α δεν είναι σταθερά!

Η αυστραλέζικη ομάδα είχε διαπιστώσει από τις αρχές της δεκαετίας του 2000 μετρήσιμες μεταβολές του α μεταξύ κοντινών και απομακρυσμένων γαλαξιών. Ωστόσο, επειδή όταν παρατηρούμε μακρινούς γαλαξίες τους βλέπουμε όπως ήταν στο παρελθόν, δεν ήταν δυνατό να διαπιστωθεί αν οι μεταβολές ήταν χωρικές ή χρονικές, δηλαδή αν η τιμή του α αλλάζει με τον χρόνο ή με τη θέση στο Σύμπαν. Για να εντοπίσουν τι από τα δύο συμβαίνει, ο Τζον Γουέμπ και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν παρατηρήσεις γαλαξιών από δύο διαφορετικά τηλεσκόπια, το αμερικανικό τηλεσκόπιο Κeck στη Χαβάη (που παρατηρεί το βόρειο ημισφαίριο του ουρανού) και το ευρωπαϊκό τηλεσκόπιο VLΤ στη Χιλή (που παρατηρεί το νότιο). Το πρόσφατο αποτέλεσμα της ομάδας, το οποίο ανακοινώθηκε στο εφετινό πανευρωπαϊκό συνέδριο Αστρονομίας που έγινε τον περασμένο Σεπτέμβριο στη Λισαβόνα, είναι ότι η τιμή της σταθεράς λεπτής υφής εξαρτάται από τη θέση. Ζωή μόνο εκεί όπου το α έχει σωστή τιμή
Αν το επαναστατικό αυτό συμπέρασμα επιβεβαιωθεί με νεότερα πειράματα, θα υπάρξουν σημαντικότατες συνέπειες όχι μόνο στη Φυσική γενικά, αφού οι ποσότητες που θεωρούμε παγκόσμιες σταθερές στην πραγματικότητα δεν είναι, αλλά και σε ένα θέμα που απασχολεί τον μέσο πολίτη, δηλαδή την πιθανότητα ύπαρξης ζωής σε άλλους πλανήτες. Ο λόγος είναι ότι η ύπαρξη των απαραίτητων συνθηκών για την εμφάνιση ζωής εξαρτάται με πολύ ευαίσθητο τρόπο από τις τιμές των βασικών σταθερών της Φυσικής. Ειδικότερα είναι γνωστό ότι κατά τη Μεγάλη Εκρηξη δημιουργήθηκαν μόνο υδρογόνο και ήλιο. Ολα τα άλλα βαρύτερα στοιχεία, όπως είναι για παράδειγμα ο άνθρακας, το οξυγόνο και το άζωτο, δημιουργούνται στους πυρήνες των αστέρων και η δημιουργία τους εξαρτάται από την τιμή της σταθεράς της λεπτής υφής. Αν η τιμή του α ήταν μεγαλύτερη μόνο κατά 4%, τότε δεν θα ήταν δυνατή η παραγωγή του άνθρακα, οπότε δεν θα υπήρχε στο Σύμπαν το χημικό στοιχείο που σήμερα γνωρίζουμε ότι αποτελεί το βασικό συστατικό όλων των έμβιων όντων στη Γη. Επομένως, αν η τιμή της σταθεράς λεπτής υφής εξαρτάται όντως από τη θέση στο Σύμπαν, τότε η ανάπτυξη ζωής θα είναι δυνατή μόνο σε εκείνες τις περιοχές όπου το α έχει τη «σωστή» τιμή, και άρα η ύπαρξη ζωής στο Σύμπαν ίσως να είναι πολύ πιο σπάνια από όση υπολογίζεται με την κλασική υπόθεση των «σταθερών» σταθερών.

Τι συμβαίνει με τις άλλες σταθερές;
Κατά καιρούς έχουν προταθεί θεωρίες που υποθέτουν μεταβλητές τις τιμές και άλλων φυσικών σταθερών, όπως είναι για παράδειγμα η τιμή της ταχύτητας του φωτός ή της παγκόσμιας σταθεράς της βαρύτητας. Μία από αυτές της πρώτης ομάδας, μάλιστα, έχει προταθεί από τον έλληνα φυσικό Δημήτρη Νανόπουλο. Ωστόσο ως σήμερα δεν έχουν υπάρξει σημαντικά πειραματικά δεδομένα που να επιβεβαιώνουν τέτοιου είδους μεταβολές.
www.tovima.gr

Τι έδειξε το LEP για το σωματίδιο Higgs

Μια ουσιώδης πλευρά του καθιερωμένου προτύπου που παραμένει ανολοκλήρωτη αφορά το πεδίο Higgs. Σ’ αυτό στηρίζεται η θεωρία για να δώσει μάζα στα ηλεκτρόνια, κουάρκ και τα μποζόνια W και Ζ. Το πεδίο Higgs διαφέρει ουσιωδώς από όλα τα υπόλοιπα πεδία. Το Η/Μ πεδίο φέρει ενέργεια. Η ενέργεια μιας περιοχής του χώρου εγγίζει το ελάχιστο δυνατό της σημείο όταν το Η/Μ πεδίο μηδενίζεται παντού μέσα σ’ αυτήν. Το μηδενικό πεδίο αποτελεί την φυσιολογική κατάσταση εν απουσία φορτισμένων σωματιδίων. Παραδόξως το καθιερωμένο πρότυπο απαιτεί η ενέργεια να ελαχιστοποιείται όταν το πεδίο Higgs λαμβάνει κάποια συγκεκριμένη μη μηδενική τιμή. Κατά συνέπεια, ένα μη μηδενικό πεδίο Higgs είναι πανταχού παρόν στο σύμπαν, πεδίο με το οποίο αλληλεπιδρούν συνεχώς τα σωματίδια καθώς ταξιδεύουν διαμέσου του – όπως οι άνθρωποι που βαδίζουν με κόπο τσαλαβουτώντας μέσα στο νερό. Η αλληλεπίδραση αυτή τους δίνει τη μάζα τους, την αδράνειά τους. Τα κβάντα του πεδίου Higgs είναι τα μποζόνια Higgs.
Στο καθιερωμένο πρότυπο δεν υπάρχει η δυνατότητα να προβλεφθεί καμιά μάζα σωματιδίου από πρώτες αρχές, κάτι το οποίο ισχύει και για τη μάζα του ίδιου του μποζονίου Higgs. Μπορεί κανείς ωστόσο να χρησιμοποιήσει άλλα μεγέθη τα οποία έχουν μετρηθεί για να υπολογίσει κάποιες μάζες, όπως οι μάζες των μποζονίων W και Ζ και του τοπ(αληθινού) κουάρκ. Οι πειραματιστές του LEP (Ο Large Electron–Positron Collider λειτουργούσε στο CERN από το 1989 έως το 2000) μέτρησαν περίπου 20 μεγέθη τα οποία στο καθιερωμένο πρότυπο αλληλεξαρτώνται. Συνδυάζοντας την μάζα του μποζονίου Higgs με τα μεγέθη αυτά, η προσαρμογή των δεδομένων δίνει ένα άνω όριο στη μάζα του Higgs, M(Higgs)<200GeV [Υπενθυμίζεται ότι M(p)~0,9GeV και M(top quark)~174 GeV]. Στο LEP έφθασαν μέχρι και λέγεται ότι κάποια γεγονότα ίσως έδειξαν μποζόνια Higgs. Μπορούμε πάντως να πούμε ότι

Αναμένεται συνεπώς ότι το LHC θα είναι ένα εργοστάσιο παραγωγής μποζονίων Higgs. Επίσης στο Tevatron είναι πιθανόν να παραχθούν μερικά από τα ελαφρότερα νέα υπερσυμμετρικά σωματίδια που προβλέπει το Ελάχιστο Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Πρότυπο, ενώ στο LHC αναμένεται να παραγάγει πληθώρα υπερσυντρόφων, εάν και εφόσον υπάρχουν. Σημειώνεται ότι ο ελαφρότερος υπερσύντροφος προβάλλει ως ένας από τους κύριους υποψηφίους για το ρόλο του σωματιδίου από το οποίο συνίσταται η ψυχρή σκοτεινή ύλη του σύμπαντος.
Gordon Kane «Η επέκταση του καθιερωμένου προτύπου», Scientific American, Νοέμβριος 2003

ΠΕΡΑΝ ΤΟΥ ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ

Το καθιερωμένο πρότυπο επεκτείνει την κλασική έννοια της δύναμης: εκτός από το να απωθούνται και να έλκονται μεταξύ τους, τα σωματίδια όταν έρχονται σε αλληλεπίδραση μπορούν να μεταβάλλουν την ταυτότητά τους ή ακόμη και να δημιουργούνται ή να αφανίζονται. Στα διαγράμματα Feynman (δεξιά) οι ευθείες γραμμές παριστάνουν τις τροχιές των σωματιδίων ύλης, ενώ οι κυματιστές γραμμές τις τροχιές σωματιδίων πεδίου.

(α) το εισερχόμενο ηλεκτρόνιο εκπέμπει ένα φωτόνιο και απομακρύνεται κινούμενο προς άλλη κατεύθυνση.
(β) Η ισχυρή δύναμη συνδέεται με την εκπομπή (και απορρόφηση) γλοιονίων από κουάρκ.
(γ),(δ) Η ασθενής δύναμη προκαλείται από την ανταλλαγή σωματιδίων W και Ζ, που εκπέμπονται και απορροφούνται, τόσο από τα κουάρκ όσο και από τα λεπτόνια [δηλαδή από τα ηλεκτρόνια, τα μιόνια, τα ταυ και τα αντίστοιχά τους νετρίνα]. Προσέξτε πως το W κάνει το ηλεκτρόνιο να αλλάξει ταυτότητα.
(ε) (ζ) Τα γλοιόνια αλληλεπιδρούν και μεταξύ τους και το ίδιο ισχύει και για τα μποζόνια W και Ζ. Αντίθετα τα φωτόνια αλληλεπιδρούν μόνο με τα σωματίδια ύλης.
Τα διαγράμματα (α) έως (ζ) ονομάζονται κορυφές αλληλεπίδρασης. Οι δυνάμεις παράγονται με το συνδυασμό δύο ή περισσότερων τέτοιων κορυφών. π.χ.
(η) η ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ ενός ηλεκτρονίου και ενός κουάρκ κατά μεγάλο μέρος παράγεται από την ανταλλαγή ενός φωτονίου.

Η επέκταση του καθιερωμένου προτύπου που συγκεντρώνει τις προτιμήσεις των περισσότερων σωματιδιακών φυσικών είναι το Ελάχιστο Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Πρότυπο (ΕΥΚΠ). Η υπερσυμμετρία επισυνάπτει σε κάθε είδος σωματιδίων έναν υπερσυμμετρικό σύντροφο. Αν και για τις μάζες αυτών των υπερσυντρόφων είναι ελάχιστα γνωστά, λόγω της υπερσυμμετρίας οι αλληλεπιδράσεις τους υπόκεινται σε στενότατους περιορισμούς. Άπαξ και μετρηθούν οι μάζες, οι πειραματικές προβλέψεις του ΕΥΚΠ θα υπόκεινται σε ακόμη στενότερους περιορισμούς από εκείνες του καθιερωμένου προτύπου λόγω των μαθηματικών σχέσεων που επιβάλλει στη θεωρία η υπερσυμμετρία....

Οι Μονάδες ενώνουν τον κόσμο

Το Διεθνές Σύστημα Μονάδων,  γνωστό ως SI - ποιός δεν θυμάται το S(ystem) I(nternational) που μας έσπαγε τα νεύρα στο μάθημα της Φυσικής - γίνεται 50 ετών αυτό το μήνα. Κι αυτό είναι λόγος για γιορτή, μας λέει ο Brian Bowsher, επικεφαλής του National Physical Laboratory στο Ηνωμένο Βασίλειο.
Το Διεθνές Σύστημα Μονάδων ιδρύθηκε το 1960 σε ένα συνέδριο στο Παρίσι. Εκεί συμφωνήθηκε ένα διεθνές πρότυπο για τις βασικές μονάδες, όπως είναι το μέτρο, η μονάδα μέτρησης του μήκους....
Αυτό έχει μεγάλη σημασία για το εμπόριο, καθώς η ζωή γίνεται δύσκολη με πολλές διαφορετικές μονάδες. Ακόμη και σήμερα, υπάρχουν τρία είδη γαλονιών. Μην έχοντας ένα παγκόσμιο σύστημα μονάδων μπορεί να οδηγηθούμε σε καταστροφές, όπως όταν η NASA έχασε 125 εκατομμύρια δολάρια το 1999. Το διαστημικό σκάφος Mars Climate Orbiter καταστράφηκε μπαίνοντας κατά λάθος στην ατμόσφαιρα του Άρη, κι αυτό διότι οι υπεύθυνοι της πλοήγησης δεν χρησιμοποίησαν το Διεθνές Σύστημα μονάδων!
Από το 1983, όλες οι μονάδες στο SI έχουν καθοριστεί διαμέσου των παγκόσμιων  φυσικών σταθερών. Το μέτρο τώρα ορίζεται ως η απόσταση που διανύει το φως στο κενό σε 1 / 299792,458 του δευτερολέπτου.
Μόνο το κιλό εξακολουθεί να ορίζεται από ένα φυσικό αντικείμενο - τη μάζα ενός κυλίνδρου από κράμα λευκόχρυσου-ιριδίου, που είναι τοποθετημένο σε έναν υπόγειο θάλαμο των Σεβρών, στη Γαλλία - και αυτό σχεδιάζουμε να το αλλάξουμε.
Τι σημαίνει αυτό για τον πραγματικό κόσμο;
Σημαντική βελτίωση στην τυποποίηση - και την ακρίβεια. Η ακρίβεια απαιτείται σε τομείς όπως η ακτινοθεραπεία για τον καρκίνο, όπου η δόση που χορηγείται κατά του όγκου του ασθενούς θα πρέπει να είναι απόλυτα καθορισμένη σε συγκεκριμένα όρια. Αν ξεπεραστούν τα λεπτά αυτά όρια, αντί να σκοτώνονται τα καρκινικά κύτταρα, καταστρέφονται τα υγιή...