H Αλίκη στη χώρα των quarks

Ξεκι­νώ­ντας την περι­πλά­νη­ση στον κόσμο της επι­στή­μης, διά­λε­ξα να μιλή­σω για το θαυ­μα­στό εκεί­νο ταξί­δι της Αλί­κης (ALICE) που την οδή­γη­σε στη χώρα των quarks. Ένα ταξί­δι στα πλαί­σια της ατο­μι­κής, της πυρη­νι­κής και της σωμα­τι­δια­κής φυσι­κής. Ένα ταξί­δι ανα­ζή­τη­σης των συστα­τι­κών του κόσμου. Αν και… όχι όλων ακρι­βώς των συστα­τι­κών. Εδώ θα περιο­ρι­στώ στα σωμα­τί­δια.

Τι είναι όμως αυτά τα θαυ­μα­στά quarks;

Ας πάρου­με τα πράγ­μα­τα από την αρχή. Έχω παρ­κά­ρει τη χρο­νο­μη­χα­νή έξω από το σπί­τι μου. Φύγα­με!

Από την αρχαιό­τη­τα ακό­μη οι άνθρω­ποι εντό­πι­σαν ότι ο κόσμος συγκρο­τεί­ται από στοι­χειώ­δη, αδιά­σπα­στα σωμά­τια. Συγκε­κρι­μέ­να ο Λεύ­κιπ­πος και ο μαθη­τής του ο Δημό­κρι­τος ονό­μα­σαν τον στοι­χειώ­δη δομι­κό λίθο της ύλης ά‑τομο, λέξη που σημαί­νει κάτι το οποίο δεν επι­δέ­χε­ται τομή. Ο Δημό­κρι­τος δια­τύ­πω­σε τη θεω­ρία ότι το άτο­μο απο­τε­λεί­ται από ένα μικρό σωμα­τί­διο στο κέντρο του, τον πυρή­να, γύρω από το οποίο περι­φέ­ρο­νται κάποια σωμα­τί­δια.

Η ατο­μι­κή θεω­ρία του Δημό­κρι­του ήταν αυτή που υπε­ρί­σχυ­σε κατά το μεσαί­ω­να. Κατά την περί­ο­δο της Ανα­γέν­νη­σης (15ος-16ος αι.) μεγά­λοι στο­χα­στές όπως ο Κοπέρ­νι­κος, ο Κέπλερ, ο Γαλι­λαί­ος αρχί­ζουν να απορ­ρί­πτουν τις ιδέ­ες των Αρχαί­ων Ελλή­νων φιλο­σό­φων, χρη­σι­μο­ποιώ­ντας την παρα­τή­ρη­ση και το πεί­ρα­μα και εισά­γο­ντας την δια­δι­κα­σία της Επι­στη­μο­νι­κής Μεθό­δου. Η ατο­μι­κή θεω­ρία επα­νέρ­χε­ται στο προ­σκή­νιο από τον John Dalton ο οποί­ος την χρη­σι­μο­ποιεί για να ερμη­νεύ­σει τις χημι­κές αντι­δρά­σεις.

Κατά τη διάρ­κεια του 19ου αι. η μακρο­χρό­νια μελέ­τη της φύσης των ηλε­κτρι­κών εκκε­νώ­σε­ων σε σωλή­νες κενού οδη­γεί τους φυσι­κούς στο ηλε­κτρό­νιο. Συγκε­κρι­μέ­να το 1895 στο Παρί­σι, ο Γάλ­λος φυσι­κός Jean Baptiste Perrin απο­δει­κνύ­ει ότι οι καθο­δι­κές ακτί­νες είναι αρνη­τι­κά φορ­τι­σμέ­να σωμα­τί­δια, ανοί­γο­ντας το δρό­μο για την ανα­κά­λυ­ψή του. Την πρό­τα­ση του όρου «ηλε­κτρό­νιο» είχε ήδη κάνει ο Ιρλαν­δός νομπε­λί­στας φυσι­κός George Johnstone Stoney το 1894. Το 1895 ο Wilhelm Roentgen ανα­κα­λύ­πτει τις ακτί­νες Χ.

Το 1896, ο Hendrik Lorentz, προ­σπα­θώ­ντας να εξη­γή­σει το φαι­νό­με­νο Zeeman, δια­τυ­πώ­νει την ιδέα ότι τα ηλε­κτρό­νια βρί­σκο­νται μέσα στο άτο­μο. Το επό­με­νο έτος (1897) γίνε­ται η ανα­κά­λυ­ψη της ύπαρ­ξης ελεύ­θε­ρων ηλε­κτρο­νί­ων υπό μορ­φή καθο­δι­κών ακτί­νων από τον σερ J.J. Thomson και απο­δει­κνύ­ε­ται ότι τα ηλε­κτρό­νια του Lorentz, αλλά κι εκεί­να που παρα­τη­ρού­νται σε άλλα φαι­νό­με­να, όπως το φωτοη­λε­κτρι­κό, είναι ίδια με τα ηλε­κτρό­νια του Thomson. Το 1898 Οι Marie και Pierre Curie ξεχω­ρί­ζουν τα ραδιε­νερ­γά στοι­χεία.

Το μοντέ­λο του ατό­μου εξε­λίσ­σε­ται από τον σερ J.J. Thomson ο οποί­ος το Μάρ­τιο του 1904 προ­τεί­νει το μοντέ­λο του στα­φι­δό­ψω­μου. Σύμ­φω­να με αυτό, το άτο­μο είναι ένα σωμα­τί­διο φορ­τι­σμέ­νο θετι­κά μέσα στο οποίο κυκλο­φο­ρούν ελεύ­θε­ρα μικρό­τε­ρα ηλε­κτρι­κά αρνη­τι­κά φορ­τία, τα ηλε­κτρό­νια, όπως οι στα­φί­δες στο στα­φι­δό­ψω­μο. Ο αριθ­μός των ηλε­κτρο­νί­ων είναι τέτοιος ώστε το συνο­λι­κό φορ­τίο του ατό­μου να είναι μηδέν.

Ο Thomson κατά­φε­ρε να μετρή­σει το λόγο του φορ­τί­ου προς τη μάζα του ηλε­κτρο­νί­ου με αρκε­τά καλή ακρί­βεια. Το 1906 πήρε το Νόμπελ Φυσι­κής.

Λίγο αργό­τε­ρα (1911) ο Ernest Rutherford, καθη­γη­τής στο πανε­πι­στή­μιο του Μάν­τσε­στερ, πραγ­μα­το­ποιώ­ντας σε συνερ­γα­σία με τον Geiger πει­ρά­μα­τα σκέ­δα­σης σωμα­τι­δί­ων α σε λεπτά μεταλ­λι­κά φύλ­λα χρυ­σού (πεί­ρα­μα Geiger-Marsden ή κατά άλλους πεί­ρα­μα Rutherford), οδη­γεί­ται στην υπό­θε­ση ότι το άτο­μο δεν είναι αδιαί­ρε­το αλλά απο­τε­λεί­ται από δύο περιο­χές, εκεί­νη του πυρή­να και εκεί­νη των ηλε­κτρο­νί­ων, παρο­μοιά­ζο­ντάς το με το ηλια­κό σύστη­μα. Το μοντέ­λο του, που χαρα­κτη­ρί­ζε­ται ως «πλα­νη­τι­κό», προ­τεί­νει το άτο­μο να συγκρο­τεί­ται από έναν πυρή­να με θετι­κό φορ­τίο στο κέντρο, γύρω από τον οποίο περι­φέ­ρο­νται τα ηλε­κτρό­νια του Thomson, τα οποία φέρουν αρνη­τι­κό φορ­τίο και έχουν μάζα πάρα πολύ μικρή σε σχέ­ση με εκεί­νη του πυρή­να.

Τις προη­γού­με­νες μέρες ερευ­νού­σα­με τη σκέ­δα­ση σωμα­τι­δί­ων άλφα και ο δόκτωρ Geiger, στο μικρό μας εργα­στή­ριο, είχε μελε­τή­σει το ζήτη­μα λεπτο­με­ρώς. Είχε δια­πι­στώ­σει ότι ο σκε­δα­σμός σωμα­τι­δί­ων σε λεπτά φύλ­λα από βαρύ μέταλ­λο ήταν κατά κανό­να ελά­χι­στος, συνή­θως της τάξε­ως της μιας μοί­ρας. Μια μέρα ο Geiger ήρθε και μου είπε: «Ο νεα­ρός Marsden, στον οποίο αυτή την επο­χή έχω ανα­θέ­σει την έρευ­να φαι­νο­μέ­νων ραδιε­νέρ­γειας θα μπο­ρού­σε να αρχί­σει μία πιο διε­ξο­δι­κή έρευ­να πάνω στη σκέ­δα­ση των σωμα­τι­δί­ων άλφα». Ποια είναι η γνώ­μη σας;» Είχα την ίδια γνώ­μη, γι αυτό του απά­ντη­σα «Να του ζητή­σου­με να ερευ­νή­σει μήπως ορι­σμέ­να σωμα­τί­δια άλφα σκε­δά­ζο­νται υπό μεγά­λες γωνί­ες» Ομο­λο­γώ πάντως 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 Γκάι­γκερ φανε­ρά συγκι­νη­μέ­νος και μου είπε: «Κατα­φέ­ρα­με τελι­κά και δια­πι­στώ­σα­με ότι ορι­σμέ­να σωμα­τί­δια άλφα κυριο­λε­κτι­κά επι­στρέ­φουν πίσω.

Ήταν το πιο απί­στευ­το πράγ­μα που είχε ποτέ συμ­βεί μέσα σε εργα­στή­ριο. Ήταν το ίδιο απί­στευ­το ΣΑΝ ΝΑ ΠΥΡΟΒΟΛΟΥΣΕΣ ΕΝΑ ΦΥΛΛΟ ΧΑΡΤΙ ΜΕ ΕΝΑ ΒΛΗΜΑ 15 ΙΝΤΣΩΝ ΚΑΙ ΤΟ ΒΛΗΜΑ ΝΑ ΕΚΑΝΕ ΓΚΕΛ ΣΤΟ ΧΑΡΤΙ ΚΑΙ ΝΑ ΓΥΡΙΖΕ ΠΙΣΩ ΝΑ ΣΕ ΣΚΟΤΩΣΕΙ. Στο­χα­ζό­με­νος πάνω σ’ αυτό κατέ­λη­ξα στο ότι η επι­στρο­φή του σωμα­τι­δί­ου δεν μπο­ρεί παρά να είναι η συνέ­πεια μιας μονα­δι­κής σύγκρου­σης. Κάνο­ντας,. Στη συνέ­χεια, τους υπο­λο­γι­σμούς κατέ­λη­ξα στο συμπέ­ρα­σμα ότι ήταν αδύ­να­τον να θεω­ρή­σου­με οτι­δή­πο­τε άλλο εκτός από το ότι ΣΤΟ ΚΕΝΤΡΟ ΚΑΘΕ ΑΤΟΜΟΥ, σε κάποιον πυρή­να, ΗΤΑΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΜΕΝΟ ΤΟ ΜΕΓΙΣΤΟ ΠΟΣΟΣΤΟ ΤΗΣ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ. Ήταν τότε που συγκρό­τη­σα την ιδέα ενός ατό­μου με μικρο­σκο­πι­κό πυρή­να με ηλε­κτρι­κό θετι­κό φορ­τίο.»

Ernest Rutherford , 25 χρό­νια μετά.