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.
Ernest Rutherford , 25 χρόνια μετά.
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.»
