το σωματίδιο που έφερε επανάσταση στη φυσική του 20ου αιώνα

Όταν μαθαίνουμε τις ιδιότητες του ατόμου και των ατομικών πυρήνων τίθεται ένα ερώτημα που συνήθως περνά απαρατήρητο, αλλά που πρέπει βάλαμε όλους τους συναγερμούς μας αφού μας εξηγούν ότι «παρόμοια φορτία απωθούνται μεταξύ τους». Εάν οι ατομικοί πυρήνες των βαρύτερων ατόμων περιέχουν δεκάδες πρωτόνια συγκεντρωμένα σε ένα μικροσκοπικό χώρο, γιατί δεν ανατινάζονται όλοι αυτοί οι πυρήνες; Πώς μπορούν να υπάρχουν σταθεροί πυρήνες αν τα πρωτόνια έπρεπε να απωθούν το ένα το άλλο με μεγάλη ένταση επειδή όλα έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο και είναι τόσο στριμωγμένα μεταξύ τους;

Νέες δυνάμεις

Αν στο σύμπαν οι μόνες δύο δυνάμεις που υπαγορεύουν τη συμπεριφορά των σωματιδίων (και κατά συνέπεια όλων των άλλων) ήταν οι βαρυτική και το ηλεκτρομαγνητικόςατομικοί πυρήνες βαρύτεροι από το υδρογόνο δεν μπορούσαν να υπάρχουν. Μόλις δύο πρωτόνια ενώθηκαν για να σχηματίσουν έναν πυρήνα ηλίου, θα αποσυντεθεί λόγω της αμοιβαίας ηλεκτρικής απώθησης των πρωτονίων. Κι όμως είναι εκεί 92 τύποι σταθερών ατόμων διαφορετικό από τη φύση του και καταφέραμε να συνθέσουμε άλλα μέχρι τα 118 που αποτελούν τον περιοδικό πίνακα σήμερα. Ο λόγος που υπάρχουν άτομα βαρύτερα από το υδρογόνο και το σύμπαν δεν αποτελείται αποκλειστικά από γιγάντια νέφη υδρογόνου ή καθαρά αστέρια υδρογόνου είναι επειδή ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση. Αυτή η αλληλεπίδραση επηρεάζει τόσο τα πρωτόνια όσο και τα νετρόνια και είναι ικανή να υπερνικήσει την ηλεκτρομαγνητική απώθηση.

Τώρα είμαστε πολύ ξεκάθαροι σε αυτό το σημείο γιατί ήδη πριν από έναν αιώνα υπήρχαν άνθρωποι που έκαναν τις ίδιες ερωτήσεις στον εαυτό τους. Στη δεκαετία του 1930, το μυστήριο της συνοχής του ατομικού πυρήνα μπέρδεψε τους επιστήμονες. Οι γνωστές δυνάμεις, η βαρύτητα και ο ηλεκτρομαγνητισμός, δεν ήταν επαρκείς για να εξηγήσουν πώς τα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσα στον πυρήνα μπορούσαν να ξεπεράσουν την τάση τους να απωθούν το ένα το άλλο και να καταφέρουν να παραμείνουν μαζί. Ήταν εδώ που ο Ιάπωνας φυσικός Hideki Yukawaχρησιμοποιώντας βαθιά γνώση της φυσικής και μια δόση διαίσθησης, πρότεινε μια επαναστατική ιδέα γύρω στο 1935.

Yukawa Inn

Αν και οι γνώσεις μας δεν μπορούσαν να εξηγήσουν τη σταθερότητα των ατομικών πυρήνων, η πραγματικότητα ήταν ότι ήταν ακόμα εκεί, χωρίς να διαλυθούν. Πρέπει λοιπόν να υπήρχε κάτι που τους κρατούσε ενωμένους. Η πρόκληση ήταν να καταλάβουμε τι θα μπορούσε να είναι. Ο Yukawa φαντάστηκε την ύπαρξη ενός σωματιδίου που δεν είχε ξαναδεί που θα ήταν η ουσιαστική κόλλα του σύμπαντος στο πιο θεμελιώδες του επίπεδο. Πρότεινε ότι μια νέα δύναμη, αργότερα γνωστή ως ισχυρή πυρηνική δύναμη, ήταν υπεύθυνη για τη συγκράτηση των πρωτονίων και των νετρονίων στον πυρήνα. Πώς όμως λειτουργούσε αυτή η δύναμη; Η απάντηση του Yukawa ήταν τόσο απλή όσο και κομψή: μέσω ενός μεσολαβητικού σωματιδίου, το οποίο κάλεσε “μεσόνιο”σήμερα γνωστό ως “πρωτοπόρος”. Το όνομα μεσόνιο εισήχθη από τον Yukawa, εμπνευσμένο από το μέσος (mesos), την ελληνική λέξη για το “ενδιάμεσο”, καθώς αυτό το σωματίδιο θα λειτουργούσε ως ενδιάμεσος μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων, μεταδίδοντας εκείνη την έντονη έλξη που τα συγκρατούσε. Πρότεινε επίσης το όνομα που του δίνεται σήμερα, «pión». Συγκεκριμένα, πρότεινε το σύμβολο για να το χαρακτηρίσει, π, γιατί έχει α εμφάνιση σαν kanji που σημαίνει ακριβώς «διαμεσολαβώ», έργο που αντιστοιχούσε στο πιόνιο.

Η ιδέα του Yukawa προήλθε από μια οξυδερκή παρατήρηση. Συνειδητοποίησε ότι, όπως ακριβώς είναι το φωτόνιο μεσολαβητής της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, ένα τέτοιο σωματίδιο πρέπει να υπάρχει για την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Ωστόσο, αυτό το σωματίδιο έπρεπε να είναι διαφορετικό. Αν και τα φωτόνια είναι χωρίς μάζα, ο Yukawa υπέθεσε ότι το μεσόνιό του ναι, έπρεπε να το είχαπου θα εξηγούσε γιατί η ισχυρή πυρηνική δύναμη δρα μόνο σε εξαιρετικά μικρές αποστάσειςσε αντίθεση με το θεωρητικά άπειρο εύρος του ηλεκτρομαγνητισμού.

Προβλέφθηκε στην Ιαπωνία, ανακαλύφθηκε στη Βολιβία

Αυτό που κάνει αυτή την ανακάλυψη ακόμη πιο εντυπωσιακή είναι ότι ο Yukawa έκανε αυτή την πρόβλεψη πολύ πριν υπάρξει η τεχνολογία για την ανίχνευση ενός τέτοιου σωματιδίου. Η θεωρία του βασίστηκε σε μαθηματικούς υπολογισμούς και σε βαθιά κατανόηση των νόμων της φυσικής, αλλά δεν είχε άμεσες πειραματικές αποδείξεις εκείνη την εποχή.

Δεν ήταν επάνω 1947, περισσότερο από μια δεκαετία μετά την πρόβλεψη του Yukawa, οι επιστήμονες ανακάλυψαν τελικά το σωματίδιο που είχαν προβλέψει, το πιόνιο. Αυτή η ανακάλυψη ήταν ένα κρίσιμο ορόσημο, όχι μόνο επειδή επιβεβαίωσε τη θεωρία του Yukawa, αλλά και επειδή άνοιξε την πόρτα σε μια βαθύτερη κατανόηση των θεμελιωδών δυνάμεων που κυβερνούν το σύμπαν. Αυτό το πιόνι παρατηρήθηκε για πρώτη φορά σε φωτογραφικές πλάκες γαλακτώματος που είχαν αφεθεί στην κορυφή Chacaltaya, ένα βουνό κοντά στη Λα Παζ, την πρωτεύουσα της Βολιβίας.

Το πιόνιο σήμερα

Η συμβολή του Hideki Yukawa στη φυσική είναι μνημειώδης. Όχι μόνο προέβλεψε την ύπαρξη ενός θεμελιώδους σωματιδίου και μιας μέχρι τώρα άγνωστης δύναμης, αλλά παρείχε επίσης ένα θεωρητικό πλαίσιο που θα παρέμενε θεμελιώδες για τη μελλοντική έρευνα στη σωματιδιακή φυσική. Για το έργο του, ο Yukawa έλαβε το βραβείο Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1949, που έγινε ο πρώτος Ιάπωνας που έλαβε βραβείο Νόμπελ σε οποιονδήποτε τομέα της επιστήμης. Το έργο του ήταν ένα από τα πρώτα βήματα που οδήγησαν στη δημιουργία του Τυπικό μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Σήμερα εξετάζουμε το γκλουόν ως μεσολαβητής της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Αυτό το σωματίδιο χωρίς μάζα είναι υπεύθυνο για τη μεσολάβηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ διαφορετικών ειδών κουάρκ. Είναι επίσης σε θέση να αλληλεπιδράσει με άλλα γκλουόνια, επειδή έχουν ένα χρωματικό φορτίο, μια συμπεριφορά που περιπλέκει σημαντικά τη μαθηματική περιγραφή αυτής της δύναμης. Αν και το γλουόνιο μεσολαβεί στην ισχυρή αλληλεπίδραση στο πιο θεμελιώδες επίπεδο, το πιόνιο, κατά τη γνώμη μας, μεσολαβεί σε κάποιο βαθμό ισχυρή «υπολειπόμενη» αλληλεπίδραση. ή «έμμεσο» και συνεχίζουμε να πιστεύουμε ότι το όραμα του Yukawa ήταν, πέρα ​​από διορθώσεις και λεπτότητες, σωστό. Όχι μόνο έχουμε παρατηρήσει αυτό το σωματίδιο στο επιταχυντές σωματιδίων και σε εργαστήρια. Αυτή η πρώτη παρατήρηση στα βουνά της Βολιβίας προήλθε από εντελώς «φυσικά» πιόνια, που εκπέμπονται από τη σύγκρουση των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρά μας. Πιο πρόσφατα, έχουν επίσης παρατηρηθεί δείκτες παρουσίας πιονών εκρήξεις σουπερνόβα. Αυτά τα σωματίδια φαίνεται να παίζουν πολύ πιο σημαντικό ρόλο από ό,τι υποδηλώνει η φήμη τους στο ευρύ κοινό.

Βιβλιογραφικές αναφορές: