Κατά τα μέσα του 20ου αιώνα, διάφοροι επιστήμονες ανακάλυψαν τις βάσεις για την Κβαντική Φυσική και το περιεχόμενο της Ύλης. Συγκεντρώθηκαν στον τομέα της μελέτης των σωματιδίων, ευρύτερα γνωστός ως Σωματιδιακή Φυσική. Τα περισσότερα από αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια, φαίνονταν να εμφάνιζαν συνεχώς ακόμη πιό μικρά σωματίδια. Μέχρι το 1974, οι φυσικοί της εποχής, είχαν διασφαλίσει μερικούς κανόνες και αρχές, που ονομάζονται, Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) της σωματιδιακής φυσικής, ένα μοντέλο που περιείχε όλες τις αλληλεπιδράσεις εκτός της βαρύτητας. (Οι αλληλεπιδράσεις είναι 4, η Ισχυρή Αλληλεπίδραση, η Ασθενής Αλληλεπίδραση, η Ηλεκτρομαγνητική Αλληλεπίδραση και η Βαρύτητα).
Ως ορισμός θα λέγαμε πως, το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) είναι μια φυσική θεωρία που περιγράφει τα δομικά συστατικά της ύλης και τις μεταξύ τους ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Περιγράφει τα είδη των σωματιδίων, ενώ ισχυρίζεται πως τα πάντα γύρω μας είναι φτιαγμένα απο σωματίδια -τα κουάρκ και τα λεπτόνια- τα οποία αλληλεπιδρούν όπως είπαμε με τις 3 δυνάμεις. Ας αρχίσουμε πρώτα με μία πολύ σημαντική εικόνα, η οποία μας διευκολύνει να παρατηρήσουμε τα σωματίδια αυτά.
Ως ορισμός θα λέγαμε πως, το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) είναι μια φυσική θεωρία που περιγράφει τα δομικά συστατικά της ύλης και τις μεταξύ τους ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Περιγράφει τα είδη των σωματιδίων, ενώ ισχυρίζεται πως τα πάντα γύρω μας είναι φτιαγμένα απο σωματίδια -τα κουάρκ και τα λεπτόνια- τα οποία αλληλεπιδρούν όπως είπαμε με τις 3 δυνάμεις. Ας αρχίσουμε πρώτα με μία πολύ σημαντική εικόνα, η οποία μας διευκολύνει να παρατηρήσουμε τα σωματίδια αυτά.
Μία μεγάλη κατηγορία σωματιδίων αποτελούν τα Νουκλεόνια. τα νουκλεόνια αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια. Το πρωτόνιο είναι περίπου 1,836 φορές μεγαλύτερο σε μάζα από το ηλεκτρόνιο. Το νετρόνιο έχει περίπου την ίδια μάζα με το πρωτόνιο, άρα τα ζευγάρι αυτών των 2 (πρωτονίων και νετρονίων) ειναι προφανές ότι έχει μεγαλύτερη μάζα από το ηλεκτρόνιο. Παρά την διαφορά στα μεγέθη, το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο έχουν ακριβώς ίδια φορτία, αλλά διαφορετικά πρόσημα (τα πρωτόνια είναι φορτισμένα θετικά και τα ηλεκτρόνια είναι φορτισμένα αρνητικά).
Η επόμενη κατηγορία σωματιδίων είναι τα Κουάρκ (quark). Τα κουάρκ είναι τα υποσωματίδια που αποτελούν τα νουκλεόνια. Η ιδέα των κουάρκ διατυπώθηκε απο τους Murray Gell-Mann και τον George Zweig το 1964. Τα κουάρκ κρατούνται μεταξύ τους από άλλα σωματίδια τα γλουόνια. Στο Καθιερωμένο Πρότυπο, τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται απο 3 κουάρκ. Αυτά τα κουάρκ έχουν κάποιες συγκεκριμένες κβαντικές ιδιότητες, όπως μάζα, ηλεκτρικό φορτίο, και σπιν. Συνολικά υπάρχουν 6 γεύσεις (ή τύποι) κουαρκ. Το Πάνω κουαρκ (Up Quark), Κάτω κουαρκ (Down Quark), Γοητευτικό Κουαρκ (Charm Quark), Παράξενο Κουαρκ (Strange Quark), Κορυφαίο Κουαρκ (Top Quark) και Πυθμενικό Κουαρκ (Bottom Quark).
Μία ακόμη κατηγορία σωματιδίων είναι τα Λεπτόνια. Τα λεπτόνια είναι σωματίδια στην επιστήμη της φυσικής, τα οποία δεν μετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Ιστορικά, η εισαγωγή του πρώτου λεπτονίου (του ηλεκτρονίου) στη θεωρητική περιγραφή των ατόμων, έγινε στο μοντέλο του Rutherford. Το 1933, ανακαλύφθηκε από τον (Anderson) ένα νέο σωματίδιο, το ποζιτρόνιο ( θετικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο), ενώ την ίδια χρονιά εισάγεται το νετρίνο και το αντισωματίδιό του, με καθαρά θεωρητικά επιχειρήματα. Η πειραματική ανίχνευση του νετρίνου και η επαλήθευση της θεωρητικής περιγραφής, έγινε το 1953. Το 1936 ανακαλύπτεται πειραματικά το μιόνιο, αν και μόνο μετά το 1947, οι φυσικοί αντιλήφθηκαν ότι πρόκειται για ένα νέο είδος λεπτονίου, το οποίο διαθέτει και αυτό το αντισωματίδιό του. Τέλος, το 1976 ανακαλύφθηκε πειραματικά το σωμάτιο ταυ, αρκετά βαρύτερο σε σχέση με τα υπόλοιπα λεπτόνια. Υπάρχουν αρκετές ενδείξεις για την ύπαρξη του αντίστοιχου νετρίνου και του σωματιδίου του, τα οποία δεν έχουν όμως παρατηρηθεί πειραματικά. Εδώ θέλω να κάνω μία παρατήρηση και να πω, πως ο συνδυασμός των Κουάρκ και των Λεπτονίων αποτελούν τα Φερμιόνια, τα οποία είναι οι δομικοί λίθοι της ύλης και σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι έξι κουάρκς και έξι λεπτόνια καθώς και τα αντισωμάτιά τους.
Η τελευταία κατηγορία για να συμπληρωθεί το Καθιερωμένο Πρότυπο ειναι τα Μποζόνια. Οι αλληλεπιδράσεις μεταφέρουν την επιρροή τους μέσω των σωματιδίων των μποζονίων. Τα μποζόνια που ακολουθούν έχουν παρατηρηθεί από τους επιστήμονες για τις 3 από τις 4 αλληλεπιδράσεις της φύσης.
Επιπλέον, και η βαρύτητα θεωρητικά μπορεί να μεταφέρει ενέργεια μέσω σωματιδίων. Το όνομα αυτών των θεωρητικών μποζονίων είναι βαρυτόνιο.
Επιπρόσθετα ένα ακόμη μποζόνιο, το οποίο είναι άκρως σημαντικό για την ύπαρξη των άλλων, είναι το μποζόνιο Χιγκς (Higgs Boson). Το μποζόνιο Χιγκς, ή όπως αλλιώς ονομάζεται "Σωματίδιο του Θεού", δίνει τη δυνατότητα για εξήγηση στον τρόπο που συγκροτείται η ύλη προσδίδοντάς της ιδιότητες όπως για παράδειγμα η μάζα. Η ανακάλυψή του έχει βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση της δημιουργίας του σύμπαντος λύνοντας θέματα, στη θεωρία της μεγάλης έκρηξης, αμέσως μετά τα πρώτα κλάσματα του δευτερόλεπτου της γέννησης του σύμπαντος.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο, λοιπόν, αποτελεί τον οδηγό και τον χάρτη στο ταξίδι του μικρόκοσμου, της σωματιδιακής φυσικής. Είναι ένα από τα σημαντικότερα εργαλεία που πρέπει να έχει ένας επιστήμονας για την ολοκλήρωσή και την επέκτασή του Μοντέλου αυτού. Τέλος, θα ήθελα να τονίσω πως ο δρόμος δεν έχει τελειώσει ακόμα, καθώς το μποζόνιο Χιγκς και το θεωρητικό βαρυτόνιο είναι πολλά υποσχόμενα.
Andrew Zimmerman Jones, 2010, String Theory for dummies, John Wiley and Sons, Inc., New Jersey.
Η επόμενη κατηγορία σωματιδίων είναι τα Κουάρκ (quark). Τα κουάρκ είναι τα υποσωματίδια που αποτελούν τα νουκλεόνια. Η ιδέα των κουάρκ διατυπώθηκε απο τους Murray Gell-Mann και τον George Zweig το 1964. Τα κουάρκ κρατούνται μεταξύ τους από άλλα σωματίδια τα γλουόνια. Στο Καθιερωμένο Πρότυπο, τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται απο 3 κουάρκ. Αυτά τα κουάρκ έχουν κάποιες συγκεκριμένες κβαντικές ιδιότητες, όπως μάζα, ηλεκτρικό φορτίο, και σπιν. Συνολικά υπάρχουν 6 γεύσεις (ή τύποι) κουαρκ. Το Πάνω κουαρκ (Up Quark), Κάτω κουαρκ (Down Quark), Γοητευτικό Κουαρκ (Charm Quark), Παράξενο Κουαρκ (Strange Quark), Κορυφαίο Κουαρκ (Top Quark) και Πυθμενικό Κουαρκ (Bottom Quark).
Μία ακόμη κατηγορία σωματιδίων είναι τα Λεπτόνια. Τα λεπτόνια είναι σωματίδια στην επιστήμη της φυσικής, τα οποία δεν μετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Ιστορικά, η εισαγωγή του πρώτου λεπτονίου (του ηλεκτρονίου) στη θεωρητική περιγραφή των ατόμων, έγινε στο μοντέλο του Rutherford. Το 1933, ανακαλύφθηκε από τον (Anderson) ένα νέο σωματίδιο, το ποζιτρόνιο ( θετικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο), ενώ την ίδια χρονιά εισάγεται το νετρίνο και το αντισωματίδιό του, με καθαρά θεωρητικά επιχειρήματα. Η πειραματική ανίχνευση του νετρίνου και η επαλήθευση της θεωρητικής περιγραφής, έγινε το 1953. Το 1936 ανακαλύπτεται πειραματικά το μιόνιο, αν και μόνο μετά το 1947, οι φυσικοί αντιλήφθηκαν ότι πρόκειται για ένα νέο είδος λεπτονίου, το οποίο διαθέτει και αυτό το αντισωματίδιό του. Τέλος, το 1976 ανακαλύφθηκε πειραματικά το σωμάτιο ταυ, αρκετά βαρύτερο σε σχέση με τα υπόλοιπα λεπτόνια. Υπάρχουν αρκετές ενδείξεις για την ύπαρξη του αντίστοιχου νετρίνου και του σωματιδίου του, τα οποία δεν έχουν όμως παρατηρηθεί πειραματικά. Εδώ θέλω να κάνω μία παρατήρηση και να πω, πως ο συνδυασμός των Κουάρκ και των Λεπτονίων αποτελούν τα Φερμιόνια, τα οποία είναι οι δομικοί λίθοι της ύλης και σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι έξι κουάρκς και έξι λεπτόνια καθώς και τα αντισωμάτιά τους.
Η τελευταία κατηγορία για να συμπληρωθεί το Καθιερωμένο Πρότυπο ειναι τα Μποζόνια. Οι αλληλεπιδράσεις μεταφέρουν την επιρροή τους μέσω των σωματιδίων των μποζονίων. Τα μποζόνια που ακολουθούν έχουν παρατηρηθεί από τους επιστήμονες για τις 3 από τις 4 αλληλεπιδράσεις της φύσης.
- Για τον Ηλεκτρομαγνητισμό το ανάλογο μποζόνιο είναι το φωτόνιο, το όποιο μεταφέρει την ενέργεια-επιρροή της δύναμης του Ηλεκτρομαγνητισμού.
- Για την Ισχυρή δύναμη το ανάλογο μποζόνιο είναι το γλουόνιο.
- Για την Ασθενή δύναμη τα ανάλογα μποζόνια είναι τα Ζ, W+, και W− μποζόνια.
Επιπλέον, και η βαρύτητα θεωρητικά μπορεί να μεταφέρει ενέργεια μέσω σωματιδίων. Το όνομα αυτών των θεωρητικών μποζονίων είναι βαρυτόνιο.
Επιπρόσθετα ένα ακόμη μποζόνιο, το οποίο είναι άκρως σημαντικό για την ύπαρξη των άλλων, είναι το μποζόνιο Χιγκς (Higgs Boson). Το μποζόνιο Χιγκς, ή όπως αλλιώς ονομάζεται "Σωματίδιο του Θεού", δίνει τη δυνατότητα για εξήγηση στον τρόπο που συγκροτείται η ύλη προσδίδοντάς της ιδιότητες όπως για παράδειγμα η μάζα. Η ανακάλυψή του έχει βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση της δημιουργίας του σύμπαντος λύνοντας θέματα, στη θεωρία της μεγάλης έκρηξης, αμέσως μετά τα πρώτα κλάσματα του δευτερόλεπτου της γέννησης του σύμπαντος.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο, λοιπόν, αποτελεί τον οδηγό και τον χάρτη στο ταξίδι του μικρόκοσμου, της σωματιδιακής φυσικής. Είναι ένα από τα σημαντικότερα εργαλεία που πρέπει να έχει ένας επιστήμονας για την ολοκλήρωσή και την επέκτασή του Μοντέλου αυτού. Τέλος, θα ήθελα να τονίσω πως ο δρόμος δεν έχει τελειώσει ακόμα, καθώς το μποζόνιο Χιγκς και το θεωρητικό βαρυτόνιο είναι πολλά υποσχόμενα.
Andrew Zimmerman Jones, 2010, String Theory for dummies, John Wiley and Sons, Inc., New Jersey.