Το σύμπαν ως κβαντικό μουσικό όργανο

Πώς το πεδίο Χιγκς ξυπνάει την κρυμμένη μουσικότητα του σύμπαντος

Η ανίχνευση του μποζονίου Χιγκς στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων το 2012 επιβεβαίωσε αυτό που υποψιάζονταν χρόνια πριν οι φυσικοί των σωματιδίων. Ότι υπάρχει ένα πεδίο που διαπερνά το σύμπαν και δημιουργεί τις μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων. Δυστυχώς, για τους φυσικούς δεν ήταν εύκολο να εκλαϊκεύσουν πώς αυτό το λεγόμενο πεδίο Χιγκς επιτυγχάνει στην εντυπωσιακή αποστολή του.

Μια συνηθισμένη εκλαϊκευμένη εξήγηση ήταν η περιγραφή του πεδίου Χιγκς σαν μια ουσία, σαν μια σούπα ή μελάσα, που γεμίζει το σύμπαν. Καθώς τα σωματίδια κινούνται μέσα από αυτό, η «σούπα» τα επιβραδύνει και έτσι τα σωματίδια αποκτούν μάζα. Μια άλλη δημοφιλής εκδοχή απεικονίζει το πεδίο Higgs σαν ένα πλήθος ανθρώπων, που αλληλεπιδρά με τα σωματίδια, όπως ο παιδόκοσμος (πεδίο Χιγκς) με τον παγωτατζή (σωματίδιο) στην παρακάτω εικόνα:




Όμως, όλες αυτές οι ιστορίες έρχονται σε αντίθεση με όσα διδάσκονται οι φοιτητές στις πρώτες κιόλας εβδομάδες των πανεπιστημιακών μαθημάτων του πρώτου έτους. Υπονοώντας ότι το πεδίο Higgs δημιουργεί μάζα ασκώντας οπισθέλκουσα δύναμη, παραβιάζεται τόσο ο πρώτος όσο και ο δεύτερος νόμος κίνησης του Νεύτωνα. Έτσι, μεταξύ άλλων «καταστροφών», αυτή η οπισθέλκουσα θα προκαλούσε εδώ και πολύ καιρό την πτώση της Γης προς τον Ήλιο. Επιπλέον, αν το πεδίο Χιγκς ήταν όντως μια τέτοιου είδους ουσία, θα μας παρείχε την δυνατότητα να μετρήσουμε την απόλυτη κίνησή μας, παραβιάζοντας τις αρχές της σχετικότητας τόσο του Γαλιλαίου όσο και του Αϊνστάιν. Στην πραγματικότητα, το πεδίο Χιγκς δεν έχει καμία σχέση με την κίνηση ή την επιβράδυνση. Γινόμαστε πιο ακριβείς λέγοντας ότι η δράση του σχετίζεται με ταλαντώσεις.

Η κβαντική θεωρία πεδίου, η ισχυρή θεωρητική βάση της σύγχρονης σωματιδιακής φυσικής, μας λέει ότι το σύμπαν είναι γεμάτο πεδία. Τέτοια παραδείγματα είναι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το βαρυτικό πεδίο και το ίδιο το πεδίο Higgs. Για κάθε πεδίο, υπάρχει ένας αντίστοιχος τύπος σωματιδίου, καλύτερα κατανοητός ως ένας μικρός κυματισμός σε αυτό το πεδίο. Οι κυματισμοί του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι φωτεινά κύματα και οι πιο ήπιοι κυματισμοί του είναι τα σωματίδια του φωτός, τα οποία ονομάζουμε φωτόνια. Ομοίως, τα ηλεκτρόνια είναι κυματισμοί στο πεδίο του ηλεκτρονίου και το μποζόνιο Higgs είναι ένας ελάχιστος κυματισμός στο πεδίο Higgs.

Ο συντονισμός των σωματιδίων

Ένα ακίνητο ηλεκτρόνιο, όπως η δόνηση μιας χορδής κιθάρας, είναι ένα στάσιμο κύμα που δονείται με μια προτιμώμενη συχνότητα, γνωστή ως συχνότητα συντονισμού. Τέτοιες συντονισμένες δονήσεις είναι συνηθισμένοι και οικείοι. Επειδή μια τεντωμένη χορδή κιθάρας ακούγεται πάντα στη συχνότητα συντονισμού της, δημιουργεί πάντα τον ίδιο τόνο. Παρομοίως, η σταθερή συχνότητα ενός αιωρούμενου εκκρεμούς είναι αυτό που το κάνει αποτελεσματικό ρολόι. Με βάση την ίδια αρχή, κάθε ακίνητο ηλεκτρόνιο δονείται με την συχνότητα συντονισμού του πεδίου του ηλεκτρονίου.

Τα περισσότερα από τα πεδία του σύμπαντος έχουν συχνότητες συντονισμού. Κατά μία έννοια, το σύμπαν μοιάζει χαλαρά με ένα μουσικό όργανο. Και τα δύο έχουν διαθέτουν χαρακτηριστικές συχνότητες στις οποίες δονούνται ευκολότερα.

Το γεγονός ότι ο συντονισμός βρίσκεται στα θεμέλια της πραγματικότητας πέρα από την έκπληξη δημιουργεί και μια ψυχική ευφορία. Είναι εντυπωσιακό να συνειδητοποεί κανείς ότι οι δομές του σύμπαντος, ακόμη και μέσα στο ίδιο μας το σώμα, λειτουργούν με τις ίδιες αρχές που εφαρμόζονται στην εσωτερική λειτουργία των μουσικών οργάνων, όπως το πιάνο, του κλαρινέτου, της κιθάρας κλπ.

Όμως, αυτή η κρυμμένη μουσικότητα του κόσμου μας θα ήταν αδύνατη αν δεν υπήρχε το πεδίο Χιγκς.

Στην κβαντική θεωρία πεδίου, ένας συνδυασμός της κβαντικής φυσικής και της σχετικότητας του Αϊνστάιν οδηγεί σε μια κρίσιμη σχέση μεταξύ μιας συχνότητας συντονισμού και της μάζας ενός στοιχειώδους σωματιδίου: Όσο πιο γρήγορα δονείται ένα στάσιμο σωματίδιο, τόσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του. Τα πεδία που δεν έχουν συχνότητα συντονισμού αντιστοιχούν σε σωματίδια που δεν έχουν μάζα. Τέτοια σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των φωτονίων του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, δεν μπορούν ποτέ να είναι ακίνητα.

Ενώ οι διάφορες ερμηνείες της δράσης του Χιγκς υποστηρίζουν ότι η μάζα των σωματιδίων προκύπτει από την επιβράδυνσή τους από μια ουσία που μοιάζει με μελάσα, η αλήθεια είναι ότι ένα ισχυρότερο πεδίο Χιγκς κάνει τα στοιχειώδη σωματίδια να δονούνται σε υψηλότερες συχνότητες, αυξάνοντας έτσι τις μάζες τους. Επομένως, θα μπορούσε κανείς να δει το πεδίο Higgs ως ένα είδος κοσμικού ενισχυτικού παράγοντα, του οποίου ο ρόλος είναι να αυξάνει τις συχνότητες συντονισμού των άλλων πεδίων.

Το Χιγκς και το Εκκρεμές

Πώς είναι δυνατόν ένα πεδίο να αλλάξει τη συχνότητα ενός άλλου; Το ταπεινό εκκρεμές μας δίνει ένα απλό παράδειγμα. Αν δέσουμε ένα σφαιρίδιο στο άκρο ενός νήματος και το αναρτήσουμε από την οροφή του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού, όπου επικρατούν συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, το σφαιρίδιο θα αιωρείται τυχαία. Αν το σπρώξετε λίγο, η θέση του μπορεί να αλλάξει, αλλά δεν θα ταλαντώνεται.

Όμως, αν κρεμάσετε το εκκρεμές από την οροφή του δωματίου σας τότε τα πράγματα εξελίσσονται διαφορετικά. Το νήμα εξαιτίας του βαρυτικού πεδίου της Γης τεντώνεται κατακόρυφα και το σφαιρίδιο ισορροπεί.



Αν το σφαιρίδιο μετατοπιστεί προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά, η βαρύτητα τείνει να το επαναφέρει προς το τη θέση ισορροπίας, προκαλώντας την ταλάντωσή του.
Εδώ το βαρυτικό πεδίο τεντώνει το εκκρεμές, δίνοντάς του έτσι μια μη μηδενική συχνότητα συντονισμού. Όσο ισχυρότερο είναι το βαρυτικό πεδίο, τόσο πιο ισχυρό είναι το φαινόμενο επαναφοράς και τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα συντονισμού του εκκρεμούς.

Με παρόμοιο τρόπο, το πεδίο Higgs δημιουργεί ένα φαινόμενο επαναφοράς σε άλλα στοιχειώδη πεδία που αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο δονούνται. Αν και οποιοδήποτε πεδίο μπορεί να έχει διαδιδόμενους κυματισμούς όπως εκείνοι που διασχίζουν μια λίμνη, ένα φαινόμενο επαναφοράς επιτρέπει σε ένα πεδίο να έχει στάσιμους κυματισμούς, όπως τα στάσιμα κύματα σε μια χορδή κιθάρας. Αυτά τα στάσιμα κύματα δεν είναι τίποτα περισσότερο ούτε λιγότερο από ακίνητα στοιχειώδη σωματίδια, που ταλαντώνονται στα αντίστοιχα πεδία τους.

Αυτή η ιδέα βρίσκεται στο επίκεντρο της θεωρίας που πρότεινε ο συνονόματος του πεδίου Χιγκς, ο Βρετανός φυσικός Peter Higgs (αλλά και οι Anderson, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Kibble, ‘t Hooft) την δεκαετία του 1960: ότι ένα πεδίο μπορεί να «τεντώσει» (ενεργοποιήσει) άλλα πεδία, προκαλώντας στάσιμα κύματα που δονούνται σε συχνότητα συντονισμού, δίνοντας έτσι μάζα στα αντίστοιχα σωματίδιά τους. Πειραματικές μελέτες του μποζονίου Higgs στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων επιβεβαιώνουν ότι αυτό κάνει το πεδίο Higgs. Χρησιμοποιώντας τα μαθηματικά του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής – την κβαντική θεωρία πεδίου που περιγράφει όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πεδίων του σύμπαντος – οι επιστήμονες κάνουν προβλέψεις για τη συμπεριφορά του μποζονίου Higgs που ταιριάζουν ακριβώς με τα πειράματα. Δεν υπάρχει αμφιβολία: Το πεδίο Xιγκς δημιουργεί ένα φαινόμενο επαναφοράς σε πολλά άλλα πεδία.

Έτσι, με αυτή τη βαθύτερη κατανόηση του πεδίου Χιγκς, προτείνεται μια διαφορετική ιστορία: Μια φορά κι έναν καιρό, δημιουργήθηκε ένα σύμπαν. Υπερβολικά θερμό, έσφυζε από στοιχειώδη σωματίδια. Ανάμεσα στα πεδία του ήταν και ένα πεδίο Χιγκς, αρχικά απενεργοποιημένο. Αλλά καθώς το σύμπαν διαστελλόταν και ψύχόταν, ξαφνικά το πεδίο Χιγκς ενεργοποιήθηκε. Όταν συνέβη αυτό, πολλά πεδία έγιναν σκλήρυναν (ή «τεντώθηκαν» όπως το εκκερεμές στο πεδίο βαρύτητας), με αποτέλεσμα τα σωματίδια τους να αποκτήσουν συχνότητες συντονισμού και μάζα. Έτσι το σύμπαν μετατράπηκε, μέσω της επίδρασης του πεδίου Χιγκς, στο κβαντικό μουσικό όργανο που είναι σήμερα.

● Τα παραπαπάνω είναι μια σύνοψη άρθρου του Matt Strassler στο περιοδικό Quanta: «How the Higgs Field (Actually) Gives Mass to Elementary Particles» – https://www.quantamagazine.org/how-the-higgs-field-actually-gives-mass-to-elementary-particles-20240903/ , που βασίζεται στο βιβλίο του ιδίου με τίτλο «Waves In An Impossible Sea» – https://physicsgg.me/2024/04/11/t%ce%bf-%cf%87%ce%ac%ce%b9%ce%ba%ce%bf%cf%85-%cf%84%ce%bf%cf%85-%ce%b1%ce%b9%ce%bd%cf%83%cf%84%ce%ac%ce%b9%ce%bd/

● Ακολουθεί ένα σχετικό βίντεο όπου ο Matt Strassler μας εξηγεί πως λειτουργεί το πεδίο Χιγκς:

00:00:00 Intro 00:01:26 Deepak or Matt? 00:03:22 Judging a book by its cover 00:06:30 Energy, frequency, and vibration 00:11:57 What is a phib, and why should the reader care? 00:16:17 Galileo’s impact 00:20:54 The Higgs field and the Higgs boson 00:27:02 Fine-tuning problems of matter and anti-matter 00:33:59 Renormalization 00:39:00 The luminiferous ether 00:49:10 Why Mach didn’t play a part in Matt’s book 00:52:11 Inflation and the Higgs field 00:55:37 Rapid questions 01:03:23 Outro

 

https://physicsgg.me/2024/10/06/%cf%84%ce%bf-%cf%83%cf%8d%ce%bc%cf%80%ce%b1%ce%bd-%cf%89%cf%82-%ce%ba%ce%b2%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%b9%ce%ba%cf%8c-%ce%bc%ce%bf%cf%85%cf%83%ce%b9%ce%ba%cf%8c-%cf%8c%cf%81%ce%b3%ce%b1%ce%bd%ce%bf/