Δευτέρα, 15 Σεπτεμβρίου 2008

Το μεγαλύτερο πείραμα φυσικής ξεκίνησε!

Έναρξη λειτουργίας του LHC
Το μεγαλύτερο πείραμα φυσικής ξεκίνησε!
Η 10η Σεπτεμβρίου 2008 είναι ένα ορόσημο για την έρευνα στην φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, καθώς στις εγκαταστάσεις του CERN (Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικής Έρευνας), στα περίχωρα της Γενεύης, τέθηκε σε δοκιμαστική λειτουργία ο «μεγάλος επιταχυντής αδρονίων» (LHC). Το οικονομικό κόστος (8 δις ευρώ), οι χιλιάδες των επιστημόνων και τεχνικών που εμπλέκονται, η πολυπλοκότητα τόσο της κατασκευής όσο και των δεδομένων που θα παραχθούν (8540000 GBytes ανά έτος) και οι προσδοκίες για τα ερωτήματα που είτε θα απαντηθούν είτε θα ανακύψουν, μπορούν να συγκριθούν με τους πόρους και την προσπάθεια που αφιέρωνε κάθε γνωστός πολιτισμός της ιστορίας για να χτίσει τα σημαντικότερα μνημεία του, αλλά και το πνεύμα που τους ενέπνεε. Διαβάστε και αυτά:
ΜΕΓΑ-ΠΕΙΡΑΜΑ: ΣΤΑ ΤΡΙΣΒΑΘΑ ΤΗΣ ΥΛΗΣ - Το μεγαλύτερο πείραμα στον κόσμο αρχίζει στις 10 Σεπτεμβρίου
Θόδωρος Κουτσουμπός


http://www.politikokafeneio.com/neo/modules.php?name=News&file=article&sid=5766&mode=thread&order=0&thold=0

Εάν λοιπόν ο LHC, η Αγία Σοφία, η Μέκκα, οι ναοί του Θιβέτ κ.ο.κ, έχουν κάτι κοινό, αυτό είναι η αλαζονική επίδειξη του πώς οι καλύτεροι υλικοί και πνευματικοί πόροι μιας κοινωνίας αφιερώνονται στα τα εκ πρώτης όψεως μάταια και μη επωφελή ερωτήματα για τον κόσμο: Πώς; Γιατί;
Η σύγχρονη φυσική θεωρεί ότι το σύμπαν δημιουργήθηκε από μια «μεγάλη έκρηξη» πριν από 13 δις χρόνια περίπου. Αυτή η «έκρηξη» δημιούργησε τον χώρο, τον χρόνο και την ενέργεια, ένα μέρος της οποίας, ήδη από τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, μετατράπηκε στα σωματίδια από τα οποία αποτελείται η ύλη. Κατά κάποιο τρόπο, η σταθερή ύλη προέκυψε από την ενέργεια με τον ίδιο τρόπο που ο υδρατμός συμπυκνώνεται σε σταγονίδια όταν διαστέλλεται και ψυχραίνει.

Το «καθιερωμένο πρότυπο» είναι η θεωρία που περιγράφει τις ιδιότητες και τους τρόπους αλληλεπίδρασης των συστατικών στοιχείων του σύμπαντος. Αναπτύχθηκε ενοποιώντας την ειδική θεωρία της σχετικότητας με την κβαντική μηχανική και βασίζεται στην εξαιρετικά σημαντική μαθηματική έννοια της συμμετρίας. Η έννοια αυτή, στην ακραία της συνέπεια μπορεί να διατυπωθεί με λίγα λόγια ως εξής: όλα τα συστατικά στοιχεία του σύμπαντος είναι επί της ουσίας ένα και το αυτό και οι παρατηρούμενες διαφορές οφείλονται στις συνθήκες που επικρατούν. Κάθε συστατικό στοιχείο μπορεί να μετατραπεί σε ένα άλλο αν επικρατήσουν κατάλληλες συνθήκες (τις οποίες προβλέπει η θεωρία). Για παράδειγμα, η μάζα μετατρέπεται σε ενέργεια και αντιστρόφως (επομένως «μάζα» και «ενέργεια» είναι επί της ουσίας ένα και το αυτό), ένα σωματίδιο μπορεί να συμπεριφέρεται ως κύμα, κλπ.

Τελικά, και έχοντας υπ? όψη την έννοια της συμμετρίας, το καθιερωμένο πρότυπο θεωρεί το σύμπαν ως μια συλλογή σωματιδίων που ανήκουν σε δύο μεγάλες οικογένειες: τα σωματίδια ύλης (φερμιόνια) και τα σωματίδια αλληλεπίδρασης (μποζόνια). Τα φερμιόνια (ηλεκτρόνια, κουάρκ, πρωτόνια, νετρόνια, κ.α.) τείνουν να μην έρχονται ποτέ τόσο κοντά μεταξύ τους ώστε να χάνουν τον διακριτό τους χαρακτήρα στον χώρο, ενώ αντίθετα τα μποζόνια (φωτόνια, W, Z, γλοιόνια, κ.α.) τείνουν να συμπυκνώνονται στην ίδια ακριβώς κατάσταση. Τα φερμιόνια συγκροτούν την ύλη, δίδοντας το κύριο χαρακτηριστικό της, δηλαδή την έκταση, ενώ τα μποζόνια είναι οι φορείς των δυνάμεων (ηλεκτρομαγνητική, πυρηνική) με τις οποίες αλληλεπιδρούν τα φερμιόνια.

Έτσι, τα κουάρκ αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω των γλοιονίων σχηματίζοντας τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα οποία με την σειρά τους αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρόνια μέσω των φωτονίων. Αν ένα μποζόνιο έχει μάζα όταν ηρεμεί (όπως τα W, Z, και τα γλοιόνια) η εμβέλειά τους είναι πολύ μικρή και γι' αυτό τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι τόσο μικροσκοπικά, ενώ αντίθετα, αν ένα μποζόνιο δεν έχει μάζα ηρεμίας (όπως το φωτόνιο) η εμβέλειά του είναι απεριόριστη.

Το καθιερωμένο πρότυπο προβλέπει επίσης ότι κάθε φερμιόνιο διαθέτει ένα «κατοπτρικό» του είδωλο, με την ίδια μάζα αλλά αντίθετο φορτίο. Επομένως, εκτός από την κοινή ύλη, θα πρέπει να υπάρχει και η αντιύλη, η ύπαρξη της οποίας έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά. Η ύλη δεν μπορεί να συνυπάρξει με την αντιύλη, επειδή όταν αλληλεπιδρούν μετατρέπονται πλήρως σε ενέργεια (φωτόνια).
Εκτεταμένα πειράματα στη διάρκεια του 20ου αιώνα έχουν επιβεβαιώσει τις προβλέψεις του καθιερωμένου προτύπου με μεγάλο βαθμό ακρίβειας. Παρόλ? αυτά οι φυσικοί συμφωνούν ότι το καθιερωμένο πρότυπο δεν μπορεί να θεωρηθεί ένα πλήρες εξηγητικό σχήμα του κόσμου, επειδή δεν συμπεριλαμβάνει την βαρύτητα και δεν προβλέπει γιατί και με ποιο τρόπο τα σωματίδια αποκτούν την μάζα τους.

Πράγματι, το ότι η μάζα ηρεμίας του φωτονίου είναι μηδέν, του ηλεκτρονίου είναι 9,1.10-31kg, του πρωτονίου 1,67.10-27kg κ.ο.κ δεν προβλέπεται από την θεωρία, αλλά από τα πειράματα, και δεν υπάρχει κανένας λόγος γιατί να είναι αυτή ακριβώς και όχι κάποια άλλη, εκτός αν υποτεθεί η ύπαρξη ενός επιπλέον σωματιδίου, του μποζονίου Higgs, η παρατήρηση του οποίου υπερέβαινε τις δυνατότητες των υπαρχόντων πειραματικών συσκευών. Επιπλέον, όλες οι απόπειρες να συμπεριληφθεί η βαρύτητα στο καθιερωμένο πρότυπο οδήγησαν είτε σε πλήρη αποτυχία, είτε σε θεωρητικές προβλέψεις για περισσότερες από τέσσερεις διαστάσεις του χώρου και την συναρπαστική δυνατότητα μιας επιπλέον συμμετρίας μεταξύ μποζονίων και φερμιονίων, της υπερσυμμετρίας.
Ένα επιπλέον πρόβλημα, το οποίο απασχολεί δεκαετίες τώρα τους αστρονόμους, είναι ότι η γνωστή ποσότητα ύλης δεν είναι αρκετή για να δικαιολογήσει τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις που παρατηρούνται στο σύμπαν. Ένα μεγάλο ποσοστό του σύμπαντος πρέπει λοιπόν να αποτελείται από την λεγόμενη σκοτεινή ύλη (dark matter), η οποία δεν αλληλεπιδρά με την συνηθισμένη ύλη παρά μόνο μέσω της βαρύτητας και δεν αντιστοιχεί σε κανένα από τα γνωστά στοιχειώδη σωμάτια.
Ακόμη, δεν είναι κατανοητό για ποιον λόγο στα αρχικά στάδια του σύμπαντος δημιουργήθηκε περισσότερη ύλη από αντιύλη. Αναλογιστείτε ότι χωρίς αυτή την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης, όλη η ύλη θα είχε εξαϋλωθεί σε καθαρή ενέργεια.

Όλα αυτά τα ανοιχτά ερωτήματα ήταν αδύνατο μέχρι τώρα να ερευνηθούν πειραματικά, επειδή οι υπάρχουσες συσκευές δεν μπορούσαν να φτάσουν στις απαιτούμενες ενέργειες. Οι υψηλές ενέργειες είναι αναγκαίες έτσι ώστε να προσομοιωθούν κατά το δυνατό οι συνθήκες που επικρατούσαν στα αρχικά στάδια του σύμπαντος (έστω και σε έναν πολύ μικρό χώρο και για ελάχιστη χρονική διάρκεια). Η κύρια μέθοδος που χρησιμοποιείται για να ερευνήσουμε το πώς αλληλεπιδρούν τα στοιχειώδη σωμάτια είναι εντελώς απλή: τα επιταχύνουμε όσο μπορούμε και τα στέλνουμε να συγκρουστούν μεταξύ τους, καταγράφοντας με λεπτομέρεια τι συνέβη μετά την σύγκρουση. Οι μηχανές, όπως ο LHC, που καθιστούν δυνατή την εκτέλεση τέτοιων πειραμάτων ονομάζονται για τον λόγο αυτόν επιταχυντές, ή σε κατά λέξη μετάφραση του αγγλικού όρου, συγκρουστές (colliders). Πρακτικά, μπορούμε να φανταστούμε τον επιταχυντή ως ένα κυκλικό σωλήνα υπό συνθήκες κενού, ο οποίος περιβάλλεται από μαγνήτες. Μία δέσμη σωματιδίων εισέρχεται στον σωλήνα και μέσω πολλών περιστροφών επιταχύνεται πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Μια δεύτερη δέσμη, σε μικρή απόσταση από την πρώτη, επιταχύνεται με τον ίδιο τρόπο αλλά με αντίθετη φορά. Μόλις η ταχύτητα (άρα η ενέργεια) των σωματιδίων φτάσει στο επίπεδο που θέλουμε -αυτό μπορεί να απαιτήσει εβδομάδες συνεχούς λειτουργίας- οι δέσμες οδηγούνται σε μετωπική σύγκρουση σε ένα καθορισμένο σημείο του επιταχυντή, όπου βρίσκονται οι ανιχνευτικές συσκευές.
Στις ΗΠΑ, ήδη από το 1983, αμερικανοί φυσικοί πρότειναν την κατασκευή του SSC, ενός επιταχυντή με περιφέρεια 87,1 km και μέγιστη ενέργεια σύγκρουσης 40 TeV, εκτιμώμενου κόστους 4,4 δις δολλαρίων, που θα μπορούσε να ερευνήσει τα ανοιχτά θεωρητικά προβλήματα. Η κατασκευή εγκρίθηκε μετά από ισχυρές αντιδράσεις το 1988, ξεκίνησε το 1991, αλλά ακυρώθηκε το 1993 όταν έγινε φανερό ότι το κόστος θα υπερέβαινε τα 12 δις δολλάρια (και αφού είχαν ξοδευτεί 2 δις δολλάρια). Η οικονομική κρίση που πληττει τις ΗΠΑ δεν επέτρεπε τόσο μεγάλες επενδύσεις για την έρευνα.

Πολλοί επιστήμονες εκτίμησαν τότε ότι η πειραματική έρευνα στην φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων είχε ουσιαστικά τελειώσει, αλλά οι φυσικοί του CERN στην Ευρώπη κατάφεραν να αποσπάσουν την έγκριση για τον LHC, με περιφέρεια 27 km και μέγιστη ενέργεια σύγκρουσης 14 TeV. Λόγω του μικρότερου μεγέθους σε σχέση με τον SSC και του ότι χρησιμοποιήθηκε μια ήδη υπάρχουσα σήραγγα, ο LHC είχε αρκετά μικρότερο εκτιμώμενο κόστος κατασκευής. Παρόλ? αυτά, όπως συνήθως συμβαίνει σε έργα τέτοιας κλίμακας, δεν αποφεύχθηκαν σημαντικές υπερβάσεις και καθυστερήσεις της τάξεως των δύο ετών. Το έργο δεν ακυρώθηκε, επειδή -σε αντίθεση με τον αμερικανικό επιταχυντή- θεωρήθηκε η τελευταία ευκαιρία της πειραματικής φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων, ενώ χρηματοδοτήθηκε όχι μόνο από την ΕΕ, αλλά και από την Ιαπωνία και τις ΗΠΑ.

Η έναρξη της λειτουργίας του LHC δεν σημαίνει επ? ουδενί ότι σε μερικούς μήνες θα έχουμε τα πρώτα πειραματικά αποτελέσματα: είναι απλώς το πρώτο βήμα μιας επίπονης διαδικασίας δοκιμών και διορθώσεων που θα οδηγήσει καλώς εχόντων των πραγμάτων στην έναρξη των πρώτων πειραμάτων μετά από ένα χρόνο. Ο τεράστιος όγκος δεδομένων που θα παραχθούν (1% της παγκόσμιας ροής δεδομένων) θα απαιτήσει τον μόχθο χιλιάδων επιστημόνων, καθηγητών και διδακτορικών φοιτητών, για την ανάλυση και την ερμηνεία τους.
Όπως αναφέρθηκε προηγούμενα, στα επόμενα δέκα χρόνια θα γνωρίζουμε την φύση της σκοτεινής ύλης, αν τελικά υπάρχει το μποζόνιο Higgs, η υπερσυμμετρία, αν το σύμπαν έχει περισσότερες από τρεις χωρικές διαστάσεις, και επιπλέον αν υπάρχουν μαγνητικά μονόπολα, παράξενη ύλη, μικρές μαύρες τρύπες?

Η επιβεβαίωση όλων αυτών των θεωρητικών εικασιών θα είναι ασφαλώς ένα σημαντικότατο βήμα προόδου για την φυσική. Ακόμα πιο συναρπαστικό (και οδυνηρό ίσως, για τους επιστήμονες που αφιέρωσαν την έρευνά τους εκεί) θα είναι το ενδεχόμενο να μην βρεθεί κάποιο, ή όλα από αυτά τα αντικείμενα. Για παράδειγμα, αν το μποζόνιο Higgs δεν εντοπιστεί, το καθιερωμένο πρότυπο θα αντιμετωπίσει προβλήματα, ενώ αν η υπερσυμμετρία και οι επιπλέον διαστάσεις δεν υπάρχουν, οι θεωρίες υπερχορδών, με τις οποίες ασχολούνται οι πιο επιφανείς θεωρητικοί φυσικοί, θα έχουν δεχτεί ισχυρό πλήγμα. Ο τρόπος σκέψης θα πρέπει να αλλάξει ριζικά και εντελώς νέες ιδέες θα πρέπει να συλληφθούν. Γι? αυτό ίσως ο S. Hawking στοιχημάτισε ένα μπουκάλι σαμπάνιας ότι το μποζόνιο Higgs δεν θα ανακαλυφθεί.
Θα φέρει ο LHC τις τελικές απαντήσεις στα ερωτήματα της φυσικής; Η ιστορία της επιστήμης, αλλά και της κοινωνίας έχει δείξει το αντίθετο και οι περισσότεροι φυσικοί είναι πλέον αρκετά προσεκτικοί σε τέτοιου είδους διακηρύξεις. Όμως η αύξουσα πολυπλοκότητα και το κόστος του συγκεκριμένου τομέα της πειραματικής φυσικής καθώς και οι δυσκολίες που αντιμετώπισε στην χρηματοδότησή του υποδεικνύουν ότι μάλλον συγκλίνουμε στα όρια της περαιτέρω ανάπτυξης.

Το οικονομικό κόστος σε σχετικά μεγέθη (8 δις ευρώ σε 5 χρόνια) δεν μπορεί να θεωρηθεί απαγορευτικό για τις πλουσιότερες χώρες του κόσμου: για τις ΗΠΑ αντιστοιχεί σε ένα μήνα κατοχής του Ιράκ, το 25% της περιουσίας του Bill Gates, ενώ είναι συγκρίσιμο με το κόστος της Ολυμπιάδας, το πενταετές εξοπλιστικό πρόγραμμα ή τα ελλείμματα των ΔΕΚΟ στην Ελλάδα. Κι όμως, ο D. King, γραμματέας έρευνας της Μ. Βρετανίας, θεωρεί το ποσό σπατάλη που θα μπορούσε να διατεθεί καλύτερα για την καταπολέμηση της φτώχειας στην Αφρική, ή τη μελέτη του φαινομένου του θερμοκηπίου. Επιπλέον, διατυπώνονται εντελώς φαιδροί ισχυρισμοί περί κινδύνων από μαύρες τρύπες και κατάρρευση του σύμπαντος. Είναι φανερό ότι το χάσμα μεταξύ της έρευνας για τις αρχές του σύμπαντος και της κοινωνίας βαθαίνει. Όποτε συνέβαινε αυτό στην ιστορία, οι εκπρόσωποι της «αχρηστης» έρευνας (φιλόσοφοι, γεωμέτρες, φυσικοί) αρχικά χλευάζονταν και υποτιμούνταν ως άχρηστα βάρη και κατόπιν δαιμονοποιούνταν και καταδιώκονταν. Οδεύουμε προς τα εκεί; Ποιος ξέρει?
Δεν μπορούμε παρά να φέρουμε στο νου μας, ως ανάλογη πολιτισμική περίπτωση, την αθηναϊκή δημοκρατία και την ανέγερση του Παρθενώνα. Οι Αθηναίοι θα μπορούσαν να μοιραστούν απευθείας το ποσόν για να ζήσουν όλοι καλύτερα και να βελτιώσουν τα σπίτια τους, αλλά προτίμησαν να κατασκευάσουν ένα ναό πάνω απ? την πόλη, ενισχύοντας γλύπτες, αρχιτέκτονες και τεχνίτες μέσω ενός δημόσιου έργου. Αν και δυσανασχέτησαν, δέχθηκαν το υπερβολικό κόστος, όταν ο Περικλής τους απείλησε ότι θα το ολοκληρώσει με δικά του έξοδα, γράφοντας το όνομά του ως χορηγού. Οι ίδιοι Αθηναίοι δεν δυσανασχέτησαν καθόλου με τα πολλαπλάσια έξοδα της σικελικής εκστρατείας αλλά την ενίσχυαν ενθουσιωδώς μέχρι το τραγικό τέλος.

Δεν γνωρίζουμε με ποιο τρόπο άλλαξε τη ζωή του αθηναίου πολίτη ο Παρθενώνας, ούτε αν ποτέ θα φανταζόταν ότι 2500 χρόνια μετά η ίδια πόλη έχει τουριστικά έσοδα από αυτόν. Με τον ίδιο τρόπο, ίσως μετά από 2500 χρόνια ο LHC να είναι μουσείο, ή αξιοθέατο, ή οι μελλοντικοί αρχαιολόγοι και επιστήμονες να αναρωτιούνται για την χρησιμότητα αυτής της συσκευής, όπως οι σημερινοί για τον αστρολάβο των αντικυθήρων.
Σίγουρα όμως, το γεγονός ότι κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε, θα επηρρεάζει άμεσα ή έμμεσα όλους τους ανθρώπους μετά από εμάς.
Θ. K.
15 Σεπτέμβρη 2008