David Gross : Ο κόσμος των αθώρητων κουάρκ

Μία απεικόνιση των επιπλέον διαστάσεων της θεωρίας χορδών

Στις αρχές του Οκτώβρη οργανώθηκε στην Αθήνα και Μεσσηνία το «2ο συμπόσιο των εφτά σοφών στην Κοσμολογία». O David Gross ήταν από τους ξεχωριστούς καλεσμένους. Καθηγητής και μόνιμο μέλος του ινστιτούτου Kavli του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα, ο Gross αναγνωρίζεται παγκοσμίως ως ένας από τους κορυφαίους θεωρητικούς φυσικούς του καιρού μας. Βραβευμένος με το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας στη θεωρία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων και ηγετική φυσιογνωμία στον τομέα της θεωρίας των χορδών, η παρουσία του Gross στη χώρα μας τράβηξε την προσοχή.
Στόχος του «2ου συμποσίου των εφτά σοφών» ήταν η προβολή των τελευταίων ανακαλύψεων και ερωτημάτων που πραγματεύεται η επιστήμη της σύγχρονης κοσμολογίας, όπως η προέλευση, το ενεργειακό περιεχόμενο και η εξέλιξη του σύμπαντος. Ο David Gross παρουσίασε τη θέση του για κοσμολογικά ερωτήματα εμπνευσμένη από το ερευνητικό πρόγραμμα της ενοποίησης των δυνάμεων της φύσης. Η ικανότητά του ως ομιλητής είναι εντυπωσιακή.
Από μικρή ηλικία ο David Gross είχε στραφεί στη φυσική και στα μαθηματικά. «Είχα γοητευτεί από τη θεωρητική φυσική και ήδη από τα δεκατρία μου είχα αποφασίσει να γίνω θεωρητικός φυσικός. Δεν είχα ιδέα τι αυτό σήμαινε, αλλά το να προσπαθείς στη ζωή σου να ανακαλύψεις τα μυστικά του σύμπαντος χρησιμοποιώντας το μυαλό σου μου φαίνονταν εκπληκτική ενασχόληση», αναφέρει στο βιογραφικό του σημείωμα για το βραβείο Νόμπελ.
Γεννημένος στις Ηνωμένες Πολιτείες, έζησε τα σχολικά του χρόνια στο Ισραήλ όπου δούλευε ο πατέρας του. Φοίτησε στο πανεπιστήμιο Hebrew της Ιερουσαλήμ και πήρε το διδακτορικό του από το πανεπιστήμιο Berkeley της Καλιφόρνια. Εργάστηκε για δύο χρόνια στο Harvard πριν πάρει μόνιμη θέση στο πανεπιστήμιο του Princeton. «Οι καλύτερες ιδέες», υποστηρίζει, «έρχονται όταν ανταλλάσσεις απόψεις με άλλους.» Η μέθοδος που ακολουθεί στην επίβλεψη των φοιτητών του είναι να τους εμπλέκει σε θεμελιώδη προβλήματα αιχμής που τον απασχολούν. Δεν είναι τυχαίο άλλωστε δύο από τους φοιτητές που επίβλεψε, ο Frank Wilczek και ο Ed Witten, βραβεύτηκαν αντίστοιχα με το βραβείο Νόμπελ και Μαθηματικών (fields medal).
Δημοκράτης και αντιμιλιταριστής, δηλώνει άθεος όταν αναφέρεται σε θέματα θρησκείας. Αισιόδοξος για την πρόοδο στη φυσική, ο Gross πιστεύει πως ο ανθρώπινος πολιτισμός μπορεί να επεκτείνει τα όρια της γνώσης. «Αν ο πολιτισμός μας έχει τη θέληση και τα μέσα να προχωρήσει τότε μια μέρα ο στόχος μια τελικής θεωρίας ίσως να επιτευχθεί.» Αρκεί, όπως επισημαίνει, «η θάλασσα της άγνοιας μας να είναι πεπερασμένη!» Όμως, προσθέτει ότι «ακόμα κι αν αυτό συμβεί δε θα σημάνει το τέλος της φυσικής: δομές και συστήματα προερχόμενα από μια τέτοια θεωρία θα είναι πρακτικά απεριόριστα.»
Ο Gross, κατά τη διαμονή του στην Αθήνα, επισκέφτηκε επίσης τη Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Εκεί έδωσε μια συναρπαστική δίωρη ομιλία σε φοιτητές που γέμισαν το κεντρικό αμφιθέατρο της σχολής πυροδοτώντας εμβριθείς ερωτήσεις.

Με τον David Gross στο ΣΕΜΦΕ. φωτο Γιάννης Νταλιάνης

Ο μικρόκοσμος των κουάρκ

Το 1973 ο David Gross, στα 32 του έτη με μόνιμη θέση στο Princeton, μαζί με τον διδακτορικό του φοιτητή Frank Wilczek έλυσαν το αίνιγμα της δυναμικής των κουάρκ. Τα κουάρκ είναι τα συστατικά του πρωτονίου και του νετρονίου που κανείς ποτέ δεν κατάφερε να τα απομονώσει. Παρόλα αυτά τους έχουν δοθεί «χρώματα» (είδη φορτίου): τα κουάρκ είναι είτε κόκκινα, είτε πράσιναείτε μπλε! Ο Gross και ο Wilczek εισήγαγαν τη θεωρία της κβαντικής χρωμοδυναμικής. Σύμφωνα με αυτήν, τα κουάρκ δεν αλληλεπιδρούν μόνο με τις γνωστές αλληλεπιδράσεις. Κυρίως νιώθουν μια πολύ ισχυρότερη αλληλεπίδραση που μεταφέρεται από 8 σωματίδια δύναμης, τα λεγόμενα γλουόνια (ή συγκολλητές), που, αντίθετα με τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, αλληλεπιδρούν όχι μόνο με τα κουάρκ αλλά και μεταξύ τους!
Αλλά, πώς αυτό εξηγεί ότι τα κουάρκ δεν μπορούν να βρεθούν ποτέ μόνα τους; Γιατί, αφού ξέρουμε τη δυναμική τους δε μπορούμε να κατασκευάσουμε «χρωμο-κυκλώματα» ή να δημιουργήσουμε «χρωμο-κύματα» όπως καθημερινά κάνουμε στις αμέτρητες ηλεκτρονικές συσκευές;

Η πολύπλοκή δομή του χρωμοδυναμικού κενού στην κλίμακα ενός πρωτονίου
(προσομοίωση, Adelaide U.)

«Παραδόξως, όλα έχουν κάνουν με τις ιδιότητες του κενού», απαντάει ο David Gross. Στην κβαντική θεωρία πεδίου δεν μπορούμε να πούμε ότι η θεμελιώδης κατάσταση του άδειου χώρου είναι η κατάσταση χωρίς κβάντα (η μικρότερη φυσική μονάδα της κβαντικής φυσικής), χωρίς ενεργειακό περιεχόμενο. Στην πραγματικότητα η κατάσταση ελάχιστης ενέργειας είναι μη μηδενική και το κενό δεν είναι ποτέ άδειο! Το φαινόμενο αυτό καλείται πόλωση του κενού και είναι ιδιαίτερα ισχυρό στη θεωρία της κβαντικής χρωμοδυναμικής. Ο κενός χώρος είναι μια «σούπα» από αυθορμήτως εμφανιζόμενα και εξαφανιζόμενα γλουόνια που κατά την φευγαλέα παρουσία τους αλληλεπιδρούν με ότι έχει «χρώμα» γύρω τους, όπως επίσης και από ζεύγη κουάρκ και αντι-κουάρκ που εμφανίζονται κι αυτά από το κενό και με τη σειρά τους απορροφούν και εκπέμπουν επιπλέον γλουόνια…
«Τοποθετώντας τα κουάρκ σε ένα τέτοιο κενό είναι σαν τα βάζεις σε ένα μέσο, σε ένα ρευστό. Αυτό το ενεργητικό κενό είναι που επηρεάζει τον νόμο δύναμης μεταξύ των κουάρκ και τον κάνει να διαφέρει τόσο δραματικά από τον νόμο δύναμης του Coulomb (μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων) που μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης», εξηγεί ο Gross.
Στο υπο-πυρηνικό βασίλειο της κβαντικής χρωμοδυναμικής η ελκτική δύναμη αυξάνει όταν αυξάνει η απόσταση μεταξύ των κουάρκ. Το φαινόμενο αυτό λέγεται «χρωματικός εγκλεισμός»: ένα κουάρκ δεν μπορεί ποτέ να αφαιρεθεί από έναν πυρήνα και να παρουσιαστεί μονάχο του μπροστά μας…
Αντίθετα, όσο πιο κοντά πλησιάζουν μεταξύ τους τα κουάρκ τόσο η μεταξύ τους δύναμη εξασθενεί. Η θεωρητική περιγραφή αυτής της ιδιότητας, ονομαζόμενη «ασυμπτωτική ελευθερία», έδωσε το βραβείο Νόμπελ στους David Gross, David Politzer and Frank Wilczek το 2004.
Το κενό της κβαντικής χρωμοδυναμικής έχει ιδιαίτερα πολύπλοκη δομή. Η «θάλασσα των ζευγών κουάρκ-αντικουάρκ» και γλουονίων που ξεπετιούνται από το κενό έχουν ορμή και ενέργεια. Είναι εκπληκτικό ότι περίπου τομεγαλύτερο μέρος του βάρους του σώματός μας οφείλεται στις κινήσεις και διαδικασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό των πρωτονίων και των νετρονίων! Η κβαντική χρωμοδυναμική καθορίζει το ενεργειακό μας περιεχόμενο παρόλο που ποτέ δεν νιώθουμε αυτήν την μικροσκοπικών αποστάσεων δύναμη…

Η ενοποίηση των δυνάμεων μπορεί να καθορίσει την εξέλιξη του σύμπαντος στις πολύ αρχικές στιγμές του

Από τα κουάρκ στη θεωρία χορδών

Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά της «ασυμπτωτικής ελευθερίας» είναι ότι η ένταση των δυνάμεων στη φύση εξαρτάται από την κλίμακα που μελετάς! Αυτό το γεγονός ανοίγει τη δυνατότητα μιας ενοποιημένης περιγραφής των δυνάμεων στη Φύση.
Η ενοποίηση των δυνάμεων είναι ένα παλιό όνειρο των φυσικών, οι οποίοι εργάζονται στο να περιγράψουν τη Φύση με όσο πιο απλή γλώσσα γίνεται. Οι ενοποιημένες θεωρίες, είναι προγράμματα που συνεχίζουν πολύ πιο πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) των στοιχειωδών σωματιδίων. Το Καθιερωμένο Πρότυπο, ή «Καθιερωμένη Θεωρία» όπως ο Gross επισημαίνει, χρειάζεται τροποποιήσεις για να συμπεριλάβει τις παρατηρούμενες ιδιότητες των νετρίνων που υποδεικνύουν πως τα νετρίνα έχουν μάζα (βραβείο Νόμπελ 2015) και κοσμολογικά αινίγματα όπως αυτό της σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με τον Gross, η θεωρία χορδών, είναι το καλύτερο θεωρητικό πλαίσιο για να πραγματοποιηθεί αυτό το ερευνητικό πρόγραμμα.

Γεωμετρία: οδηγός προς την τελική ενοποίηση

Στις αρχές του 1980, ο Gross ξεκίνησε να εργάζεται ξανά στη θεωρία χορδών, σε συνεργασία με μία ομάδα νέων ερευνητών. Ανακάλυψαν την «ετεροτική χορδή» (heterotic string) που είχε τη δυνατότητα να εξηγήσει το Καθιερωμένο Πρότυπο. «Ετεροτική» ονομάστηκε από την ελληνική λέξη ετέρωση που σημαίνει υβριδικό σθένος. «Κοιτάξαμε το λεξικό για να βρούμε την κατάλληλη λέξη» επισημαίνει ο Gross. O λόγος είναι ότι η ετεροτική θεωρία είναι ένας υβριδικός συνδυασμός δεξιά και αριστερά κινούμενων καταστάσεων πάνω σε μια κλειστή χορδή. Οι δεξιά κινούμενες ταλαντώνονται σε 10 διαστάσεις, και οι αριστερά σε 26 διαστάσεις με τις 16 από αυτές ισχυρά καμπυλωμένες! Αυτή η καμπύλωση κάνει τη θεωρία να συμπεριφέρεται σαν να είναι μόνο 10-διάστατη.
Ο David Gross, μπροστά σε ένα προσηλωμένο ακροατήριο φοιτητών του Ε.Μ. Πολυτεχνείου δηλώνει εμφατικά ότι «στη θεωρία χορδών τα χαρακτηριστικά της ύλης και των δυνάμεων, συμπεριλαμβανομένου της βαρύτητας, καθορίζονται από τη γεωμετρία των έξτρα διαστάσεων», προσθέτοντας ότι «οι έλληνες φιλόσοφοι και μαθηματικοί θα θαύμαζαν ότι η ομορφιά και απλότητα της θεωρίας χορδών προέρχεται από μια γεωμετρική αρχή».

Ο David Gross με την γυναίκα του και τον καθηγητή Ζουπάνο του ΕΜΠ σε επίσκεψη στον ναό του Ποσειδώνα στο Σούνιο μετά την ομιλία του στους φοιτητές

David Gross

Ο David Gross είναι ένας από τους κορυφαίους θεωρητικούς φυσικούς του καιρού μας. Βραβευμένος με το βραβείοΝόμπελ Φυσικής το 2004 για την «ασυμπτωτική ελευθερία» των ισχυρών αλληλεπιδράσεων και γνωστός για το πρωτοποριακό ερευνητικό του έργο στη θεωρία των υπερχορδών. Επισκέφτηκε την Ελλάδα να συμμετάσχει στο «2οσυμπόσιο των εφτά σοφών στην Κοσμολογία».

Πηγή: http://www.thepressproject.gr/ του Γιάννη Νταλιάνη