Οι Φυσικές Επιστήμες στις αρχές του 21ου αιώνα. Μέρος Δέκατο. Πεδία δυνάμεων. Στατικά, Μεταβαλλόμενα, Κβαντικά πεδία. Η στρέβλωση του χωρόχρονου που είναι η ερμηνεία του Αινστάιν αναιρεί την θεωρία πεδίων δυνάμεων ;

Της Δήμητρας Σπανού ,  Χημικού, Καθηγήτριας  Β/θμιας Εκπ/σης

Για την μελέτη των φυσικών φαινομένων χρησιμοποιούμε κυρίως δυο προσεγγίσεις : 

Τις αλληλοεπιδράσεις σωματιδίων και τα πεδία δυνάμεων

Μεταφορά δύναμης από απόσταση με την εκπομπή και απορρόφηση σωματιδίων αλληλεπίδρασης

Στη σύγχρονη φυσική οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων περιγράφονται , ως ανταλλαγή ειδικών σωματιδίων των δυνητικών σωματιδίων ή μποζονίων, που είναι διαφορετικά ανάλογα με τα φερμιόνια τα οποία ανταλλάσουν ενέργεια και ορμή.

 Όπως έχει αναφερθεί έχουμε τα γλοιόνια αλληλοεπιδρούν και συνδέουν τα κουάρκς,  για σχηματισμό των νουκλεονίων.

κάποιου τύπου  μιόνια συνδέουν μεταξύ τους τα νουκλεόνια (υπέυθυνα  για το σχηματισμό των πυρήνων κατά Youkava) ,

 τα φωτόνια για το ανταλλαγή ενέργεια μεταξύ των ηλεκτρονίων και υπέυθυνα για το σχηματισμό ατόμων και μορίων , 

το βαρυτόνια για τις μάζες , που όμως δεν έχει ολοκληρωθεί η έρευνα και είναι υπέθυνα για την κίνηση πλανητών

και τα σωματίδια ανταλλαγής W και Ζ+, Ζ-. (υπέυθυνα για την ραδιενέργια και γενικά για τους μετασχηματισμούς των φερμιονίων)

 Πεδία δυνάμεων

Πεδία δυνάμεων είναι χώροι σύμφωνα με τον Ευκλείδιο ορισμό, σε κάθε σημείο των οποίων μπορεί να προσαρτηθει διάνυσμα δύναμης που ορίζεται σύμφωνα με την εξίσωση του Νεύτωνα m dx²/dt

Γνωστά πεδία δυνάμεων θεωρούναι το ισχυρό πυρηνικό , το ασθενές πυρηνικό, το ηλεκτρομαγνητικό και το βαρυτικό. 

Τα σωματίδια ανταλλαγής και τα πεδία δυνάμεων είναι αλληλένδετα

Η εμφάνιση και διάδοση δυνάμεων μέσω των δυο αυτών θεωριών σωματίδια και πεδία θεωρήθηκε αρχικά σαν δυο ξεχωριστές ερμηνείες. Στην συνέχεια όμως αποδείχθηκε πως  δεν  είναι  διαφορετικές ερμηνείες αλλά πρόκειται για την ίδια θεωρία. 

 Όταν πια  ωρίμασε η ιδέα των κβάντων και της κβαντικής θεωρίας, στην οποία τα σωματίδια ανταλλαγής που ταυτίζονται με τα κβάντα μεταφοράς ενέργειας,  όχι μόνο δεν έβαζε αυτές τις δυο θεωρίες την μια απέναντι στην άλλη, αλλά παρουσίαζε πια τα σωματίδια και τα πεδία μέσα στα οποία δρουν σαν αλληλένδετα.

Ποια είναι η εμβέλεια των πεδίων δηλαδή, πόσο μακρυά διαδονται;

Τα σωματίδια ανταλλαγής ενέργειας και ορμής  (μποζόνια) μεταξύ των σωματιδίων ύλης (φερμιονίων) προσδιορίζονται καλύτερα σαν σωματιδίων πεδίου (ή κβάντα πεδίου)

Τα πεδία πια θεωρείται πως διαδίδονται στον χώρο μέσω των σωματιδίων αυτών και ανάλογα με την εμβέλειά τους, έχουμε πολύ ή λιγότερο εκτεταμένα πεδία

Σωματίδια αλληλεπίδρασης χωρίς ή με μικρή μάζα, διαδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις, έχουν δηλαδή μεγάλη εμβέλεια. Και αντίστροφα.

 Για παράδειγμα το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που διαδίδεται από το φωτόνιο που έχει μηδενική μάζα και σπιν 1, εκτείνεται σε τεράστιες αποστάσεις 

 Άλλα πεδία που διαδίδονται με άλλα κβάντα. Το βαρυτικό θεωρείται πως έχει σαν σωματίδιο διάδοσης το βαρυτίνο που έχει σπιν 2 και δεν έχει μάζα. Το βαρυτικό πεδίο επίσης διαδίδεται σε τεράστιες αποστάσεις.

Σε αντίθεση στο ασθενές  πυρηνικό πεδίο όπου η ασθενής πυρηνική δύναμη έχει ελάχιστη εμβέλεια 10^-18m για τον αντίθετο λόγο. Δηλαδή τρια βαριά μποζόνια με σπιν 1  μάζα των μποζονίων  W +, W - και Z  (100Gev).   

Τελικά,

Η εμβέλεια του κάθε πεδίου, εξαρτάται από την ευχέρεια μεταφοράς καθενός σωματιδίου σε κοντινές ή μακρινές αποστάσεις ανάλογα με τις ιδιότητές του

Ανάλογα μπορούμε να πούμε ότι η εμβέλεια της δράσης των δυνάμεων του κάθε πεδίου μέσω των σωματιδίων είναι πολύ διαφορετική

Διαφορετική όμως είναι και η τάξη των δυνάμεων που αναπτύσσονται σε κάθε πεδίο. 

(Μια από τις κύριες δυσκολίες που συνάντησαν στις τελευταίες δεκαετίες οι προσπάθειες για την ενοποίηση των πεδίων)

Για παράδειγμα, η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ ηλεκτρονίων είναι 10⁴² φορές μεγαλύτερη από την βαρυτική δύναμη

Αλλά όχι μόνο την τάξη των δυνάμεων και την εμβάλεια του πεδίου καθορίζουν τα σωματίδια αυτά, αλλά και την ίδια την φύση του πεδίου που καθορίζεται πλήρως από τις ιδιότητες του σωματιδίου που το διαδίδει

Προχωρώντας αυτόν τον συλλογισμό, 

Θα μπορούσαμε ίσως να λέμε τα πεδία πια όχι με το όνομά τους αλλά με το όνομα των σωματιδίων που τα διαδίδουν

Για παράδειγμα για τα γνωστά κβαντικά πεδία, πεδίο φωτονίων αντί για ηλεκτρομαγνητικό πεδίο , πεδίο γλοιονίων αντί για ισχυρό πυρηνικό πεδίο 

ακόμα με την ίδια λογική θα μπορούσαμε να χρησιμοποιούμε την έκφραση πεδίο ιδιοτήτων σωματιδίων αντί για τον περιοριστικό όρο πεδίο δυνάμεων που επικρατεί (Αυτό βέβαια το σημειώνω σαν προσωπική σκέψη και μόνο )

Για την ιστορία...

Τα πεδία της κλασσικής φυσικής  

Πριν ξεκινήσει αυτή η προσπάθεια - έρευνα, που έχει στόχο, να γίνουν κατ' αρχή στοιχειωδώς  κατανοητές κάποιες  θεωρίες που αναφέρονται σε  κβάντωση των πεδίων και να αποδωθούν στην συνέχεια, με όσο γίνεται πιο απλό τρόπο,

 θα πρέπει να θυμηθούμε τις κλασσικές γνώσεις και θεωρίες , που διατυπώθηκαν για τα πεδία , καθώς και τον ρόλο τους στην κατασκευή  του φυσικού κόσμου.

 Στην κλασσική φυσική αναφερόμαστε για πεδία  που είναι διανυσματικά πεδία και ο χώρος που εκτείνονται είναι διανυσματικός χώρος

(Ο διανυσματικός χώρος είναι μια μαθηματική δομή, η οποία αποτελείται από μια συλλογή στοιχείων που ονομάζονται διανύσματα.

Τα διανύσματα μπορούν να προστίθενται και να πολλαπλασιάζονται με αριθμούς και ονομάζονται βαθμωτά. Οι αριθμοί μπορεί να είναι πραγματικοί, αλλά υπάρχουν και διανυσματικοί χώροι με βαθμωτό πολλαπλασιασμό μιγαδικών αριθμών ή ρητών αριθμών )

Στην κλασσική φυσική έχουμε πεδία σταθερά όπως 

Το ηλεκτρικό πεδίο ,ή ηλεκτροστατικό πεδίο

 Δημιουργείται από ηλεκτρικά φορτία

Είναι  διανυσματικός χώρος που ασκεί δυναμη σε ηλεκτρικά φορτισμένα αντικείμενα. Περιγράφεται από το διάνυσμα Ε, δηλαδή την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου (ή ηλεκτροστατικού πεδίου) που εξαρτάται από τα φορτία και είναι ανεξάρτητο από τον χρόνο

 Το μαγνητικό πεδίο ή μαγνητοστατικό πεδίο.

Δημιουργείται από μαγνητικά δίπολα

Είναι  διανυσματικός χώρος μέσα στον οποίο παρατηρούνται μαγνητικές δυνάμεις. Περιγράφεται από το διάνυσμα Β που λέγεται ένταση μαγνητικού πεδίου (μαγνητοστατικού πεδίου)

Το βαρυτικό πεδίο (στατικό)

Δημιουργείται γύρω από ένα σώμα με  μάζα.

 Είναι ένα διανυσματικό πεδίο, σε κάθε σημείο του οποίου αντιστοιχεί το διάνυσμα του έχει  κατεύθυνση προς την μάζα.

στην συνέχεια μελετήθηκαν

Πεδία που μεταβάλλονται

όπως

Το Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο

(από επιταχυνόμενα φορτία)

Δημιουργείται από α.ένα παλλόμενο ηλεκτρικό φορτίο ή β. με την μεταβολή της έντασης ηλεκτρικού ρεύματος με ορισμένη συχνότητα και γενικότερα από κάθε επιταχυνόμενο φορτίο

Αποτελείται από δυο "σιαμαία"  πεδία ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό που είναι χρονικά μεταβαλλόμενα .

Περιγράφονται από την ένταση του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου που είναι κάθετα μεταξύ τους και η τιμή τους  μεταβάλλεται με τον χρόνο

Ε = Ε_maxημωt, όπου ω = 2πf.

Β = Β_maxημωt , όπου ω = 2πf.

Διαδίδεται στον χώρο με το ηλεκτρομαγνητικό κύμα και ταχύτητα 3.10⁸ m/s

Ταυτόχρονα  γίνεται μεταφορά ενέργειας με την ρυθμική μεταβολή της έντασης του ηλεκτρομαγνητικόυ πεδίου

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα περικλείονται σε ένα φάσμα συχνοτήτων που λέγεται ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (από μερικά Herz έως της τάξης 10²²Herz)

και κινούνται με την ίδια ταχύτητα 3.10⁸ m/s

Το Μεταβαλλόμενο βαρυτικό πεδίο

Αν με κάποιον τρόπο μεταφέρεται μάζα και ενέργεια μέσα στο Πεδίο τότε αλλάζει η Πυκνότητα σε διάφορα σημεία του Πεδίου αλλά και οι Πιέσεις που ασκούνται κατά συνέπεια  

Ο τρόπος που μεταφέρεται μάζα και  ενέργεια μέσα στο βαρυτικό πεδίο είναι η μεταβολή της πυκνότητας που διαδίδεται μέσα στο πεδίο

Είναι  τα ονομαζόμενα ωστικά  κύματα ή "πιεστικά κύματα" 

Μέσω  της μεταβολής της πίεσης συμβαίνει μεταφορά ενέργειας και ύλης 

Αυτή η μεταφορά ενέργειας μεταβάλλει  την θερμοκρασία, την μάζα, την σύσταση ή την εσωτερική ενέργεια  των υλικών σωμάτων 

Εκπομπή βαρυτικών κυμάτων σε βαρυτικό πεδίο

 Από επιταχυνόμενη κίνηση μάζας  μέσα σε βαρυτικό πεδίο

Συμφωνα με την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας επιταχυνόμενα  αντικείμενα, (μάζες), προκαλούν εκπομπή βαρυτικών κυμάτων, δηλαδή περιοδικές μεταβολές της καμπυλότητας του χωρόχρονου, "ρυτιδώσεις". Προυπόθεση είναι οι κίνησεις τους  αυτές  να μην είναι τέλεια σφαιρικές ή κυλινδρικά συμμετρικές , (προφανώς να διαφοροποιούνται από τις κάποιου τύπου συμπαντικές κινήσεις 'οπως η  διαστολή  )

 Η επιτάχυνση των σωμάτων ερμηνεύεται με την  στρέβλωση του χωρόχρονου σε βαρυτικό πεδίο (σύμφωνα με την Γενική  θεωρία της σχετικότητας τον Αινστάιν)

Η επιταχυνόμενη κίνηση μιας μάζας μέσα σε ένα βαρυτικό πεδίο δεν οφείλεται στην βαρύτητα αλλά στο γεγονός ότι το πεδίο μεταβάλλεται λόγω της μάζας που το επιρεάζει, το δε αντικείμενο που κινείται, εξακολουθεί να κινείται κατά μήκος των δυναμικών γραμμών του πεδίου που είναι όμως αλλοιωμένες από την επίδραση της μάζας

Οι καταστάσεις επιταχυνόμενης κίνησης  και ηρεμίας σε ένα βαρυτικό πεδίο (για παράδειγμα πάνω στην επιφάνεια της Γης) είναι ταυτόσημες

Το 1915 ο Αινστάιν διατύπωσε εξισώσεις για πεδία που σχετίζονται με την καμπύλωση του χωρόχρονου που οφείλονται στην μάζα  στην ενέργεια και την ορμή

Όμως τελικά οι δυο αυτές θεωρείες

της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων και της στρεύλωσης του χωρόχρονου που οφείλεται σε μάζες (Αινστάιν)

δεν ειναι αντιφατικές μεταξύ τους , αν σκεφτούμε ότι

μια μεταβολή στην εσωτερική κατανομή της μάζας ενός πεδίου (που είναι αποτέλεσμα της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων)

έχει σίγουρα επιπτώσεις στην διάταξη των δυναμικών γραμμών του  πεδίου  (που μεταβάλλονται -στρεβλώνονται) 

αν βέβαια η σχετική του κίνηση ως προς την συνολική κίνηση του πεδίου είναι διαφορετική από το μηδέν  

 και στο πρώτο τέταρτο του  20ου  αιώνα διατυπώθηκε η άποψη ότι η μεταφορά των ιδιοτήτων του πεδίου μέσα σε αυτό - μέσω των στοιχειωδών σωματιδίων αλληλοεπίδρασης-  γίνεται με στοιχειώδη ποσά (κβάντα)

Η κβάντωση στο βαρυτικό πεδίο

Η ιδέα της κβάντωσης στο βαρυτικό πεδίο, βρίσκεται υπό έρευνα, χωρίς να έχει ολοκληρωθεί και κατοχυρωθεί ακόμα.

Όταν όμως αναφερόμαστε στην κβαντική βαρύτητα θα πρέπει να ορίσουμε τα ανάλογα σωματίδια

 Σαν σωμάτιο ανταλλαγής ενέργειας μεταξύ των μαζών του βαρυτικού πεδίου προτάθηκε ένα υποθετικό μποζόνιο για το πεδίο αυτό, το σωμάτιο  βαρυτόνιο που είναι σωματίδιο- φορέας της βαρυτικής αλληλεπίδρασης 

Αντίστοιχο φερμιόνιο για το βαρυτικό πεδίο προτάθηκε το βαρυτίνο

 Το βαρυτόνιο ουσιαστικά αντιπροσωπεύει το κβάντο της βαρυτικής ακτινοβολίας υπό μορφή βαρυτικών κυμάτων.

Εάν υπάρχει, το βαρυτόνιο πρέπει να έχει μηδενική μάζα ηρεμίας (απαραίτητη για την άπειρη ακτίνα δράσης της βαρυτικής αλληλεπίδρασης) 

Το δυναμικό του βαρυτικού πεδίου κατά αναλογία, είναι 

Υπήρξε θέμα αν αυτό  αντιβαίνει στην θεωρία  του Αινστάιν της Γενικής Σχετικότητας (για την στρέβλωσης του χωρόχρονου από την επίδραση της μάζας) που έχει διατυπωθεί για να ερμηνεύσει τα φαινόμενα σε βαρυτικά πεδία αλλά από ότι φάνηκε αυτό δεν είναι πραγμαικά αντίθετο (αναφέρθηκε και πάνω). Για να θυμηθούμε...

Η  θεωρία της στρέβλωσης του χωρόχρονου, πρότεινε, ότι δεν υπάρχουν πραγματικά δυνάμεις στο βαρυτικό πεδίο που προκαλούν τα φαινόμενα αυτά, (όπως , η αλλαγή στην ταχύτητα κινούμενου αντικειμένου μέσα σε βαρυτικό πεδίο),  και τα φαινόμενα που παρατηρούνται  δεν οφείλεται στην δράση δυνάμεων, αλλά στην στρέβλωση του βαρυτικού πεδίου και των δυναμικών του γραμμών, που προκαλείται από τις  μάζες που υπάρχουν. και το επιρρεάζουν) 

Κάποιες πληροφορίες για τυχόν μελλοντική χρήση

• Οι μονάδες  κβάντωσης για το μήκος και τον χρόνο που αναφέρθηκε παραπάνω, είναι τόσο μικρές που δεν μπορούμε να τις συλλάβουμε. Ο Max Plank μας έδωσε τις βασικές όπως την  κβαντική μονάδα μήκους 1.616 252(81) × 10⁻³⁵ m και την κβαντική μονάδα χρόνου 5.391 24(27) × 10⁻⁴⁴ s. ( μονάδες του Plank) 
• Από την κβάντωση του μήκους προκύπτει η κβάντωση στην επιφάνεια και στον χώρο και οι επόμενες προσπάθειες για το ξεδίπλωμα της κβάντωσης του βαρυτικού πεδίου βασίζονται στις μονάδες του PLank
• Βέβαια το 99% της συνηθισμένης βαρυονικής ύλης του σύμπαντος αποτελείται από δύο στοιχεία: το υδρογόνο και ήλιο εκ των οποίων το πρώτο δημιουργήθηκε τις πρώτες-πρώτες στιγμές του σύμπαντος. Το ήλιο δημιουργήθηκε μέσα στα πρώτα λεπτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη.
•  

Δήμητρα Σπανού

ΠΗΓΕΣ

Φυσική για ποιητές Robert March

https://el.wikipedia.org/wiki/Διανυσματικός_χώρος

https://el.wikipedia.org/wiki/Βαρυτικό_πεδίο

https://panacea.med.uoa.gr/topic.aspx?id=

Quantika Παράδοξα Jim Al-Khalili

physiclessons.blogspot.com257 × 196

physiclessons.blogspot.com800 × 600

light.physics.auth.gr200 × 193
physiclessons.blogspot.com322 × 400

https://gate.iesl.forth.gr/~kafesaki/Modern-Physics/lectures/modern_physics10.html

ακατεργαστο  

ακατέργαστο

Ξεκινώντας από την παραδοχή που έκανε ο Πλανκ για την Ενέργεια ότι δηλαδή, υπάρχει μια στοιχειώδης ποσότητα γι αυτήν, (αντίστοιχη παραδοχές έχουν γίνει για τα ηλεκτρικό φορτίο) θα πρέπει να γίνουν αντίστοιχες παραδοχές και για την ύλη.¨οτι δηλαδή και η ύλη αποτελείται από στοιχειώδεις δομικούς λίθους

Τα τελευταία νέα

Θεωρία των χορδών 1968: Ταλαντούμενες χορδές που είναι στην πραγματικότητα τα θεμελιώδη σωματίδια και αποτελούν τις θεμελιώδεις οντότητες  του σύμπαντος. Ο χώρος και ο χρόνος θεωρούνται σαν ένα απόλυτο  υπόβαθρο πάνω στο οποίο δραστηριοποιούνται οι χορδές 

Θεωρία των μεμβρανών (θεωρία Μ) -1995  : Αντί για χορδές προβλέπεται η ύπαρξη δισδιάστατων επιφανειών ή μεμβρανών  σαν θεμελιώδη στοιχεία της κατασκευής του κόσμου. Η θεωρία αυτή , χωρίς να μπορεί να δώσει τις θεμελιώδεις μαθηματικές εξισώσεις εικάζει για την ύπαρξη ένδεκα διαστάσεων (μαζύ με τον χρόνο)

Κβαντικά βαρύτητα των βρόχων  (στις δύο τελευταίες δεκαετίες βρίσκεται σε εξέλιξη): Ξεκινούν από την Γενική σχετικότητα και ένα από τα βασικά δόγματα των θεωριών του Αινστάιν, ότι  ο χώρος και ο χρόνος  μπορούν να οριστούν μόνο σαν συνάρτηση των σχέσεων ανάμεσα σε δύο διαφορετικά γεγονότα. Στην κβαντική θεωρία των βρόχων ο χώρος και ο χρόνος αποτελούνται από αδιαίρετα πακέτα . 

04/02/2010

 by physics4u

Οι δονήσεις στα πεδία

Για να εκπέμψουν σημαντική ακτινοβολία επιβράδυνσης, τα σωματίδια πρέπει να έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από 100 keV.

https://eclass.upatras.gr/modules/document/file.php/PHA1670/RadioPharmacy2015_Chapter03.pdf

Τα σωματίδια α χάνουν συντομότερα την ενέργειά τους από ότι τα β - έχουν εμβέλεια στον αέρα 2-10 cm, ενώ τα β έχουν πολύ μεγαλύτερη εμβέλεια που μπορεί να φθάσει μέχρι μερικά μέτρα.

Οι κινητικές ενέργειες των σωματίων των κοσμικών ακτίνων εκτείνονται σε 14 τάξεις μεγέθους, 

Όλα τα υλικά σώματα περικλείουν δυναμική και κινηική ενέργεια που είναι το άθροισμα των ενεργειών των στοιχειωδών σωματιδίων που τα αποτελούν αυτή η ενέργεια λέγεται εσωτερική ενέργεια των σωμάτων,

Είναι ένα  μέγεθος που μπορεί να αυξηθεί ή να ελαττωθεί,  , καθώς και να μεταφερθεί σε άλλα υλικά σώματα μέσα από τις συγκρούσεις των σωματιδίων και την μεταβολή της ορμής τους.