Εξηγώντας μου το Higgs

Λίγο καθυστερημένα, και αφού κόπασε ο θόρυβος και τα χειροκροτήματα για το νέο μέλος της οικογενείας των μποζονίων, που ήρθε στο φως πριν λίγες μέρες στο ακριβότερο μαιευτήριο του κόσμου, το CERN, αξίας περίπου 20 δις, ας αφιερώσουμε λίγες γραμμές για να το γνωρίσουμε καλύτερα.

Το νέο αποτέλεσμα που έδωσαν ταυτόχρονα δυο ανεξάρτητοι ανιχνευτές, έρχεται να επιβεβαιώσει, με πολύ μεγαλύτερη αυτοπεποίθηση, ότι η μικρή διαταραχή στις μετρήσεις, που είχε εμφανιστεί πριν λίγους μήνες, κάθε άλλο παρά τυχαίος θόρυβος ήταν, αλλά αντιστοιχούσε σε ένα ολοκαίνουργο σωματίδιο, μάρκας μποζόνιο. Το ότι είναι μποζόνιο και όχι τίποτε άλλο, επιβεβαιώνεται, πέραν κάθε αμφιβολίας από το γεγονός ότι το ίχνος του προδόθηκε από την ταυτόχρονη εμφάνιση στον ίδιο χρόνο δυο φωτονίων. Τα φωτόνια, όπως και κάθε σωματίδιο του μικρόκοσμου της κβαντομηχανικής, πέρα από τη γνωστή στροφορμή που συναντάται και στον μακρόκοσμο, έχει και μια ίδια στροφορμή, η οποία ονομάζεται spin. Επειδή το φωτόνιο έχει by default spin 1, το διανυσματικό άθροισμα δυο spin, έκαστον των οποίων ισούται με τη μονάδα, μάς δίνει είτε 0 είτε 2. Επομένως, αυτό καθ’ αυτό το γεγονός της διάσπασης σε δύο φωτόνια, μάς λέει ότι το άγνωστο σωματίδιο είναι όντως μποζόνιο.

Ας κάνουμε μια μικρή παράκαμψη και ας δούμε τι είναι τα μποζόνια για τα οποία γίνεται τόση φασαρία.

Τα γνωστά σωματίδια του μικρόκοσμου χωρίζονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες, τα φερμιόνια και τα μποζόνια. Στα φερμιόνια ανήκουν τα λεπτόνια, κύριοι εκπρόσωποι των οποίων είναι το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο και το tau , με τα αντίσοιχα νετρίνα και αντι-σωματίδιά τους, και τα 6 quarks τα οποία συνθέτουν το πρωτόνιο και το νετρόνιο, που με τη σειρά τους συνθέτουν τον πυρήνα κάθε ατόμου. Τα φερμιόνια διακρίνονται για το ημι-ακέραιο spin και αποτελούν τα βασικά συστατικά της ύλης. Αν εξαιρέσεις το νετρίνο, όλα τα φερμιόνια έχουν μάζα, αλλιώς τι σόι βασικά συστατικά της ύλης θα ήταν.

Τα μποζόνια, από την άλλη δεν έχουν μάζα, εκτος από τα... (θα το δούμε παρακάτω), έχουν ακέραιο spin, και θεωρούνται οι φορείς των 4 θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης. Τι σημαίνει αυτό; Στη φύση υπάρχουν 4 δυνάμεις, εκτός κι αν μας προκύψει καμιά πέμπτη στο δρόμο. Αυτές είναι: η ηλεκτρομαγνητική που δρα ανάμεσα σε φορτισμένα σωματίδια, η ασθενής πυρηνική που διαφεντεύει την ραδιενεργό διάσπαση των πυρήνων, η ισχυρή πυρηνική, η οποία κρατάει τα quarks μαζί ώστε να μην διαλύονται οι πυρήνες, και η γνωστή μας βαρυτική, η οποία δρα ανάμεσα σε σώματα που έχουν μάζα.

Στη σωματιδιακή φυσική, όταν λέμε ότι δυο σώματα αλληλεπιδρούν μέσω μιας εκ των 4 δυνάμεων, στην πραγματικότητα εννοούμε ότι τα σώματα αλληλεπιδρούν μέσω ανταλλαγής ενός ειδικού σωματιδίου, φορέα της συγκεκριμένης δύναμης. Όταν, για παράδειγμα, λέμε ότι δυο φορτισμένα σωματίδια αλληλεπιδρούν μέσω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, αυτό σημαίνει ότι ανταλλάσσουν, (καταπίνουν ή φτύνουν) φωτόνια. Άρα, το φωτόνιο είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Ομοίως, το γλουόνιο είναι ο φορέας της ισχυρής πυρηνικής, τα σωματίδια W και Ζ είναι οι φορείς της ασθενούς πυρηνικής, και το (υποθετικό, και ακόμα-να-το-δούμε) γκραβιτόνιο, το οποίο, για να είναι κομψή η θεωρία, θα πρέπει να μεσολαβεί στις βαρυτικές έλξεις όσων σωμάτων έχουν μάζα.

Εδώ, κολλάει και το μποζόνιο του Higgs, το οποίο είναι το σωματίδιο φορέας ενός πεδίου, του Higgs, το οποίο, βρίσκεται παντού όπου και να κοιτάξεις και δρα όπως ένα λασπωμένο χωράφι: σχηματικά, όσα σωματίδια πιαστούν στα δίχτυα του, ανάλογα με τον κόπο που κάνουν για να ξεφύγουν, αποκτούν και την ανάλογη μάζα. Σύμφωνα λοιπόν με την εικόνα αυτή, κάθε ένα από τα γνωστά σωματίδια αλληλεπιδρά με διαφορετικό τρόπο, κινείται, δηλαδή, με διαφορετικό τρόπο στο λασπωμένο πεδίο του Higgs, και το γεγονός αυτό του προσδιορίζει και τη μάζα που θα έχει εφ εξής.

Τα μποζόνια, σε αντίθεση με τα φερμιόνια, έχουν by default ακέραιο spin και στερούνται μάζας, εκτός από τα W και Ζ, τα οποία είναι ιδιαζόντως βαριά και, όπως είδαμε μεσολαβούν στις ραδιενεργές διασπάσεις των πυρήνων.

Το μποζόνιο του Higgs, όπως προβλέπει η θεωρία του Καθιερωμένου Μοντέλου (Standard Model), θα πρέπει να έχει συγκεκριμένη μάζα, καθόλου φορτίο και spin ίσο με 0. Όπως είδαμε και στην αρχή, το τελευταίο πείραμα έδειξε μεν ότι το καινούργιο σωματίδιο είναι μποζόνιο, με μάζα στην λίγο-πολύ αναμενόμενη περιοχή, δεν έδωσε όμως καμιά ένδειξη για το spin του. Η διελεύκανση αυτού του μυστηρίου, αν δηλαδή ο άγνωστος Χ έχει spin 0 ή 2 θα γίνει σε μεθεπόμενα πειράματα, και ίσως μια απάντηση βρεθεί πριν από το τέλος αυτής της χρονιάς. Αν το spin βρεθεί ίσο με 0 τότε αυξάνονται οι πιθανότητες να έχουμε βρει το σωστό μποζόνιο, δηλαδή το μποζόνιο που προβλέπει το Standard Model. Αν το spin βρεθεί ίσο με 2, τότε θα πρόκειται για μια άλλη ανακάλυψη, για το μποζόνιο, λ.χ. του Μήτσου, δίχως άλλο όμως, πολύ ενδιαφέρουσα.

STANDARD MODEL

Κι εδώ, ας κάνουμε μια άλλη στάση στις διάφορες θεωρίες της σωματιδικιακής φυσικής και στο γιατί το μποζόνιο του Higgs δεν είναι το μοναδικο, αλλά για διάφορους λόγους κατέστη το πλέον διαφημισμένο και δημοφιλές.

Το Standard Model είναι μια θεωρία-χαλί που βρίσκεται στην πιάτσα από τη δεκαετία του 1960 και για την ύφανση της οποίας πολλοί βάλανε τα χέρια τους και τα μυαλά τους. Θεωρείται επιτυχημένη, και ό,τι καλύτερο έχουμε βρει μέχρι τώρα, γιατί κατόρθωσε να περιγράψει όλες τις γνωστές δυνάμεις, εκτός της βαρυτικής (αυτή είναι άλλου παπά ευαγγέλιο) καθώς και όλα τα γνωστά σωματίδια του μικρόκοσμου. Μεγάλη της επιτυχία θεωρείται η πρόβλεψη των μποζονίων W και Ζ, καθώς  των quarks, τα οποία όταν ανακαλύφτηκαν εκ των υστέρων σε πειράματα, της έδωσαν τα υψηλότερα διαπιστευτήρια.

Το Standard Model, όμως, είχε μια πολύ σοβαρή αδυναμία: πουθενά δεν υπήρχε πρόβλεψη ώστε τα σωματίδια που περιέγραφε να είχαν μάζα. Αυτό φυσικά ήταν λάθος, το οποίο ήρθε να διορθώσει ο κ. Higgs, (αλλά και τρεις τέσσερεις άλλοι, εργαζόμενοι ανεξάρτητα και ταυτόχρονα), προσθέτοντας με το χέρι στο μοντέλο ένα επιπλέον πεδίο (σωματίδιο), το οποίο θα έντυνε με μάζα τα γνωστά γυμνά σωματίδια του μικρόκοσμου.

Καλή κίνηση, η οποία όμως, δημιούργησε με τη σειρά της καινούργια προβλήματα. Ενώ οι πειραματικές ενδείξεις ήταν ότι το μποζόνιο Higgs θα έπρεπε να έχει μάζα στην περιοχή 114-180 GeV, η ενισχυμένη με το πεδίο Higgs, θεωρία το έβγαζε δισεκατομμύρια φορές βαρύτερο. Το πρόβλημα αυτό είναι γνωστό με το όνομα Ηierarchy Problem, αν κάποιος πέσει πάνω του και δεν ξέρει τι κρύβεται από πίσω. Τα πάντα όμως διορθώνονταν όταν κάποιος ρύθμιζε απ’ έξω και με το χέρι τις ελεύθερες παραμέτρους της εξίσωσης, όπως για παράδειγμα την ισχύ αλληλεπίδρασης των θεμελιωδών δυνάμεων, που περιγράψαμε πρωτύτερα. Αυτό, όμως, δεν είναι καλό για μα θεωρία, η οποία έχει τη φιλοδοξία να προβλέπει από μόνη της τη γέννεση του κόσμου. Κανονικές οι τιμές των παραμέτρων αυτών θα έπρεπε να προκύπτουν από μόνες τους και να είναι φυσικά οι σωστές.

ΘΕΩΡΙΑ ΥΠΕΡΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ

Για το λόγο αυτό, αναπτύχθηκαν παράλληλες θεωρίες, με σκοπό να απαλλαγούν από τους μπελάδες του Standard Model. Μια τέτοια θεωρία είναι η Υπερσυμμετρία (ή χαϊδευτικά SUSY), η οποία δεν είναι μια, αλλά έρχεται με πολλές παραλλαγές. Η πιο κοινή με τους λιγότερους περιορισμούς, είναι η SUSY με άρωμα βανίλια, ενώ υπάρχουν και SUSYs με άρωμα σοκολάτας, φράουλας, τσίλι, σκόρδου κλπ, ανάλογα με τις προυποθέσεις που βάζουν. H SUSY μπορεί να έφτιαξε μια περισσότερο κομψή και καθαρή θεωρία, με λιγότερους σε σχέση με το Καθιερωμένο Μοντέλο, περιορισμούς, ταυτόχρονα, όμως, έφερε σαν προίκα και μια σειρά από καινούργια  και πολύ βαρύτερα σωματίδια. Συγκεκριμένα, σύμφωνα με τη θεωρία της Υπερσυμμετρίας, κάθε σωματίδιο, φερμιόνιο ή μποζόνιο του ορατού κόσμου θα πρέπει να συνυπάρχει με τον κατά πολύ βαρύτερο, υπερσυμμετρικό του εταίρο. Για κάθε ηλεκτρόνιο θα πρέπει κάπου εκεί έξω να βρίσκεται, για παράδειγμα και ένα s-ηλεκτρόνιο, για κάθε quark, ένα s-quark κ.ο.κ. Κάποια από αυτά, σύμφωνα με τους υπολογισμούς έχουν ενέργειες κατώτερες των δυνατοτήτων του επιταχυντή του CERN και κανονικά θα πρέπει να μπορούν να ανιχνευτούν.

ΑΛΛΕΣ ΘΕΩΡΙΕΣ

Εκτός όμως από την SUSY, πάνω στο υφάδι του Standard Model, αναπτύχθηκαν και άλλες θεωρίες, οι οποίες περιμένουν κάποιο πειραματικό αποτέλεσμα είτε για να απαξιωθούν είτε για να αναβαθμιστούν. Η θεωρία “Technicolor” του Weinberg, για παράδειγμα, θεμελιώθηκε χωρίς την παρουσία του μποζονίου Higgs, ντύνοντας με μάζα τα quarks βάσει κάποιου άλλου μηχανισμού, λ.χ. από την ενέργεια η οποία βρίσκεται παγιδευμένη στο δεσμό αλληλεπίδρασής τους.

Το μοντέλο Randall-Sundrum, στη δεκαετία 1990, προβλέπει κάποιο μποζόνιο, τύπου Higgs, προβλέπει τους εταίρους της SUSY, κατά πολύ όμως ελαφρύτερους, αλλά τους τελευταίους καθισμένους πάνω σε μια πέμπτη διάσταση.

Υπάρχει τέλος, και η θεωρία η οποία προκύπτει από τη σύνθεση των θεωριών Technicolor και Randall-Sundrum, και χωρίς την ανάγκη υιοθέτησης μια επιπλέον διάστασης. Χωρίς να είναι τελείως απαλλαγμένη από το μποζόνιο Higgs, το προσδιορίζει, όχι ως ανεξάρτητο, αλλά ως ένα σύνθετο σωματίδιο, αποτελούμενο από άλλα στοιχειώδη σωματίδια. Η μάζα του σύνθετου αυτού Higgs έχει υπολογιστεί να κυμαίνεται ανάμεσα στα 115 και 145 GeV.

Το μποζόνιο που ανακαλύφτηκε πρόσφατα έχει μάζα στα 125 ή στα 126 GeV, και κάλλιστα θα μπορούσε να αποτελέσει το παιδί κάποιων από τις ανταγωνιστικές θεωρίες που εν συντομία παρουσιάσαμε. Αυτή τη στιγμή, λοιπόν, δεν υπάρχει μόνος ο κ. Higgs, αλλά πολλοί πατεράδες που συνωστίζονται, και οι οποίοι θα πρέπει να περιμένουν κάποιο ακόμα καιρό μέχρι να τους αποδωθεί η πατρότητα του νέου Μεσσία....

Βρισκόμαστε, ακόμα στην αρχή.

Στα nano-γήπεδα του άνθρακα

Με την «παρά θιν αλός» επιστήμη ασχοληθήκαμε σε παλιότερη ανάρτηση, όπου με μεγάλη ευκολία δείξαμε πώς σε μια λιτή εξίσωση μπορεί να χωρέσει ολόκληρος ο κόσμος των αμμολόφων. Στο μεσοδιάστημα βέβαια, μεσολάβησε το μέγα καλλιτεχνικό γεγονός του μουντιάλ, το οποίο φυσικά δεν θέλησα ν’ αφήσω, από επιστημονική πάντοτε άποψη, να περάσει στο ντούκου. Τι να γράψεις βέβαια γιαυτό; Πέρα από τη φυσική της κλωτσιάς και της κεφαλιάς «ψαράκι», τη φυσική των κρούσεων και την εργοδική θεωρία με βάση το stadium model, τι άλλο έμενε; Μα φυσικά η μπάλα!

Όχι βέβαια η στρογγυλή θεά που μάγεψε και παρέσυρε πολλούς από σας, αλλά κάποιες περίεργες ενώσεις άνθρακα με δομή φτυστή της μπάλας, που μάγεψαν εμένα και που τώρα ίσως μαγέψουν και σας, τα περίφημα δηλαδή φουλερένια.

Ο άνθρακας ως γνωστόν είναι ένα πολύ εύπλαστο χημικό στοιχείο, με την έννοια ότι τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας, αυτά δηλαδή που μετέχουν σε συνήθεις χημικές αντιδράσεις, μπορούν να υβριδίζονται, δηλαδή οι κυματοσυναρτήσεις τους να παίρνουν σχήματα είτε υπό μορφήν τετραέδρων στο χώρο σχηματίζοντας απλούς δεσμούς, είτε υπό μορφήν τριγώνου στο επίπεδο, φτιάχνοντας διπλούς δεσμούς, είτε σε μια ευθεία, όπου και ενώνονται με άλλα άτομα υπό μορφήν τριπλών δεσμών. Εξ αιτίας της ποικίλης αυτής αρχιτεκτονικής, ο άνθρακας μπορεί και σχηματίζει σωρεία ενώσεων και δεν είναι τυχαίο ότι αποτελεί, συν τοις άλλοις τη χημική μήτρα της ζωής.

Τα φουλερένια (fullerenes) είναι οι μπάλες ποδοσφαίρου στα γήπεδα του μικρόκοσμου. Συγκεκριμένα, όπως και οι αληθινές μπάλες, αποτελούνται από μια συρραφή κανονικών πενταγώνων και εξαγώνων, 20 εξάγωνα και 12 πεντάγωνα η κάθε μια, κι όλα αυτά από ένα σύνολο 60 ατόμων άνθρακα, (C₆₀), όπου το καθ’ ένα συνδέεται με άλλα τρία διαμέσου ενός διπλού δεσμού. Ανακαλύφθηκαν το 1985, και όπως όλα τα καλά τα πράγματα, τυχαία, από τους Harold Kroto, Robert Curl and Richard Smalley, οι οποίοι και τσίμπησαν το βραβείο Nobel γι αυτή τους τη δουλειά, μια δεκαετία αργότερα.

Τα φουλερένια είναι πολύ ανθεκτικά, μπορούν δηλαδή ν’ αντέξουν σε μεγάλες πιέσεις. Επίσης έχουν βρει το δρόμο τους σαν καταλύτες, υποβοηθώντας δύσκολες χημικές αντιδράσεις, ενώ λόγω των ιδιαίτερων ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων άνοιξαν την όρεξη των τεχνολόγων να τα χρησιμοποιήσουν σαν βάση για φωτοβολταικά, με προοπτικές αντικατάστασης των ήδη υπαρχόντων από πυρίτιο, και σαν εξαρτήματα σε ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Η ανακάλυψη όμως αυτή δεν έμεινε εκεί. Πολύ γρήγορα βρέθηκαν και άλλες σφαιρικές ή σχεδόν σφαιρικές ενώσεις άνθρακα με λιγότερα ή περισσότερα άτομα, από 28 έως και μερικές εκατοντάδες. Ήταν να μην ανοίξει ο δρόμος. Άπαξ και έγινε, το πρώτο που θα σκεφτόταν κανείς ήταν αν το κλουβάκι που σχημάτιζαν θα μπορούσε να φιλοξενήσει ένα και δύο, και γιατί όχι, και περισσότερα άλλα ξένα άτομα. Αληθινή πρόκληση, στην οποία ανταποκρίθηκαν μεταλλικά άτομα, από την κατηγορία των αλκαλικών γαιών, των αλκαλίων, των λανθανιδών και άλλων, όπως και ευγενή αέρια, αν και με μεγαλύτερη δυσκολία. Οι ενώσεις που προέκυψαν, για παράδειγμα οι La@C₆₀, Sc₃N@C₈₀ ή He@C₆₀ αποτέλεσαν τη μεγάλη κατηγορία των ενδογενών (endohedral), φουλερενίων, με μεγαλύτερη σταθερότητα και συνεπώς, μικρότερη ικανότητα προς αντίδραση απ’ ότι τα άδεια φουλερένια, ακόμα και σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες. Το ενδιαφέρον της υπόθεσης είναι ότι στην περίπτωση των ευγενών αερίων, τα φουλερένια δρουν σαν ατομικές παγίδες εξαναγκάζοντας το παγιδευμένο άτομο σε πλήρη ακινησία και για μεγάλο χρονικό διάστημα, στο κέντρο της σφαίρας, κατόρθωμα ιδιαίτερα δύσκολο, παρά μόνο με μαγνητικά μέσα ή με τεχνικές laser cooling. Αλλά το μεγαλύτερο ενδιαφέρον στρέφεται προς την κατεύθυνση, να χρησιμοποιηθούν μελλοντικά σαν οχήματα μεταφοράς φαρμάκων κατευθείαν στην περιοχή που πάσχει, όνειρο από το οποίο κατατρύχεται όλη η σύγχρονη βιολογία και ιατρική.

Η ιστορία όμως δεν σταματάει εδώ. Μάλλον αρχίζει, όταν το 1991 ο καλός άνθρωπος Iijima ανακαλύπτει, τυχαία πάλι, τους πρώτους νανο-σωλήνες, (nanotubes), δηλαδή σωλήνες άνθρακα μεγάλου μήκους (αρκετά μικρόμετρα) και πολύ μικρής διαμέτρου (ολίγων νανομέτρων), θέτοντας έτσι και επισήμως τα θεμέλια της νανο-τεχνολογίας. Ένα νανόμετρο είναι χίλιες φορές μικρότερο από ένα μικρόμετρο, και ένα μικρόμετρο είναι ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο του μέτρου.

Για να δείτε τη δομή τους φανταστείτε ένα φύλλο γραφενίου, το οποίο αποτελείται μόνο από εξάγωνα και τυλίξτε το ώστε να πάρει τη μορφή κυλίνδρου, (Single Wall Nano Τubes). Με δύο φύλλα γραφενίου προκύπτουν κύλινδροι με δυο τοιχώματα, ενώ με τρία φύλλα, έχουμε τρία τοιχώματα, κοκ. Φυσικά κάθε κατηγορία επιδεικνύει και διαφορετικές ηλεκτρικές, μηχανικές, θερμικές και οπτικές ιδιότητες, κυρίως όμως μεγάλη ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, εξ ού και το μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον που υπόσχονται για το πέρασμα από τα μικρο-ηλεκτρονικά κυκλώματα του πυριτίου στα νανο-ηλεκτρονικά του άνθρακα. Οι ιδιότητες όμως διαφέρουν άρδην, ανάλογα και με τον τρόπο που γίνεται το τύλιγμα του φύλλου, δηλαδή ευθέως, άκρη με άκρη, ή με ελαφρό στρίψιμο ώστε οι δύο άκρες να μην συμπίπτουν. Έτσι μπορούμε να φτιάξουμε νανοσωλήνες, πάντα από άνθρακα, που να συμπεριφέρονται ως ημιαγωγοί ή ως μέταλλα. Cool! Αλλά, οι διαφορές δεν σταματούν εδώ· αλλιώς συμπεριφέρονται νανοσωλήνες με μικρή διάμετρο και αλλιώς με μεγαλύτερη. Φανταστείτε δηλαδή με πόσες παραμέτρους έχει να παίξει κανείς ώστε να φτιάξει το νανοσωλήνα που του ταιριάζει. Και η ευελιξία δεν σταματάει εδώ, μιας και προσμίξεις με άλλες χημικές ενώσεις ή άτομα, μπορούν ν’ αλλάξουν δραματικά το τοπίο των ιδιοτήτων ενός συγκεκριμένου νανοσωλήνα.

Τελειώσαμε; Όοοοχι φυσικά! Διότι ήτανε ζήτημα χρόνου να φτιαχτούν και νανοσωλήνες, μόλις το 2002, που να περιέχουν εντός τους τα φουλερένια μπάλες, γεμάτες κι αυτές με τη σειρά τους με κάποιο ή κάποια από τα άτομα που προαναφέραμε. Οι εν λόγω ενώσεις, που για ευνόητους λόγους ονομάστηκαν peapods, δηλαδή «αρακάς», διαθέτουν ακόμα πιο καταπληκτικές ιδιότητες, μιας και μπορούν να αλλάζουν την ημι-αγώγιμη συμπεριφορά του νανοσωλήνα, ανάλογα με τη θέση των φουλερενίων στο εσωτερικό του, σχηματίζοντας, ας πούμε μια σειρά από τρανζίστορς.

Θα μπορούσαμε να είχαμε αποχαιρετιστεί εδώ, αν πρόσφατα δεν συνέβαινε κάτι το αναπάντεχο. Κάποιοι ιάπωνες φοιτητές που ήταν επιφορτισμένοι με το ψήσιμο του «αρακά», κάπου φαίνεται θα ξεχάστηκαν και άφησαν τη θερμοκρασία να πιάσει τους 1000^ο C. Ανοίγοντας το φούρνο, έκπληκτοι παρατήρησαν ότι οι μπάλες είχαν εντελώς διαλυθεί, με τους άνθρακές του σκελετού τους να έχουν φτιάξει ένα δεύτερο τοίχωμα στο εσωτερικό του νανοσωλήνα, και με τα άτομα που αρχικά βρίσκονταν στο εσωτερικό των φουλερενίων να έχουν παραταχθεί το ένα πίσω από το άλλο κατά μήκος του άξονα του νανοσωλήνα, σαν σε μακρύ κορδόνι. Αυτό, το από κάθε άποψη μονοδιάστατο κβαντικό κορδόνι δεν ήταν πια απλός νανοσωλήνας, αλλά κάτι εξωφρενικά μικρότερο κι απ’ αυτόν, ήταν δηλαδή ένα νανοσύρμα (nanowire).

Τα νανοσύρματα, τα οποία σημειωτέον μπορούν να φτιαχτούν και από άλλα υλικά με άλλους τρόπους δίνουν πολλές υποσχέσεις για ακόμα μικρότερες ηλεκτρονικές διατάξεις και για άλλα θαύματα που παραμένει να βρουν νέες και ευφάνταστες εφαρμογές.

Α! και κάτι άλλο που παρά λίγο να ξεχάσω! Οι νανοσωλήνες είναι ιδιαίτερα τοξικοί και καρκινογόνοι. Δυστυχώς για μας, στη ζωή ό,τι λάμπει δεν είναι πάντα χρυσός!

Τιθασεύοντας τον Μικρόκοσμο: Laser Cooling

Ο μικρόκοσμος είναι πολύ μικρών διαστάσεων, γι αυτό άλλωστε ονομάζεται και έτσι, κι αν περιοριστούμε στα άτομα, το μέγεθός τους δεν ξεπερνάει τα λίγα Angstrom, όπου 1 Angstrom ισούται με το 1/10 του εκατομμυριοστού του χιλιοστού. Για να πάρουμε μια ιδέα του μεγέθους τους, η διάμετρος μιας τρίχας μαλλιών θα μπορούσε να φιλοξενήσει έως και μερικές δεκάδες χιλιάδες άτομα αραδιασμένα το ένα δίπλα στο άλλο. Το να μπορέσεις να δεις τι συμβαίνει σε τέτοιες μικρές κλίμακες αποτελεί μεγάλη πρόκληση. Σήμερα, τόσο με τη θεωρία της κβαντικής μηχανικής που διατυπώθηκε ήδη από τις αρχές του αιώνα, όσο και με την εξέλιξη πειραματικών μεθόδων, με κυριότερες τις διαφόρων τύπων φασματοσκοπίες, οι γνώσεις μας για τα «θηρία» του μικρόκοσμου και πολλές είναι και ακριβείς.

Παρ’ όλα αυτά όμως, έλλειπε κάτι: η υποταγή τους. Δηλαδή η δυνατότητα του ανθρώπου να τα κάνει να πειθαρχούν στις βουλές του, με λίγα λόγια να μπορεί να πιάνει κάθε μικροσωματίδιο χωριστά, να το μετακινεί, να το πηγαίνει όπου αυτός θέλει και όχι όπου αυτό θέλει, να το παγώνει και να το σταματά.

Ας δούμε πόση πρόοδος έχει γίνει μέχρι τώρα α) ως προς την ακινητοποίηση ενός μοναχικού ατόμου και β) ως προς την κατά βούληση μετακίνησή του.

Ας δούμε πρώτα την α) περίπτωση

Έχετε σκεφτεί ποτέ πόση είναι η ταχύτητα ενός ατόμου ή μορίου στον αέρα, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, δηλαδή στους 25^ο C; Ούτε λίγο ούτε πολύ γύρω στα 1500 km/h. Τεράστια ε! Μεγαλύτερη ακόμα και απ’ αυτή του αεροπλάνου και μάλιστα του υπερηχητικού. Θα σας περνούσε ποτέ απ’ το μυαλό ότι θα υπήρχε τρόπος να φρενάρουμε αυτά τα σωματίδια, ας πούμε τα μόρια αζώτου που υπάρχουν μπόλικα στον αέρα, και να τα φέρουμε σε πλήρη στάση; Μια πρόχειρη λύση θα ήταν να τα βάλουμε σε κάποιο είδος ψυγείου, που θα μάζευε τη ζέστη και θα τη διοχετεύεται στο περιβάλλον. Αλλά τα ψυγεία δεν μπορούν να φτάσουν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Άντε -10^o C , -20^o C. Όταν μιλάμε για στάση, μιλάμε για ακινητοποίηση, δηλαδή θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, δηλαδή γύρω στους -273^o C. Τώρα το πρόβλημα αρχίζει να γίνεται όντως δύσκολο και όπως καταλαβαίνετε χρειάζεται να βρεθεί ένας άλλος πιο έξυπνος τρόπος. Εδώ, θα ήθελα να διευκρινίσω ότι η θερμοκρασία ενός αερίου δεν είναι τίποτε άλλο παρά το αποτύπωμα της κινητικής του ενέργειας, με λίγα λόγια είναι ανάλογη του τετραγώνου της μέσης ταχύτητας των σωματιδίων που το απαρτίζουν. Έτσι θερμοκρασία και κινητική ενέργεια είναι όροι ισοδύναμοι.

Ο έξυπνος αυτός τρόπος βρέθηκε αρκετά χρόνια πριν, γύρω στο 1985, από τον κ. Steven Chu ο οποίος όχι μόνο πήρε το βραβείο Nobel στη Φυσική το 1997, αλλά και διορίστηκε πρόσφατα από τον Obama και στη θέση του Υπουργού Ενέργειας. Το καινοφανές αυτό ψυγείο χρησιμοποιεί αντί για μοτέρ, lasers, και η μέθοδος ονομάζεται Laser Cooling. Το κατόρθωμα είναι ότι εφαρμόζεται σε ουδέτερα άτομα, σ’ αυτά δηλαδή με συνολικό φορτίο μηδέν. Με τα φορτισμένα, δεν υπάρχει ιδιαίτερο πρόβλημα, μιας και κουμαντάρονται ευκολότερα με τα κατάλληλα ηλεκτρικά πεδία.

Ας δούμε λιγάκι τώρα τις βασικές αρχές πάνω στις οποίες στηρίζεται η λειτουργία του ιδιόρρυθμου αυτού ψυγείου.

Βασικό εργαλεία του πειράματος είναι το laser και ένα οποιοδήποτε ουδέτερο άτομο το οποίο θέλουμε να ακινητοποιήσουμε. Το laser είναι φωτεινή πηγή μεγάλης ισχύος, η οποία στο δευτερόλεπτο μπορεί να εκπέμπει έως και μερικά δισεκατομμύρια φωτόνια μιας και μοναδικής συχνότητας, ω_L. Τα φωτόνια ως γνωστόν δεν έχουν μάζα, έχουν όμως ορμή, οπότε όταν ένα φωτόνιο πέσει πάνω στο εν λόγω άτομο και απορροφηθεί, το άτομο θα υποστεί μια αλλαγή στην ορμή του, δηλαδή στην ταχύτητά του, μιας και η ορμή ισούται με το γινόμενο της μάζας του επί την ταχύτητα.

Για αρχή, ας υποθέσουμε ότι το άτομο είναι ελεύθερο να κινείται σε μια διάσταση, είτε προς την κατεύθυνση της ακτίνας του laser, είτε αντίθετα από αυτήν. Αν κινείται αντίθετα, δηλαδή προς το laser, τότε το φωτόνιο θα του δώσει ένα ελαφρύ σπρώξιμο (kick) προς τα πίσω, έχοντας σαν συνέπεια την ελάττωση της ορμής του ατόμου μας. Αν τώρα το άτομο κινείται κατά τη φορά της ακτίνας laser, τότε με το σπρώξιμο που θα του δώσει το φωτόνιο η ορμή του θα αυξηθεί, γεγονός το οποίο όμως θέλουμε να αποφύγουμε πάση θυσία. Δηλαδή, ό,τι χάνει σε ταχύτητα το άτομο κινούμενο προς τη μια κατεύθυνση, την κερδίζει κινούμενο προς την αντίθετη, οπότε δεν κερδίζουμε και τίποτα Τι κάνουμε λοιπόν;

Ένα μικρό κολπάκι... Αν το προσέξατε, πιο πάνω είπαμε ότι προϋπόθεση για να συμβεί οποιαδήποτε αλλαγή στην ταχύτητα του ατόμου, είναι το φωτόνιο που πέφτει επάνω του να μπορεί να απορροφηθεί. Εμείς όμως θέλουμε το άτομο να απορροφά το φωτόνιο μόνο όταν κινείται προς την κατεύθυνση της πηγής, διότι μόνο τότε ελαττώνεται η ταχύτητά του, και να το αγνοεί όταν κινείται αντίθετα. Εδώ λοιπόν μπαίνει το φαινόμενο Doppler. Είναι αυτό που μαθαίναμε στο σχολείο, όπου ένα κινούμενο ηχητικό σήμα, το ακούμε με μεγαλύτερη συχνότητα όταν έρχεται κατά πάνω μας, παρά όταν απομακρύνεται από μας. Το ίδιο ακριβώς ισχύει και για το φως.

Ως γνωστόν η κβαντική φυσική επιτρέπει στα άτομα ν’ απορροφούν μόνο όσα φωτόνια έχουν ορισμένη συχνότητα. Το laser λοιπόν, το διαλέγουμε ώστε να εκπέμπει σε μια από τις επιτρεπόμενες συχνότητες απορρόφησης του ατόμου, ω_L, αλλά βάζουμε και λίγο το χεράκι μας και την ελαττώνουμε κατά ένα μικρό ποσοστό, ίσο με τη συχνότητα Doppler, ω_D, έτσι ώστε η συχνότητα εκπομπής του laser να είναι τώρα ω_L-ω_D. Τότε, το άτομο που κινείται προς αυτό θα βλέπει τα φωτόνια να έχουν συχνότητα ω_L-ω_D+ω_D=ω_L, τα οποία και θα μπορεί να απορροφήσει, ενώ όταν το άτομο κινείται απομακρυνόμενο από το laser, θα βλέπει τα φωτόνια να έχουν συχνότητα ίση με ω_L-ω_D-ω_D=ω_L-2ω_D, οπότε και θα είναι σαν να μην τα βλέπει. Άρα τα φωτόνια θα σπρώχνουν το άτομο προς τα πίσω και θα μειώνουν την ταχύτητά του, μόνο όταν αυτό κινείται προς το laser.

Αν τοποθετήσουμε κι ένα δεύτερο laser αντικριστά με το πρώτο, και το βάλουμε να δουλεύει σε συχνότητα ω_L-ω_D, τότε κατορθώνουμε να ελαττώσουμε την ταχύτητα του ατόμου σε όποια κατεύθυνση και να κινείται στην ευθεία. Αν κάνουμε δε και μια υπερπαραγωγή από τρία ζευγάρια lasers, με το κάθε ζεύγος τοποθετημένο και σε μια διάσταση του τρισδιάστατου χώρου, τότε σε όποιο σημείο του και να βρεθεί το άτομο, κάποιο από τα lasers θα το πιάσει και θα το περιποιηθεί.

Μιας και με κάθε kick που δέχεται το άτομο από το φωτόνιο η ταχύτητά του ελαττώνεται κατά ένα απειροελάχιστο ποσοστό, ίσο περίπου με την ταχύτητα ενός χαλαρού μυρμηγκιού, υπολογίζουμε ότι χρειάζονται γύρω στα 20000 φωτόνια το άτομο για να ακινητοποιηθεί, γεγονός που επιτυγχάνεται σε κάποιο απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου. Γρήγορες και παστρικές δουλειές.

Το ερώτημα, πέρα από την επίδειξη ισχύος του ανθρώπου προς τη φύση, είναι τι τα κάνουμε τα σταθμευμένα άτομα; Πολλά. Έχω διαβάσει ότι φτιάχνουν έτσι πρώτης τάξεως ατομικά ρολόγια, αλλά αυτό που εκτιμώ περισσότερο, είναι ότι μπορείς έτσι να δεις ξεγύμνωτη τη κβαντική φύση του ατόμου και να κάνεις πάρα πολύ ακριβείς μετρήσεις για τις εσωτερικές ενεργειακές του καταστάσεις, κάτι που δεν μπορεί να επιτευχθεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες όπου η άτακτη κίνηση των ατόμων που εμφανίζεται σαν θόρυβος στις φασματικές τους γραμμές, μπορεί να καλύπτει πολύ ενδιαφέροντα φαινόμενα.

Σχετικά τώρα με το β), δηλαδή με την κατά βούληση μετακίνηση ενός μόνο ατόμου ή μορίου θ' ασχοληθούμε σε επόμενο μάθημα!