physicsgg

Φυσικοί και Φυσική από το διαδίκτυο

Kβαντικοί υπολογιστές: μια τεχνολογία του λυκόφωτος

Posted on 15/09/2012

0

Από όλες τις συνέπειες της κβαντικής θεωρίας η πιο σημαντική από τεχνολογική άποψη είναι εν δυνάμει ο κβαντικός υπολογιστής. Πέραν του ότι θα κατέστρεφε την ασφάλεια όλων των σύγχρονων κρυπτογραμμάτων, ο κβαντικός υπολογιστής θα εγκαινίαζε μια νέα εποχή υπολογιστικής ισχύος. Ένας από τους σκαπανείς της κβαντικής υπολογιστικής είναι ο Ντέιβιντ Ντόιτς (David Deutsch), ένας βρετανός φυσικός που άρχισε να εργάζεται πάνω σ’ αυτή την ιδέα το 1984, όταν παρακολούθησε ένα συνέδριο για τη θεωρία των υπολογιστών.

Ακούγοντας μια διάλεξη στο συνέδριο, ο Ντόιτς επισήμανε κάτι που είχε περάσει απαρατήρητο. Η σιωπηρή παραδοχή ήταν ότι όλοι οι υπολογιστές κατά βάση λειτουργούν σύμφωνα με τους νόμους της κλασικής Φυσικής, όμως ο Ντόιτς ήταν πεπεισμένος για το αντίθετο, ότι δηλαδή οι υπολογιστές θα πρέπει να υπακούουν στους νόμους της κβαντικής Φυσικής, επειδή οι κβαντικοί νόμοι είναι πιο θεμελιώδεις.

Οι συνηθισμένοι υπολογιστές λειτουργούν σε ένα σχετικά μακροσκοπικό επίπεδο, και στο επίπεδο αυτό οι κβαντικοί νόμοι σχεδόν δεν διαχωρίζονται από τους κλασικούς. Επομένως, δεν είχε σημασία το ότι οι επιστήμονες είχαν γενικά σκεφθεί τους συνηθισμένους υπολογιστές με όρους κλασικής Φυσικής.

Στο μικροσκοπικό επίπεδο, οι κβαντικοί νόμοι αποκαλύπτουν την αληθινή, παράξενη φύση τους, και ένας υπολογιστής κατασκευασμένος για να εκμεταλλεύεται αυτούς τους νόμους θα συμπεριφερόταν με ριζικά νέο τρόπο. Μετά το συνέδριο, ο Ντόιτς επέστρεψε στο σπίτι του και άρχισε να αναθεωρεί τη θεωρία των υπολογιστών υπό το φως της κβαντικής Φυσικής.

Σε ένα άρθρο του που δημοσίευσε το 1985, (Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer) περιέγραφε το όραμά του για έναν κβαντικό υπολογιστή που θα λειτουργεί σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής Φυσικής, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στις διαφορές του δικού του κβαντικού υπολογιστή από τον συνηθισμένο.

Φανταστείτε ότι έχετε δυο εκδοχές μιας ερώτησης. Για να απαντήσετε και στις δυο ερωτήσεις χρησιμοποιώντας έναν συνηθισμένο υπολογιστή, θα πρέπει να υποβάλλετε τη δεύτερη, και πάλι να περιμένετε την απάντηση. Με άλλα λόγια, ένας κοινός υπολογιστής μπορεί να επεξεργαστεί μόνο μια ερώτηση τη φορά, και αν υπάρχουν πολλές ερωτήσεις, πρέπει να τις επεξεργάζεται διαδοχικά.

Αντίθετα, με έναν κβαντικό υπολογιστή οι δυο ερωτήσεις θα μπορούσαν να συνδυαστούν ταυτόχρονα – το ίδιο το μηχάνημα θα εισέλθει τότε σε μια υπέρθεση δυο καταστάσεων, μια για την κάθε ερώτηση. Ή, σύμφωνα με την ερμηνεία των πολλαπλών κόσμων, η μηχανή εισέρχεται σε δυο ξεχωριστά σύμπαντα, και απαντά την καθεμία από τις δυο εκδοχές της ερώτησης σε διαφορετικό σύμπαν. Ανεξάρτητα από την ερμηνεία, ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να επεξεργαστεί δυο ερωτήσεις ταυτόχρονα, εκμεταλλευόμενος τους νόμους της κβαντικής Φυσικής.

Για να πάρουμε μια ιδέα της ισχύος ενός κβαντικού υπολογιστή, μπορούμε να συγκρίνουμε τις επιδόσεις του με αυτές του παραδοσιακού υπολογιστή εξετάζοντας τι συμβαίνει όταν ο καθένας τους χρησιμοποιείται για να επεξεργαστεί ένα συγκεκριμένο πρόβλημα.

Για παράδειγμα, οι δυο τύποι υπολογιστή θα μπορούσαν να επεξεργαστούν το πρόβλημα της ανεύρεσης ενός αριθμού του οποίου το τετράγωνο και ο κύβος μαζί χρησιμοποιούν όλα τα ψηφία μεταξύ 0 και 9 μία φορά, και μόνο μία. Αν ελέγξουμε τον αριθμό 19, βρίσκουμε ότι
19² = 361 και 19³ = 6859
Ο αριθμός 19 δεν ανταποκρίνεται στο ζητούμενο, επειδή το τετράγωνο και ο κύβος του περιλαμβάνουν μόνο τα ψηφία 1, 3, 5, 6, 6, 8 και 9, δηλαδή λείπουν τα ψηφία 0, 2, 4 και 7, και το ψηφίο επαναλαμβάνεται.

Για να λύσει το πρόβλημα αυτό με έναν παραδοσιακό υπολογιστή, ο χειριστής θα πρέπει να υιοθετήσει την ακόλουθη προσέγγιση. Πρώτα εισάγει τον αριθμό 1, και αφήνει τον υπολογιστή να τον ελέγξει. Ο υπολογιστής κάνει τους απαραίτητους υπολογισμούς και δηλώνει αν ο αριθμός πληροί το κριτήριο ή όχι. Ο αριθμός 1 δεν ανταποκρίνεται στο ζητούμενο, και έτσι ο χειριστής εισάγει τον αριθμό 2 και αφήνει τον υπολογιστή να τον ελέγξει και ούτω καθεξής, μέχρι τελικά να βρεθεί ο κατάλληλος αριθμός. Αποδεικνύεται ότι η απάντηση είναι το 69, επειδή
69² = 4761 και 69³ = 328509
Πράγματι, οι αριθμοί αυτοί περιλαμβάνουν καθένα από τα δέκα ψηφία μία και μόνο μία φορά. Στην πραγματικότητα, το 69 είναι ο μόνος αριθμός που ικανοποιεί το ζητούμενο.

Είναι εμφανές ότι η διαδικασία αυτή είναι χρονοβόρα, επειδή ένας παραδοσιακός υπολογιστής μπορεί να ελέγξει μόνο έναν αριθμό τη φορά. Αν ο υπολογιστής χρειάζεται ένα δευτερόλεπτο για να ελέγξει κάθε αριθμό, τότε για να βρει την απάντηση θα χρειαστεί 69 δευτερόλεπτα. Αντίθετα, ένας κβαντικός υπολογιστής θα έβρισκε την απάντηση σε μόλις 1 δευτερόλεπτο.

Κατ’ αρχάς ο χειριστής παριστά τους αριθμούς με έναν ειδικό τρόπο, ώστε να εκμεταλλευτεί την ισχύ του κβαντικού υπολογιστή. Ένας τρόπος παράστασης των αριθμών είναι με όρους περιστρεφομένων σωματιδίων – πολλά θεμελιώδη σωματίδια διαθέτουν μια εγγενή φορά περιστροφής και μπορούν να περιστρέφονται είτε προς τα ανατολικά είτε προς τα δυτικά, όπως μια μπάλα του μπάσκετ που περιστρέφεται στην άκρη ενός δακτύλου. (Πρόκειται για την ιδιότητα του σπιν των σωματιδίων. Η χρήση της εικόνας του σωματιδίου που περιστρέφεται βοηθάει στην κατανόηση, παρότι το σπιν δεν είναι περιστροφική κίνηση σωματιδίου περί τον άξονά του – διαβάστε: Τι δεν είναι το σπιν)

Όταν ένα σωματίδιο περιστρέφεται ανατολικά, παριστά το 1, και όταν περιστρέφεται δυτικά, παριστά το 0. Επομένως, μια ακολουθία περιστρεφομένων σωματιδίων παριστά μια ακολουθία μονάδων και μηδενικών, δηλαδή έναν δυαδικό αριθμό.

Για παράδειγμα, επτά σωματίδια που περιστρέφονται αντιστοίχως
ανατολικά, ανατολικά, δυτικά, ανατολικά, δυτικά, δυτικά, δυτικά
συναποτελούν τον δυαδικό αριθμό: 1101000,
που ισοδυναμεί με τον αριθμό 104 του δεκαδικού συστήματος. Ανάλογα με τη φορά περιστροφής τους, ένας συνδυασμός επτά σωματιδίων μπορεί να παραστήσει οποιονδήποτε αριθμό μεταξύ 0 και 127.

Με έναν παραδοσιακό υπολογιστή, ο χειριστής εισάγει μια συγκεκριμένη ακολουθία φορών περιστροφής, όπως
δυτικά, δυτικά, δυτικά, δυτικά, δυτικά, δυτικά, ανατολικά.
που εκπροσωπεί τον δυαδικό αριθμό: 0000001,
δηλαδή τον αριθμό 1 του δεκαδικού συστήματος. Στη συνέχεια ο χειριστής περιμένει να ελέγξει ο υπολογιστής τον αριθμό για να δει αν ανταποκρίνεται στο κριτήριο που προαναφέραμε.

Κατόπιν ο χειριστής εισάγει το 0000010, δηλαδή μια ακολουθία περιστρεφόμενων σωματιδίων που παριστά το 2 κ.ο.κ. Όπως και πριν, οι αριθμοί θα πρέπει να εισάγονται ένας κάθε φορά, πράγμα που γνωρίζουμε ότι είναι χρονοβόρο.

Ωστόσο, αν έχουμε να κάνουμε με έναν κβαντικό υπολογιστή, ο χειριστής διαθέτει έναν εναλλακτικό και πολύ ταχύτερο τρόπο εισαγωγής αριθμών. Επειδή κάθε σωματίδιο είναι θεμελιώδες, υπακούει στους νόμους της κβαντικής Φυσικής. Επομένως, όταν ένα σωματίδιο δεν παρατηρείται, μπορεί να εισέλθει σε μια υπέρθεση καταστάσεων, που σημαίνει ότι περιστρέφεται και προς τις δυο κατευθύνσεις ταυτόχρονα, και έτσι παριστά ταυτόχρονα το 0 και το 1. Εναλλακτικά μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το σωματίδιο εισέρχεται σε δυο διαφορετικά σύμπαντα: στο ένα σύμπαν περιστρέφεται ανατολικά και παριστά το 1, ενώ στο άλλο περιστρέφεται δυτικά και παριστά το 0.

Η υπέρθεση πραγματοποιείται ως εξής. Φαντασθείτε ότι μπορούμε να παρατηρήσουμε ένα από τα σωματίδια και την περιστροφή του προς τα δυτικά. Για να αλλάξουμε τη φορά περιστροφής του, το προσβάλλουμε με ένα αρκετά ισχυρό ενεργειακό παλμό, τόσο ισχυρό ώστε να το κάνει να περιστρέφεται ανατολικά.
Αν το προσβάλουμε με ασθενέστερο παλμό, τότε άλλοτε θα ήμασταν τυχεροί και το σωματίδιο θα άλλαζε τη φορά περιστροφής του, και άλλοτε θα ήμασταν άτυχοι και το σωματίδιο θα διατηρούσε τη δυτικόστροφη φορά.

Μέχρι τώρα βλέπαμε το σωματίδιο συνεχώς και καθαρά, και ήμασταν σε θέση να παρακολουθούμε την πορεία του.
Αν όμως το σωματίδιο περιστρέφεται με φορά προς τα δυτικά και το τοποθετήσουμε σε ένα κουτί όπου δεν μπορούμε να το δούμε, και στη συνέχεια το προσβάλλουμε με έναν ασθενή ενεργειακό παλμό, τότε δεν θα γνωρίζουμε αν η φορά της περιστροφής του άλλαξε. Το σωματίδιο εισέρχεται σε μια υπέρθεση ανατολικής και δυτικής φοράς περιστροφής…. Αν πάρουμε επτά σωματίδια με δυτικόστροφη φορά, τα τοποθετήσουμε σε ένα κουτί και τα προσβάλλουμε με επτά ασθενείς ενεργειακούς παλμούς, τότε και τα επτά εισέρχονται σε υπέρθεση.

Όταν και τα επτά σωματίδια βρίσκονται σε υπέρθεση, ουσιαστικά εκπροσωπούν όλους τους πιθανούς συνδυασμούς ανατολικόστροφων και δυτικόστροφων φορών. Τα επτά σωματίδια εκπροσωπούν ταυτόχρονα 128 διαφορετικές καταστάσεις, ή 128 διαφορετικούς αριθμούς. Ο χειριστής εισάγει τα επτά σωματίδια, ενώ ακόμη βρίσκονται σε υπέρθεση καταστάσεων, σε έναν κβαντικό υπολογιστή, ο οποίος στη συνέχεια εκτελεί τους υπολογισμούς του σαν να ήλεγχε και τους 128 αριθμούς ταυτόχρονα. Ύστερα από 1 δευτερόλεπτο ο υπολογιστής δίνει τον αριθμό 69, ο οποίος πληροί το απαιτούμενο κριτήριο.
Ο χειριστής παίρνει 128 υπολογισμούς στην τιμή του ενός.

Ο κβαντικός υπολογιστής αψηφά την κοινή λογική. Αγνοώντας προς το παρόν τις λεπτομέρειες, μπορείτε να σκεφτείτε έναν κβαντικό υπολογιστή με δυο διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με ποια κβαντική ερμηνεία προτιμάτε. Ορισμένοι φυσικοί αντιλαμβάνονται τον κβαντικό υπολογιστή ως μια και μοναδική οντότητα που εκτελεί έναν μόνο υπολογισμό. Η κβαντική υπολογιστική είναι μια τεχνολογία του λυκόφωτος.

ΠΗΓΗ: Simon Singh, «Κώδικες και μυστικά», εκδόσεις Τραυλός 

Share this:

• Μοιραστείτε το
• 
  

Like this:

Like

Be the first to like this.

Με επισήμανση:ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ

Posted in: ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ, ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ

Μοιάζει και συμπεριφέρεται σαν το Higgs λέει το CERN για το νέο σωματίδιο (updated)

Submitted by admin on Τετάρτη, 4 Ιουλίου 201228 Comments

Στο πλαίσιο του σεμιναρίου φυσικής ICHEP, το CERN επιβεβαίωσε τις φήμες που ήθελαν την ανακοίνωση για την εύρεση ενός νέου σωματιδίου στην περιοχή ενεργειών που αναμένεται να βρίσκεται και το σωματίδιο Higgs – περίπου 125 GeV. Οι επιστήμονες των δύο μεγάλων πειραμάτων που λαμβάνουν χώρα στο CERN, τα CMS και ATLAS παρουσίασαν τα τελευταία ευρήματα στην έρευνα για το Higgs, το πρωί της Τετάρτης 4 Ιουλίου.

Τα αποτελέσματα από τον ανιχνευτή CMS προηγήθηκαν, με την παρουσίαση του φυσικού Joe Incadela να καταλήγει ότι «βρέθηκε ένα νέο μποζόνιο, στην περιοχή των 125.3 +- 0.6 Gev, με μία πιθανότητα 4.9 σίγμα», που μεταφράζεται σε περίπου 99.9999% συνολική πιθανότητα να υπάρχει το συγκεκριμένο σωματίδιο.

Πιο συγκεκριμένα, ανακοίνωσαν πως τα στοιχεία που έχουν ήδη επεξεργαστεί είναι περισσότερα συγκριτικά με την τελευταία ανακοίνωση του Δεκεμβρίου και χρησιμοποιώντας αντιδράσεις που έφταναν τα 8 TeV σε σχέση με τα 7 ΤeV της περσινής χρονιά. Στα 8 ΤeV το Higgs είναι 35% πιθανότερο να εμφανιστεί σε κάποια αντίδραση, παρουσιάζοντας μια μεγαλύτερη γκάμα αντιδράσεων στις οποίες συμμετέχει. Τα αποτελέσματα από το πείραμα ATLAS, είναι επίσης υποστηρικτικά για την ύπαρξη του νέου σωματιδίου, και δίνουν ενέργεια 125.5 GeV με πιθανότητα 5 σίγμα.

Αναλύοντας περισσότερα στοιχεία από τις συγκρούσεις πρωτονίων που μελετούν στο CERN, οι επιστήμονες πιστεύουν πως σύντομα θα μπορέσουν να πουν πως είναι απόλυτα σίγουροι για την ανακάλυψη. Δεδομένου πάντως πως το νέο σωματίδιο συμμετέχει σε αντιδράσεις οι οποίες είναι οι αναμενόμενες για τα μποζόνια, των σωματιδίων εκείνων δηλαδή που φέρουν τις θεμελιώδεις δυνάμεις τις φύσης θα πρέπει να πρόκειται για θέμα χρόνου η ταυτοποίηση του νέου σωματιδίου με το λεγόμενο «σωματίδιο του Θεού».

Όμως δεν υπήρξε επίσημη ανακοίνωση πως το Higgs βρέθηκε. Το νέο σωματίδιο συμμετέχει σε πλήθος αντιδράσεων, δύο μεταξύ των οποίων είναι η διάσπαση σε δύο φωτόνια και η διάσπαση σε δύο σωματίδια Z, τα σωματίδια φορείς της ηλεκτρομαγνητικής και ασθενούς δύναμης αντίστοιχα, γεγονός που υποδεικνύει πως πρόκειται όντως για μποζόνιο, φορέα κάποιου πεδίου. Για να φτάσουν στο απαραίτητο επίπεδο αποδεκτής πιθανότητας και να είναι σίγουροι πως πρόκειται για το Higgs, οι επιστήμονες θα χρειαστούν ίσως αρκετούς μήνες εντατικών προσπαθειών.

 

Στην ομιλία της Τετάρτης στην Γενεύη παρευρισκόταν και ο ίδιος ο Peter Higgs, όπως επίσης και οι άλλοι 4 διακριθέντες επιστήμονες που συμμετείχαν τη δεκαετία του ‘60 στην ανακάλυψη αυτού που σήμερα ονομάζεται πεδίο Higgs: οι Francois Englert, Tom Kibble, Gerald Guralnik και Carl Hagen. Ο Robert Brout ένας ακόμη φυσικός που συμμετείχε στις παραπάνω θεωρητικές ανακαλύψεις δυστυχώς απεβίωσε το Μάιο του 2011, τιμήθηκε όμως μαζί με τους υπόλοιπους με το διεθνούς κύρους βραβείο της Φυσικής Sakurai το 2010. Χρειάστηκε να περάσει περίπου μισός αιώνας για να δούνε οι παραπάνω επιστήμονες το καρπό της έρευνας τους να αποδεικνύεται πειραματικά, σε έναν θρίαμβο της ανθρώπινης διανόησης. Θα πρέπει να θεωρείται βέβαιο, πως αν οριστικοποιηθεί τελικά η ανακάλυψη το επόμενο Νόμπελ Φυσικής θα μοιραστεί σε τρεις από τους παραπάνω πρωτοπόρους φυσικούς.

Ο Peter Higgs μαζί με αυτούς τους φυσικούς διατύπωσε το 1964 τη θεωρία του πεδίου Higgs, που διατρέχει όλο το Σύμπαν. Η εργασία είχε αρχικά απορριφθεί από την επιθεώρηση Physics Letters, με το επιχείρημα ότι «δεν έχει εμφανή σχέση με τη φυσική».

Τότε ο Higgs έστειλε το άρθρο στο Physical Review Letters, προσθέτοντας στο τέλος μια παράγραφο, στην οποία εξηγούσε ότι η θεωρία του προέβλεπε την ύπαρξη ενός άγνωστου σωματιδίου, του σωματιδίου Higgs. Ο Στίβεν Χόκινγκ υποστήριζε επί χρόνια ότι το μποζόνιο του Χιγκς δεν υπάρχει, είχε μάλιστα βάλει και στοίχημα 100 λιρών – το οποίο προφανώς πλέον έχασε.

Είναι ενδιαφέρον πως τα στοιχεία αυτά προέκυψαν από συγκρούσεις σωματιδίων που έλαβαν χώρα στον επιταχυντή LHC τις τελευταίες 2 εβδομάδες. H υπολογιστική ισχύς στο CERN υπερδιπλασιάστηκε το τελευταίο εξάμηνο, και πλέον ο χρόνος επεξεργασίας για την κάθε σύγκρουση είναι μόλις 15 δευτερόλεπτα. Για την επίτευξη αυτών των επιδόσεων αναπτύχθηκε ένα ειδικό δίκτυο υπολογιστών, το λεγόμενο grid που θεωρείται πως είναι υποψήφιο για να γίνει η νέα γενιά του διαδικτύου. Μη ξεχνάμε πως το ίδιο το web δημιουργήθηκε στο CERN.

Στο CERN μπορεί οι προσπάθειες να έχουν επικεντρωθεί στην εύρεση του σωματιδίου Higgs, ως το μόνο κρίκο που έλειπε από την αλυσίδα των σωματιδίων που περιέχονται στο Τυπικό Μοντέλο, την επικρατούσα θεωρία που έχουμε για τη Φύση, όμως η δουλειά στο CERN δε σταματάει εκεί. Ταυτόχρονα με το μποζόνιο Higgs, οι ερευνητές ψάχνουν και για στοιχεία ύπαρξης κάποιων ακόμη υποτιθέμενων σωματιδίων που αντιστοιχούν στη θεωρία της υπερσυμμετρίας. Αναμένεται πως στα επίπεδα ενεργειών που έχει φτάσει ο επιταχυντής στο CERN, θα πρέπει να μπορέσει να ανιχνεύσει και κάποια από αυτά τα υπερσωματίδια. Την ίδια ώρα ερευνώνται νέες ιδέες όπως η θεωρία χορδών, και ανακαλύπτονται και σωματίδια στα όρια του Τυπικού Μοντέλου τα οποία δε γνωρίζαμε πως υπήρχαν. Πρόκειται για μια περίοδο πολύ έντονης δραστηριότητας καθώς φτάσαμε στο τεχνολογικό επίπεδο να ελέγχουμε τόσο προωθημένες θεωρίες. Είναι σίγουρο πως με την ανακάλυψη του Higgs ξεκινάει ένας μακρύς δρόμος των ανακαλύψεων, γνωρίζοντας πως βαδίζουμε στο σωστό δρόμο.

Λίγα λόγια παραπάνω για το Higgs

Ένα από τα ελάχιστα κομμάτια του Καθιερωμένου Μοντέλου που έμενε να επιβεβαιωθεί πειραματικά, ήταν ο μηχανισμός με τον οποίο θεωρούσαμε ότι τα σωμάτια αποκτούν μάζα (δηλαδή αδράνεια). Οι περισσότεροι θεωρούσαν ότι η μάζα είναι μια επίκτητος ιδιότητα, που το κάθε σωμάτιο δηλαδή φέρει από τη στιγμή της δημιουργίας του. Δυστυχώς δεν είναι έτσι τα πράγματα.

Όπως το φωτόνιο – ο διαδότης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου – δεν έχει μάζα, έτσι και το σωμάτιο W ένας από τους διαδότες της ασθενούς αλληλεπίδρασης δεν έπρεπε να είχε μάζα. Κι αυτό γιατί υπάρχει συμμετρία μεταξύ των δύο κβάντων των δύο πεδίων. Έτσι, η ασθενής αλληλεπίδραση θα κινδύνευε να μείνει έξω απ’ το παιχνίδι της συμμετρίας και η θεωρητική εξήγηση της ενοποίησης της ασθενούς δύναμης με τον ηλεκτρομαγνητισμό (ηλεκτρασθενής δύναμη) θα οδηγείτο σε αδιέξοδο. Εδώ λοιπόν μπαίνει στο παιχνίδι ένα μυστηριώδες πεδίο, το πεδίο Higgs.

Το πεδίο αυτό μας επιτρέπει να θεωρούμε τα κβάντα όλων των αλληλεπιδράσεων σαν σωμάτια που αυτά καθαυτά δεν έχουν μάζα, φαίνεται όμως σ’ εμάς ότι έχουν εξαιτίας της αλληλεπίδρασής τους με το πεδίο Higgs, ή καλύτερα με το κβάντο του πεδίου αυτού, το περίφημο μποζόνιο Higgs.

Δηλαδή σύμφωνα με την θεωρία των ερευνητών που εργάστηκαν ανεξάρτητα πάνω στο ίδιο πρόβλημα, η μάζα όλων των στοιχειωδών σωματίων είναι μια επίκτητη (φαινομενική) ιδιότητα που προκύπτει λόγω της αλληλεπίδρασής τους με το πανταχού παρόν πεδίο Higgs. Θα μπορούσαμε έτσι να πούμε πως αν το πεδίο αυτό «έσβηνε» ξαφνικά (όπως υποθέτουμε ότι ίσχυε για κάποια χρονική περίοδο μετά το Big Bang, λόγω των ακραίων θερμοκρασιών), όλα τα σωμάτια θα εμφανίζονταν χωρίς μάζα ή καλύτερα δεν θα είχαν αδράνεια, την ιδιότητα της ύλης να προβάλει αντίσταση στη μεταβολή της κινητικής τους κατάστασης.

Αυτό, εν συνεχεία, σύμφωνα με την Θεωρία της Σχετικότητας, θα σήμαινε ότι κάθε σωμάτιο θα ταξίδευε με την ταχύτητα του φωτός. Γνωρίζουμε, βέβαια, ότι κάτι τέτοιο δεν ισχύει στ’ αλήθεια εκτός από το φωτόνιο.

Στην αρχική τους μορφή, οι εξισώσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου λειτουργούσαν μόνο αν η μάζα απουσίαζε από όλα στοιχειώδη σωματίδια. Ο μηχανισμός του Higgs προτάθηκε προκειμένου να συμβιβάσει το Μοντέλο με την μάζα που βλέπουμε στα σωματίδια. Επιπλέον, όμως, συνετέλεσε στο να ενοποιηθούν, δηλαδή να περιγραφούν με κοινό τρόπο, δύο από τις τέσσερις φυσικές δυνάμεις: η ηλεκτρομαγνητική δύναμη (που προέκυψε με τη σειρά της από την ενοποίηση του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού) και η ασθενής πυρηνική δύναμη, η οποία περιγράφει ορισμένες αντιδράσεις, όπως η διάσπαση βήτα, που συμβαίνουν στον ήλιο. Αυτό που προέκυψε είναι η λεγόμενη «ηλεκτρασθενής δύναμη», η οποία επέτρεψε στους θεωρητικούς φυσικούς να προχωρήσουν ένα βήμα προς τον απώτερο, απόλυτο στόχο τους: να περιγράψουν μια θεωρία των πάντων, η οποία εξηγεί όλες τις φυσικές δυνάμεις ως παράγωγα μιας κοινής δύναμης που υπήρχε μόνη της τη στιγμή που γεννήθηκε το Σύμπαν.

Πώς βγήκε η ατυχής ονομασία Σωματίδιο του Θεού

Ενώ ο Peter Higgs δηλώνει άθεος, πολλά ΜΜΕ το προσφωνούν έτσι, γιατί η φράση αυτή προέρχεται από το βιβλίο The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? («Το Σωματίδιο του Θεού: Αν το Σύμπαν είναι η απάντηση, τότε ποια είναι η ερώτηση;») που εκδόθηκε το 1993. Ο συγγραφέας του, ο νομπελίστας φυσικός Leon Lederman, έχει παραδεχτεί ότι δέχτηκε πιέσεις από τους εκδότες να αλλάξει το όνομα που είχε αρχικά επιλέξει: The Goddamn Particle, («το Καταραμένο Σωματίδιο»).

Γιατί το Higgs δεν λύνει όλα τα προβλήματα της μάζας

Ξέρουμε βεβαίως πως το πεδίο Higgs αλληλεπιδρά με τα στοιχειώδη σωματίδια, κανείς όμως δεν γνωρίζει γιατί ορισμένα σωματίδια αλληλεπιδρούν περισσότερο και έχουν μεγάλη μάζα, ενώ άλλα δεν αλληλεπιδρούν καθόλου και είναι αβαρή (όπως το φωτόνιο). Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει τρόπος να προβλεφθεί θεωρητικά η μάζα ενός οποιοδήποτε σωματιδίου, και αυτό θεωρείται σημαντικό κενό από τους φυσικούς.

Πού μπορούμε να βρούμε το μποζόνιο Higgs;

Το μποζόνιο Higgs δεν βρίσκεται πουθενά σε σταθερή κατάσταση. Το σωματίδιο υπάρχει μόνο στιγμιαία σε συνθήκες ακραίας θερμοκρασίας, ή ενέργειας. Τέτοιες θερμοκρασίες ή ενέργειες υπήρξαν μερικές στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και παράγονται σήμερα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN. Το σωματίδιο μπορεί επίσης να εμφανίζεται στιγμιαία σε τυχαία συμβάντα υψηλής ενέργειας, για παράδειγμα κατά την πρόσκρουση κοσμικών ακτίνων στη γήινη ατμόσφαιρα, ωστόσο δεν είναι συστατικό της καθημερινής πραγματικότητας.

Υπάρχουν όμως και τα «εικονικά» σωματίδια Higgs, τα οποία όπως όλα τα εικονικά σωματίδια εμφανίζονται κυριολεκτικά από το πουθενά και εξαφανίζονται μια στιγμή αργότερα. Τα στοιχειώδη σωματίδια που έχουν μάζα πιστεύεται ότι αποκτούν αυτή την ιδιότητα όταν αλληλεπιδρούν με το πεδίο μέσω εικονικών σωματιδίων.

Αν δε στον LHC βρούμε και κάποιον υπερσυμμετρικό εταίρο του Higgs (το sHiggs), γιατί υπάρχουν θεωρητικά μοντέλα που προβλέπουν πέντε ή και επτά παραλλαγές του Χιγκς, τότε θα έχουμε βρει αποδείξεις για την υπερσυμμετρία.

• Εκλαΐκευση του μηχανισμού Higgs, το πώς δηλαδή τα σωμάτια απέκτησαν μάζα

1. Ο μηχανισμός Higgs

Για να κατανοήσουμε τον μηχανισμό Higgs, ας φανταστούμε  μια συγκέντρωση φυσικών οι οποίοι βρίσκονται ομοιόμορφα κατανεμημένοι μέσα σε μια αίθουσα, και συζητούν με τους διπλανούς τους.

…Μια όμορφη και σημαντική φυσικός μπαίνει και διασχίζει την αίθουσα. Όλοι οι φυσικοί απ” όπου περνάει, έλκονται προς αυτήν και συνωθούνται γύρω της. Καθώς διασχίζει την αίθουσα, έλκει τα πρόσωπα που βρίσκονται κοντά της, ενώ αυτά που προσπέρασε, επιστρέφουν στις κανονικές αποστάσεις μεταξύ τους… 

Επειδή πάντα υπάρχει ένας σωρός ανθρώπων γύρω της, αυτή αποκτά μεγαλύτερη μάζα απ” ότι θα είχε αν ήταν μόνη της. Αυτό υπονοεί ότι έχει τώρα περισσότερη ορμή για την ίδια ταχύτητα κίνησης. Δηλαδή, όταν κινείται είναι δυσκολότερο να σταματήσει, ενώ όταν σταματήσει, είναι δυσκολότερο να ξεκινήσει ξανά, διότι ο σωρός γύρω της πρέπει να κινηθεί και αυτός.

Στις τρεις διαστάσεις και με τις περιπλοκές που φέρνει η σχετικότητα, αυτός περίπου είναι ο μηχανισμός του Higgs. Ένα πεδίο, το πεδίο Higgs, θεωρείται ως υπόβαθρο σε όλο το χώρο. Απ” οπουδήποτε περνάει ένα σωματίδιο, το τελευταίο παραμορφώνει τοπικά το πεδίο Higgs.

Η παραμόρφωση αυτή που έχει ως αντίστοιχο τη συγκέντρωση των ανθρώπων γύρω από την σπουδαία φυσικό που εισέρχεται στην αίθουσα, γεννάει τη μάζα του σωματιδίου.

Η ιδέα προέρχεται από τη φυσική της στερεάς κατάστασης. Αντί για ένα πεδίο που γεμίζει όλο το χώρο, σ” ένα στερεό σώμα, υπάρχει το πλέγμα των θετικών ιόντων του κρυστάλλου. Όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται μέσα στο πλέγμα των ιόντων, τα ιόντα έλκονται από αυτό, κάνοντας έτσι τη φαινομενική μάζα του ηλεκτρονίου μα είναι ακόμη και 40 φορές μεγαλύτερη από του ελευθέρου ηλεκτρονίου.

Το πεδίο Higgs στο κενό, αποτελεί ένα τέτοιο είδος υποθετικού πλέγματος, που γεμίζει όλο το Σύμπαν. Χωρίς αυτό δεν θα μπορούσαμε να εξηγήσουμε γιατί τα σωματίδια Z και W που είναι οι φορείς των ασθενών αλληλεπιδράσεων, έχουν τόσο μεγάλη μάζα, ενώ το φωτόνιο που είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, δεν έχει καθόλου μάζα.

2. Το μποζόνιο Higgs

… Ας θεωρήσουμε τώρα μια φήμη που διασπείρεται μέσα στην αίθουσα με τους φυσικούς.  Όσοι βρίσκονται κοντά στην πόρτα, ακούνε πρώτοι τη φήμη και μαζεύονται για να συζητήσουν τις λεπτομέρειες. Μετά στρέφονται και πλησιάζουν τους επόμενους γείτονές τους που θέλουν να μάθουν και αυτοί τι έγινε. …

… Ένα κύμα από συνάθροιση προσώπων διαδίδεται μέσα στην αίθουσα. Μπορεί να απλωθεί σε όλες τις γωνιές, ή μπορεί να σχηματιστεί μια δέσμη από συμπύκνωση προσώπων που θα διαδοθεί προς μία μόνο διεύθυνση μέσα στην αίθουσα, και θα μεταφέρει τη φήμη. Παράγονται δηλαδή πάλι συμπυκνώσεις, αλλά αυτή τη φορά μεταξύ των ιδίων των επιστημόνων, χωρίς να χρειάζεται και άλλο πρόσωπο.

Αφού η πληροφορία μεταφέρεται από συσσωματώματα ανθρώπων, και  αφού τα συσσωματώματα ήταν εκείνα που έδωσαν περισσότερη μάζα στο πρόσωπο που μπήκε στην αίθουσα, τα συσσωματώματα αυτά από μόνα τους έχουν μάζα και χωρίς την ύπαρξη του σημαντικού προσώπου.

physicsgg

Φυσικοί και Φυσική από το διαδίκτυο

Εξουδετέρωση της βαρύτητας με στάσιμα κύματα

Posted on 14/09/2012

0

Σταγόνες διαλυμάτων (διαφόρων φαρμακευτικών ουσιών) αιωρούνται, περιφρονώντας την βαρύτητα. Οι ερευνητές του εργαστηρίου Argonne καταφέρνουν χρησιμοποιώντας ηχητικά κύματα να εξουδετερώσουν την βαρυτική έλξη.

Χρησιμοποιώντας κατάλληλα δυο ηχητικά κύματα με συχνότητες 22 ΚHz δημιουργείται ένα κατακόρυφο στάσιμο κύμα. Τοποθετώντας τις σταγόνες στα σημεία του χώρου όπου το στάσιμο κύμασχηματίζει του λεγόμενους κόμβους  (το πλάτος της ταλάντωσης στους κόμβους είναι μηδενικό, ενώ στις κοιλίες μέγιστο) τότε οι σταγόνες ισορροπούν. Δείτε το βίντεο:

http://youtu.be/669AcEBpdsY

Όταν τα φάρμακα έχουν κρυσταλλική μορφή, τότε δεν απορροφώνται πλήρως από τον οργανισμό. Το ζητούμενο είναι να κατασκευαστούν  φαρμακευτικά σκευάσματα  σε άμορφη κατάσταση. Η εξάτμιση ενός διαλύματος που περιέχεται σε κάποιο δοχείο – εξαιτίας της  επαφής του με τα τοιχώματα του δοχείου – είναι πολύ πιθανό μας δώσει την διαλυμένη ουσία στην κρυσταλλική της μορφή. Για να αποφευχθεί το πρόβλημα αυτό πρέπει να πραγματοποιηθεί η εξάτμιση χωρίς το υγρό διάλυμα να αγγίζει το οτιδήποτε. Τούτο επιτυγχάνεται με την ακουστική αιώρηση των σταγόνων.

physicsgg

Φυσικοί και Φυσική από το διαδίκτυο

Μια πυραμίδα στον Άρη

Posted on 20/09/2012

0

Πρόκειται για τον βράχο “Jake Matijevic” που συνάντησε και έβαλε στο μάτι του το διαστημικό ρόβερ Curiosity

Το πυραμοειδές πέτρωμα που πήρε το όνομα του μηχανικού  Jake Matijevic (1947-2012). O  Matijevic μεταξύ άλλων συμμετείχε και  στην ομάδα σχεδιασμού του Curiosity  

Η αρειανή αυτή πέτρα έχει ύψος 25 εκατοστά και πλάτος 40 εκατοστά.  Οι επιστήμονες που καθοδηγούν το Curiosity θεωρούν ότι πρόκειται για τον κατάλληλο στόχο που πρέπει να αναλυθεί για πρώτη φορά από το φασματόμετρο που φέρει το διαστημικό ρόβερ. 

Η διαδρομή του Curiosty από την ημέρα που προσγειώθηκε στην επιφάνεια του Άρη

Τρεις διαφορετικούς τύπους εδάφους θα συναντήσει η “Περιέργεια” στην διαδρομή του προς την περιοχή Glenelg

www.nasa.gov – dailymail.co.uk