Η εκδίκηση του Νεύτωνα

Το τι ακριβώς «μετρήσαμε λάθος» είναι κάτι που μετράει εδώ και 10 χρόνια ένας Ελληνας, πρώην καθηγητής του ΜΙΤ και νυν του Πανεπιστημίου Πατρών και ακαδημαϊκός, ο Κώστας Βαγενάς. Έπειτα από ένα βιβλίο και τέσσερις επιστημονικές δημοσιεύσεις, κατέληξε να μας πει ότι ο Νεύτων είχε δίκιο και ότι ο Αϊνστάιν επίσης το γνώριζε, αλλά εμείς… δεν τους διαβάσαμε προσεκτικά. Τώρα τη σκυτάλη παίρνει έτερος ακαδημαϊκός μας, ο καθηγητής του Κέιμπριτζ Θανάσης Φωκάς, για να κάνει την επαλήθευση με αντίστροφη πορεία: από τη Θεωρία της Σχετικότητας στο μοντέλο περιστρεφόμενων νετρίνων του Κ. Βαγενά. Αν «κλείσει ο κύκλος» με επιτυχία, θα πρέπει να ξαναγράψουμε τα βιβλία Φυσικής μας. Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που χτίζουν το Σύμπαν θα μείνουν δύο: η βαρύτητα και ο ηλεκτρομαγνητισμός!

Μένουμε «καρφωμένοι» πάνω στη Γη εξαιτίας της βαρύτητας. Το γνωρίζουμε αυτό επιστημονικά από το 1687, οπόταν ο Νεύτωνας μάς έδωσε τον μαθηματικό τύπο υπολογισμού της δύναμης με την οποία το πεδίο βαρύτητας του πλανήτη μάς έλκει επάνω του.

Πέρασαν τρεις αιώνες πίστης στο ότι όλα ακολουθούσαν τον ίδιο νόμο του Νεύτωνα, είτε ήταν στη μεγακλίμακα του Σύμπαντος είτε στη νανοκλίμακα των όποιων συστατικών της ύλης. Υστερα ήρθε η ρηξικέλευθη εικοσαετία των ετών 1905-1925, που έκανε τον Νεύτωνα «λίγο»: Πρώτα ο Αϊνστάιν (με τη Θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας το 1905 και της Γενικής Σχετικότητας το 1915) μάς αποκάλυψε τα μυστικά των φωτονίων και του χωροχρόνου και, στο ανάμεσα, ο Μπορ (το 1913) μάς άνοιξε την πόρτα στον κόσμο των κβάντων. Κι από τότε και μετά παλεύουμε με ένα μοντέλο για τη φύση που όλο το μπαλώνουμε, χωρίς ακόμη να το κάνουμε πλήρες, ενιαίο και όμορφο – όπως ήταν κάποτε εκείνο του Νεύτωνα.

Το πιο πρόσφατο επίτευγμά μας στην αναζήτηση «μπαλώματος» ήταν αυτό που ανακοινώθηκε στις 21 Μαρτίου 2017: Ο μεγάλος αδρονιακός επιταχυντής του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN) ανακάλυψε πέντε νέα υποατομικά σωματίδια (βλ. www.tovima.gr/science/physics-space/article/?aid=869019). «Η ανακάλυψη», έλεγε η ανακοίνωση, «ρίχνει περισσότερο φως σε μία από τις θεμελιώδεις δυνάμεις του Σύμπαντος, την ισχυρή πυρηνική δύναμη στο εσωτερικό των ατόμων». Σίγουρα ρίχνει περισσότερο φως, αλλά σε τι ακριβώς; Διότι, όπως γνωρίζετε όσοι έχετε διαβάσει περί CERN, αυτό που κάνουμε είναι «καταστροφική ανίχνευση». Δηλαδή, μια και αδυνατούμε να «δούμε» με το οποιοδήποτε μικροσκόπιο τι συμβαίνει στον νανόκοσμο της ύλης, προκαλούμε συγκρούσεις υποατομικών σωματιδίων και από τα απομεινάρια της σύγκρουσης μαντεύουμε τα κρυφά συστατικά της συνταγής. Αλλά για την ίδια τη δύναμη που συγκρατεί τα συστατικά αυτά πεισματικά ενωμένα – την ισχυρή πυρηνική δύναμη – δεν γνωρίζουμε ακόμη τίποτε που να μπορεί να περιγραφεί ολιστικά, με μια σαφή και πειραματικά αποδεδειγμένη εξίσωση.

Τουλάχιστον αυτό γνωρίζαμε ως σήμερα. Διότι τώρα ο καθηγητής Ηλεκτροχημείας του Πανεπιστημίου Πατρών, μέλος της Ακαδημίας Αθηνών και μέλος της Ακαδημίας Μηχανικών των ΗΠΑ Κωνσταντίνος Βαγενάς πιστεύει ότι έχει φτάσει στο τέλος της δεκαετούς αναζήτησής του και κατέχει την πολυπόθητη εξίσωση. Μόνο που αυτή δεν περιγράφει καμιά μυστήρια δύναμη αλλά τη δύναμη που όλοι γνωρίζαμε: τη βαρύτητα. Διότι, ναι, αυτό που προκύπτει από την όλη αναζήτηση είναι πως ο κόσμος μας δεν δομείται από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που όλοι νομίζαμε (βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμός, ισχυρή και ασθενής πυρηνική δύναμη), αλλά τις εξής δύο: βαρύτητα και ηλεκτρομαγνητισμός. Οσο για το τι δομεί τα βαρυόνια που ανιχνεύει το CERN, οι Βαγενάς, Φωκάς και Γρηγορίου απαντούν στην άρτι δημοσιευόμενη εργασία τους: «Τρία βαρυτικώς συντοπισμένα και ταχέως περιστρεφόμενα νετρίνα». Τα κουάρκ και τα γλουόνια… τέλος! Απλά, γκαζωμένα νετρίνα και βαρύτητα είναι που γεννούν την ύλη.

Είναι σημαδιακό το ότι η τελευταία αυτή εργασία δημοσιεύθηκε σε ένα χημικό περιοδικό, ως ομοιότητα της χημικής σύνθεσης με τη σύνθεση των αδρονίων. Αν βρισκόμασταν ακόμη στον 20ό αιώνα, θα αναρωτιόταν ίσως κανείς «πώς τολμά ένας χημικός να διατυπώνει θεωρία για τη Φυσική;». Ομως, στον 21ο αιώνα πια, όλοι οι πανεπιστημιακοί γνωρίζουν ότι η χημεία δεν είναι «γείτονας» αλλά μέλος της Φυσικής. Και αυτή η αλλαγή πρίσματος εξέτασης των πραγμάτων ήταν που έβαλε τον «γκουρού των καταλύσεων» Κώστα Βαγενά στο μονοπάτι επανεξέτασης των δυνάμεων που συγκροτούν την ύλη.

Οπως μου εξήγησε ο ίδιος, στην τριμερή συνάντηση που είχα με τον ίδιο και τον συνεργάτη του ακαδημαϊκό Θανάση Φωκά, όλα ξεκίνησαν πριν από δέκα χρόνια. Τότε είχε απορήσει για το πώς για τον μικρόκοσμο της Χημείας ο νόμος του Κουλόμπ είχε δώσει σαφή μπούσουλα, ενώ για τον νανόκοσμο των στοιχειωδών σωματιδίων η ισχυρή πυρηνική δύναμη παρέμενε… εκτός νόμου και περιγραφής. Αποφάσισε λοιπόν να ξαναδιαβάσει τα κιτάπια του Καθιερωμένου Μοντέλου της Φυσικής. Πολύ γρήγορα έφτασε στο μυστήριο των νετρίνων: Πώς γίνεται από κάθε πυρηνική αντίδραση (είτε στον Ηλιο είτε στους πυρηνικούς μας αντιδραστήρες) να μετατρέπεται το 30% της ενέργειας σε νετρίνα και να μην έχουν σχέση αυτά με τη δημιουργία ύλης; Διότι, όπως όλοι οι φυσικοί θα σας πουν, ζούμε μέσα σε ωκεανούς νετρίνων που μας διαπερνούν κατά εκατομμύρια ανά πάσα στιγμή, χωρίς να μας επηρεάζουν σχεδόν ποτέ. «Σχεδόν», διότι μία φορά στον αιώνα μπορεί να σκοντάψουν σε κάποιο άτομο μέσα μας και να εξοστρακίσουν… ένα ποζιτρόνιο.

Ψάχνοντας για εξηγήσεις, ο Κώστας Βαγενάς άρχισε να σκέφτεται τι θα συνέβαινε αν κάποια νετρίνα που τρέχουν ξέφρενα έλθουν πολύ κοντά, αν π.χ. δύο ή τρία τέτοια σωματίδια «σχεδόν αγγιχθούν» με ταχύτητα σχεδόν ίση με αυτήν του φωτός; Η μάζα τους θα τείνει προς το άπειρο! Οπότε και η βαρυτική έλξη μεταξύ τους θα γίνει τεράστια… ίσως τόσο τεράστια όσο και η λεγόμενη ισχυρή πυρηνική δύναμη που χρειάζεται για να τα κρατήσει για πάντα μαζί, σε ένα αέναα περιστρεφόμενο δίπολο ή τρίπολο που θα απαρτίσει το θεμέλιο της ύλης, ένα αδρόνιο (π.χ. πρωτόνιο ή νετρόνιο).

Εχετε μήπως τη λογικοφανή απορία «Γιατί τα νετρίνα θα συνεχίσουν τον πλανητικό χορό τους χωρίς να “κουτουλήσουν” θανάσιμα μεταξύ τους, φτιάχνοντας μια μαύρη τρύπα;».  «Διότι», απαντά ο κύριος Βαγενάς, «γύρω από το καθένα σχηματίζεται ένα ικανό πεδίο απώθησης, ένας ενεργειακός κλωβός ασφαλείας, κατά την Αρχή Απροσδιοριστίας του Χάιζενμπεργκ».

Οσο κι αν η εικασία των νετρίνων ακουγόταν απίστευτη, εκείνος έβαλε την ιδέα στο χαρτί και άρχισε να τη μοντελοποιεί με μαθηματικούς τύπους. Και όταν κάποια στιγμή ένιωσε τη σιγουριά πως δεν έκανε λάθος, συνειδητοποίησε ότι τους ίδιους τύπους για τον υπολογισμό της μάζας είχε χρησιμοποιήσει και ο Αϊνστάιν, στην Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας του 1905, όταν διατύπωνε την Αρχή της Ισοδυναμίας (η βαρυτική μάζα είναι ίση με την αδρανειακή μάζα). Και ύστερα από 10 χρόνια περαιτέρω διερεύνησης και… 90.000 σελίδες εξισώσεων, έφτασε σήμερα – με την πολύτιμη συνεργασία του Θανάση Φωκά και τη συμβολή των μεταπτυχιακών του φοιτητών Σταμάτη Σουέντιε και Δημήτρη Γρηγορίου – να μας πει ότι η φύση δουλεύει και στη νανοκλίμακα πολύ πιο απλά απ’ όσο νομίζαμε: νευτώνεια.

«Αλλά… αν το είχε πει ο Αϊνστάιν», τον ρώτησα, «αν είχε επεκτείνει υπέροχα τον Νόμο του Νεύτωνα όπως λέτε, γιατί δεν το είδαν τόσοι και τόσοι φυσικοί πριν από εσάς;».

Ανασήκωσε αφοπλιστικά τους ώμους: «Διότι όλοι έπεσαν με τα μούτρα να καταλάβουν την αμέσως επόμενη θεωρία του, τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας» μου απάντησε. «Ακούγεται απίστευτο, το ξέρω, αλλά δεν είναι δυστυχώς πρωτόγνωρο το να ψάχνουν οι επιστήμονες το επόμενο και το μεθεπόμενο βήμα χωρίς να έχουν αναλύσει διεξοδικά την αρχή όλων, τον ορισμό».

«Και τι σημαίνουν όλα αυτά για τη φυσική μας; Τι αλλάζει για τον κόσμο, την προέλευσή του και την εξέλιξή του;».

«Το ότι η βαρύτητα δημιουργεί ύλη αλλάζει ριζικά την οπτική μας. Ο,τι ονομάζαμε κουάρκ λέγεται νετρίνα, ό,τι λέγαμε γλουόνια είναι βαρύτητα… Θα χρειαστεί να τα ξαναζυγιάσουμε όλα προσεκτικά».

«Να υποψιαστώ ότι το εύρημά σας δικαιώνει και τους υποστηρικτές της θεωρίας της Κβαντικής Βαρύτητας;» αποτόλμησα την ερώτηση.

«Βάσει των εξισώσεων, ναι… δικαιώνονται».

Βλέπω τα χείλη των δύο ακαδημαϊκών να σφίγγουν ανεπαίσθητα και καταλαβαίνω. Δεν θέλουν να ξεφύγουν, να πουν τα όσα θα μπορούσαν να προκύψουν από αυτό που κυοφόρησαν. Λένε στον κόσμο, για πρώτη φορά στην Ιστορία της Φυσικής, ότι η ύλη δημιουργείται από τη βαρύτητα – έστω και σε ακραίες καταστάσεις. Λένε ότι ο καταλύτης δημιουργίας ύλης είναι τα απειράριθμα νετρίνα, τα φαντάσματα που «κυκλοφορούν ανάμεσά μας». Λένε ότι τα βαρυτικά κύματα, που μόλις πρόσφατα μπορέσαμε να ανιχνεύσουμε, είναι ολότελα φυσικό να υπάρχουν. Λένε… ίσως και μύρια άλλα, χωρίς ποτέ να τα λένε οι ίδιοι. Μας αφήνουν να τα διηγηθούν οι εξισώσεις τους. Διότι η ανατροπή του Καθιερωμένου Μοντέλου της Φυσικής που εγκυμονεί η θεωρία τους μπορεί να ξεσηκώσει τσουνάμι. Το μόνο καθησυχαστικό είναι ότι δεν προέβαλαν κάτι το ανείπωτα αιρετικό αλλά το αντίθετο: εκσυγχρόνισαν και ξαναδικαίωσαν τον Νεύτωνα, χρησιμοποιώντας την Ειδική Σχετικότητα του Αϊνστάιν και μόνον αυτήν.

«Και ποια είναι τα δικά σας επόμενα βήματα;» ρώτησα στρεφόμενος προς τον Θανάση Φωκά.

«Αυτό το νέο μοντέλο που εισηγείται ο Κώστας βασίζεται στη βαρύτητα. Και η πιο παραδεκτή θεωρία βαρύτητας που έχουμε ως τώρα στη φυσική είναι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Κατά συνέπεια θεωρώ ότι είναι απαραίτητο να αποδειχθεί η συμβατότητα του νέου μοντέλου με τη Γενική Σχετικότητα.

Προσπαθώ λοιπόν, με τη βοήθεια κάποιων από τους γνωστότερους φυσικούς του τομέα αυτού, να αποδείξω ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας οδηγεί στον βαρυτικό νόμο του Κώστα. Αν αυτό ισχύει, τότε όντως και χωρίς καμία αμφιβολία η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι βαρύτητα. Αν όχι, τότε δεν είναι. Είμαι αρκετά αισιόδοξος για το αποτέλεσμα, ιδιαίτερα λαμβάνοντας υπόψη τη συμβατότητα του μοντέλου με τα πειραματικά αποτελέσματα. Ωσπου να ολοκληρωθούν όμως οι προαναφερθέντες πολύ δύσκολοι υπολογισμοί, κατά τη γνώμη μου όλα παραμένουν ανοιχτά».

«Εκτός από τις επιπτώσεις για την ανόργανη ύλη», ρώτησα τον Κώστα Βαγενά, «έχετε να μου πείτε κάποια επίπτωση του νέου μοντέλου και για την οργανική ύλη – όπως τους ανθρώπους;».

Με κοίταξε χαμογελώντας μυστήρια: «Οταν ακόμη ήμουν καθηγητής στο ΜΙΤ (πριν από το 1982), ο συνάδελφος και σπουδαίος φυσικός Φρανκ Γουίλτσεκ (Frank Wilczek) είχε υπολογίσει ότι το σώμα μας απαρτίζεται κατά 99,9% από ενέργεια και μόνο κατά 0,1% από ύλη. Το είχε υπολογίσει με την υπόθεση των κουάρκ και των γλουονίων, αλλά στο ίδιο συμπέρασμα έφτασα τώρα κι εγώ, με τα νετρίνα και τη βαρύτητα. Δηλαδή, μάζα μόλις 40 γραμ. ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων “χτίζει” το σώμα μας, με το υπόλοιπο του οικοδομήματος να αποτελείται από ενέργεια. Ε, το παρήγορο είναι ότι η ενέργεια δεν χάνεται».Η νέα εργασία

Πατώντας στα χνάρια του βιβλίου «Gravity, Special Relativity, and the Strong Force» (οίκος Springer, 2012) και τριών διάδοχων συναφών δημοσιεύσεων στο περιοδικό «Physica A», μια νέα εργασία του καθηγητή Κωνσταντίνου Βαγενά και συνεργατών του δημοσιεύεται στο τεύχος Απριλίου 2017 του περιοδικού «Applied Catalysis B: Environmental». Φέρει τον τίτλο «Κατάλυση και αυτοκατάλυση της χημικής σύνθεσης και της σύνθεσης αδρονίων», την υπογραφή του ιδίου και του Δημήτρη Γρηγορίου από το Πανεπιστήμιο Πατρών και του Αθανασίου Φωκά, ακαδημαϊκού και κατόχου της έδρας Μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ (βλ. www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337316307585). Πραγματεύεται ένα νέο μοντέλο για την εσωτερική δομή των πρωτονίων και νετρονίων.
Το νέο αυτό μοντέλο ονομάζεται μοντέλο των περιστρεφόμενων νετρίνων και παρουσιάζει σημαντικές ομοιότητες με το κλασικό μοντέλο του Μπορ για τη δομή του ατόμου του υδρογόνου. Η μόνη διαφορά είναι ότι ενώ στο μοντέλο του Μπορ η κυκλική κίνηση του ηλεκτρονίου οφείλεται στην ηλεκτροστατική του έλξη από το πρωτόνιο (νόμος Coulomb), στο νέο μοντέλο η κυκλική κίνηση των νετρίνων οφείλεται στην αμοιβαία βαρυτική τους έλξη. Αυτή εκφράζεται από τον βαρυτικό νόμο του Νεύτωνα χρησιμοποιώντας τις βαρυτικές μάζες των σωματιδίων που εξαρτώνται από την ταχύτητά τους σύμφωνα με τον τύπο mg=γ3mo, όπου mg η βαρυτική μάζα και mo η μάζα ηρεμίας των σωματιδίων και όπου γ ο παράγοντας Lorentz. Για ευθύγραμμη κίνηση ο τύπος αυτός αποδείχθηκε ήδη από τον Αϊνστάιν το 1905.

H σημαντική νέα ιδέα που προκύπτει από την ανωτέρω έκφραση της αδρανειακής και βαρυτικής μάζας είναι ότι οι βαρυτικές μάζες των σωματιδίων και η μεταξύ τους βαρυτική έλξη αυξάνονται σημαντικά με αυξανόμενη ταχύτητα και, επομένως, ότι ο βαρυτικός νόμος του Νεύτωνα παίρνει τη μορφή F=m1m2γ31γ32/r2

Ο συνδυασμός αυτής της εξίσωσης με την εξίσωση του de Broglie (λ=/γ moc), που είναι η βάση της κβαντομηχανικής, οδηγεί σε απλές αναλυτικές λύσεις για το μοντέλο των περιστρεφόμενων νετρίνων. Αντικαθιστώντας mo=0.0437 eV/c2 για τη μάζα του νετρίνου στον τελικό τύπο προκύπτει m=939 MeV/c2, που είναι η μάζα του νετρονίου. Εναλλακτικά, χρησιμοποιώντας την τιμή αυτή για τη μάζα του νετρονίου, προκύπτει ότι η μάζα ηρεμίας των κουάρκ u και d είναι ίδια με αυτήν των ηλεκτρονετρίνων.

Στην υπό δημοσίευση νέα εργασία αναλύεται η απρόσμενη ομοιότητα της κατάλυσης από τα ηλεκτρόνια (και τα ποζιτρόνια) τόσο της χημικής σύνθεσης όσο και της σύνθεσης των αδρονίων από τα νετρίνα. Η ίδια μεθοδολογία για τη μοντελοποίηση της δομής των αδρονίων έχει χρησιμοποιηθεί στις πρόσφατες δύο δημοσιεύσεις της ομάδας Βαγενά για τη μοντελοποίηση των μποζονίων W+- και Ζ – ως περιστρεφομένων ζευγών e+- και νετρίνων για τα W και ως περιστρεφομένων τριάδων e+, e- και νετρίνων για τα μποζόνια Ζ. Τα μοντέλα αυτά δεν περιέχουν καμία άγνωστη παράμετρο και προβλέπουν τις μάζες των αδρονίων και μποζονίων με ακρίβεια της τάξης του 2%.