ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ:
•Εισαγωγή-Οι τέσσερις αλληλεπιδράσεις
•Βαρυτική Αλληλεπίδραση
•Ηλεκτρομαγνητική Αλληλεπίδραση
•Ισχυρή Πυρηνική Αλληλεπίδραση
•Ασθενής Πυρηνική Αλληλεπίδραση
•Η Ισχύς των Αλληλεπιδράσεων
•Ο Φορέας της Αλληλεπίδρασης-Το Φωτόνιο
•Οι Φορείς των άλλων Αλληλεπιδράσεων
•Η Ενοποίηση των Αλληλεπιδράσεων

Βαρυτική Αλληλεπίδραση

Αυτή η αλληλεπίδραση είναι υπεύθυνη για τη συγκρότηση των γαλαξιών, για την περιφορά της Γης και των άλλων πλανητών γύρω από τον Ήλιο. Η επαναφορά μας στο έδαφος, όταν πηδάμε, οφείλεται στη βαρύτητα. Είναι η δύναμη που ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων και είναι πάντοτε ελκτική.

Ηλεκτρομαγνητική Αλληλεπίδραση

Είναι υπεύθυνη για το "τίναγμα" που ασθανόμαστε όταν, περπατώντας πάνω σ' ένα χαλί, ακουμπάμε ένα σιδερένιο αντικείμενο. Είναι υπεύθυνη για τη λειτουργία όλων των ηλεκτρικών μηχανών. Αλλά είναι ακόμα υπεύθυνη για τη συγκρότηση των ατόμων: τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου συγκρατούμενα από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων που έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Διακρίνουμε δυο ειδών φορτία: το θετικό και το αρνητικό. Τα ομόσημα φορτία (θετικό - θετικό ή αρνητικό - αρνητικό) απωθούνται ενώ τα ετερόσημα (θετικό - αρνητικό) έλκονται. Παραδείγματα φορτισμένων σωματιδίων είναι: το ηλεκτρόνιο (φορτίο -1), το πάνω (up) κουάρκ (φορτίο +2/3), ενώ το νετρίνο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο (βλ. τον Πίνακα των Στοιχειωδών Σωματιδίων).

Ισχυρή Πυρηνική Αλληλεπίδραση

Είναι η πρώτη από τις αλληλεπιδράσεις που δεν εμφανίζονται άμεσα στη καθημερινή μας ζωή. Η ισχυρή αλληλεπίδραση όμως είναι υπεύθυνη για την συγκρότηση των πυρήνων των ατόμων. Αυτή συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια ώστε να σχηματίσουν τον πυρήνα. Μην ξεχνάτε ότι οι δυνάμεις μεταξύ των ομόσημα (θετικά) φορτισμένων πρωτονίων είναι απωστικές. Τα σωματίδια που "αισθάνονται" την ισχυρή αλληλεπίδραση, όπως το πρωτόνιο και το νετρόνιο, λέγονται αδρόνια. Γνωρίζοντας τώρα ότι τα αδρόνια έχουν εσωτερική δομή, η θεμελιώδης αλληλεπίδραση είναι μεταξύ των κουάρκ που συγκροτούν τα αδρόνια (βλ. τον Πίνακα των Στοιχειωδών Σωματιδίων). Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ περιγράφεται από την κβαντική χρωμοδυναμική. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αδρονίων είναι, ακριβώς, εκφάνσεις αυτής της αλληλεπίδρασης.

Ασθενής Πυρηνική Δύναμη

Είναι η δεύτερη αλληλεπίδραση που δεν είναι άμεσα αντιληπτή. Παρ' όλα αυτά η σημασία της είναι σημαντική. Απλά αναφέρουμε εδώ, ως παράδειγμα, ότι μια από τις βασικές πυρηνικές αντιδράσεις που γίνονται στον ήλιο και τον κάνουν να μας φωτίζει, οφείλεται ακριβώς σ' αυτήν την αλληλεπίδραση. Όσα σωματίδια αισθάνονται την ασθενή αλλά όχι την ισχυρή αλληλεπίδραση τα ονομάζουμε λεπτόνια (βλ. τον Πίνακα των Στοιχειωδών Σωματιδίων).

Η Ισχύς των Αλληλεπιδράσεων

Ας βάλουμε τώρα σε μια σειρά τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις ανάλογα με την ισχύ τους. Ας πάρουμε την πιο ισχυρή από αυτές, την Ισχυρή Πυρηνική Αλληλεπίδραση ( η οποία στη δεύτερη στήλη του Πίνακα των Αλληλεπιδράσεων της δίνουμε αυθαίρετα ισχύ 1) και ας συγκρίνουμε τις υπόλοιπες ως προς αυτήν. Η Ηλεκτρομαγνητική είναι περίπου 100 (για πιο ακρίβεια 137) φορές μικρότερη, ενώ η Ασθενής Πυρηνική Δύναμη είναι 100 000 φορές πιο ασθενής από τη Ισχυρή. Για τη Βαρυτική Αλληλεπίδραση, πραγματικά η ισχύς της είναι τραγικά μικρή: είναι 10³⁸ (η μονάδα ακολουθούμενη από 38 μηδενικά!) φορές πιο ασθενής από την Ισχυρή. Γι' αυτό ακριβώς η βαρυτική αλληλεπίδραση δεν παίζει κανένα ρόλο στα πειράματα που γίνονται με στοιχειώδη σωματίδια. Την "σκεπάζουν" κυριολεκτικά οι άλλες αλληλεπιδράσεις. Το αποτέλεσμα είναι να μην μπορούμε να έχουμε από αυτά τα πειράματα στοιχεία για τη βαρυτική αλληλεπίδραση. Μόνο σε πειράματα όπου επεισέρχονται τεράστιες μάζες (αστέρων ή γαλαξιών) έχουμε τη δυνατότητα να δούμε τα αποτελέσματα αυτής της αλληλεπίδρασης.

Ο Φορέας της Αλληλεπίδρασης: Το Φωτόνιο

Το πάντρεμα των δυο μεγάλων επιτεύξεων του 20 αιώνα, της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας και της Κβαντομηχανικής μας οδηγεί στην έννοια του φορέα (διαδότη) της αλληλεπίδρασης. Πράγματι, η Θεωρία της Σχετικότητας απαγορεύει την μετάδοση πληροφορίας με ταχύτητα μεγαλύτερη αυτής του φωτός ( περίπου 300 000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο). Αυτό σημαίνει, για παράδειγμα, ότι αν έχουμε ένα φορτισμένο σωματίδιο και έξαφνα εμφανιστεί ένα δεύτερο, η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ τους δεν αναπτύσσεται ακαριαία. Ακριβώς, το σωματίδιο-φορέας αναλαμβάνει αυτή τη δουλειά. Για κάθε αλληλεπίδραση υπάρχει ένας ή περισσότεροι φορείς, των οποίων η ανταλλαγή κάνει τα σωματίδια να "αισθάνονται" την αλληλεπίδραση. Για την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση ο φορέας είναι το φωτόνιο. Στο σχήμα βλέπουμε πώς το κάθε ηλεκτρόνιο "αντιλαμβάνεται" την ύπαρξη του άλλου με την ανταλλαγή του φωτονίου (χρησιμοποιείστε τα "κουμπιά" στο κάτω μέρος της εικόνας). Η θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων με την ανταλλαγή φωτονίων ονομάζεται Κβαντική Ηλεκτροδυναμική (Quantum Electrodynamics, QED) και αποτελεί έναν από τους θριάμβους του ανθρώπινου πνεύματος. Περιγράφει με εκπληκτική ακρίβεια τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών Σωματιδίων. Πατέρες της Κβαντικής Ηλεκτροδυναμικής θεωρούνται οι Φαϊνμαν (R. Feynman), Σβίνγκερ (J. Schwinger) και Τομονάγκα (S. Tomonaga).

Οι Φορείς των άλλων Αλληλεπιδράσεων

Φορείς έχουν και οι άλλες αλληλεπιδράσεις. Η συνεπής περιγραφή της ασθενούς αλληλεπίδρασης απαιτεί την ύπαρξη τριών φορέων: Z⁰, W^- και W⁺ (ο πρώτος ηλεκτρικά ουδέτερος ενώ οι άλλοι δυο αρνητικά και θετικά φορτισμένοι αντίστοιχα). Η ανάγκη ενός μόνο φορέα για την περιγραφή της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης και τριών για την ασθενή αντανακλά το μαθηματικό υπόβαθρο της θεωρίας που στηρίζεται στη Θεωρία των Ομάδων. Η ισχυρή αλληλεπίδραση, στο επίπεδο των κουάρκ, απαιτεί οκτώ φορείς που ονομάζουμε γκλουόνια (gluons) τα οποία ανταλλάσσονται μεταξύ των κουάρκ (βλέπε επίσης το άρθρο Κβαντική Χρωμοδυναμική). Τέλος η βαρυτική αλληλεπίδραση, παρόλο που δεν έχουμε μια συνεπή θεωρία περιγραφής της ανάλογη με τις άλλες αλληλεπιδράσεις, πιστεύουμε ότι έχει τον δικό της φορέα: το βαρυτόνιο.

Η Ενοποίηση των Αλληλεπιδράσεων

Η έννοια της Ενοποίησης μπορεί να θεωρηθεί ως μια έμμονη ιδέα, όχι μόνο των Φυσικών, αλλά και πολλών άλλων ερευνητικών τομέων, ενώ ταυτόχρονα οι ρίζες της είναι πολύ παλιές. Με απλά λόγια θα λέγαμε ότι η ενοποίηση προσπαθεί να περιγράψει "όσο το δυνατόν πιο πολλά χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν πιο λίγα". Η τετράδα του Αριστοτέλη φωτιά, νερό, αέρας και γη αποτελούσε μια πρώτη ενοποίηση περιγραφής της ύλης. Η πρώτη σοβαρή ενοποίηση έγινε δυστυχώς πολύ αργότερα: μόλις τον 17ο αιώνα ο Νεύτωνας (I. Newton) ενοποίησε την ουράνια με την επίγεια μηχανική. Την επόμενη ενοποίηση την πραγματοποίησε ο Μάξουελ (J.C. Maxwell) τον 19ο αιώνα που περιέγραψε με τις τέσσερις περίφημες εξισώσεις του όλα τα γνωστά έως τότε (και όσα εμφανίστηκαν στο μέλλον!) φαινόμενα του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού και καθιέρωσε αυτό που σήμερα αποκαλούμε ηλεκτρομαγνητισμό. Στις αρχές του 20ου αιώνα ο Αϊνστάιν (A. Einstein) ενοποίησε το χώρο και το χρόνο με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, ενώ η τελευταία ενοποίηση παρουσιάστηκε στα 1967 και περιλαμβάνει την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή αλληλεπίδραση ως διαφορετικές όψεις μιας ενιαίας δύναμης: της ηλεκτρασθενούς. Μετά από πολλές θετικές πειραματικές ενδείξεις, το 1982 ανακαλύφθηκε στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων, CERN (στη Γενεύη), το σωματίδιο Z⁰, ο φορέας της ασθενούς αλληλεπίδρασης, με όλες τις ιδιότητες που προέβλεπε η νέα θεωρία. Οι δημιουργοί της Θεωρίας: Γκλάσοου (S. Glashow), Σαλάμ (A. Salam) και Ουάϊνμπεργκ (S. Weinberg) είχαν ήδη τιμηθεί με το βραβείο Νομπέλ, ενώ τους ακολούθησαν για την ανακάλυψη του Z⁰ οι Ρούμπια (C. Rubbia) και Βαν ντερ Μερ (S. van der Meer).