Ισχύς της ΑλληλεπίδρασηςΙσχύς της Αλληλεπίδρασης

Μέσα από τα NobelNobel Φυσικής

Σπύρος Ευστ. Τζαμαρίας Σπύρος Ευστ. Τζαμαρίας Σχολή Θετικών Επιστημών Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Ελληνικό Ανοικτό και Τεχνολογίας Ελληνικό Ανοικτό

ΠανεπιστήμιοΠανεπιστήμιο

The Nobel Prize in Physics 1901-2000by Erik B. Karlsson, "The Nobel Prize: The First 100 Years", Agneta Wallin Levinovitz and Nils Ringertz, eds., Imperial College Press and World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2001.

From Classical to Quantum Physics In 1901, when the first Nobel Prizes were awarded, the classical areas of physics seemed to rest on a firm basis built by great 19th century physicists and chemists. Hamilton had formulated a very general description of the dynamics of rigid bodies as early as the 1830s. Carnot, Joule, Kelvin and Gibbs had developed thermodynamics to a high degree of perfection during the second half of the century. Maxwell's famous equations had been accepted as a general description of electromagnetic phenomena and had been found to be also applicable to optical radiation and the radio waves recently discovered by Hertz. Everything, including the wave phenomena, seemed to fit quite well into a picture built on mechanical motion of the constituents of matter manifesting itself in various macroscopic phenomena. Some observers in the late 19th century actually expressed the view that, what remained for physicists to do was only to fill in minor gaps in this seemingly well-established body of knowledge However, it would very soon turn out that this satisfaction with the state of physics was built on false premises. The turn of the century became a period of observations of phenomena that were completely unknown up to then, and radically new ideas on the theoretical basis of physics were formulated.

What is Physics? Physics is considered to be the most basic of the natural sciences. It deals with the fundamental constituents of matter and their interactions as well as the nature of atoms and the build-up of molecules and condensed matter. It tries to give unified descriptions of the behavior of matter as well as of radiation, covering as many types of phenomena as possible. In some of its applications, it comes close to the classical areas of chemistry, and in others there is a clear connection to the phenomena traditionally studied by astronomers. Present trends are even pointing toward a closer approach of some areas of physics and microbiology...

The Nobel Prize in Physics 1901-2000…It must be regarded as a historical coincidence, probably never foreseen by Alfred Nobel himself, that the Nobel Prize institution happened to be created just in time to enable the prizes to cover many of the outstanding contributions that opened new areas of physics in this period…

The Nobel Prize in Physics 1901:

Wilhelm Conrad Röntgen "in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery

of the remarkable rays subsequently named after him"

The Nobel Prize in Physics 1902:

Hendrik Antoon Lorentz & Pieter Zeeman "in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena"

The Nobel Prize in Physics 1903:

Antoine Henri Becquerel, Pierre Curie and Marie Curie"in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery

of spontaneous radioactivity” and “their joint researches on the radiation phenomena discovered by Professor Henri Becquerel”

The Nobel Prize in Physics 1905:

Philipp Eduard Anton von Lenard "for his work on cathode rays"

The Nobel Prize in Physics 1906:

Joseph John Thomson "in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases"

The Nobel Prize in Chemistry 1908:

Ernest Rutherford "for his investigations into the disintegration of the elements, and the

chemistry of radioactive substances"

The Nobel Prize in 2004 David J. Gross, H. David PolitzerDavid J. Gross, H. David Politzer and Frank and Frank WilczekWilczek "for the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction"

αλληλεπίδραση, ισχυρή αλληλεπίδραση ;

quarks ;

ενέργεια αλληλεπίδρασης ;

πειραματική απόδειξη ;

Ανακάλυψαν την βασική ιδιότητα της “ασυμπτωτικής ελευθερίας” στην θεωρία της Ισχυρής Αλληλεπίδρασης, η οποία μπορεί να

περιγράψει την, πειραματικά αποδεδειγμένη, ιδιότητα των quarks να συμπεριφέρονται περίπου ως ελεύθερα σωματίδια, μόνο σε υψηλές

ενέργειες.

•Τα τέσσερα είδη βασικών αλληλεπιδράσεων στη Φύση

•Θεωρητική περιγραφή των βασικών αλληλεπιδράσεων

•Το πρόβλημα και η λύση !

•Πειραματικοί έλεγχοι και πειραματική επαλήθευση

•Το μέλλον ...

1 22

m mF G

r

r

m1

m2

r

q1

q2

1 22

q qF K

r

Δυνάμεις: μεγάλης εμβέλειας φθίνουσες με την απόσταση

Δυνάμεις στη Φύση

Κατακλυσμικά φαινόμενα στο Σύμπαν

SN 1987A (23-2-1987)

Γιατί ο ήλιος λάμπει ;

Δυνάμεις στη Φύση

μάζα ;

Κβαντομηχανική περιγραφή των βασικών Αλληλεπιδράσεων

Το παράδειγμα της Ηλεκτρομαγνητικής Αλληλεπίδρασης

Κβαντική Ηλεκτροδυναμική (QED) φωτόνιο: φορέας της Ηλεκτρομαγνητικής Αλληλεπίδρασης

Sin-Itiro Tomonaga Julian Schwinger Richard P. Feynman "for their fundamental work in quantum electrodynamics, with deep-ploughing consequences for the physics of elementary particles"

1965

Δυϊσμός της φύσης του φωτός φωτόνιο: σωμάτιο - κύμα

Albert Einstein "for his

services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"

1921

Robert Andrews Millikan "for his work on

the elementary charge of electricity and on the photoelectric

effect"

1923

Arthur Holly Compton "for his discovery of the effect named

after him”

1927

Κβαντομηχανική περιγραφή των βασικών Αλληλεπιδράσεων

QED: το πρότυπο κβαντικής θεωρίας αλληλεπίδρασης

q1r

q2

1 22

q qF K

r

Werner Karl Heisenberg "for the creation of quantum

mechanics, the application of which has, inter alia, led to the discovery

of the allotropic forms of hydrogen"

1932

;;

Ρ

x

y

z Ρ

rΔr

PΔP

r

ΔP Δr /2

p

Δt: χρόνος διάδοσης της αλληλεπίδρασης (φωτονίου)

αβεβαιότητα στην ορμή: ΔP=p (ορμή του φωτονίου)

Αβεβαιότητα στη θέση: Δr=r (απόσταση των φορτίων)

P r a

P rF , c

t t

2

1F

r

Ασθενής Αλληλεπίδραση (δύναμη μικρής εμβέλειας)

QED :η μεγάλη εμβέλεια της Ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης εξασφαλίζεται με το γεγονός ότι το φωτόνιο έχει μηδενική μάζα ηρεμίας

Η ταχύτητα του φορέα της αλληλεπίδρασης δεν εξαρτάται από την μεταφερόμενη ορμή

και είναι πάντα ίση με c

P r a

P rF , c

t t

2

1F

r

Οι φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης W+, W- και Ζ0 έχουν μάζα όσο περίπου 100 πρωτόνια

1984

Carlo Rubbia Simon van der Meer“ for their decisive contributions to the large project, which led to the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction"

Ισχυρή αλληλεπίδραση: δύναμη περιορισμένης εμβέλειας

Hideki Yukawa "for his prediction of the existence

of mesons on the basis of theoretical work on nuclear forces"

1949

p

n

π – μεσόνιο μη μηδενική μάζα

Cecil Frank Powell "for his development of the

photographic method of studying nuclear processes and his

discoveries regarding mesons made with this method"

1950

Θεωρητική Περιγραφή των θεμελιωδών Αλληλεπιδράσεων

Συμμετρίες και διατήρηση Φυσικών Ποσοτήτων:0

0

αμεταβλητότητα σε μετατοπίσεις στο χώρο διατήρηση της ορμής

αμεταβλητότητα σε μετατοπίσεις στο χρόνο διατήρηση της ενέργειας

αμεταβλητότητα σε στροφές στο χώρο διατήρηση της στροφορμής

κύρι

ος ά

ξονα

ς

συνολική στροφή αναλλοίωτη φυσική ποσότητα

τοπική στροφή και απαίτηση αμεταβλητότητας αλληλεπίδραση

Θεωρίες Βαθμίδας: Περιγραφή της αλληλεπίδρασης ως διαδικασία “στροφής” σε κατάλληλο μαθηματικό χώρο

“άξονες” φορείς της αλληλεπίδρασης αναλλοίωτα φυσικά μεγέθη

Θεωρητική Περιγραφή των θεμελιωδών Αλληλεπιδράσεων

QED: το παράδειγμα της Ηλεκτρομαγνητικής Αλληλεπίδρασης

χώρος στροφών: χώρος του “φορτίου” άξονας στροφών: το φωτόνιο βασική διατηρήσιμη ποσότητα: το ηλεκτρικό φορτίοΒασικές συνέπειες της QED:

τα φωτόνια δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο

τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν άμεσα μεταξύ τους

η ισχύς της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης αυξάνει με την ενέργεια

Ενέργεια Αλληλεπίδρασης: Ενέργεια του φορέα

Πως συνδέεται η ισχύς αλληλεπίδρασης με την ενέργεια ;

p

Κλασικός Ηλεκτρισμός

V

1 2

0

q q1=

4 ε r

V

1 2

ο

0

q q1=

4 ε rε = (1+ χ) ε

P = χ ε Ε

V

1 2q q1=

4 ε(r) r

2

2V2 2

' '

' '1

1

q q

1 2

q q 1=

rε(r) ε(r)

q q

r

d

d

rq/ ε

0q/ εq’

διακριτική ικανότητα

CERN Accelerator Complex

Πως συνδέεται η ισχύς αλληλεπίδρασης με την ενέργεια ;QED: το παράδειγμα της Ηλεκτρομαγνητικής Αλληλεπίδρασης

Ενέργεια

Συχνότητα

μικρές διαστάσεις μικρό μήκος κύματος

Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie "for his discovery of the wave nature of electrons"

1929

h

λP

c

E = h f = hλ

2

Δtm c

d

Δt cm c

d

Δt c

m c

d

rq/ ε

0q/ εq’

λ

Η ισχύς της Ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης αυξάνει όταν ελαττώνεται το μήκος κύματος του φορέα της

αλληλεπίδρασης

όταν αυξάνει η ενέργεια της αλληλεπίδρασης c

E = hλ

Η ισχύς της Ισχυρής Αλληλεπίδρασης ελαττώνεται όταν αυξάνει η ενέργεια αλληλεπίδρασης !!!

Είναι δυνατόν να περιγράψουμε την Ισχυρή Αλληλεπίδραση με θεωρία βαθμίδας;

Ποία είναι η διατηρήσιμη ποσότητα στην Ισχυρή Αλληλεπίδραση;

Ποίος είναι ο φορέας της Ισχυρής Αλληλεπίδρασης;

Η Ισχυρή Αλληλεπίδραση έχει περιορισμένη εμβέλεια

1960...1964

Gell-Mann και Zweig

Murray Gell-Mann "for his contributions and

discoveries concerning the classification of elementary

particles and their interactions"

1969

δεν ικανοποιούσαν την απαγορευτική αρχή του Pauli Ω(sss) τουλάχιστον δύο φερμιόνια στην ίδια κατάσταση spin

Οι Han και Nambu (1965) πρότειναν έναν νέο κβαντικό αριθμό: το χρώμα

Αλλά κανένα πείραμα δεν είχε ανιχνεύσει quarks...

το διαφανές σπήλαιο του Πλάτωνα

Ατομικό Πρότυπο Thomson

Σχηματική περιγραφή της πειραματικής διάταξης των

Geiger και Marsden

αρ

ιθμ

ός

σκ

εδά

σεω

ν

σε

γω

νία

φ

αν

ά μ

ον

άδ

α χ

ρό

νο

υ

φ

Η ιστορία επαναλαμβάνεται...

1967: Το SLAC-MIT πείραμα

2F(Q )

B. J. Bjorken και R. Feynman quark-parton model

Jerome I. Friedman Henry W. Kendall Richard E. Taylor "for their pioneering investigations concerning deep inelastic scattering of electrons on

protons and bound neutrons, which have been of essential importance for the development

of the quark model in particle physics"

1990

Κβαντική Χρωμοδυναμική – QCD SU(3) Yang-Mills Θεωρία Βαθμίδας

Φορείς της Ισχυρής Αλληλεπίδρασης: gluons

Διατηρήσιμη ποσότητα: το χρώμα

Βασική συνέπεια: τα gluons μεταφέρουν χρώμα και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους

Είναι δυνατόν η QCD να περιγράψει τα πειραματικά δεδομένα;

Δεν υπάρχουν ελεύθερα quarks (ισχυρώς δεσμευμένα μέσα στα αδρόνια)

Ασυμπτωτικά (μεγάλη ενέργεια αλληλεπίδρασης- μικρές αποστάσεις) ελεύθερα

The Nobel Prize in 2004 David J. Gross, H. David PolitzerDavid J. Gross, H. David Politzer and Frank and Frank WilczekWilczek "for the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction"

q q +-

QC QC QC

V = k r2 2 m c = k r

Πυρηνικό Πρότυπο

Πειραματική Έλεγχος - Επαλήθευση

The Nobel Prize in 1979 Sheldon Lee Glashow Abdus Salam Steven Weinberg "for their contributions to the theory of the unified weak and electromagnetic interaction between elementary particles, including, inter alia, the prediction of the weak neutral current"

The Nobel Prize in 1999 Gerardus 't Hooft Martinus J.G. Veltman "for elucidating the quantum structure of electroweak interactions in physics"

Καθιερωμένο Πρότυπο

Το μέλλον...

j 0t

E

t

B 0

EB j

t

B A

AE V

t

'A A A (r, t)

(r, t)V V ' V

t

  Η Σουηδική Βασιλική Ακαδημία Επιστημών απεφάσισε Η Σουηδική Βασιλική Ακαδημία Επιστημών απεφάσισε να απονείμει το βραβείο να απονείμει το βραβείο NobelNobel Φυσικής για το 2004 Φυσικής για το 2004

“ για την ανακάλυψη της “ για την ανακάλυψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας στην θεωρία της ισχυρής ασυμπτωτικής ελευθερίας στην θεωρία της ισχυρής αλληλεπίδρασηςαλληλεπίδρασης””

από κοινού στους:από κοινού στους:

David J. GrossDavid J. Gross H. David PolitzerH. David Politzer Frank Frank WilczekWilczek

Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California, Santa Barbara, USA

California Institute of Technology (Caltech), Pasadena, USA

Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, USA