Τι είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο; What Is a Particle?

Στην φαινομενικά απλούστατη ερώτηση «τι είναι ένα σωματίδιο;», έχουν δοθεί διάφορες απαντήσεις όπως: ένα σημειακό αντικείμενο, μια διέγερση ενός πεδίου, μια έννοια καθαρών μαθηματικών που διεισδύει στην πραγματικότητα. Όμως η σημερινή αντίληψη των φυσικών για το τι είναι ένα σωματίδιο έχει αλλάξει κατά πολύ. It has been thought of as many things: a pointlike object, an excitation of a field, a speck of pure math that has cut into reality. But never has physicists’ conception of a particle changed more than it is changing now. Elementary particles are the basic stuff of the universe. They are also deeply strange. Illustrations by Ashley Mackenzie for Quanta Magazine

Δεδομένου ότι τα πάντα στο σύμπαν ανάγονται σε σωματίδια, προκύπτει αβίαστα η ερώτηση: τι είναι τα σωματίδια;

Μια απλή απάντηση, ότι δηλαδή: τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια, τα κουάρκ και άλλα «στοιχειώδη» σωματίδια δεν έχουν δομή ή φυσική έκταση, φαίνεται εκ των πραγμάτων μη ικανοποιητική. Σύμφωνα με την Mary Gaillard, που προέβλεψε τις μάζες δυο τύπων κουάρκ στην δεκαετία του 1970, «βασικά πιστεύουμε ότι ένα σωματίδιο είναι ένα σημειακό αντικείμενο». Ωστόσο τα σωματίδια έχουν διακριτά χαρακτηριστικά, όπως φορτίο και μάζα. Πώς μπορεί ένα σημείο χωρίς διαστάσεις να έχει βάρος;

Λέμε ότι είναι «στοιχειώδη», λέει ο Xiao-Gang Wen, θεωρητικός φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. Αλλά αυτός είναι απλώς ένας [τρόπος για να πεις] στους φοιτητές, «Μην ρωτάτε! Δεν ξέρω την απάντηση. Είναι στοιχειώδη, μην ξαναρωτήσετε».

Ο Δημόκριτος (~460 π.Χ.- 370 π.Χ.) ήταν προσωκρατικός φιλόσοφος, ο οποίος γεννήθηκε στα Άβδηρα της Θράκης. Ήταν μαθητής του Λεύκιππου. Πίστευε ότι η ύλη αποτελούνταν από αδιάσπαστα, αόρατα στοιχεία, τα άτομα. Επίσης ήταν ο πρώτος που αντιλήφθηκε ότι ο Γαλαξίας είναι το φως από μακρινά αστέρια. Ήταν ανάμεσα στους πρώτους που ανέφεραν ότι το σύμπαν έχει και άλλους «κόσμους» και μάλιστα ορισμένους κατοικημένους. Ο Δημόκριτος ξεκαθάριζε ότι το κενό δεν ταυτίζεται με το τίποτα («μη ον»), είναι δηλαδή κάτι το υπαρκτό. The theory of Democritus held that everything is composed of "atoms," which are physically, but not geometrically, indivisible; that between atoms, there lies empty space; that atoms are indestructible, and have always been and always will be in motion; that there is an infinite number of atoms and of kinds of atoms, which differ in shape and size. Of the mass of atoms, Democritus said, "The more any indivisible exceeds, the heavier it is." However, his exact position on atomic weight is disputed.

Για οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο, οι ιδιότητες του αντικειμένου εξαρτώνται από τη φυσική του σύνθεση – και τελικά, από τα συστατικά του σωματίδια. Όμως οι ιδιότητες αυτών των σωματιδίων δεν προέρχονται από συστατικά τους αλλά από μαθηματικά πρότυπα. Ως σημεία επαφής μεταξύ μαθηματικών και πραγματικότητας, τα σωματίδια εκτείνονται και στους δύο κόσμους σε μια αβέβαιη βάση.

Όταν ρώτησα πρόσφατα δώδεκα φυσικούς σωματιδίων «τι είναι ένα σωματίδιο;», έδωσαν εντελώς διαφορετικές περιγραφές. Τόνισαν ότι οι απαντήσεις τους δεν έρχονται σε σύγκρουση, αλλά καταγράφουν διαφορετικές πτυχές της αλήθειας. Περιέγραψαν επίσης δύο πρόσφατες σημαντικές ερευνητικές ιδέες στη θεμελιώδη φυσική οι οποίες επιδιώκουν μια πιο ικανοποιητική και ολοκληρωμένη εικόνα των σωματιδίων.

«Τι είναι ένα σωματίδιο;» είναι πράγματι μια πολύ ενδιαφέρουσα ερώτηση, λέει ο Wen. «Σήμερα υπάρχει πρόοδος όσον αφορά την απάντηση. Δεν πρέπει να πω ότι υπάρχει μια ενιαία άποψη, αλλά υπάρχουν πολλές διαφορετικές απόψεις και όλες φαίνονται ενδιαφέρουσες.»

Σωματίδιο είναι μια «κατάρρευση κυματοσυνάρτησης». A Particle Is a ‘Collapsed Wave Function’

“Την στιγμή που το ανιχνεύω, καταρρέει η κυματοσυνάρτηση και γίνεται σωματίδιο… [Το σωματίδιο είναι] η κυματοσυνάρτηση που κατέρρευσε». —Δημήτρης Νανόπουλος. “At the moment that I detect it, it collapses the wave and becomes a particle. … [The particle is] the collapsed wave function.” —Dimitri Nanopoulos. The Schrodinger Cat thought experiment. Image source: By Dhatfield – Own work, CC BY-SA 3.0

Ο προβληματισμός για κατανόηση των θεμελιωδών δομικών στοιχείων της φύσης ξεκίνησε με τον ισχυρισμό του αρχαίου Έλληνα φιλόσοφου Δημόκριτου περί ατόμων. Δύο χιλιετίες μετά, ο Isaac Newton και ο Christiaan Huygens διαφώνησαν για το αν το φως συνίσταται από σωματίδια ή κύματα. Η ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής μετά από περίπου 250 χρόνια απέδειξε πως και οι δυο αυθεντίες είχαν δίκιο: Το φως συνίσταται από πακέτα ενέργειας γνωστά ως φωτόνια, τα οποία συμπεριφέρονται τόσο ως σωματίδια όσο και ως κύματα.

Ένα από τα διάσημα προβλήματα της κβαντικής φυσικής, είναι το μετρητικό πρόβλημα, το φαινόμενο δηλαδή της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης που περιγράφει ένα σωματίδιο, όταν αυτό υπόκειται σε μία μέτρηση. A quantum particle can be in a range of possible states. When an observer makes a measurement, she instantaneously “collapses” the wave function into one possible state. QBism argues that this collapse isn’t mysterious. It just reflects the updated knowledge of the observer. She didn’t know where the particle was before the measurement. Now she does. Olena Shmahalo/Quanta Magazine

Η δυαδικότητα των κυμάτων-σωματιδίων κατέληξε να είναι ένα σύμπτωμα μιας βαθύτερης σπανιότητας. Η κβαντομηχανική αποκάλυψε στους θεμελιωτές της την δεκαετία του 1920 ότι τα φωτόνια και άλλα κβαντικά αντικείμενα περιγράφονται καλύτερα όχι ως σωματίδια ή κύματα αλλά από αφηρημένες «κυματοσυναρτήσεις» – εξελισσόμενες μαθηματικές συναρτήσεις που δείχνουν την πιθανότητα ενός σωματιδίου να έχει διάφορες ιδιότητες.

A visualization shows the wave function of a hydrogen atom. Electrons are better thought of as a cloud of probability surrounding the nucleus rather than a single particle looping around in orbits, as it’s conventionally pictured. Image by Israel Institute of Technology.

Για παράδειγμα, η κυματοσυνάρτηση που αντιπροσωπεύει ένα ηλεκτρόνιο απλώνεται χωρικά, έτσι ώστε το ηλεκτρόνιο να έχει πιθανές θέσεις και όχι μια συγκεκριμένη. Αλλά κατά κάποιο παράξενο τρόπο, όταν χρησιμοποιείτε έναν ανιχνευτή για να προσδιορίσετε την θέση του ηλεκτρονίου, η κυματοσυνάρτηση ξαφνικά «καταρρέει» σε ένα σημείο και το σωματίδιο κάνει κλικ σε αυτήν τη θέση στον ανιχνευτή.

Ένα σωματίδιο είναι μια κυματοσυνάρτηση που κατέρρευσε. Αλλά τι σημαίνει αυτό στον κόσμο; Γιατί η παρατήρηση προκαλεί την κατάρρευση μιας «απλωμένης» μαθηματικής συνάρτησης και την εμφάνιση ενός συγκεκριμένου σωματιδίου; Και ποιός αποφασίζει το αποτέλεσμα της μέτρησης; Εδώ και σχεδόν έναν αιώνα, οι φυσικοί δεν έχουν ιδέα.

Σωματίδιο είναι μια ‘Κβαντική Διέγερση ενός Πεδίου’. A Particle Is a ‘Quantum Excitation of a Field’

«Τι είναι ένα σωματίδιο για έναν φυσικό; Είναι μια κβαντική διέγερση ενός πεδίου. Γράφουμε την φυσική σωματιδίων σε μια μαθηματική γλώσσα που ονομάζεται κβαντική θεωρία πεδίου. Δεδομένου ότι υπάρχουν πολλά διαφορετικά πεδία, με κάθε πεδίο να έχει διαφορετικές ιδιότητες και διαφορετικές διεγέρσεις ανάλογα με τις ιδιότητες, αυτές τις διεγέρσεις μπορούμε να τις θεωρήσουμε ως σωματίδια.» —Helen Quinn. “What is a particle from a physicist’s point of view? It’s a quantum excitation of a field. We write particle physics in a math called quantum field theory. In that, there are a bunch of different fields; each field has different properties and excitations, and they are different depending on the properties, and those excitations we can think of as a particle.” —Helen Quinn. Visualization of a quantum field theory calculation showing virtual particles in the quantum vacuum. Even in empty space, this vacuum energy is non-zero, but without specific boundary conditions, individual particle properties will not be constrained. DEREK LEINWEBER

Στη δεκαετία του 1930 η εικόνα έγινε ακόμη πιο παράξενη. Οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι οι κυματοσυναρτήσεις πολλών μεμονωμένων φωτονίων συμπεριφέρονται συλλογικά σαν ένα μόνο κύμα που διαδίδεται μέσω σύμφωνων ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων – ακριβώς όπως η κλασική εικόνα του φωτός που ανακαλύφθηκε τον 19ο αιώνα από τον James Clerk Maxwell. Αυτοί οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι θα μπορούσαν να «κβαντώσουν» την κλασική θεωρία πεδίων, περιορίζοντας τα πεδία, ώστε να μπορούν να ταλαντώνονται μόνο σε διακριτές ποσότητες γνωστές ως «κβάντα» των πεδίων. Εκτός από τα φωτόνια – τα κβάντα του φωτός – ο Paul Dirac και άλλοι ανακάλυψαν ότι η ιδέα θα μπορούσε να επεκταθεί σε ηλεκτρόνια και σε οτιδήποτε άλλο: Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου, τα σωματίδια είναι διεγέρσεις των κβαντικών πεδίων που γεμίζουν όλο το χώρο.

Trajectories of a particle in a box (also called an infinite square well) in classical mechanics (A) and quantum mechanics (B-F). In (A), the particle moves at constant velocity, bouncing back and forth. In (B-F), wavefunction solutions to the Time-Dependent Schrodinger Equation are shown for the same geometry and potential. The horizontal axis is position, the vertical axis is the real part (blue) or imaginary part (red) of the wavefunction. (B,C,D) are stationary states (energy eigenstates), which come from solutions to the Time-Independent Schrodinger Equation. (E,F) are non-stationary states, solutions to the Time-Dependent Schrodinger equation. STEVE BYRNES / SBYRNES321 OF WIKIMEDIA COMMONS

Θεωρώντας την ύπαρξη αυτών των πιο θεμελιωδών πεδίων, η κβαντική θεωρία πεδίου απογύμνωσε την κατάσταση των σωματιδίων, χαρακτηρίζοντάς τα ως απλά μπιτ ενέργειας που θέτουν τα πεδία σε «παφλασμό». Ωστόσο, παρά το οντολογικό φορτίο των πανταχού παρόντων πεδίων, η κβαντική θεωρία πεδίου έγινε η κοινή γλώσσα της σωματιδιακής φυσικής, επειδή επιτρέπει στους ερευνητές να υπολογίζουν με ακρίβεια τι συμβαίνει όταν αλληλεπιδρούν σωματίδια – οι αλληλεπιδράσεις σωματιδίων είναι, σε βασικό επίπεδο, ο τρόπος με τον οποίο ο κόσμος συναρμολογείται.

Helen Quinn proposed the still-hypothetical “axion field” in the 1970s. Nicholas Bock/SLAC National Accelerator Laboratory

Καθώς οι φυσικοί ανακάλυπταν όλο και περισσότερα σωματίδια και τα σχετικά πεδία τους, αναπτύχθηκε μια παράλληλη προοπτική. Οι ιδιότητες αυτών των σωματιδίων και πεδίων φαίνονταν να ακολουθούν αριθμητικά μοτίβα. Επεκτείνοντας αυτά τα μοτίβα, οι φυσικοί μπόρεσαν να προβλέψουν την ύπαρξη περισσότερων σωματιδίων. «Άπαξ και κωδικοποιήσετε τα μοτίβα που παρατηρείτε στα μαθηματικά, τα μαθηματικά διαθέτουν προβλεπτικότητα. Σου λένε περισσότερα πράγματα από αυτά που μπορείς να παρατηρήσεις, επισημαίνει η Helen Quinn, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.

An illustration of the empty space of the Universe as consisting of quantum foam, where quantum fluctuations are large, varied, and important on the smallest of scales. The quantum fields that are an intrinsic part of nature are well-defined, but do not conform to our intuitive notions of how particles or waves should behave. NASA/CXC/M.WEISS

Τα μοτίβα υποδεικνύουν επίσης μια πιο αφηρημένη και ενδεχομένως βαθύτερη οπτική για το τι είναι στ’ αλήθεια τα σωματίδια.

Ένα σωματίδιο είναι μια «μη-αναγώγιμη αναπαράσταση ομάδας». A Particle Is an ‘Irreducible Representation of a Group’

«Τα σωματίδια περιγράφονται στο ελάχιστο από μη αναγώγιμες αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré.» — Sheldon Glashow. “Particles are at a very minimum described by irreducible representations of the Poincaré group.” — Sheldon Glashow.

«Τα σωματίδια περιγράφονται στο ελάχιστο από μη αναγώγιμες αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré.» — Sheldon Glashow. “Particles are at a very minimum described by irreducible representations of the Poincaré group.” — Sheldon Glashow.

Ο Mark Van Raamsdonk θυμάται το ξεκίνημα του πρώτου μαθήματος της κβαντικής θεωρίας πεδίου, ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Ο καθηγητής μπήκε στην αίθουσα, κοίταξε τους μαθητές και ρώτησε: «Τι είναι ένα σωματίδιο;»

«Μια μη αναγωγίσιμη αναπαράσταση της ομάδας Poincaré», απάντησε ένας διαβασμένος συμφοιτητής.

Λαμβάνοντας τον προφανώς σωστό ορισμό ως γενική γνώση, ο καθηγητής παρέλειψε οποιαδήποτε εξήγηση και άρχισε μια ακατανόητη σειρά διαλέξεων. «Όλο αυτό το εξάμηνο δεν έμαθα τίποτα από το μάθημα», δήλωσε ο Van Raamsdonk, ο οποίος είναι πλέον ένας αναγνωρισμένος θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Βανκούβερ.

Είναι μια βαθύτερη συνηθισμένη απάντηση των ανθρώπων που γνωρίζουν: Τα σωματίδια είναι «αναπαραστάσεις» των «ομάδων συμμετρίας», οι οποίες είναι σύνολα μετασχηματισμών που μπορούν να εφαρμοστούν σε αντικείμενα.

Samuel Velasco/Quanta Magazine

Πάρτε, για παράδειγμα, ένα ισόπλευρο τρίγωνο. Περιστρέφοντάς το κατά 120 ή 240 μοίρες, ή ανακλώντας ως προς την ευθεία που διέρχεται από κάποιο ύψος του, ή μη κάνοντας τίποτα, όλα αφήνουν το τρίγωνο αναλλοίωτο να φαίνεται όπως ήταν πριν. Αυτές οι έξι συμμετρίες σχηματίζουν μια ομάδα. Η ομάδα μπορεί να εκφραστεί ως ένα σύνολο μαθηματικών πινάκων – διατάξεις αριθμών που, όταν πολλαπλασιαστούν με τις συντεταγμένες ισόπλευρου τριγώνου, δίνουν τις ίδιες συντεταγμένες. Ένα τέτοιο σύνολο πινάκων είναι μια «αναπαράσταση» της ομάδας συμμετρίας.

Με παρόμοιο τρόπο, τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια και άλλα στοιχειώδη σωματίδια είναι αντικείμενα που ουσιαστικά παραμένουν τα ίδια όταν δρα σ’ αυτά μια συγκεκριμένη ομάδα. Δηλαδή, τα σωματίδια είναι αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré: η ομάδα των 10 (μετασχηματισμών) τρόπων μετακίνησης στο χωροχρονικό συνεχές. Τα αντικείμενα μπορούν να μετακινηθούν σε τρεις χωρικές κατευθύνσεις ή να μετατοπιστούν χρονικά. Μπορούν επίσης να περιστραφούν σε τρεις κατευθύνσεις ή να αποκτήσουν ορμή σε οποιαδήποτε από αυτές τις κατευθύνσεις. Το 1939, ο φυσικο-μαθηματικός Eugene Wigner όρισε τα σωματίδια ως τα απλούστερα δυνατά αντικείμενα που μπορούν να μετατοπιστούν, να περιστραφούν και να ωθηθούν.

Για να μετασχηματιστεί σωστά ένα αντικείμενο κάτω από αυτούς τους 10 μετασχηματισμούς Poincaré, συνειδητοποίησε ότι πρέπει να έχει ένα ορισμένο ελάχιστο σύνολο ιδιοτήτων και τα σωματίδια να έχουν αυτές τις ιδιότητες. H μια είναι η ενέργεια. Κατά βάθος, η ενέργεια είναι απλά η ιδιότητα που παραμένει ίδια όταν το αντικείμενο μετατοπίζεται χρονικά. Η ορμή είναι η ιδιότητα που παραμένει ίδια όταν το αντικείμενο μετατοπίζεται στον χώρο.

Spin and magnetism: Close-up of a 6-atom structure with rotating spins. The blue atoms have spins pointing up; the red atoms have spins pointing down. The two directions will respond differently in an applied magnetic field. Credit: Sean Kelley/NIST

Μια τρίτη ιδιότητα απαιτείται για τον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο τα σωματίδια αλλάζουν κάτω από τον συνδυασμό μετασχηματισμών χωρικών περιστροφών και μετατοπίσεων (που, μαζί, είναι περιστροφές στο χωροχρόνο). Αυτή η ιδιότητα-κλειδί είναι το «σπιν». Την εποχή της εργασίας του Wigner, οι φυσικοί γνώριζαν ήδη ότι τα σωματίδια έχουν σπιν, ένα είδος εσωτερικής στροφορμής που καθορίζει πολλές πτυχές της συμπεριφοράς των σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένου του εάν συμπεριφέρονται ως ύλη (όπως τα ηλεκτρόνια) ή ως φορείς αλληλεπιδράσεων (όπως τα φωτόνια). Ο Wigner έδειξε ότι, κατά βάθος, «το σπιν είναι απλώς μια ετικέτα που έχουν τα σωματίδια επειδή στον κόσμο υπάρχουν περιστροφές», δήλωσε ο Nima Arkani-Hamed, φυσικός σωματιδίων στο Princeton.

Διαφορετικές αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré είναι σωματίδια με διαφορετικό αριθμό ετικετών σπιν ή βαθμούς ελευθερίας που επηρεάζονται από περιστροφές. Υπάρχουν, για παράδειγμα, σωματίδια με σπιν τριών βαθμών ελευθερίας. Αυτά τα σωματίδια περιστρέφονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα οικεία μας τρισδιάστατα αντικείμενα. Όλα τα σωματίδια της ύλης, εν τω μεταξύ, έχουν σπιν με δύο βαθμούς ελευθερίας, που ονομάζονται «σπιν πάνω» και «σπιν κάτω», τα οποία περιστρέφονται διαφορετικά. Εάν περιστρέψετε ένα ηλεκτρόνιο κατά 360 μοίρες, η κατάστασή του θα αντιστραφεί, ακριβώς όπως ένα βέλος, όταν μετακινείται πάνω σε μια δισδιάστατη ταινία Möbius και επιστρέφει στην αρχική θέση δείχνοντας προς την αντίθετη φορά:

Samuel Velasco/Quanta Magazine

Στη φύση εμφανίζονται επίσης στοιχειώδη σωματίδια με μία και πέντε ετικέτες σπιν. Φαίνεται να λείπει μόνο μια αναπαράσταση της ομάδας Poincaré με τέσσερις ετικέτες σπιν.

Sheldon Glashow lectured at CERN in December 1979, two weeks after he was awarded the Nobel Prize in Physics. CERN

”Η αντιστοιχία μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων και των αναπαραστάσεων είναι τόσο ξεκάθαρη που ορισμένοι φυσικοί – όπως ο καθηγητής του Van Raamsdonk – τα εξισώνουν με αυτές. Άλλοι το βλέπουν ως ενοποίηση. «Η αναπαράσταση δεν είναι το σωματίδιο. Η αναπαράσταση είναι ένας τρόπος περιγραφής ορισμένων ιδιοτήτων του σωματιδίου», δήλωσε ο Sheldon Glashow, ένας βραβευμένος με Νόμπελ θεωρητικός στοιχειωδών σωματιδίων. «Ας μην συγχέουμε αυτά τα δύο.»

«Τα σωματίδια έχουν πολλές εσωτερικές καταστάσεις». ‘Particles Have So Many Layers’ —Xiao-Gang Wen

Particles and interaction bosons of the standard model. Credit: Particle Data Group

Είτε υπάρχει διάκριση είτε όχι, η σχέση μεταξύ σωματιδιακής φυσικής και θεωρίας ομάδων έγινε τόσο πιο πλούσια όσο και πιο περίπλοκη κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα. Οι ανακαλύψεις έδειξαν ότι τα στοιχειώδη σωματίδια δεν έχουν μόνο το ελάχιστο σύνολο ετικετών που απαιτούνται για την πλοήγηση στο χωροχρόνο. Έχουν επιπλέον και κάποιες περιττές ετικέτες.

Σωματίδια με την ίδια ενέργεια, ορμή και σπιν συμπεριφέρονται πανομοιότυπα κάτω από τους 10 μετασχηματισμούς Poincaré, αλλά μπορεί να διαφέρουν με άλλους τρόπους. Για παράδειγμα, μπορούν να φέρουν διαφορετικές ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου. Καθώς «ολόκληρος ο ζωολογικός κήπος σωματιδίων» (όπως το έθεσε ο Quinn) ανακαλύφθηκε στα μέσα του 20ου αιώνα, αποκαλύφθηκαν πρόσθετες διακρίσεις μεταξύ των σωματιδίων, απαιτώντας νέες ετικέτες που ονομάστηκαν «χρώμα» και «γεύση».

Ακριβώς όπως τα σωματίδια είναι αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré, οι θεωρητικοί συνειδητοποίησαν ότι οι επιπλέον ιδιότητές τους αντικατοπτρίζουν πρόσθετους τρόπους με τους οποίους αυτά μπορούν να μετασχηματιστούν. Αλλά αντί να μετακινούν αντικείμενα στο χωροχρόνο, αυτοί οι νέοι μετασχηματισμοί είναι πιο αφηρημένοι. Λέμε, λόγω έλλειψης καλύτερης λέξης, ότι αλλάζουν τις «εσωτερικές» καταστάσεις των σωματιδίων.

The Standard Model of Particle Physics by Quanta Magazine

Πάρτε την ιδιότητα που είναι γνωστή ως χρώμα: Στη δεκαετία του 1960, οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι τα κουάρκ, τα στοιχειώδη συστατικά των ατομικών πυρήνων, υπάρχουν σε έναν τυχαίο συνδυασμό τριών πιθανών καταστάσεων, τις οποίες ονόμαζαν «κόκκινο», «πράσινο» και «μπλε». Αυτές οι καταστάσεις δεν έχουν καμία σχέση με το πραγματικό χρώμα ή οποιαδήποτε άλλη ιδιότητα που μπορούμε να αντιληφθούμε. Είναι ο αριθμός των ετικετών που έχει σημασία: Τα κουάρκ, με τις τρεις ετικέτες τους, είναι αναπαραστάσεις μιας ομάδας μετασχηματισμών που ονομάζεται SU(3) που αποτελείται από το άπειρο πλήθος τρόπων μαθηματικής μίξης των τριών ετικετών.

Ενώ τα σωματίδια με χρώμα είναι αναπαραστάσεις της ομάδας συμμετρίας SU(3), τα σωματίδια με τις εσωτερικές ιδιότητες της γεύσης και του ηλεκτρικού φορτίου είναι αναπαραστάσεις των ομάδων συμμετρίας SU(2) και U(1), αντίστοιχα. Έτσι, το καθιερωμένο πρότυπο της φυσικής σωματιδίων – η κβαντική θεωρία πεδίου όλων των γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων και οι αλληλεπιδράσεις τους – λέμε συχνά ότι αντιπροσωπεύει την ομάδα συμμετρίας SU(3)×SU(2)×U(1), που συνίσταται από όλους τους συνδυασμούς των πράξεων συμμετρίας στις τρεις υποομάδες. (Ότι τα σωματίδια μετασχηματίζονται επίσης και από την ομάδα Poincaré είναι προφανώς πολύ προφανές για να αναφερθεί.)

Dimitri Nanopoulos 

Το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων βασιλεύει μισό αιώνα μετά την εμφάνισή του. Ωστόσο, είναι μια ατελής περιγραφή του σύμπαντος. Κυρίως, του «διαφεύγει» η δύναμη της βαρύτητας, την οποία η κβαντική θεωρία πεδίου δεν μπορεί να χειριστεί πλήρως. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein περιγράφει ανεξάρτητα την βαρύτητα ως καμπύλωση του χωροχρόνου. Επιπλέον, η δομή των τριών τμημάτων του Καθιερωμένου Προτύπου SU(3)×SU(2)×U(1) εγείρει ερωτήματα. Δηλαδή: «Από πού στο διάολο προήλθαν όλα αυτά;» όπως το έθεσε ο Δημήτρης Νανόπουλος. «Εντάξει, ας υποθέσουμε ότι λειτουργεί», συνέχισε ο Νανόπουλος, ο οποίος είχε συνεισφέρει σημαντικά στις πρώτες μέρες του Καθιερωμένου Προτύπου. «Αλλά τι είναι αυτό το πράγμα; Δεν μπορεί να είναι τρεις ομάδες εκεί. Θέλω να πω, ο «Θεός» είναι καλύτερος από αυτό – ο Θεός σε εισαγωγικά.»

Τα σωματίδια «μπορεί να είναι ταλαντούμενες χορδές». Particles ‘Might Be Vibrating Strings’

Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine; chart data source: Snowmass 2013

Στη δεκαετία του 1970, οι Glashow, Nανόπουλος και άλλοι προσπάθησαν να προσαρμόσουν τις ομάδες SU(3), SU(2) και U(1) μέσα σε μια μεγαλύτερη ομάδα μετασχηματισμών, με την υπόθεση ότι τα σωματίδια ήταν αναπαραστάσεις μιας ενιαίας ομάδας συμμετρίας στην αρχή του σύμπαντος. (Καθώς στη συνέχεια έσπασαν οι συμμετρίες, χάθηκε η ενοποιημένη απλότητα). Ο πιο φυσικός υποψήφιος για μια τέτοια «μεγάλη ενοποιημένη θεωρία» ήταν μια ομάδα συμμετρίας που ονομάζεται SU(5), αλλά τα πειράματα απέκλεισαν σύντομα αυτήν την επιλογή. Άλλες, λιγότερο ελκυστικές δυνατότητες παραμένουν στο παιχνίδι.

“What we think of as elementary particles, instead they might be vibrating strings.” —Mary Gaillard.  

Οι ερευνητές επένδυσαν ακόμη μεγαλύτερες ελπίδες στη θεωρία χορδών: την ιδέα ότι αν μεγεθύνατε αρκετά σε σωματίδια, δεν θα βλέπετε σημεία αλλά μονοδιάστατες χορδές. Θα δείτε επίσης έξι επιπλέον χωρικές διαστάσεις, οι οποίες σύμφωνα με την θεωρία χορδών είναι κουλουριασμένες σε κάθε σημείο του οικείου μας τετραδιάστατου χωροχρόνου. Η γεωμετρία των μικρών διαστάσεων καθορίζει τις ιδιότητες των χορδών και επομένως τον μακροσκοπικό κόσμο. Οι «εσωτερικές» συμμετρίες σωματιδίων, όπως οι μετασχηματισμοί SU(3) που μετασχηματίζουν το χρώμα των κουάρκ, αποκτούν φυσική σημασία: Αυτοί οι μετασχηματισμοί αντιστοιχούν, στην εικόνα των χορδών, σε περιστροφές στις μικρές χωρικές διαστάσεις, ακριβώς όπως το σπιν εκφράζει περιστροφές στις μεγάλες διαστάσεις. «Η γεωμετρία σου δίνει συμμετρία η οποία σου δίνει σωματίδια, και όλα αυτά συμβαδίζουν», λέει ο Νανόπουλος.

Ωστόσο, εάν υπάρχουν χορδές ή επιπλέον διαστάσεις, είναι πολύ μικρές για να εντοπιστούν πειραματικά. Έτσι, εξαιτίας της βέβαιης απουσίας τους από τα πειράματα, αναπτύχθηκαν άλλες ιδέες. Στην τελευταία δεκαετία, δύο προσεγγίσεις έχουν προσελκύσει τα λαμπρότερα μυαλά στη σύγχρονη θεμελιώδη φυσική. Και οι δύο προσεγγίσεις ανανεώνουν ξανά την εικόνα των σωματιδίων.

Ένα σωματίδιο είναι μια «παραμόρφωση του ωκεανού κβαντοδυφίων (qubits)». A Particle Is a ‘Deformation of the Qubit Ocean’

«Κάθε σωματίδιο είναι ένα κβαντικό κύμα. Το κύμα είναι μια παραμόρφωση του ωκεανού κβαντοδυφίων.» —Xiao-Gang Wen. “Every particle is a quantized wave. The wave is a deformation of the qubit ocean.” —Xiao-Gang Wen. In toy “holographic” universes (if not the real universe), the fabric of space and time emerges from a network of quantum particles. Physicists have discovered that this works according to a principle called quantum error correction. DVDP for Quanta Magazine

Η πρώτη από αυτές τις ερευνητικές προσπάθειες ξεκινάει από το σύνθημα «it-from-qubit (είναι από κβαντοδυφία)», το οποίο εκφράζει την υπόθεση ότι τα πάντα στο σύμπαν – όλα τα σωματίδια, καθώς και ο χωροχρονικός ιστός που αυτά τα σωματίδια είναι διασπαρμένα σαν βατόμουρα σε ένα σταφιδόψωμο – οφείλονται στα κβαντικά bit πληροφοριών, ή κβαντοδυφία (qubits).

Τι είναι το κβαντοδυφίο (qubit);

Έτσι ονομάζεται η βασική μονάδα μνήμης των κβαντικών υπολογιστών. Στους γνωστούς κλασικούς υπολογιστές η βασική μονάδα πληροφορίας εγγραφής και επεξεργασίας της πληροφορίας στο δυαδικό σύστημα, με τα γνωστά ψηφία 0 και 1, χρησιμοποιείται ο όρος δυφίο (bit=binary digit). Το bit,  στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας, αποθηκεύεται σε κάποιο κλασικό φυσικό σύστημα που μπορεί να βρίσκεται σε δυο καταστάσεις όπως: οι δυο κατευθύνσεις μαγνήτισης, οι δυο θέσεις ενός διακόπτη, δυο τάσεις ηλεκτρικού ρεύματος κ.λπ.
Στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα εγγραφής δεν είναι ένα κλασικό σύστημα αλλά κβαντικό. Για παράδειγμα ένα άτομο υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση, όπου το μηδέν αντιπροσωπεύεται από την ηλεκτρονιακή κατάσταση με σπιν πάνω και το ένα από την κατάσταση με σπιν κάτω. Συμβολίζουμε την κατάσταση με σπιν πάνω με |0> και την κατάσταση με σπιν κάτω με |1˃. Εφόσον το άτομο είναι ένα κβαντικό σύστημα, εκτός από τις δυο καταστάσεις |0> και |1>, θα είναι επίσης μια πραγματοποιήσιμη κατάσταση και κάθε γραμμικός συνδυασμός της μορφής |ψ> = α |0> + β |1>. όπου α²+ β²=1. Και εδώ βρίσκεται η πηγή της θεμελιώδους διαφοράς μεταξύ ενός κλασικού και ενός κβαντικού υπολογιστή. Ότι στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα μνήμης μπορεί να βρίσκεται όχι μόνο στις καταστάσεις 0 και 1 αλλά και σε κάθε δυνατή επαλληλία (υπέρθεση) τους. Γι αυτό, στην περίπτωση των κβαντικών υπολογιστών μιλάμε για κβαντοδυφία (qubit=quantum bit).

Τα qubits μπορούν να αποθηκευτούν σε φυσικά συστήματα όπως τα bits μπορούν να αποθηκευτούν σε τρανζίστορ, αλλά μπορείτε να τα θεωρείτε πιο αφηρημένα, σαν την ίδια την πληροφορία.

Όταν υπάρχουν πολλά qubits, οι πιθανές καταστάσεις τους μπορούν να συμπλεχθούν, έτσι ώστε η κατάσταση του καθενός να εξαρτάται από τις καταστάσεις όλων των άλλων. Διαμέσου αυτών των ενδεχομένων ένας μικρός αριθμός συν-πλεγμένων qubits μπορεί να κωδικοποιήσει μια τεράστια ποσότητα πληροφοριών.

Στην έννοια it-from-qubit του σύμπαντος, εάν θέλετε να καταλάβετε τι είναι τα σωματίδια, πρέπει πρώτα να καταλάβετε τον χωροχρόνο. Το 2010, ο Van Raamsdonk, μέλος του στρατοπέδου it-from-qubit, έγραψε μια σημαντική εργασία, παρουσιάζοντας με τόλμη τι έδειχναν διάφοροι υπολογισμοί. Υποστήριξε ότι τα συν-πλεγμένα qubits μπορεί να ράβουν το ύφασμα χωροχρόνου.

The idea of a self-excited circuit was first presented by Wheeler; as an observer views the Universe, it causes reality to self-create in a certain sense. This was an incredible implication of the 'It from Bit' idea. CHRISTOPHER LANGAN

Οι υπολογισμοί, τα νοητικά πειράματα και τα παραδείγματα απλών προσομοιώσεων των τελευταίων δεκαετιών δείχνουν ότι ο χωροχρόνος έχει «ολογραφικές» ιδιότητες: Είναι δυνατόν να κωδικοποιηθούν όλες οι πληροφορίες σχετικά με μια περιοχή χωροχρόνου σε βαθμούς ελευθερίας σε ένα χώρο με μία διάσταση λιγότερη – συχνά στην επιφάνεια της περιοχής. «Τα τελευταία 10 χρόνια, μάθαμε πολλά περισσότερα για το πώς λειτουργεί αυτή η κωδικοποίηση», υποστηρίζει ο Van Raamsdonk.

Το πιο εντυπωσιακό και συναρπαστικό για τους φυσικούς σχετικά με αυτήν την ολογραφική σχέση είναι ότι ο χωροχρόνος είναι καμπυλωμένος επειδή περιλαμβάνει τη βαρύτητα. Όμως, το σύστημα των λιγότερων διαστάσεων, που κωδικοποιεί τις πληροφορίες του καμπύλου χωροχρόνου, είναι ένα καθαρά κβαντικό σύστημα που δεν έχει καμία αίσθηση καμπυλότητας, βαρύτητας ή ακόμη και γεωμετρίας. Μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύστημα συν-μπλεγμένων qubits (κβαντοδυφίων).

Σύμφωνα με την υπόθεση it-from-qubit, οι ιδιότητες του χωροχρόνου προέρχονται ουσιαστικά από τον τρόπο με τον οποίο τα 0 και 1 εμπλέκονται μεταξύ τους. Η μακροχρόνια αναζήτηση για μια κβαντική περιγραφή της βαρύτητας γίνεται ζήτημα αναγνώρισης του μοτίβου σύμπλεξης των qubits που κωδικοποιούν το συγκεκριμένο είδος της χωροχρονικής δομής που συναντάμε στο πραγματικό σύμπαν.

Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές γνωρίζουν πολύ περισσότερα για το πώς αυτό λειτουργεί σε απλοποιημένες προσομοιώσεις συμπάντων με αρνητικό καμπύλο χωροχρόνο, σαν σέλα – κυρίως επειδή είναι σχετικά εύκολη η μαθηματική επεξεργασία. Το σύμπαν μας, αντίθετα, έχει θετική καμπυλότητα. Αλλά, οι ερευνητές έχουν βρει, προς μεγάλη έκπληξή τους, ότι ανά πάσα στιγμή ο αρνητικός καμπύλος χωροχρόνος φαίνεται σαν ένα ολόγραμμα όπου εμφανίζονται σωματίδια. Δηλαδή, κάθε φορά που ένα σύστημα qubits κωδικοποιεί ολογραφικά μια περιοχή χωροχρόνου, υπάρχουν πάντα δομές συμπλεκομένων qubits που αντιστοιχούν σε τοπικά bits ενέργειας που επιπλέουν σε έναν υψηλότερων διαστάσεων κόσμο.

Κυρίως, οι αλγεβρικές πράξεις στα qubits, όταν μεταφράζονται σε όρους χωροχρόνου, «συμπεριφέρονται όπως οι περιστροφές που δρουν στα σωματίδια», δήλωσε ο Van Raamsdonk. «Συνειδητοποιείς ότι υπάρχει αυτή η εικόνα που κωδικοποιείται από αυτό το μη βαρυτικό κβαντικό σύστημα. Και κατά κάποιο τρόπο αυτός ο κώδικας, αν μπορείτε να τον αποκωδικοποιήσετε, σας λέει ότι υπάρχουν σωματίδια σε κάποιον άλλο χώρο.

Το γεγονός ότι ο ολογραφικός χωροχρόνος έχει πάντα αυτές τις καταστάσεις σωματιδίων είναι «στην πραγματικότητα ένα από τα πιο σημαντικά πράγματα που ξεχωρίζει αυτά τα ολογραφικά συστήματα από άλλα κβαντικά συστήματα». «Νομίζω ότι κανείς δεν καταλαβαίνει πραγματικά τον λόγο για τον οποίο τα ολογραφικά μοντέλα έχουν αυτήν την ιδιότητα.»

Netta Engelhardt, a professor at the Massachusetts Institute of Technology, has developed ways to measure the entropy inside black hole interiors. Darren Pellegrino

Είναι δελεαστικό να απεικονίζετε τα qubits με κάποιο είδος χωρικής διάταξης που δημιουργεί το ολογραφικό σύμπαν, ακριβώς όπως τα οικεία ολογράμματα που προέρχονται από χωρικές δομές. Αλλά στην πραγματικότητα, οι σχέσεις και οι αλληλεξαρτήσεις των qubits θα μπορούσαν να είναι πολύ πιο αφηρημένες, χωρίς καμία πραγματική φυσική ρύθμιση. «Δεν χρειάζεται να μιλάτε για αυτά τα 0 και 1 που ζουν σε έναν συγκεκριμένο χώρο», δήλωσε η Netta Engelhardt, φυσικός στο MIT, που κέρδισε πρόσφατα το βραβείο New Horizons στη Φυσική για τον υπολογισμό του κβαντικού περιεχομένου πληροφοριών των μαύρων οπών. «Μπορείτε να μιλήσετε για την αφηρημένη ύπαρξη των 0 και 1, και το πώς ένας τελεστής μπορεί να δράσει στα 0 και 1, και αυτές είναι πολύ πιο αφηρημένες μαθηματικές σχέσεις.»

Υπάρχουν σαφώς περισσότερα να καταλάβουμε. Αλλά αν η εικόνα «it-from-qubit (είναι από κβαντοδυφία)» είναι σωστή, τότε τα σωματίδια είναι ολογράμματα, όπως και ο χωροχρόνος. Ο πιο ακριβής ορισμός τους είναι σε όρους qubits (κβαντοδυσίων).

«Τα σωματίδια είναι αυτό που μετράμε στους ανιχνευτές». ‘Particles Are What We Measure in Detectors’

“Particles are what we measure in detectors. … We start slipping into the language of saying that it’s the quantum fields that are real, and particles are excitations. We talk about virtual particles, all this stuff — but it doesn’t go click, click, click in anyone’s detector.” —Nima Arkani-Hamed. Nima Arkani-Hamed investigates the relationship between particle behavior and geometric objects. Béatrice de Géa for Quanta Magazine

Ένα άλλο στρατόπεδο ερευνητών που αυτοαποκαλούνται “amplitudeologists (πλατολόγοι;; )” επιδιώκει να στρέψει τους προβολείς στα ίδια τα σωματίδια.

Αυτοί οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η κβαντική θεωρία πεδίου, η τρέχουσα γλώσσα της σωματιδιακής φυσικής, «μας μιλάει πολύ περίπλοκα». Οι φυσικοί χρησιμοποιούν την κβαντική θεωρία πεδίου για να υπολογίσουν τους βασικούς τύπους που ονομάζονται πλάτη σκέδασης, που ανήκουν στα βασικότερα υπολογιστικά χαρακτηριστικά της πραγματικότητας. Όταν τα σωματίδια συγκρούονται, τα πλάτη δείχνουν πώς σκεδάζονται ή μορφοποιούνται τα σωματίδια. Οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων φτιάχνουν τον κόσμο, οπότε ο τρόπος με τον οποίο οι φυσικοί ελέγχουν την περιγραφή τους για τον κόσμο, είναι να συγκρίνουν τους τύπους πλάτους σκέδασης με τα αποτελέσματα των συγκρούσεων των σωματιδίων σε επιταχυντές όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων.

Κανονικά, για να υπολογίσουν τα πλάτη, οι φυσικοί υπολογίζουν συστηματικά όλους τους πιθανούς τρόπους, με τους οποίους οι συγκρουόμενοι κυματισμοί ενδέχεται να αντηχούν διαμέσου των κβαντικών πεδίων που διαποτίζουν το σύμπαν, προτού παράξουν τα σταθερά σωματίδια που κινούνται μακριά από το σημείο σύγκρουσης. Περιέργως, οι υπολογισμοί που περιλαμβάνουν εκατοντάδες σελίδες άλγεβρας συχνά αποδίδουν, στο τέλος, έναν τύπο μιας γραμμής.

Οι amplitudeologists (πλατολόγοι) υποστηρίζουν ότι η εικόνα του πεδίου αποκρύβει απλούστερα μαθηματικά πρότυπα. Ο Arkani-Hamed, που ηγείται της της προσπάθειας, χαρακτήρισε τα κβαντικά πεδία «μια βολική φαντασία». «Στη φυσική πολύ συχνά μπαίνουμε σε ένα λάθος δίνοντας σάρκα και οστά σε έναν φορμαλισμό», είπε. «Αρχίζουμε τα ολισθήματα στη γλώσσα λέγοντας ότι τα κβαντικά πεδία είναι πραγματικά, και τα σωματίδια είναι διεγέρσεις. Μιλάμε για εικονικά σωματίδια κι όλα αυτά τα πράγματα – που όμως δεν κάνουν κλικ, κλικ, κλικ στον ανιχνευτή κανενός. »

Οι amplitudeologists (πλατολόγοι) πιστεύουν ότι υπάρχει μια μαθηματικά απλούστερη και πιο αληθινή εικόνα για τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων. Σε ορισμένες περιπτώσεις, διαπιστώνουν ότι η προοπτική της θεωρίας ομάδων του Wigner για τα σωματίδια μπορεί να επεκταθεί ώστε να περιγράψει και τις αλληλεπιδράσεις τους, χωρίς καμία από τις συνηθισμένες ασυναρτησίες των κβαντικών πεδίων.

Ο Lance Dixon, ένας διακεκριμένος πλατολόγος στον επιταχυντή SLAC, εξήγησε ότι οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει τις περιστροφές Poincaré που μελετήθηκαν από τον Wigner για να υπολογίσουν άμεσα το «πλάτος τριών σημείων» – έναν τύπο που περιγράφει ένα σωματίδιο που διασπάται σε δύο σωματίδια. Έχουν δείξει επίσης ότι τα πλάτη τριών σημείων χρησιμεύουν ως δομικά στοιχεία των πλατών τεσσάρων και πλέον σημείων, που περιλαμβάνουν όλο και περισσότερα σωματίδια. Αυτές οι δυναμικές αλληλεπιδράσεις φαίνονται να οικοδομούνται εξ’ αρχής από τις βασικές συμμετρίες.

«Το πιο ωραίο», σύμφωνα με τον Dixon, είναι ότι τα πλάτη σκέδασης που εμπλέκουν τα βαρυτόνια, οι υποτιθέμενοι φορείς της βαρυτικής δύναμης, αποδεικνύεται ότι είναι το τετράγωνο πλάτους που περιλαμβάνει γλοιόνια, τα σωματίδια που συνδέουν μεταξύ τους τα κουάρκ. Η βαρύτητα συνδέεται με το ίδιο το ύφασμα του χωροχρόνου, ενώ τα γλοιόνια κινούνται στο χωροχρόνο. Ωστόσο, τα βαρυτόνια και τα γλοιόνια προέρχονται φαινομενικά από τις ίδιες συμμετρίες. «Αυτό είναι πολύ περίεργο και φυσικά δεν είναι ακόμα κατανοητό με ποσοτική λεπτομέρεια, επειδή οι εικόνες είναι τόσο διαφορετικές», λέει ο Dixon.

Physicists have discovered a jewel-shaped geometric object that challenges the notion that space and time are fundamental constituents of nature. Artist’s rendering of the amplituhedron, a newly discovered mathematical object resembling a multifaceted jewel in higher dimensions. Illustration by Andy Gilmore

Ο Arkani-Hamed και οι συνεργάτες του, εν τω μεταξύ, έχουν βρει εντελώς νέες μαθηματικές «διατάξεις» που φτάνουν απευθείας στην απάντηση, όπως το amplituhedron (πλατύεδρο)  – ένα γεωμετρικό αντικείμενο που κωδικοποιεί πλάτη σκέδασης σωματιδίων στον όγκο του. Διώχνει την εικόνα των σωματιδίων που συγκρούονται στο χωροχρόνο και προκαλούν αλυσιδωτές αντιδράσεις αιτίας και αποτελέσματος. «Προσπαθούμε να βρούμε αυτά τα αντικείμενα εκεί έξω στον πλατωνικό κόσμο των ιδεών, που μας δίνουν τις [αιτιώδεις] ιδιότητες αυτόματα», δήλωσε ο Arkani-Hamed. «Τότε θα μπορούμε να πούμε, Αχα, τώρα μπορώ να δω γιατί αυτή η εικόνα μπορεί να ερμηνευθεί ως εξέλιξη.»

Το «It-from-qubit (Είναι από κβαντοδυφία)» και η amplitudeology (πλατολογία) προσεγγίζουν τα μεγάλα ερωτήματα τόσο διαφορετικά που είναι δύσκολο να πούμε αν αυτές οι δύο εικόνες αλληλοσυμπληρώνονται ή έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους.

Σύμφωνα με την Netta Engelhardt, μια πιο σύνθετη διατύπωση της ερώτησης του τίτλου, «Τι είναι ένα σωματίδιο;» τίθεται ως «Ποια είναι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία του σύμπαντος στις πιο θεμελιώδεις του κλίμακες;»

Και μέχρι να βρεθεί μια πλήρης κβαντική θεωρία της βαρύτητας και του χωροχρόνου, η σύντομη απάντηση είναι: «Δεν γνωρίζουμε».

Πηγές: https://www.quantamagazine.org/what-is-a-particle-20201112/ - https://physicsgg.me/2021/02/05/

 

 

 

Αυτοπροωθούμενα υλικά, που κινούνται χωρίς κινητήρες. Discovering ’self-propelled’ materials that don’t require motors

Ερευνητές στο University of Massachusetts Amherst ανακάλυψαν έναν τρόπο δημιουργίας υλικών που «κλείνουν» απότομα και επανέρχονται στην κανονική τους κατάσταση, βασιζόμενα μόνο στη ροή της ενέργειας από το περιβάλλον τους- μια ανακάλυψη που θα μπορούσε να φανεί εξαιρετικά χρήσιμη σε πολλές βιομηχανίες που θα έβρισκαν χρήσιμη τη βιώσιμη/ «αέναη» κίνηση, από τη ρομποτική μέχρι τα παιχνίδια. Scientists will learn how to make materials that snap and reload, relying only on the flow of energy from the environment. This study could enable future robots that are capable of moving their own energy. Credit: Yongjing Kim, Umas Amherst

O Αλ Κρόσμπι, καθηγητής επιστήμης πολυμερών και μηχανολογίας, και ο Γιονγκτσίν Κιμ, τελειόφοιτος της ομάδας του Κρόσμπι, μαζί με τον Τζέι βαν ντεν Μπεργκ του Delft University of Technology στην Ολλανδία, έκαναν την ανακάλυψη κατά τη διάρκεια ενός κατά τα άλλα απλού πειράματος που περιελάμβανε την παρατήρηση του στεγνώματος μιας λωρίδας τζελ. Οι ερευνητές παρατήρησαν πως όταν η μακριά, ελαστική λωρίδα έχανε το εσωτερικό της υγρό εξαιτίας εξάτμισης, έκανε κίνηση. Οι περισσότερες κινήσεις ήταν αργές, μα κάθε τόσο επιταχύνονταν. Οι ταχύτερες αυτές κινήσεις ήταν απότομες/ ασταθείς επαναφορές που συνέχιζαν να λαμβάνουν χώρα όσο προχωρούσε η εξάτμιση του υγρού. Επιπλέον μελέτες αποκάλυψαν πως το σχήμα του υλικού είχε σημασία, και ότι οι λωρίδες μπορούσαν να επιστρέφουν στο σχήμα τους για να συνεχίζουν τις κινήσεις τους.

Researchers will learn how to make materials move independently by allowing materials to move without engines and hands. An image of a material that continues its movement at high speed. Credit: Yongjing Kim, Umas Amherst

«Πολλά φυτά και ζώα, ειδικά μικρά, χρησιμοποιούν ειδικά τμήματα που λειτουργούν σαν ελατήρια και σύρτες, για να τα βοηθούν να κινούνται πολύ γρήγορα, πολύ γρηγορότερα από ό,τι ζώα μόνο με μύες» είπε ο Κρόσμπι. «Τα “snap instabilities” είναι ένας τρόπος με τον οποίο η φύση συνδυάζει ένα ελατήριο και έναν σύρτη και χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για να δημιουργούν ταχείες κινήσεις σε μικρά ρομπότ και άλλες συσκευές...ωστόσο οι περισσότερες από αυτές τις συσκευές χρειάζονται μοτέρ ή ανθρώπινο χέρι για να συνεχίζουν να κινούνται. Με αυτή την ανακάλυψη, θα μπορούσαν να υπάρχουν πολλές εφαρμογές που δεν απαιτούν μπαταρίες ή μοτέρ για την κίνηση».

Scientists are discovering how future robots can only move with their own energy. Credit: Yongim Kim, Umas Amherst

Όπως σημείωσε ο Κιμ, αφού διαπιστώθηκε ποια ήταν η φυσική δραστηριότητα που λάμβανε χώρα στις λωρίδες που ξεραίνονταν, η ομάδα πειραματίστηκε με διαφορετικά σχήματα για να βρει αυτά που ήταν πιθανότερο να αντιδράσουν με αναμενόμενους τρόπους, και που θα κινούνταν επανειλημμένα χωρίς μοτέρ ή χέρια να τα επαναφέρουν στην προηγούμενη κατάσταση. Η ομάδα έδειξε ακόμα πως ήταν δυνατή η διεξαγωγή συγκεκριμένων εργασιών, όπως το σκαρφάλωμα σε σκάλες.

«Αυτά τα μαθήματα επιδεικνύουν πώς τα υλικά μπορούν να παράγουν ισχυρή κίνηση αξιοποιώντας αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους, όπως μέσω της εξάτμισης, και είναι σημαντικά για τον σχεδιασμό νέων ρομπότ, ειδικά σε μικρά μεγέθη, όπου είναι δύσκολο να έχεις μοτέρ, μπαταρίες ή άλλες πηγές ενέργειας» είπε ο Κρόσμπι.

Πηγές: Kim Y., van den Berg, J. And Crosby, AJ Standalone Polymer Gels. Nat. Mater. (2021). DOI: 10.1038/s41563-020-00909-w - https://www.world-today-news.com/discoveringself-propelled-materials-that-dont-require-motors-sciencetimes/ - https://www.naftemporiki.gr/story/1687961/autoproothoumena-ulika-pou-kinountai-xoris-kinitires

 

 

Άλλες 17 ημέρες για να φτάσει στον Άρη το Perseverance της NASA. NASA's Perseverance Rover 17 Days From Mars Landing

Το μεγαλύτερο και πιο εξελιγμένο όχημα που έχει αποσταλεί ποτέ στον Άρη (και γενικότερα σε άλλον πλανήτη) αναμένεται να καταφθάσει στον Κόκκινο Πλανήτη μέσα σε διάστημα τριών εβδομάδων και να προσεδαφιστεί στην επιφάνειά του. This illustration depicts the some of the major milestones NASA’s Perseverance rover will go through during its seven-minute descent to the Martian surface on Feb. 18, 2021. Credit: NASA/JPL-Caltech.

To διαστημόπλοιο απέχει από τον Άρη περίπου 33 εκατ. χιλιόμετρα, πλησιάζοντας στο τέλος του ταξιδιού του.

Seven minutes of harrowing descent to the Red Planet is in the not-so-distant future for the agency’s Mars 2020 mission. Credit: NASA/JPL-Caltech/MSSS/Cornell Univ./Arizona State Univ. Music: Epidemic Sound.

Όταν βρεθεί στο άνω μέρος της ατμόσφαιρας του Άρη, θα αρχίσουν τα…αγχωτικά επτά λεπτά της καθόδου, με θερμοκρασίες αντίστοιχες αυτών στην επιφάνεια του Ήλιου, άνοιγμα αλεξιπτώτου σε υπερηχητικές ταχύτητες και την πρώτη αυτόνομη καθοδηγούμενη προσεδάφιση στον Άρη.

This reel depicts key events during entry, descent, and landing that will occur when NASA’s Perseverance rover lands on Mars February 18, 2021. In the span of about seven minutes, the spacecraft slows down from about 12,100 mph (19,500 kph) at the top of the Martian atmosphere to about 2 mph (3 kph) at touchdown in an area called Jezero Crater. Perseverance will seek signs of ancient microbial life on Mars, collect and cache Martian rock and regolith (broken rock and dust), characterize the planet's geology and climate, and pave the way for human exploration of the Red Planet. Credit: NASA/JPL-Caltech

Μετά από τα επτά αυτά λεπτά, το εξάτροχο ρόβερ θα αναλάβει τη διεξαγωγή ερευνών στον Κρατήρα Τζέζερο για ίχνη αρχαίας ζωής και για τη συλλογή δειγμάτων που θα αποσταλούν, μακροπρόθεσμα, πίσω στη Γη.

«Η NASA εξερευνά τον Άρη από τότε που το Mariner 4 πραγματοποίησε πέρασμα τον Ιούλιο του 1965, με άλλα δύο περάσματα, επτά επιτυχείς αποστολές σε τροχιά και οκτώ σκάφη προσεδάφισης έκτοτε» είπε ο Τόμας Ζούρμπουχεν της NASA. «Το Perseverance, που κατασκευάστηκε από τη συλλογική γνώση που αποκομίστηκε από τέτοιους πρωτοπόρους, έχει την ευκαιρία όχι μόνο να επεκτείνει τις γνώσεις μας για τον Κόκκινο Πλανήτη, μα να διερευνήσει ένα από τα πιο σημαντικά και συναρπαστικά ερωτήματα της ανθρωπότητας σχετικά με την προέλευση της ζωής τόσο στη Γη όσο και σε άλλους πλανήτες».

In this illustration, NASA’s Perseverance rover explores Mars’ Jezero Crater. The 28-mile-wide (45-kilometers-wide) crater is the location of an ancient lake. Image credit: NASA/JPL-Caltech

Ο Κρατήρας Τζέζερο αποτελεί ιδανικό σημείο για έρευνες σχετικά με ίχνη αρχαίας μικροβιακής ζωής. Δισεκατoμμύρια χρόνια πριν, η συγκεκριμένη – κατάξερη σήμερα- λεκάνη, πλάτους 45 χλμ, φιλοξενούσε ένα δέλτα ποταμού και μια λίμνη γεμάτη νερό. Οι βράχοι και ο ρεγόλιθος που θα συλλεγούν από τον Τζέζερο θα βοηθήσουν να απαντηθούν σημαντικά ερωτήματα για τον ενδεχόμενο ύπαρξης ζωής πέρα από τη Γη. Δύο μελλοντικές αποστολές είναι ήδη στα σκαριά από τη NASA για την επιστροφή των δειγμάτων στη Γη.

Πηγές: https://mars.nasa.gov/news/8843/nasas-perseverance-rover-22-days-from-mars-landing/ - https://www.naftemporiki.gr/story/1686648/treis-ebdomades-apo-ton-ari-toperseverancetisnasa

 

 

 

Αναζήτηση εξωγήινης νοημοσύνης σύμφωνα με την θεωρία παιγνίων. Using game-theory to look for extraterrestrial intelligence

Ο αστρονόμος Eamonn Kerins εισάγει την έννοια της «Αμοιβαίας Ανιχνευσιμότητας» εμπνευσμένος από μια στρατηγική της θεωρίας παιγνίων και στοχεύει στην αύξηση της πιθανότητας ανίχνευσης εξωγήινων πολιτισμών. Astronomer Eamonn Kerins with the University of Manchester has developed an approach to looking for intelligent extraterrestrial beings on other planets that involves using game theory. Credit: Unsplash/CC0 Public Domain

Ο Eamonn Kerins από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, στην δημοσίευσή του με τίτλο «Mutual detectability: a targeted SETI strategy that avoids the SETI Paradox», προτείνει μια μέθοδο αναζήτησης εξωγήινων πολιτισμών που βασίζεται (και) στην θεωρία παιγνίων.

Η εν λόγω εργασία αναπτύσσει δυο προσεγγίσεις όσον αφορά την αναζήτηση ευφυούς ζωής σε άλλα πλανητικά συστήματα. Η μία σχετίζεται με την αναζήτηση σημάτων στο διάστημα από πιθανούς εξωγήινους πολιτισμούς (Searches for Extraterrestrial Intelligence=SETI). Η άλλη περιλαμβάνει την σάρωση του ουρανού για την ανακάλυψη κατοικήσιμων εξωπλανητών (όπου είναι πιθανή ύπαρξη ευφυούς ζωής) με σκοπό την αποστολή μηνυμάτων προς αυτούς που θα αποκαλύπτει την ύπαρξή μας και την επιθυμία μας για επικοινωνία (Messaging Extraterrestrial Intelligence=METI).

Ο Kerins προτείνει ότι ένας τρόπος για να συγχωνεύσουμε τις δύο προσεγγίσεις με σκοπό την αποτελεσματικότερη αναζήτηση εξωγήινης νοημοσύνης είναι να χρησιμοποιήσουμε μια λογική παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται στη θεωρία παιγνίων.

The giant Lovell Telescope at Jodrell Bank Observatory is a part of the Breakthrough Listen project, a huge ongoing SETI survey. (Photo: Eamonn Kerins).

Ο Kerins ξεκινά σημειώνοντας ο λόγος που οι επιστήμονες στη Γη δεν έχουν ανακαλύψει σήματα από εξωγήινους, είναι πιθανόν να οφείλεται στο ότι δεν στέλνουν κανένα σήμα! Ίσως φοβούνται ότι κάτι τέτοιο θα μπορούσε να τραβήξει την προσοχή μη φιλικών και επικίνδυνων πολιτισμών. Επιπλέον, υποστηρίζει ότι εάν υπάρχουν κι άλλοι εκεί έξω, μπορεί να προσπαθούν να «ακούσουν», όπως κάνουμε ακριβώς και εμείς. Αυτό οδηγεί στο παράδοξο SETI, όπου όλοι προσπαθούν να ακούσουν, αλλά κανείς δεν στέλνει μηνύματα.

Πώς θα μπορούσε να επιλυθεί ένα τέτοιο παράδοξο; Η θεωρία παιγνίων υποδεικνύει ότι και οι δυο πλευρές πρέπει να συμφωνούν, πως η πλευρά με την μεγαλύτερη πρόσβαση σε πληροφορίες θα πρέπει να είναι αυτή που θα μεταδώσει πρώτη σήματα επικοινωνίας προς την άλλη.

Ο Kerins προτείνει επίσης ότι και τα δύο μέρη σε μια τέτοια κατάσταση προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν αυτό που περιγράφει ως «κοινό παρονομαστή πληροφοριών» για να αποφασίσουν εάν θα στείλουν ένα στοχευμένο σήμα. Τέτοιες πληροφορίες, σημειώνει, πρέπει να είναι σε μορφή που κάθε πλευρά μπορεί να αναγνωρίσει.

Μια τέτοια πληροφορία θα ξεκινά με κάτι πολύ βασικό, όπως η ισχύς του σήματος διέλευσης (το ποσοστό της λαμπρότητας του άστρου που αποκρύβεται όταν ένας πλανήτης διέρχεται μπροστά από το άστρο του). Ένα τέτοιο σήμα είναι εύκολο να ανιχνευθεί και είναι επίσης ανεξάρτητο από τις πιθανές μορφές ζωής που μπορεί να υπάρχουν στον πλανήτη. Αυτή η προσέγγιση θα περιόριζε επίσης την αναζήτηση εξωγήινης ζωής μόνο σε εκείνους τους (εξω)πλανήτες που κινούνται στο ίδιο επίπεδο με το επίπεδο της τροχιάς της Γης γύρω από τον ήλιο και αντιστρόφως.

Στην εικόνα βλέπουμε την καλλιτεχνική απεικόνιση του εξωπλανήτη K2-155d.

Αν ακολουθήσουμε μια τέτοια προσέγγιση, με βάση τα μέχρι τώρα διαθέσιμα δεδομένα, η αναζήτηση περιορίζεται σε έναν μόνο εξωπλανήτη: τον K2-155d. Προτείνεται μάλιστα ότι επειδή το σήμα διέλευσης του εξωπλανήτη K2-155d φαίνεται πιο ισχυρό σ’ εμάς (σε σχέση με το αντίστοιχο σήμα διέλευσης της Γης που βλέπει πιθανός παρατηρητής στον εξωπλανήτη), πρέπει να είμαστε οι πρώτοι που θα στείλουμε ένα σήμα – και στη συνέχεια να περιμένουμε για κάποια απάντηση.

Πηγές: Eamonn Kerins. Mutual detectability: a targeted SETI strategy that avoids the SETI Paradox, arXiv:2010.04089 [astro-ph.EP], arxiv.org/abs/2010.04089 - https://www.manchester.ac.uk/discover/news/could-game-theory-help-discover-intelligent-alien-life/ - https://phys.org/news/2020-10-game-theory-extraterrestrial-intelligence.html - https://physicsgg.me/2020/11/02/

 

 

Περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες και εξωγήινοι πολιτισμοί τύπου ΙΙΙ. Aliens could be sucking energy from black holes. That may be how we'll find them.

Είναι δυνατός ο εντοπισμός εξωγήινου πολιτισμού που εξάγει ενέργεια από περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες; Aliens could be sucking power from black holes — and that could be how we'd spot the extraterrestrials, scientists say. (Image: © MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images)

Tο 1969 ο Roger Penrose (Νόμπελ Φυσικής 2020) πραγματοποίησε μια εξαιρετική ανακάλυψη. Βρήκε ότι μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα αποθηκεύει περιστροφική κινητική ενέργεια στο στροβιλισμό του χώρου γύρω της (Gravitational collapse: the role of general relativity). Επειδή ο στροβιλισμός του χώρου πραγματοποιείται έξω από τον ορίζοντα της τρύπας, η περιστροφική του ενέργεια διατίθεται προς κατανάλωση!

Η ανακάλυψη του Penrose ήταν εξαιρετική επειδή, όπως έδειξε αμέσως μετά ο (18χρονος τότε) Δημήτρης Χριστοδούλου (Reversible and Irreversible transformations in Black-Hole Physics), η περιστροφική ενέργεια της τρύπας ήταν τεράστια. Αν η μαύρη τρύπα περιστρέφεται με την μέγιστη δυνατή ταχύτητα, ο συντελεστής αποθήκευσης και απελευθέρωσης ενέργειας θα είναι 48 φορές μεγαλύτερος από τον συντελεστή απόδοσης της πλήρους πυρηνικής καύσης του Ήλιου.

Το ερώτημα που τίθεται είναι αν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί αυτή η ενέργεια; Όχι βέβαια από τον γήινο ανθρώπινο «πολιτισμό», αλλά από προηγμένους εξωγήινους πολιτισμούς.

Κατανάλωση ενέργειας βάσει της κλίμακας Καρντάσεφ. Kardasev scale energy consumptions.

Σύμφωνα με τον Nikolai Kardashev οι πιθανοί προηγμένοι εξωγήινοι πολιτισμοί, μπορούν να καταταχθούν ανάλογα με την ενέργεια που καταναλώνουν, σε τρεις κατηγορίες:

Πολιτισμός τύπου Ι: είναι ο πολιτισμός που ελέγχει όλες τις πλανητικές μορφές ενέργειας. Μπορεί να χρησιμοποιήσει όλη την ηλιακή ενέργεια που φτάνει στον πλανήτη του, ελέγχει την θερμοκρασία του πλανήτη, τα έντονα καιρικά φαινόμενα, τη σεισμική και την ηφαιστειακή δραστηριότητα.

Πολιτισμός τύπου ΙΙ: είναι αυτός που αφού εξάντλησε τους πόρους του πλανήτη του, κατάφερε να ελέγχει και να καταναλώνει όλη την παραγόμενη ενέργεια ενός άστρου (σαν τον ήλιο μας).

Πολιτισμός τύπου ΙΙΙ: είναι ο πολιτισμός ο οποίος αφού έχει εξαντλήσει την ενέργεια ολόκληρου του πλανητικού του συστήματος, έχει αποικίσει τον γαλαξία του και μπορεί να ελέγχει την ενέργεια σε γαλαξιακό επίπεδο.

Schematic illustration of the mechanism of energy extraction from a rotating black hole by magnetic reconnection in the black hole ergosphere. A configuration with antiparallel magnetic field lines adjacent to the equatorial plane is favored by the frame-dragging effect of the rapidly spinning black hole (panels (a) and (b) portray meridional and equatorial views, respectively), and the resulting equatorial current sheet is prone to fast plasmoid-mediated magnetic reconnection (see circular structures in the zoomed-in region). Magnetic reconnection in the plasma that rotates in the equatorial plane extracts black hole energy if the decelerated plasma that is swallowed by the black hole has negative energy as viewed from infinity, while the accelerated plasma with a component in the same direction of the black hole rotation escapes to infinity. The outer boundary (static limit) of the ergosphere is indicated by the short-dashed lines in both panels. In panel (b), long-dashed and solid lines indicate magnetic field lines below and above of the equatorial plane, respectively. Finally, the dashed lines in the zoomed region indicate the two magnetic reconnection separatrices intersecting at the dominant magnetic reconnection X-point. Image credit: Comisso & Asenjo, doi: 10.1103/PhysRevD.103.023014.

Αν είναι δυνατή η άντληση ενέργειας από τις μαύρες τρύπες, τότε ένας πολιτισμός τύπου ΙΙΙ (εφόσον υπάρχει), μάλλον θα το έχει πετύχει. Κι αν αυτό συμβαίνει ήδη, τότε μια τέτοια τεχνολογία άντλησης ενέργειας θα μπορούσε να αφήνει ίχνη έξω από τον ορίζοντα των γεγονότων μιας περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας – το όριο πέρα ​​από το οποίο η βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας γίνεται τόσο ισχυρή ώστε να είναι αδύνατη η διαφυγή ύλης και ενέργειας από την έλξη της μαύρης τρύπας. Σε μια τέτοια διαδικασία θα μπορούσαν να οφείλονται κάποιες εκρήξεις πλάσματος, μια θερμή μορφή φορτισμένου αερίου, στο περιβάλλον των μαύρων τρυπών.

Αυτό το σενάριο ενισχύεται από μια πρόσφατη δημοσίευση των Luca Comisso and Felipe A. Asenjo στο περιοδικό Physical Review D με τίτλο: ‘Magnetic reconnection as a mechanism for energy extraction from rotating black holes‘.

Spinning black holes store rotational energy that can be extracted; when a black hole is immersed in an externally supplied magnetic field, reconnection of magnetic field lines within the ergosphere can generate negative energy particles that fall into the black hole event horizon while the other accelerated particles escape stealing energy from the black hole. In a paper published in the journal Physical Review D, a duo of researchers from the United States and Chile shows analytically that energy extraction via magnetic reconnection is possible when the black hole spin is high and the plasma is strongly magnetized. Rotational energy can be extracted from spinning black holes through magnetic reconnection. Image credit: Sci-News.com.

Οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να γίνουν μια σχεδόν απεριόριστη πηγή ενέργειας για έναν προηγμένο πολιτισμό τύπου ΙΙΙ. Σύμφωνα με τον Luca Comisso το επόμενο βήμα θα είναι να κατανοήσουμε πως θα φαίνεται σε απομακρυσμένους παρατηρητές μια τέτοια άντληση ενέργειας από μια μαύρη τρύπα. Και κάτι τέτοιο είναι πιθανό να μας επιτρέψει να εντοπίσουμε προηγμένους εξωγήινους πολιτισμούς.

Πηγές: Luca Comisso and Felipe A. Asenjo. Magnetic reconnection as a mechanism for energy extraction from rotating black holes. Phys. Rev. D, 2021 DOI: 10.1103/PhysRevD.103.023014 - https://www.livescience.com/aliens-suck-black-hole-energy.html - http://www.sci-news.com/astronomy/rotational-energy-extraction-black-holes-09263.html - https://physicsgg.me/2021/01/27/

 

 

Ναόσχημο επιτύμβιο μνημείο ήρθε στο φως στην Παιανία. Temple shaped burial monument brought to light in Paiania

Το επιτύμβιο μνημείο που αποκαλύφθηκε στην Παιανία (φωτ.: ΥΠΠΟΑ). The burial monument brought to life in Paiania (photo: MOCAS).

Επιτύμβιο ναόσχημο μνημείο από λευκό μάρμαρο, το οποίο ήταν στημένο σε νεκροταφείο του αρχαίου δήμου της Παιανίας Καθύπερθεν, στα νοτιοδυτικά του λόφου Κατσουλέρθι, ήρθε στο φως κατά την πρόσφατη αρχαιολογική σωστική έρευνα στο οικόπεδο ιδιοκτησίας του δήμου Παιανίας, επί της οδού Παλαιοπαναγιάς, όπου πρόκειται να ανεγερθεί το Νέο Δημαρχείο Παιανίας.

Το επιτύμβιο μνημείο που αποκαλύφθηκε στην Παιανία (φωτ.: ΥΠΠΟΑ). The burial monument brought to life in Paiania (photo: MOCAS).

Το μνημείο σώζεται αποσπασματικά, θραυσμένο σε δύο τμήματα. Εικονίζονται δυο αντικριστές γυναικείες μορφές σε φυσικό μέγεθος: στη δεξιά πλευρά η νεκρή καθισμένη σε περίτεχνο δίφρο (κάθισμα), στηρίζει τα πόδια της σε χαμηλό υποπόδιο. Είναι ενδεδυμένη με διάφανο ιωνικό χιτώνα και ιμάτιο. Στην αριστερή πλευρά, μπροστά στη νεκρή, στέκεται η θεραπαινίδα της, στηρίζοντας με θλίψη το κεφάλι της με το αριστερό χέρι.

Επιτύμβιο ανάγλυφο της Μνησαρέτης. Χρονολογείται γύρω στο 380 π.Χ. και βρίσκεται σήμερα στη Γλυπτοθήκη του Μονάχου. Εδώ εικονίζονται δύο αντικριστές γυναικείες μορφές: η καθιστή Μνησαρέτη, που είναι η νεκρή, βυθισμένη σε περισυλλογή, και η υπηρέτριά της, που την κοιτάζει περίλυπη σταυρώνοντας τα χέρια. Τα ενδύματα καλύπτουν καλά τα σώματα των μορφών και σε λίγα μόνο σημεία αφήνουν να διαφανεί η ανατομία τους, ενώ οι πτυχές που σχηματίζουν είναι επίπεδες και πυκνές. Funerary stele of Mnesarete. A young girl (left) is facing the dead woman. Inscription: ΜΝΗΣΑΡΕΤΗ ΣΩΚΡΑΤΟΣ (“Mnesarete [the daughter] of Socrates”). Attica, ca. 380 BC.

Το θέμα της παράστασης είναι τυπικό στα επιτύμβια ανάγλυφα του 4ου αι. π.Χ. και συναντάται στην εντοιχισμένη επιτύμβια στήλη στον ναό της Αγίας Παρασκευής στο Μαρκόπουλο Μεσογαίας, στη στήλη της Ηγησούς από το νεκροταφείο του Κεραμεικού (Εθνικό Αρχαιολογικό Μουσείο) και στη στήλη της Μνησαρέτης από την Βελανιδέζα (Γλυπτοθήκη Μονάχου). Η απόδοση​ των μορφών στο επιτύμβιο της Παιανίας σχεδόν ολόγλυφων εντυπωσιάζει και χρονολογεί το μνημείο στην περίοδο πριν ο Δημήτριος Φαληρέας απαγορεύσει διά νόμου (317 π.Χ.) την κατασκευή πολυτελών ταφικών μνημείων.

Το επιτύμβιο μνημείο που αποκαλύφθηκε στην Παιανία (φωτ.: ΥΠΠΟΑ). The burial monument brought to life in Paiania (photo: MOCAS).

Το ανάγλυφο μεταφέρθηκε προς φύλαξη και συντήρηση στο Αρχαιολογικό Μουσείο της Βραυρώνας. Η ανασκαφή εξελίσσεται και είναι πιθανόν να εντοπιστούν και άλλα θραύσματά του. Στο οικόπεδο ανασκάπτονται επίσης κατάλοιπα και άλλων εποχών.

Πηγές: https://www.naftemporiki.gr/story/1684517/entuposiaki-arxaiologiki-anakalupsi-stin-paiania - https://www.archaeology.wiki/blog/2021/01/26/temple-shaped-burial-monument-brought-to-light-in-paiania/

 

 

Αστρονόμοι υπολόγισαν το βάθος της μεγαλύτερης θάλασσας του Τιτάνα. Titan’s Largest Methane Sea is Over 100 Meters Deep

Η Kraken Mare, μια θάλασσα υγρού μεθανίου, κρύβεται βαθιά κάτω από τα νέφη του Τιτάνα, του μεγαλύτερου δορυφόρου του Κρόνου- και αστρονόμοι του Cornell University έχουν υπολογίσει ότι η θάλασσα αυτή έχει βάθος τουλάχιστον 300 μέτρα κοντά στο κέντρο της. Το βάθος αυτό θεωρείται επαρκές για εξερεύνηση από ένα ρομποτικό υποβρύχιο. Far below the gaseous atmospheric shroud on Saturn's largest moon, Titan, lies Kraken Mare, a sea of liquid methane. Astronomers have estimated that sea to be at least 1,000-feet deep near its center - enough room for a potential robotic submarine to explore. An artistic rendering of Kraken Mare, a large liquid methane sea on Titan. Image credit: NASA’s John Glenn Research Center.

Οι επιστήμονες παρουσίασαν τα ευρήματά τους σε επιστημονικό άρθρο με τίτλο «The Bathymetry of Moray Sinus at Titan's Kraken Mare», που δημοσιεύτηκε στο Journal of Geophysical Research. «Το βάθος και η σύνθεση της καθεμιάς από τις θάλασσες του Τιτάνα και είχαν ήδη μετρηθεί, εκτός από τη μεγαλύτερή του, την Kraken Mare- που δεν έχει απλά υπέροχο όνομα, μα περιέχει επίσης το 80% των υγρών της επιφανείας του φεγγαριού» είπε ο επικεφαλής συντάκτης, Βαλέριο Πογκιάλι. Ο Τιτάνας κρύβεται πίσω από «χρυσά» νέφη αζώτου σε αέρια μορφή, μα κάτω από αυτά το τοπίο θυμίζει αυτό της Γης, με ποτάμια υγρού μεθανίου, λίμνες και θάλασσες, σύμφωνα με τη NASA. Τα δεδομένα για αυτή την ανακάλυψη είχαν συγκεντρωθεί κατά το πέρασμα T104 του διαστημοπλοίου Cassini στις 21 Αυγούστου 2014. Το ραντάρ του σκάφους εξέτασε τη Ligeia Mare- μια μικρότερη θάλασσα στον βόρειο πόλο του φεγγαριού- για να αναζητήσει το μυστηριωδώς εμφανιζόμενο και εξαφανιζόμενο «Μαγικό Νησί», που ήταν μια προηγούμενη ανακάλυψη του Cassini.

Ενώ το σκάφος πετούσε στα 21.000 χλμ/ ώρα, στα 965 χλμ πάνω από την επιφάνεια του Τιτάνα, το σκάφος χρησιμοποίησε το ραντάρ υψομέτρου του για να μετρήσει το βάθος του υγρού στο Kraken Mare και στο Moray Sinus, έναν κολπίσκο στο βόρειο άκρο της θάλασσας. Οι επιστήμονες του Cornell, μαζί με μηχανικούς του JPL της NASA, είχαν βρει πώς να υπολογίζουν το βάθος θαλασσών και λιμνών εξετάζοντας τους χρόνους επιστροφής από την επιφάνεια και τον πυθμένα, καθώς και τη σύνθεση της θάλασσας αναγνωρίζοντας την ποσότητα ενέργειας ραντάρ που απορροφάται κατά τη διέλευση μέσα από το υγρό.

Kraken Mare, a sea of liquid methane on Saturn’s moon Titan, is at least 100-m (330 feet) deep near its center, according to an analysis of data collected by the RADAR altimeter onboard NASA’s Cassini spacecraft on August 21, 2014. This image of Titan, taken by Cassini spacecraft, reveals differences in the composition of surface materials around hydrocarbon lakes and seas on this largest moon of Saturn. Image credit: NASA / JPL-Caltech / University of Arizona / University of Idaho.

Όπως διαπιστώθηκε, το Moray Sinus έχει βάθος περίπου 85 μέτρων, πιο ρηχά από τα βάθη του κέντρου της Kraken Mare, που ήταν πολύ βαθιά για να γίνει μέτρηση με ραντάρ. Στη σύνθεση του υγρού, κυρίως μείγματος αιθανίου και μεθανίου, κυριαρχούσε το μεθάνιο, και ήταν παρόμοια στη σύνθεση της κοντινής Ligeia Mare, δεύτερης μεγαλύτερης θάλασσας του Τιτάνα.

Η αδυναμία εντοπισμού του πυθμένα στο κύριο «σώμα» της θάλασσας, όπως γράφει το New Atlas, μπορεί να σημαίνει δύο πράγματα: Είτε το υγρό είχε άλλη σύνθεση (οπότε απορροφούσε περισσότερα κύματα ραντάρ) είτε ήταν πολύ βαθύτερη. Εφόσον το υγρό μάλλον δεν διαφέρει και πολύ μεταξύ του κολπίσκου και της υπόλοιπης θάλασσας, οι επιστήμονες εκτίμησαν ότι η Kraken Mare έχει βάθος τουλάχιστον 100 μέτρα και μπορεί να φτάνει στα 300 στα βαθύτερα τμήματα.

Επιστήμονες είχαν προηγουμένως υπολογίσει ότι η Kraken μπορεί να είναι πιο πλούσια σε μεθάνιο, κυρίως λόγω του μεγέθους της και του ότι εκτείνεται στα χαμηλότερα υψόμετρα του φεγγαριού. Η παρατήρηση πως το υγρό μεθάνιο δεν διαφέρει ιδιαίτερα από ό,τι σε άλλες θάλασσες αποτελεί σημαντική ανακάλυψη. Αξίζει να σημειωθεί πως ο Τιτάνας αποτελεί ένα περιβάλλον που θα μπορούσε να αποτελεί «μοντέλο» της πιθανής ατμόσφαιρας της πρώιμης Γης.

Πηγές: V. Poggiali, A. G. Hayes, M. Mastrogiuseppe, A. Le Gall, D. Lalich, I. Gómez‐Leal, J. I. Lunine. The Bathymetry of Moray Sinus at Titan's Kraken Mare. Journal of Geophysical Research: Planets, 2020; 125 (12) DOI: 10.1029/2020JE006558 - http://www.sci-news.com/space/kraken-mare-titan-09275.html - https://www.naftemporiki.gr/story/1683996/astronomoi-upologisan-to-bathos-tis-megaluteris-thalassas-tou-titana