Και πως μπορεί να μετρηθεί το μέγεθος και το βάρος του

Μια υπαρξιακή ερώτηση, έστω και ρητορική, που μπορεί να έχει κάποιος, είναι για το μικρότερο σωματίδιο στο σύμπαν.

Αν οι αναζητήσεις στο Google αποτελούν κάποιο δείκτη, οι άνθρωποι πραγματικά θέλουν να μάθουν «ποιο είναι το μικρότερο σωματίδιο στο σύμπαν». Όμως η απάντηση σε αυτή την υποτιθέμενη απλή ερώτηση της σωματιδιακής φυσικής δεν είναι και τόσο απλή.

Στην καθημερινότητα, τα υποατομικά σωματίδια βρίσκονται παντού γύρω μας. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια σχηματίζουν τα χημικά στοιχεία, τα φωτόνια είναι το φως που βλέπουμε, ενώ οι ηλεκτρονικές ροές τροφοδοτούν τα smartphones μας. Κι όμως, σπάνια γίνονται αντιληπτά – πόσο μάλλον κατανοητά.

Το ζήτημα περιπλέκεται όταν προσπαθούμε να φανταστούμε το «μέγεθός» τους. Έχουμε μάθει να τα φανταζόμαστε ως μικροσκοπικές, πολύχρωμες σφαίρες, σαν να ήταν στερεά αντικείμενα στα οποία μπορούμε να τοποθετήσουμε ένα χάρακα για να προσδιορίσουμε τις διαστάσεις τους. Στην πράξη, όμως, δεν είναι καθόλου έτσι. Για ορισμένα μεγαλύτερα σωματίδια μπορούμε να μιλήσουμε γενικά για «μέγεθος», αλλά για τα πιο μικρά, τα θεμελιώδη, η έννοια του μεγέθους είναι τόσο ασαφής που σχεδόν χάνει το νόημά της.

Τι σημαίνει «μικρότερο»;

«Η λέξη «μικρό» έχει πολλές έννοιες», λέει η φυσικός Janet Conrad από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο Μασαχουσέτης (MIT). «Ένα βαμβακάκι μπορεί να θεωρηθεί “μικρό” επειδή είναι ελαφρύ, ενώ μια μεταλλική σφαίρα είναι “μικρή” λόγω διαμέτρου, παρότι ζυγίζει περισσότερο». Με τον ίδιο τρόπο, ένα σωματίδιο μπορεί να είναι το «μικρότερο» σε μάζα ή σε διάμετρο – δυο εντελώς διαφορετικές κατηγορίες, επισημαίνει η Conrad.

Υπάρχει και μια δεύτερη διάκριση που πρέπει να ληφθεί υπόψη, αυτή ανάμεσα στα φερμιόνια – τα σωματίδια της ύλης, όπως τα ηλεκτρόνια και πρωτόνια – και τα μποζόνια, τα σωματίδια-φορείς όπως τα φωτόνια, που μεταφέρουν δυνάμεις μεταξύ των φερμιονίων. Και μια Τρίτη διάκριση, που είναι καθοριστική: τα θεμελιώδη σωματίδια (είτε είναι φερμιόνια είτε μποζόνια), που δεν «σπάνε» σε κάτι μικρότερο, και τα μη θεμελιώδη – σε αυτή την κατηγορία ανήκουν τα πρωτόνια, τα οποία αποτελούνται από κουάρκ (που είναι θεμελιώδη).

Μια παράλογη ερώτηση

Έτσι, από την άποψη του φυσικού μεγέθους, θα σκεφτόσασταν πιθανώς ότι τα θεμελιώδη σωματίδια είναι «μικρότερα» από τα μη θεμελιώδη. Αλλά εδώ είναι που τα πράγματα γίνονται πραγματικά περίπλοκα, λέει ο Juan Pedro Ochoa-Ricoux, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Ιρβάιν.

Τα θεμελιώδη σωματίδια είναι σημεία μηδενικών διαστάσεων, χωρίς εσωτερική δομή. «Αντί να σκεφτόμαστε τα ηλεκτρόνια σαν μικρές σφαίρες που περιστρέφονται γύρω από έναν ατομικό πυρήνα, στην πραγματικότητα θα πρέπει να τα θεωρούμε ως ένα σύννεφο (πιθανοτήτων)», λέει ο Ochoa-Ricoux. Δεν έχουν ακριβή θέση ή μέγεθος, μόνο πιθανότητες εμφάνισης σε διάφορα σημεία. Μέχρι στιγμής, οι φυσικοί δεν έχουν εντοπίσει καμία ένδειξη ότι υπάρχει κάτι στο εσωτερικό τους.

Λίγη βοήθεια από τον Αϊνστάιν

Όταν οι φυσικοί θέλουν να παρακάμψουν αυτή την αβεβαιότητα, χρησιμοποιούν την διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν E=mc² για να υπολογίσουν μάζες με βάση την ενέργεια. Έτσι προκύπτει ότι το ηλεκτρόνιο έχει μάζα περίπου 0,51 MeV/c² (μεγαηλεκτρονιοβόλτ ανά τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός), δηλαδή 9,109 × 10⁻³¹ κιλά. Ακόμη και το ελαφρύτερο κουάρκ είναι τέσσερις φορές βαρύτερο.

Όσο μικρές και αν είναι αυτές οι τιμές, εξακολουθούν να είναι πολύ μεγαλύτερες από το «μηδέν», που είναι η μάζα ορισμένων άλλων σωματίδια. Αυτά τα λεγόμενα σωματίδια χωρίς μάζα είναι αναμφισβήτητα και οι καλύτεροι υποψήφιοι για τον τίτλο του «μικρότερου».

Και το μικρότερο σωματίδιο είναι…

Αν μιλάμε αυστηρά για μποζόνια, ο ξεκάθαρος νικητής θα ήταν το άμαζο φωτόνιο. Αν μιλάμε για φερμιόνια, μια λογική εικασία θα ήταν το νετρίνο. Πρόκειται για εικασία καθώς δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα την ακριβή μάζα ενός νετρίνο, αν και είμαστε σίγουροι ότι δεν είναι μηδενική. Πιθανώς ζυγίζει περίπου 0,45 eV/c2 – λιγότερο από το ένα εκατομμυριοστό της μάζας ενός ηλεκτρονίου!

Ωστόσο, όπως τονίζουν τόσο η Condrad όσο και ο Ochoa-Ricoux, αυτή είναι μόνο μία προσέγγιση που συνήθως χρησιμοποιούν οι ειδικοί όταν εξετάζουν το μέγεθος ενός σωματιδίου. Όπως συμβαίνει με πολλούς τύπους επιστημονικής έρευνας, η απάντηση που λαμβάνει κανείς εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πώς ακριβώς θέτει την ερώτηση.