Χωρόχρονος.

Το χωροχρονικό συνεχές περιλαμβάνει τέσσερις διαστάσεις: τρεις διαστάσεις για το χώρο και μια για το χρόνο. Ένα σημείο στον χωρόχρονο ονομάζεται γεγονός. Το κάθε γεγονός καθορίζεται από τέσσερις συντεταγμένες, (ct, x, y, z), η φυσική σημασία των οποίων εξαρτάται από το ποιο σύστημα συντεταγμένων χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε τον χωρόχρονο. Παραδείγματα τέτοιων γεγονότων είναι η έκρηξη ενός αστέρα ή το χτύπημα ενός τύμπανου.




Ιστορία

Τόσο στην Ειδική Θεωρία Σχετικότητας όσο και στην Γενική Θεωρία Σχετικότητας, ο χρόνος και ο τρισδιάστατος χώρος θεωρούνται ως μία τετραδιάστατη πολλαπλότητα (manifold), που λέγεται χωρόχρονος. Η έννοια του χωροχρόνου πρωτοεμφανίστηκε το 1908 σε μια μαθηματική πραγματεία του Μινκόφσκι για τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου όπως αυτή είχε οριστεί στην ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Ο Αϊνστάιν είχε δημοσιεύσει το 1905 ένα άρθρο που σχετιζόταν με τους θεμελιώδεις νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού και ονομαζόταν Περί της ηλεκτροδυναμικής των εν κινήσει σωμάτων. Αυτή η θεωρία προκάλεσε στις αρχές του 20ού αιώνα μια από τις μεγαλύτερες ανατροπές δεδομένων στον κόσμο της φυσικής.





Ιδιότητες του χωροχρόνου

Ο χωρόχρονος είναι ανεξάρτητος του παρατηρητή. Παρ’ όλα αυτά, για την περιγραφή των φυσικών φαινομένων ο κάθε παρατηρητής επιλέγει ένα κατάλληλο σύστημα συντεταγμένων. Τα γεγονότα καθορίζονται από τέσσερις πραγματικούς αριθμούς σε κάθε σύστημα συντεταγμένων.

Είναι πολύ δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι ο χρόνος δεν είναι ο ίδιος ανάλογα με το σύστημα αναφοράς στο οποίο γίνεται η μέτρηση του. Αυτό ωστόσο έχει σε μεγάλο βαθμό αποδειχθεί πειραματικά, ειδικότερα στους επιταχυντές σωματιδίων του CERN.

Ο χρόνος εξαρτάται από το σύστημα αναφοράς στο οποίο γίνεται η μέτρηση του κι επομένως δεν είναι απόλυτος. Το ίδιο ισχύει για τον χώρο. Το μήκος ενός αντικειμένου μπορεί να είναι διαφορετικό ανάλογα με το σύστημα αναφοράς της μέτρησης.

Μόνο ο χωροχρόνος ως ενοποιημένη έννοια, που είναι μαθηματικά χώρος του Μινκόφσκι, είναι απόλυτος, ενώ οι συνιστώσες του, ο χώρος και ο χρόνος, αποτελούν πλευρές του που εξαρτώνται από τον παρατηρητή (το σύστημα αναφοράς).

Η σχέση μεταξύ της μέτρησης χώρου και χρόνου που δίνεται από την παγκόσμια σταθερά c (την ταχύτητα του φωτός στο κενό), επιτρέπει την περιγραφή μιας απόστασης d με μέτρο το χρόνο: d = ct, t όντας ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να διασχίσει την απόσταση d. Ο Ήλιος απέχει 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα, δηλαδή 8 λεπτά φωτός από τη Γη. Με τον όρο λεπτά φωτός, γίνεται λόγος για μια μέτρηση του χρόνου που πολλαπλασιάζεται με το c, κι έτσι εξάγεται μια μέτρηση απόστασης, στην περίπτωση αυτή, σε χιλιόμετρα. Μ' άλλα λόγια, χάρη στο c μονάδες χρόνου μετατρέπονται σε μονάδες απόστασης. Χιλιόμετρα και λεπτά φωτός είναι επομένως δυο μονάδες μέτρησης της απόστασης.

Αυτό που ενοποιεί χώρο και χρόνο στην ίδια εξίσωση είναι ότι η μέτρηση του χρόνου μπορεί να μετασχηματιστεί σε μέτρηση απόστασης (πολλαπλασιάζοντας το t, που εκφράζεται σε μονάδες χρόνου, με το c), και το t μπορεί έτσι να ταυτιστεί με τις τρεις άλλες συντεταγμένες απόστασης σε μια εξίσωση όπου όλες οι μετρήσεις γίνονται με μονάδες απόστασης. Από αυτήν την άποψη θα μπορούσε κανείς να πει ότι ο χρόνος είναι χώρος!





Καμπύλωση του χωροχρόνου

Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας η βαρύτητα (που προκαλείται από τη βαρυτική μάζα) ισοδυναμεί με επιτάχυσνη. Με άλλα λόγια το σώμα που σύμφωνα με την κλασσική μηχανική δέχεται βαρυτική δύναμη από ένα άλλο σώμα σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας δε δέχεται καμία δύναμη, αλλά επιταχύνεται ως προς το άλλο σώμα. Αυτο το φαινόμενο προκειμένουν να εξηγηθεί χρειάζεται να δεχθούμε την καμπύλωση του χωροχρόνου, δηλαδή το σύμπαν κοντά σε σώματα, που σύμφωνα με την κλασσική μηχανική δημιουργούν βαρυτικό πεδίο, δεν ισχύει η ευκλείδια γεωμετρία, αλλά μη ευκλείδιες γεωμετρίες. Αυτό σημαίνει ότι η βαρύτητα μπορεί να επηρεάσει το φως.





Επιταχυντής σωματιδίων

Γενικά επιταχυντής σωματίδιων ονομάζεται μια ειδική μηχανική διάταξη που μπορεί και επιταχύνει σωματιδία σε μεγάλες ταχύτητες, που μπορεί να φτάσουν ένα σημαντικό ποσοστό της ταχύτητας του φωτός.

Στη πραγματικότητα ο επιταχυντής σωματιδίων επιταχύνει δέσμες φορτισμένων σωματιδίων (π.χ. πρωτονίων και ηλεκτρονίων) κατά μήκος μιας τροχιάς, χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Όταν πλέον οι δέσμες των σωματιδίων αυτών αναπτύξουν πολύ μεγάλη ταχύτητα οδηγούνται σε σύγκρουση με άλλα σωματίδια καλούμενα σωματίδια στόχοι. Άλλες φορές, δέσμες σωματιδίων που κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις συγκρούονται στο εσωτερικό του επιταχυντή με συνέπεια να δημιουργούν νέα σωματίδια. Ειδικές ανιχνευτικές διατάξεις καθώς και υπολογιστές μπορούν και καταγράφουν τις τροχιές των σωματιδίων αυτών καθώς και τις εκτροπές και τροχιές των νέων σωματιδίων που προκύπτουν μετά τις συγκρούσεις των πρώτων.

Τα σωματίδια περιέχονται σε έναν σωλήνα κενού έτσι ώστε να μην χάνουν ενέργεια χτυπώντας σε μόρια αέρα. Σε επιταχυντές υψηλής ενέργειας, τετραπολικοί μαγνήτες χρησιμοποιούνται για να εστιάσουν τα σωματίδια σε μία δέσμη και να αποτρέψουν την μεταξύ τους ηλεκτροστατική ή απωστική δύναμη που θα μπορούσε να τα εκτρέψει.

Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι επιταχυντών, οι γραμμικοί και οι κυκλικοί.





Γραμμικοί Επιταχυντές

Στον γραμμικό επιταχυντή τα σωματίδια επιταχύνονται πάνω σε μια ευθύγραμμη τροχιά, προσπίπτοντας στο στόχο τους. Σημαντική εφαρμογή βρίσκουν σε θεραπείες του καρκίνου.

Ο ιατρικός γραμμικός επιταχυντής είναι ένα ραδιοθεραπευτικό μηχάνημα, το οποίο επιταχύνει φωτόνια ακτίνων Χ και ηλεκτρόνια. Οι υψηλής ενέργειας ακτινοβολίες διεισδύουν βαθειά μέσα στο σώμα και διαλύουν τους καρκινικούς ιστούς, ενώ τα ηλεκτρόνια διεισδύουν μόνο σε βαθύτερες κυτταρικές δομές. Διαφορετικές ακτινοβολίες επιτρέπουν μία ποικιλία τέτοιων συνδυασμών.





Κυκλικοί Επιταχυντές

Αυτοί αναγκάζουν τα σωμάτια να γυρίζουν γύρω-γύρω σε μια κυκλική τροχιά δίνοντάς τους όλο και περισσότερη ενέργεια σε κάθε περιστροφή. Υπάρχουν πολλά είδη κυκλικών επιταχυντών όπως το σύγχροτρο, το κύκλοτρο και το συγχροκύκλοτρο, τα οποία αποτελούν πολύτιμα εργαλεία στην έρευνα της φυσικής υψηλών ενεργειών.





CERN

To CERN (πλήρης τίτλος: Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire «Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών»), διατηρώντας τη σύντμηση (ακρωνύμιο) της αρχικής ονομασίας του Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire, είναι το μεγαλύτερο σε έκταση (πειραματικό) κέντρο πυρηνικών ερευνών και ειδικότερα επί της σωματιδιακής φυσικής στον κόσμο. Βρίσκεται δυτικά της Γενεύης, στα σύνορα Ελβετίας και Γαλλίας. Ιδρύθηκε το 1954 από δώδεκα ευρωπαϊκές χώρες και σήμερα αριθμεί 20 κράτη-μέλη*, μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα, η οποία είναι και ιδρυτικό μέλος[1].

Λειτουργία - έρευνα

Η κύρια λειτουργία του αφορά την παροχή επιταχυντών σωματιδίων και άλλων υλικοτεχνικών υποδομών που χρειάζονται για την πειραματική έρευνα στο πεδίο της φυσικής υψηλών ενεργειών. Στο CERN λειτουργούν επομένως πολλοί επιταχυντές, ένας εκ των οποίων είναι ο πελώριος Super Proton Synchroton (SPS), ή LHC (Μέγας Επιταχυντής Ανδρονίων), ο οποίος αναπτύσσεται σε υπόγεια κυκλική σήραγγα 27 χιλιομέτρων που επιτρέπει στα πρωτόνια να επιταχύνονται στα 400 GeV, δηλαδή σε πολύ υψηλές ενέργειες.

Όπως αποδείχθηκε στην πράξη, όμως, οι ερευνητές του CERN δεν περιορίζονται αυστηρά στον τομέα της Ατομικής και Πυρηνικής Φυσικής: Στο CERN εργαζόταν, ως έκτακτος ερευνητής, ο Τιμ Μπέρνερς Λι (Tim Berners-Lee), ο επινοητής του Παγκόσμιου Ιστού, της δημοφιλέστερης, σήμερα, υπηρεσίας του Διαδικτύου[2].





Προσωπικό

Το CERN απασχολεί σήμερα περίπου 3.000 μόνιμους εργαζόμενους, ενώ περίπου 6.500 επιστήμονες και μηχανικοί (που αντιπροσωπεύουν 500 πανεπιστήμια και 80 διαφορετικές εθνικότητες), περίπου το μισό της κοινότητας της σωματιδιακής φυσικής στον κόσμο, δουλεύουν σε πειράματα που οργανώνονται από το CERN[3] .