Τον Οκτώβριο θα μιλήσω στο New Scientist Live για τα θαύματα της σκοτεινής ύλης, της αόρατης ύλης που κυριαρχεί στους γαλαξίες. Όταν δίνω τέτοιες ομιλίες, τονίζω τη διαφορά ανάμεσα στη σκοτεινή ύλη και τη ορατή ύλη, δηλαδή την ύλη από την οποία είμαστε φτιαγμένοι. Για να το κάνω πιο σαφές, επιμένω ότι οι άνθρωποι είναι μια συλλογή από κουάρκ και ηλεκτρόνια, όπως και τα περισσότερα πράγματα στο σύμπαν. Αυτός είναι ίσως ένας αστείος τρόπος να περιγράψεις τον άνθρωπο, αφού συνήθως τον βλέπουμε ως βιολογική οντότητα. Αν ρωτούσες έναν φυσιολόγο από τι αποτελείται ο άνθρωπος, πιθανότατα θα απαντούσε κάτι όπως: «Είμαστε κατά 60% νερό και περίπου 20% άνθρακας, μαζί με λίγα ακόμη στοιχεία». Με άλλα λόγια, αποτελούμαστε κυρίως από υδρογόνο και οξυγόνο.
Τεχνικά, αυτό είναι σωστό, αλλά ένας φυσιολόγος βλέπει το θέμα κάπως διαφορετικά από έναν φυσικό, που προχωρά πέρα από το ατομικό επίπεδο. Ας πάρουμε το υδρογόνο, το απλούστερο άτομο. Στην πιο βασική του μορφή, το υδρογόνο αποτελείται από ένα πρωτόνιο στον ατομικό πυρήνα του και ένα ηλεκτρόνιο σε τροχιά γύρω του. Το υδρογόνο μπορεί επίσης να έχει ένα ή περισσότερα νετρόνια. Το οξυγόνο, από την άλλη, έχει οκτώ πρωτόνια στον πυρήνα του, έως οκτώ ηλεκτρόνια και μέχρι 20 νετρόνια. Κάθε χημικό στοιχείο είναι ένας συνδυασμός αυτών των υποατομικών σωματιδίων, οπότε θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί ότι ένας φυσικός σωματιδίων θα απαντούσε: «Οι άνθρωποι αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια».
Όμως, ένα από αυτά δεν μοιάζει με τα άλλα: τα ηλεκτρόνια είναι θεμελιώδη, αδιαίρετα σωματίδια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια, αντίθετα, είναι σύνθετα. Ένα πρωτόνιο αποτελείται από δύο up κουάρκ και ένα down κουάρκ, ενώ το νετρόνιο είναι το αντίστροφο: δύο down κουάρκ και ένα up κουάρκ. Ένα κουάρκ, όπως και ένα ηλεκτρόνιο, δεν μπορεί να αναλυθεί σε κάτι μικρότερο. Έτσι, επιστρέφοντας στο ερώτημα από τι είμαστε φτιαγμένοι, έχω πει πολλές φορές ότι είμαστε συλλογές από κουάρκ και ηλεκτρόνια.
Καθώς ταξιδεύω για το νέο μου βιβλίο, The Edge of Space-Time, έχω αρχίσει να σκέφτομαι όλο και περισσότερο αν αυτό αποδίδει σωστά την εικόνα. Υπάρχει κι ένα ακόμη σωματίδιο που ίσως θα έπρεπε να συμπεριλαμβάνω — ή ίσως και όχι. Η δυσκολία σχετίζεται εν μέρει με τον τρόπο που τα κουάρκ δένονται μεταξύ τους. Τα κουάρκ, μοναδικά, δεν υπάρχουν ποτέ μόνα τους. Πάντα εμφανίζονται σε συνδυασμούς με άλλα κουάρκ. Οι πιο σταθεροί συνδυασμοί τους είναι οι τριπλοί συνδυασμοί τριών κουάρκ, που τους ξέρουμε ως πρωτόνια και νετρόνια. Υπάρχουν και πολλά άλλα σωματίδια τριών κουάρκ, καθώς και συνδυασμοί δύο κουάρκ ή πεντακουάρκ, δηλαδή πέντε κουάρκ, αλλά όλα τους είναι ασταθή και βραχύβια. Αυτό που δεν θα δεις ποτέ είναι ένα μοναχικό κουάρκ, και αυτό οφείλεται στον τρόπο που λειτουργεί η ισχυρή δύναμη.
Η ισχυρή πυρηνική δύναμη, που κρατά τα κουάρκ στη θέση τους, είναι τόσο ισχυρή ώστε αν προσπαθήσουμε να τραβήξουμε ένα κουάρκ έξω από, ας πούμε, ένα πρωτόνιο, η ενέργεια που θα απαιτηθεί θα αρκούσε για να δημιουργηθεί ένα ακόμη κουάρκ και ένα αντι-κουάρκ, δηλαδή ουσιαστικά το αντίστοιχο σωματίδιο της αντιύλης. Ίδια μάζα, αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Στο τέλος, το κουάρκ παραμένει δεμένο με κάτι και δεν απελευθερώνεται ποτέ. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας ενός άλλου σωματιδίου: των γκλουονίων.
Ναι, έχουμε σωματίδια που «κολλούν» τα κουάρκ μεταξύ τους και λέγονται γκλουόνια. Κάποιος θα μπορούσε λοιπόν να πει ότι πρέπει να εξηγώ στους ανθρώπους πως οι άνθρωποι είναι ηλεκτρόνια, κουάρκ και γκλουόνια. Η ισχυρή δύναμη προκύπτει επειδή τα κουάρκ αλληλεπιδρούν μέσω των γκλουονίων, οπότε η προσθήκη τους στη λίστα των «συστατικών» θα έμοιαζε λογική. Υπάρχει όμως μια λεπτομέρεια: τα γκλουόνια διαφέρουν λίγο από τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια, γιατί δεν είναι πραγματικά.
Δεν πρόκειται για τυπογραφικό λάθος. Τα γκλουόνια παίζουν ουσιαστικό φυσικό ρόλο στο να κρατούν ενωμένη την ύλη, αλλά είναι και εντελώς παράξενα: δεν έχουν ουσιαστική φυσική ύπαρξη. Στην πραγματικότητα, τα αποκαλούμε «εικονικά» σωματίδια, επειδή ζουν τόσο απειροελάχιστα, που είναι σαν να μην υπάρχουν καθόλου. Εικονικά φωτόνια εμφανίζονται επίσης στα άτομα, στο πλαίσιο των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, και δεν είμαι καθόλου έτοιμος να πω ότι οι άνθρωποι αποτελούνται από σωματίδια φωτός. Έτσι, όταν εξηγώ ότι είμαστε συλλογές από ηλεκτρόνια και κουάρκ, αφήνω απ’ έξω τα γκλουόνια.
Η παραξενιά των γκλουονίων αναδεικνύει και έναν από τους λόγους για τους οποίους η λέξη «σωματίδιο» δεν είναι πραγματικά ο καλύτερος τρόπος για να περιγράψουμε όσα συμβαίνουν μέσα σε ένα άτομο. Η έννοια του σωματιδίου φέρνει στο μυαλό την εικόνα μιας μικρής μπίλιας του μπιλιάρδου. Όμως αυτή η οπτική μεταφορά δεν μας βοηθά ιδιαίτερα όταν προσπαθούμε να φανταστούμε κάτι που είναι μόλις εκεί. Για αυτόν τον λόγο, μάλλον θα συνεχίσω να λέω ότι είμαστε εντυπωσιακές συλλογές από κουάρκ και ηλεκτρόνια, αλλά υποθέτω ότι τον Οκτώβριο θα το δούμε όλοι σε πραγματικό χρόνο αν έχω αλλάξει γνώμη για τη σημασία του άπιαστου αλλά ισχυρού γκλουονίου.
