Η έννοια του πεδίου έχει κεντρική θέση στη σωματιδιακή φυσική, αλλά τι ακριβώς είναι; Από τις απαρχές της μελέτης του μαγνητισμού έως τα κβαντικά πεδία της εποχής μας, η Chanda Prescod-Weinstein εξετάζει την έννοια αυτή.
Της Chanda Prescod-Weinstein
Υπάρχει περισσότερος από ένας τύπος πεδίου Bennekom/Alamy
Υπάρχει περισσότερος από ένας τύπος πεδίου
Όταν ετοιμαζόμασταν να λανσάρουμε τη στήλη μου στο New Scientist, ο αρχισυντάκτης μου με ρώτησε πώς θα ήθελα να την ονομάσω. «Field notes from space-time», είπα. Ο τίτλος αυτός έχει μια διπλή σημασία που ίσως δεν είναι προφανής, αλλά για μένα ως φυσικό ήταν διασκεδαστική. Παραπέμπει στην επιστημονική πρακτική της καταγραφής σημειώσεων «στο πεδίο», κάτι σαν εργαστηριακό ημερολόγιο. Ταυτόχρονα, παραπέμπει σε μια συγκεκριμένη έννοια που είναι πολύ σημαντική στη σωματιδιακή φυσική: το ίδιο το πεδίο.
Ίσως να πιστεύετε ότι πεδίο είναι ένας μεγάλος ανοιχτός χώρος, όπως εκείνος που βλέπει κανείς σε μια φάρμα. Στη φυσική, όμως, η έννοια είναι πιο αφηρημένη. Βασικά, το πεδίο είναι μια μαθηματική σχέση που αποδίδει έναν αριθμό σε κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου. Σκοπός του είναι να περιγράψει κάποιο φυσικό φαινόμενο σε εκείνο το σημείο. Για παράδειγμα, όταν νιώθετε την έλξη ενός μαγνήτη ψυγείου κοντά στην πόρτα του, ανάμεσα στα δύο αντικείμενα δρα μια μαγνητική δύναμη. Αυτή η δύναμη έχει τιμή μαγνητικού πεδίου σε κάθε σημείο του χώρου, η οποία γίνεται ισχυρότερη όσο μειώνεται η απόσταση ανάμεσα στον μαγνήτη και στο ψυγείο.
Χωρίς χώρο, χωρίς χρόνο, χωρίς σωματίδια: Μια ριζοσπαστική οπτική για την κβαντική πραγματικότητα
Στην πραγματικότητα, η πρώτη φορά που ένας φυσικός χρησιμοποίησε τη λέξη «πεδίο» με αυτόν τον τρόπο ήταν όταν ο επιστήμονας του 19ου αιώνα Μάικλ Φαραντέι μελετούσε τον μαγνητισμό του στοιχείου βισμούθιο. Εργαζόμενη στο νέο μου βιβλίο, διάβασα τις καταγραφές του στο ημερολόγιό του και είδα πότε ακριβώς επικαλέστηκε για πρώτη φορά την ιδέα του πεδίου, αλλά αναρωτήθηκα πώς έφτασε σε αυτή τη γλώσσα ο Φαραντέι. Δεν το ξέρω με βεβαιότητα, όμως η δική μου θεωρία είναι ότι αυτό συνδέεται με το πόσο διαφορετικός ήταν για την εποχή του. Σε αντίθεση με άλλους φυσικούς της εποχής του, προερχόταν από εργατική οικογένεια. Οι γονείς του είχαν γεννηθεί και μεγαλώσει σε ένα χωριό και προέρχονταν από αγροτικό περιβάλλον. Με άλλα λόγια, ήταν άνθρωποι που ζούσαν σε στενή σχέση με τη γη. Στο μυαλό μου, φαντάζομαι τον Φαραντέι να σκέφτεται τις αόρατες ιδιότητες των ανοιχτών εκτάσεων που δούλευαν οικογένειες σαν τη δική του.
Η ιδέα του πεδίου δεν έμεινε στον κόσμο του μαγνητισμού. Μία από τις πιο εντυπωσιακές καινοτομίες του 20ού αιώνα ήταν η συνάντηση των πεδίων με τις ανατρεπτικές θεωρίες της κβαντικής φυσικής, που είχαν ήδη οδηγήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν τα σωματίδια και τα κύματα ως μια διπλή σχέση. Με άλλα λόγια, σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια είναι επίσης κύματα, και κύματα όπως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι επίσης σωματίδια, τα οποία ονομάζουμε φωτόνια. Όχι πολύ μετά το σημείο όπου η επιστημονική κοινότητα εξοικειώθηκε με την ιδέα της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου, έγινε σαφές ότι έπρεπε να υπάρχει μια βαθύτερη σχέση ανάμεσα στο κβαντικό και στο πεδίο.
Στη διαδικασία ανάπτυξης μιας ολοκληρωμένης κβαντικής εικόνας του φωτονίου, τα πεδία έγιναν ξανά αναγκαία. Αυτή τη φορά, όμως, ήταν κβαντικά πεδία. Όπως το μαγνητικό πεδίο ποσοτικοποιεί πόση μαγνητική δύναμη υπάρχει σε κάθε σημείο του χώρου, έτσι και ένα κβαντικό πεδίο καθορίζει πόσα σωματίδια μπορούν να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν σε κάθε σημείο του χώρου. Γι’ αυτό λέμε ότι όλα τα ηλεκτρόνια προκύπτουν από ένα κβαντικό πεδίο ηλεκτρονίου, και το ίδιο ισχύει για άλλα σωματίδια. Υποψιαζόμαστε επίσης ότι η σκοτεινή ύλη, η οποία φαίνεται να είναι αόρατη αλλά κατά τα άλλα συμπεριφέρεται σαν να αποτελείται από σωματίδια, έχει ένα αντίστοιχο πεδίο που δεν έχουμε ακόμη ανακαλύψει. Το σύμπαν είναι γεμάτο σωματίδια που αναδύονται από το κενό, χάρη στα κβαντικά πεδία. Με αυτή την έννοια, κάθε φορά που γράφω για οτιδήποτε σε αυτή τη στήλη, γράφω κυριολεκτικά σημειώσεις από το πεδίο, από τον χώρο-χρόνο.
Τι διαβάζετε;
Είμαι απολύτως παθιασμένη με το The Manifesto of Herman Melville του Barry Sanders.
Τι βλέπετε;
Μου αρέσει πολύ η τελευταία σεζόν του Hacks.
Σε τι δουλεύετε;
Αφού ολοκλήρωσα το λανσάρισμα του The Edge of Space-Time στις ΗΠΑ, τώρα επικεντρώνομαι στην κυκλοφορία του στο Ηνωμένο Βασίλειο!
