23.3 Sameining kraftanna

Lykilhugtök kaflans

Skilningur á alsameiningarkenningunni

Nútímatilraunir til að sýna fram á að grundvallarkraftarnir fjórir séu mismunandi birtingarmyndir eins sameinaðs krafts fylgja langri hefð. Á nítjándu öld var sýnt fram á að hinir aðskildu raf- og segulkraftar væru nátengdir og eru nú kallaðir einu nafni rafsegulkrafturinn. Nýlega var veiki kjarnakrafturinn sameinaður rafsegulkraftinum. Eins og sýnt er á mynd 23.19, flytja burðareindir þrjá af fjórum grundvallarkröftum á mjög svipaðan hátt. Með þessi atriði í huga er eðlilegt að stinga upp á því að hægt sé að smíða kenningu þar sem sterki kjarnakrafturinn, veiki kjarnakrafturinn og rafsegulkrafturinn eru allir sameinaðir. Leitin að réttri kenningu sem tengir kraftana, kölluð stóra sameiningarkenningin (alsameiningarkenning), er könnuð í þessum kafla.

Á sjöunda áratugnum þróuðu Steven Weinberg, Sheldon Glashow og Abdus Salam kenningu rafveikrar víxlverkunar. Kenningin lagði til að rafsegulkrafturinn og veiki kjarnakrafturinn væru sami kraftur við nægilega háa orku. Við lægri orku, eins og þá sem ríkir í núverandi alheimi, birtast þeir sem tveir ólíkir kraftar.

Hvernig er hægt að sameina krafta? Þeir eru svo sannarlega aðskildir undir flestum kringumstæðum. Til dæmis eru þeir bornir af mismunandi eindum og hafa mjög mismunandi styrk. En tilraunir sýna að við mjög stuttar vegalengdir og við mjög háa orku, byrjar styrkur kraftanna að verða líkari, eins og sést á mynd 23.20.

Eins og rætt var um fyrr krefjast stutt drægi og mikill massi veiku burðarbóseindanna samsvarandi hárrar orku til að mynda þær. Þannig samsvarar orkukvarðinn á lárétta ásnum á mynd 23.20 einnig sífellt styttri vegalengdum; 100 GeV samsvara til dæmis um það bil 10⁻¹⁸ m. Við þá vegalengd er styrkur rafsegulkraftsins og veika kjarnakraftsins sá sami. Til að prófa þetta er um 100 GeV orku dælt inn í kerfið. Þá myndast W⁺-, W⁻- og Z⁰-burðareindir. Við þá orku og hærri verður massi burðareindanna sífellt minna ráðandi og Z⁰-bóseindin líkist sérstaklega hinni massalausu, hleðslulausu ljóseind.

Hinar gífurlega stuttu vegalengdir og háa orka þar sem rafveiki krafturinn verður samhljóða sterka kjarnakraftinum eru ekki aðgengilegar með neinum hugsanlegum manngerðum hraðli. Við orku um 10¹⁴ GeV (16.000 J á eind) væri hægt að kanna vegalengdir sem eru um 1/1000 af þvermáli róteindar. Slík orka er langt utan seilingar nútímatækni.

Þótt bein sönnun fyrir alsameiningarkenningu sé ekki möguleg nú útilokar það ekki að hægt sé að meta slíka kenningu óbeint. Núverandi alsameiningarkenningar krefjast ýmissa afleiðinga. Sumar þeirra gera til dæmis ráð fyrir segulhleðslum, öðrum framandi eindum eða sérstökum breytingum á hegðun þekktra einda.

Ein afleiðing alsameiningarkenninga sem hægt er að prófa fræðilega er róteindasundrun. Nokkrar núverandi alsameiningarkenningar setja fram þá tilgátu að hin stöðuga róteind ætti í raun að sundrast með meðallíftíma um 10³¹ ár. Þótt þetta sé ótrúlega langur tími, miklu lengri en aldur alheimsins, má prófa hugmyndina með því að fylgjast með gífurlega mörgum róteindum í einu.

Staðallíkanið og Miklahvellur

Náttúran er full af dæmum þar sem stórsæi og smásæi heimurinn fléttast saman. Newton áttaði sig á því að eðli þyngdaraflsins á jörðinni, sem togar epli til jarðar, gæti útskýrt hreyfingu tunglsins og reikistjarnanna sem eru miklu lengra í burtu. Sundrun örsmárra kjarna útskýrir heitan innviði jarðar. Kjarnasamruni útskýrir sömuleiðis orku stjarna. Í dag virðast mynstrin í öreindafræði vera að útskýra þróun og eðli alheimsins. Og eðli alheimsins hefur afleiðingar fyrir ókönnuð svæði öreindafræðinnar.

Árið 1929 tók Edwin Hubble eftir því að allar vetrarbrautir, nema þær sem eru næstar okkur, sýndu rauðvik í vetnisrófum sínum sem var í réttu hlutfalli við fjarlægð þeirra frá okkur. Með því að beita Doppler-hrifunum áttaði Hubble sig á því að þetta þýddi að allar vetrarbrautir væru að fjarlægjast okkar eigin, og þær sem lengra væru í burtu fjarlægðust enn hraðar. Vitandi að staður okkar í alheiminum væri ekkert einstakari en hver annar, var ályktunin augljós: Rúmið innan alheimsins sjálfs var að þenjast út. Líkt og pennastrik á blöðru sem er blásin upp, var allt í alheiminum að hraða sér í burtu frá öllu öðru.

Mynd 23.21 sýnir hvernig fráhvarf vetrarbrauta lítur út eins og leifar af gífurlegri sprengingu, hinum fræga Miklahvelli. Ef framreiknað er aftur í tímann hefði Miklahvellur átt sér stað fyrir milli 13 og 15 milljörðum ára, þegar allt efni hefði verið í einum punkti. Út frá þessu vakna strax spurningar. Hvað olli sprengingunni? Hvað gerðist fyrir Miklahvell? Var til eitthvað „áður“, eða hófst tíminn þá? Fyrir okkar tilgang er stærsta spurningin varðandi Miklahvell þessi: Hvernig tengist Miklahvellur sameiningu grundvallarkraftanna?

Til að skilja aðstæður í mjög snemmbúnum alheimi til fulls, þarf að átta sig á því að þegar alheimurinn dregst saman í stærð Miklahvells munu breytingar eiga sér stað. Eðlismassi og hitastig alheimsins munu aukast gríðarlega. Þegar eindir færast nær hver annarri verða þær of þétt saman til að vera til eins og við þekkjum þær. Hin mikla orka mun skapa aðrar, óvenjulegri eindir í meira magni. Með þetta í huga skulum við halda áfram frá upphafi alheimsins, byrja á Miklahvelli, eins og sýnt er á mynd 23.22.

Planck-tímabilið (0 → 10⁻⁴³ s) —Þótt vísindamenn geti ekki líkt eftir aðstæðum Planck-tímabilsins á rannsóknarstofu, eru uppi getgátur um að á þessum tíma hafi samþjöppuð orka verið nægilega mikil til að ná þeim gífurlegu 10¹⁹ GeV sem þarf til að sameina þyngdarafl með öllum öðrum kröftum. Afleiðingin er sú að nútíma heimsfræði bendir til þess að allir fjórir kraftarnir hafi verið til sem einn kraftur, fræðilegur ofurkraftur eins og lagt er til í kenningunni um allt (Theory of Everything).

Alsameiningartímabilið (10⁻⁴³ → 10⁻³⁶ s) —Þegar alheimurinn þenst út lækkar hitastigið sem þarf til að viðhalda ofurkraftinum. Þar af leiðandi skilur þyngdaraflið sig frá, og skilur rafveika kraftinn og sterka kjarnakraftinn eftir saman. Á þessum tíma eru rafsegulkrafturinn, veiki krafturinn og sterki krafturinn eins, sem passar við þær aðstæður sem krafist er í alsameiningarkenningunni (Grand Unification Theory).

Verðbólgutímabilið (10⁻³⁶ → 10⁻³² s) - Talið er að aðskilnaður sterka kjarnakraftsins frá rafveika kraftinum á þessum tíma hafi valdið gríðarlegri útþenslu alheimsins. Í samræmi við bröttu skálínuna vinstra megin á mynd 23.22 gæti alheimurinn hafa þanist út um stærðarþáttinn 10⁵⁰ eða meira. Útþenslan var svo mikil að hún átti sér stað hraðar en ljóshraði. Því miður er lítil von til þess að prófa verðbólgusviðsmyndina beint, þar sem hún átti sér stað við orku nálægt 10¹⁴ GeV, langt umfram getu nútímahraðla.

Rafveika tímabilið (10⁻³² → 10⁻¹¹ s) —Nú þegar rafveiki krafturinn er aðskilinn frá bæði þyngdarafli og sterka kjarnakraftinum, er hann til sem stakur kraftur á þessu tímabili. Eins og áður hefur komið fram geta vísindamenn skapað þá orku sem var á þessu stigi í útþenslu alheimsins, og þurfa aðeins 100 GeV, eins og sýnt er á mynd 23.20. W og Z bóson, ásamt Higgs-bóseindir, losna á þessum tíma.

Kvarkatímabilið (10⁻¹¹ → 10⁻⁶ s) —Á kvarkatímabilinu hefur alheimurinn þanist út og hitastig lækkað að því marki að allir fjórir grundvallarkraftarnir hafa aðskilið sig. Auk þess byrjuðu kvarkar að myndast eftir því sem orka minnkaði.

Eftir því sem alheimurinn þandist út tóku fleiri tímabil við og gerðu tilvist sterkeinda, létteinda og ljóseinda mögulega; þetta eru grundvallareindir viðtekna líkansins. Að lokum, við kjarnamyndun, gátu kjarnar myndast og grunnbyggingareiningar atómefnis urðu til. Með því að nota eindahraðla vinnum við í raun aftur á bak í tilraun til að skilja alheiminn. Það er hvetjandi að stórsæjar aðstæður Miklahvells falli vel að smásærri öreindakenningu okkar.

Athugaðu skilning þinn