Αφθαρσία της ύλης

Η αφθαρσία της ύλης ορίζεται συνήθως ως αξίωμα των φυσικών επιστημών (ιδιαιτέρως τής χημείας) σύμφωνα με το οποίο τίποτα το υλικό δεν ξεκινάει από το μηδέν ούτε καταλήγει σε αυτό. Ουσιαστικά το αξίωμα έχει άμεση σχέση με το ουδέν εξ ουδενός.

Αυτό όμως απαιτεί έναν ακριβέστερο ορισμό και επιπλέον συνήθως τού αποδίδεται κάτι πολύ παραπάνω. Συγκεκριμένα, θέλουμε να αποδώσουμε και την έννοια ότι η ύλη κατά βάση διατηρεί κάποιον ιδεατό χαρακτήρα έστω και αν μεταμορφώνεται. Δεν είναι δηλαδή απλώς μια αρχή διατήρησης οπότε θα ταυτιζόταν απλώς με την αρχή διατήρησης της μάζας αλλά μια γενικότερη αντίθεση στη φθορά.

Μια πρώτη παρατήρηση είναι ότι δεν προκύπτει καθόλου εύκολα από την καθημερινή εμπειρία που λέει ότι τα μέταλλα σκουριάζουν, το ξύλο καίγεται και ο σπόρος γίνεται δέντρο. Περισσότερο προκύπτει από τη φιλοσοφική ανάγκη να μην αποδίδουμε τις μεταβολές σε θεϊκές δράσεις αλλά να τις αντιμετωπίζουμε ως φυσικές. Στην αρχαία Ελλάδα τέτοιες ιδέες έγιναν σημαντικό στοιχείο της κοσμοθεώρησης όταν οι φυσικοί φιλόσοφοι προσπάθησαν να μελετήσουν λογικά τη φύση χωρίς να εμπλέκουν τους θεούς.

Ιστορία

Μεγάλη σημασία σε ένα (πολύ τραβηγμένο) είδος αφθαρσίας της ύλης έδιναν πολλοί Έλληνες φιλόσοφοι, όπως οι Ελεάτες φιλόσοφοι. Παράδειγμα η ρήση του Αναξίμανδρου Από εκεί που τα όντα παίρνουν την αρχή τους, αναγκαστικά εκεί πρέπει να καταλήγει και κατά την φθορά τους. Γιατί αυτά τιμωρούνται και πληρώνουν τίμημα το ένα στο άλλο για την αδικία σύμφωνα με τη σειρά του χρόνου. [Εξ ων δ' η γένεσίς εστι τοις ούσι, και την φθοράν εις ταυτα γίνεσθαι κατά το χρεών. Διδόναι γαρ αυτά δίκην και τίσιν αλλήλοις της αδικίας κατά την του χρόνου τάξιν].

Σύμφωνα με τους Ελεάτες το ον δεν μπορεί λογικά παρά να είναι άφθαρτο και αιώνιο αφού η δημιουργία είναι κάτι άτοπο. Οι Ελεάτες υποβίβαζαντου την αξία των αισθήσεων που τις θεωρούσαν ασυνεπείς και μόνο η λογική ήταν μέτρο της αλήθειας γι' αυτούς. Αρνούμενοι την ύπαρξη του κενού (μη ον) κατέληγαν ότι τα πάντα είναι ένα και αυτό είναι η μόνη αλήθεια και φαίνεται τελικά να απέρριπταν κάθε είδους κίνηση και μεταβολή. Το βασικό μειονέκτημα αυτής της θεωρίας είναι ότι δεν φαίνεται πώς εξηγεί την πραγματικότητα όπως την αντιλαμβανόμαστε.

Οι θεωρίες των φυσικών φιλοσόφων που υποστήριζαν την κίνηση και τη μεταβολή δέχονταν ουσιαστικά ότι τίποτα δεν προκύπτει από το τίποτα και ουσιαστικά απλώς χρησιμοποιούσαν μια δική τους εκδοχή της αφθαρσίας της ύλης. Ο Ηράκλειτος για παράδειγμα θεωρούσε ως το στοιχείο αρχή των πάντων τη φωτιά. Ο "θάνατος" της φωτιάς είναι ο αέρας, ο θάνατος του αέρα είναι το νερό και ο θάνατος του νερού είναι η γη. Οι μεταβολές όμως γίνονται πάντα σύμφωνα με τον λόγο. (Ο λόγος ουσιαστικά παίζει ένα ρόλο αρχής διατήρησης και αυτός είναι "άφθαρτος". Είναι σαφές ότι για τον Ηράκλειτο τα στοιχεία δεν έχουν καθόλου το νόημα των στοιχείων όπως τα όρισε ο Λαβουαζιέ αλλά περισσότερο έχουν ένα νόημα που ταιριάζει στις φάσεις της ύλης ,όπως οι τέσσερις σύγχρονες φάσεις πλάσμα, αέρια, υγρή, στερεή).

Την πρώτη καλά ορισμένη αρχή αφθαρσίας της ύλης την όρισαν ουσιαστικά οι αρχαίοι Έλληνες ατομικοί φιλόσοφοι. Σύμφωνα με αυτήν, το σύμπαν αποτελείται από άτομα και κενό. Το κενό είναι άψαυστο αλλά υπάρχει. Τα άτομα είναι άφθαρτα και αιώνια αλλά αόρατα στο ανθρώπινο μάτι ως μικροσκοπικά. Κάθε σώμα που παρατηρούμε ή αισθανόμαστε (όπως ο αέρας) αποτελείται από άτομα. Τα άτομα όταν δεν επηρεάζονται από άλλα άτομα κινούνται αιωνίως ευθύγραμμα αλλά με κάποιο τρόπο μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους είτε απλώς αλλάζοντας κατεύθυνση είτε σχηματίζοντας μορφές μέσα στις οποίες η κίνησή τους είναι παλμική.

Η φυσική φιλοσοφία των ατομικών φιλοσόφων ενδιαφέρεται πάρα πολύ να εξηγήσει λογικά την παρατήρηση και τις αισθήσεις (σε αντίθεση με τους Ελεάτες). Διασημότερος εκφραστής της ήταν ο Δημόκριτος (γενικά σε αυτόν και στον Λεύκιππο αποδίδεται συνήθως η ιδέα). Την ιδέα προτίμησαν οι Επικούρειοι καθώς ήταν η θεωρία που προσπαθούσε περισσότερο να εξηγήσει υλιστικά την λειτουργία του κόσμου. Η ιδέα όμως κυνηγήθηκε για τον ίδιο λόγο από πολλούς (για παράδειγμα, από τον Πλάτωνα λόγω της ιδεαλιστικής φιλοσοφίας του και, αργότερα, από τον Χριστιανισμό λόγω του ηθικού σχετικισμού που συνεπαγόταν και την άρνηση της αθανασίας της ψυχής). Το τεράστιο έργο ειδικά του Δημόκριτου δεν σώζεται καθόλου. Ιδιαιτέρως στην Δύση (τον μεσαίωνα) δεν είχε καμία τύχη καθώς θεωρείτο αντίθετη στην αυθεντία του Αριστοτέλη. Σήμερα διατυπώνεται συχνά η άποψη ότι ο Δημόκριτος υποστήριζε την ατομική θεωρία χωρίς να διαθέτει καθόλου τις πειραματικές ενδείξεις που επενέφεραν την ατομική θεωρία στο προσκήνιο αλλά με δεδομένο ότι ήταν πολυγραφότατος και ότι οι ατομικοί φιλόσοφοι ενδιαφέρονταν πολύ για την περιγραφή της πραγματικότητας των αισθήσεων, η θέση αυτή θα έπρεπε να αμφισβητείται.

Το δέκατο όγδοο αιώνα ο Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ όρισε εκ νέου τα στοιχεία ως τα συστατικά που είναι αδύνατο να χωριστούν σε άλλα με οποιαδήποτε γνωστή χημική διαδικασία. Τα συστατικά αυτά είναι άφθαρτα (δεν καταστρέφονται και δεν δημιουργούνται από το τίποτα) και η ποσότητά τους μπορεί να μετρηθεί από την μάζα τους η οποία διατηρείται. Αυτή η αντιμετώπιση του προβλήματος ουσιαστικά ξεδιάλυνε τις έννοιες της χημείας δίνοντας τεράστια ώθηση στην ανάπτυξή της. Τελικά η επιστήμη επέστρεψε στην ατομική υπόθεση.

Κλασική μηχανική

Ίσως ακούγεται κάπως παράξενο αλλά κατά κάποιον τρόπο η κλασσική μηχανική είναι στην πραγματικότητα ασύμβατη με την αφθαρσία της ύλης. Η κλασσική μηχανική βεβαίως απαιτεί την διατήρηση της μάζας και από αυτήν την άποψη δεν έρχεται σε αντίθεση στους νόμους του Λαβουαζιέ. Το πρόβλημα βρίσκεται στο γεγονός ότι η κλασική μηχανική αδυνατεί ουσιαστικά να πει οτιδήποτε για την δομή της ύλης. Η κλασσική μηχανική μελετά την κίνηση αντικειμένων αλλά το πρόβλημα της σύνθεσης τους το "κρύβει κάτω από το χαλί" ελπίζοντας πως κανείς δεν θα το προσέξει. Μια πρώτη υπόθεση θα μπορούσε να είναι ότι η ύλη μπορεί να διαιρείται επ' άπειρον σε όλο και μικρότερα τεμάχια. Ίσως δεν είναι και τόσο προφανές αλλά αυτή η υπόθεση έρχεται σε ισχυρή αντίθεση με την αφθαρσία της ύλης και αυτό γιατί η ύλη με την δυνατότητα να διαιρείται επ΄ άπειρον δεν θα μπορούσε να σχηματίζει σταθερές δομές αλλά θα διαλυόταν από μόνη της. Η εναλλακτική υπόθεση είναι ότι η ύλη αποτελείται από άτομα, δηλαδή διακριτά στοιχεία ύλης που για κάποιον λόγο έχουν το χαρακτηριστικό που λέει το όνομά τους. Η κλασσική μηχανική έχει ουσιαστική αδυναμία να προσφέρει κατανόηση της ατομικής φύσης της ύλης. Σε κάποιο βαθμό μπορούμε να έχουμε κάποιες επιτυχίες χρησιμοποιώντας την κλασσική στατιστική μηχανική αλλά γρήγορα θα βρεθούμε μπροστά σε φαινόμενα που θα αδυνατούμε να εξηγήσουμε ή χειρότερα θα αδυνατούμε να περιγράψουμε.

Η παρατήρηση ότι τα άτομα δεν μπορούν απλώς να συγκρούονται αλλά θα πρέπει να έχουν κάποιο "σχήμα" που θα τους επιτρέπει να συνδυάζονται με κατάλληλο τρόπο ώστε να δομούν τις μορφές που παρατηρούμε είχε γίνει ήδη από την αρχαιότητα. (Πλάτωνας)

Η τεχνική δυνατότητα για την πειραματική διερεύνηση της δομής του ατόμου δημιουργήθηκε με την ανακάλυψη της ραδιενέργειας (1894) και ειδικότερα της ακτινοβολίας -α. Πρόκειται για το γνωστό πείραμα του Ράδερφορντ που οδήγησε στο συμπέρασμα ότι σχεδόν το σύνολο της ατομικής μάζας βρίσκεται σε έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα ενώ τα ηλεκτρόνια που αποτελούν το αρνητικό φορτίο τριγυρνούν στον υπόλοιπο όγκο του ατόμου. Για την κλασσική μηχανική αυτό το "πλανητικό" μοντέλο είναι απαράδεκτο ως ασταθές. Τα ηλεκτρόνια θα έπρεπε κινούμενα να ακτινοβολούν και να χάνουν διαρκώς ενέργεια, αλλά αυτό δεν είναι το μεγαλύτερο πρόβλημα.

Το ότι είμαστε αναγκασμένοι ουσιαστικά να εγκαταλείψουμε την κλασσική μηχανική αν επιθυμούμε να μελετήσουμε καλύτερα την ύλη το έδειξε πρώτος ο Νιλς Μπορ:

Με τον όρο σταθερότητα εννοείται ότι, οι ίδιες ουσίες έχουν πάντα τις ίδιες ιδιότητες, σχηματίζονται οι ίδιοι κρύσταλλοι, οι ίδιες χημικές ενώσεις κ.ο.κ. Με άλλα λόγια, ακόμα και ύστερα από πληθώρα μεταβολών λόγω εξωτερικών επιδράσεων, ένα άτομο σιδήρου, με τις ίδιες ακριβώς, όπως και πριν, ιδιότητες. Αυτό δεν μπορεί να εξηγηθεί με τις αρχές της κλασσικής μηχανικής, σίγουρα δεν μπορεί, αν το άτομο ήταν παρόμοιο με πλανητικό σύστημα. Η φύση έχει σαφώς την τάση να παράγει ορισμένες μορφές - χρησιμοποιώ την λέξη μορφές στην πιο γενική της έννοια - και να αναδημιουργεί αυτές τις μορφές ακόμα και όταν παραμορφώνονται ή καταστρέφονται.

Ας σταματήσουμε λίγο εδώ και ας κάνουμε μια σύγκριση. Τα πλανητικά συστήματα είναι πολύ απομακρυσμένα μεταξύ τους, τόσο που οι μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις μπορούν να αγνοηθούν. Ένα πλανητικό σύστημα περνά την ζωή του αδιατάρακτο από εξωτερικές επιδράσεις σε κάποια γωνιά του αχανούς σύμπαντος. Στον μικρόκοσμο των ατόμων όμως η εικόνα δεν έχει καμία σχέση με αυτήν την κοσμική αταραξία. Τα άτομα βρίσκονται σε μια αδιάκοπη θερμική κίνηση με εκατομμύρια αμοιβαίες κρούσεις ανά δευτερόλεπτο. Αν φανταστούμε έστω και μια ανάλογη κρούση ανάμεσα σε δυο πλανητικά συστήματα, τότε δεν θα έμενε κυριολεκτικά τίποτα στην θέση του.

Ο πρώτος που προσπάθησε κάπως σοβαρά να δώσει μια θεωρία που να περιγράφει αυτό το εκπληκτικό φαινόμενο, και ταυτοχρόνως να εξηγήσει και άλλα φαινόμενα, ήταν ο Μπορ:

Αφετηρία μου δεν ήταν καθόλου η ιδέα ότι, το άτομο είναι ένα πλανητικό σύστημα σε μικρή κλίμακα και σαν τέτοιο ότι διέπεται από τους νόμους της αστρονομίας. Ποτέ δεν πήρα στα σοβαρά αυτήν την αναλογία κατά γράμμα. Αφετηρία μου ήταν μάλλον η σταθερότητα τής ύλης. Ένα καθαρό θαύμα αν το δει κανείς από την σκοπιά τής κλασικής φυσικής.

Κβαντική μηχανική

Όμως παρόλο που είναι τρέλα έχει μια μέθοδο μέσα της.

Χάϊζενμπεργκ

Στην προσπάθεια της μελέτης τής συμπεριφοράς της ίδιας τής δομής τής ύλης έγινε σαφές ότι όλο και περισσότερο έπρεπε να εγκαταλειφθεί η κλασσική μηχανική. Οι ιδέες της φυσικής συνέχειας ακλόνητες από την εποχή τού Αριστοτέλη εμφανίζονταν προβληματικές όσο ποτέ. Δεν είναι μόνο η ίδια η ατομική υπόθεση αλλά και μεγέθη όπως η στροφορμή εμφανίζονται στην νέα μηχανική που αναδύεται να επιδέχονται μόνο συγκεκριμένες τιμές και μια νέα σταθερά δράσης (η σταθερά του Πλανκ) συνδέει τις αποστάσεις με τις ορμές.

Τελικά η επιστήμη οδηγήθηκε σε μια νέα μηχανική (την κβαντομηχανική) όπου οι καταστάσεις των σωματιδίων περιγράφονται με τελείως διαφορετικό φορμαλισμό από αυτόν τής κλασσικής μηχανικής. Στην κλασσική μηχανική η κατάσταση ενός σωματιδίου περιγράφεται από την θέση του στον χώρο και την ορμή του. Στην κβαντική μηχανική ένα σωματίδιο δεν περιγράφεται από την θέση του ή την ορμή του αλλά θέσεις και ορμές παριστάνονται από τελεστές που δρουν στην κατάστασή του. Μπορούμε να έχουμε στην διάθεσή μας μέσες τιμές των μεγεθών αυτών και την διασπορά τους. Η διακριτοποίηση προκύπτει με φυσικό τρόπο από την μελέτη των ιδιοτιμών. Η συνηθέστερη αναπαράσταση είναι με τις λεγόμενες κυματοσυναρτήσεις χρησιμοποιώντας την κυματική αναλογία.

Η κβαντική μηχανική ουσιαστικά πετυχαίνει να περιγράψει το φαινόμενο της σταθερότητας των μορφών που σχηματίζει η ύλη.

Μη σχετικιστική κβαντομηχανική

Στην μη σχετικιστική κβαντομηχανική ο νόμος είναι η εξίσωση Σρέντιγκερ. Ίσως η σημαντικότερη ιδιότητα αυτής της εξίσωσης είναι ότι διατηρεί την συνολική πιθανότητα σε όλον τον χώρο. Ίσως δεν είναι τόσο εμφανές το συμπέρασμα αλλά ουσιαστικά αυστηρότερη εξασφάλιση της αφθαρσίας της ύλης δεν θα μπορούσαμε να ελπίζουμε. Ουσιαστικά αυτή η ιδιότητα μας λέει ότι ένα σωματίδιο δεν μπορεί ποτέ να καταστραφεί ή να δημιουργηθεί. Τα σωματίδια είναι άφθαρτα.

Σχετικιστική κβαντομηχανική

Παρόλο που σε πάρα πολλές περιπτώσεις η εξίσωση Σρέντιγκερ είναι πολύ ικανοποιητική και σε κάποιες ακόμα δεν χρειάζεται απαραιτήτως εγκατάλειψή της αλλά είναι αρκετές κάποιες "σχετικιστικές διορθώσεις" όταν ασχολούμαστε με την φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων είναι αναγκαία μια εξίσωση που να είναι κάπως συμβατή με την ειδική σχετικότητα. Έχουμε την εξίσωση Ντιράκ. Αυτή όμως δεν διατηρεί την πιθανότητα. Τα στοιχειώδη σωμάτια δεν είναι άφθαρτα αλλά ικανά να διασπαστούν αυθορμήτως. Η αφθαρσία της ύλης μοιάζει να καταρρέει αλλά ευτυχώς συνεχίζουν να βρίσκονται σε ισχύ οι αρχές διατήρησης.

Έχουμε την αρχή διατήρησης τής ενέργειας και τής ορμής. Σύμφωνα με την ειδική σχετικότητα η μάζα του μητρικού σωματίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το άθροισμα των μαζών των θυγατρικών. Αυτό δεν φαίνεται να μας βοηθάει και πολύ καθώς φαίνεται η ύλη να μπορεί να διαλυθεί σε σωματίδια μηδενικής μάζας. Έχουμε όμως ακόμα και την αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου.

Τι εμποδίζει όμως το πρωτόνιο να διασπαστεί σε ένα ποζιτρόνιο (και σε φωτόνια ή και νετρίνα); Με τέτοιου είδους διασπάσεις η ύλη ουσιαστικά θα αυτοκαταστρεφόταν. Μια δυνατή διάσπαση είναι του νετρονίου σε πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο (και αντινετρίνο). Αυτή είναι δυνατή καθώς το νετρόνιο είναι βαρύτερο ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου μαζί. Απαιτείται όμως αρκετός χρόνος. Το νετρόνιο έχει αρκετά σημαντικό χρόνο ημιζωής. Γενικά το κάθε σωματίδιο έχει τον δικό του χρόνο ημιζωής που έχει σχέση με την διαδικασία βάσει της οποίας διασπάται (σωματίδια για παράδειγμα με την λεγόμενη παράξενη γεύση ζουν περισσότερο από αυτό που κανονικά θα αναμενόταν και αυτό αποδίδεται στην διατήρηση της παραξενιάς η οποία όμως δεν είναι απόλυτη). Σε όλες τις γνωστές αντιδράσεις και διασπάσεις ο λεγόμενος "βαρυονικός αριθμός" διατηρείται πάντα (το πρωτόνιο έχει 1, το νετρόνιο έχει επίσης 1, το αντιπρωτόνιο και το αντινετρόνιο από -1, ηλεκτρόνια, μυόνια, πιόνια, φωτόνια, νετρίνα έχουν από 0).

Το ελαφρύτερο στοιχειώδες σωμάτιο με βαρυονικό αριθμό είναι το πρωτόνιο και έτσι δεν διασπάται χωρίς να παραβιάσει αυτήν την αρχή διατήρησης. Μπορούμε είτε να υποθέσουμε ότι δεν διασπάται ποτέ, είτε να υποθέσουμε ότι έχει τεράστιο χρόνο ζωής (μεγαλύτερο για παράδειγμα από την ηλικία του σύμπαντος) ώστε μπορούμε να το λογαριάζουμε ως άφθαρτο.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια όμως μπορούν να αλληλεπιδρούν με την λεγόμενη ισχυρή πυρηνική δύναμη σχηματίζοντας σωμάτια που λόγω του ελλείματος μάζας είναι σταθερά και αδύνατον να διασπαστούν από μόνα τους. Αυτά είναι οι πυρήνες των ατόμων. Στη φύση εντοπίζουμε είτε τους απολύτως σταθερούς πυρήνες είτε πυρήνες που δημιουργούνται εξαιτίας της κοσμικής ακτινοβολίας είτε πυρήνες που αν και ραδιενεργοί έχουν αρκετά μεγάλο χρόνο ζωής (όπως το ουράνιο) ώστε να έχουν επιζήσει στα δισεκατομμύρια χρόνια της ηλικίας της γης (είτε πυρήνες αποτέλεσμα της ραδιενέργειας αυτών) και από τον εικοστό αιώνα έχουμε και πυρήνες αποτέλεσμα της ενασχόλησης του ανθρώπου. Οι ενέργειες της χημείας δεν είναι αρκετές για πυρηνικές μεταστοιχειώσεις και έτσι η αφθαρσία της ύλης όπως διατυπώθηκε από τον Λαβουαζιέ δεν κινδυνεύει.