Η σκοτεινή ύλη ως υπερρευστό

O όρος σκοτεινή ύλη χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά πριν από περίπου 80 χρόνια από τον αστρονόμο Fritz Zwicky, ο οποίος συνειδητοποίησε πως απαιτείται κάποια αόρατη βαρυτική δύναμη για να μην διαφεύγουν οι μεμονωμένοι γαλαξίες από τα γιγάντια σμήνη γαλαξιών. Αργότερα, η Vera Rubin και ο Kent Ford χρησιμοποίησαν την έννοια της αόρατης σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουν πως οι ίδιοι οι γαλαξίες συγκρατούν τα συστατικά τους και δεν διαλύονται εξαιτίας της γρήγορης περιστροφής τους.

Παρότι χρησιμοποιούμε κατά κόρον την έννοια της σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουμε διάφορες καταστάσεις που παρατηρούμε, στην ουσία δεν κατανοούμε την πραγματική φύση της σκοτεινής ύλης. Ένα απλό θεωρητικό μοντέλο που επιχειρεί να ερμηνεύσει την φύση της υποστηρίζει πως η σκοτεινή ύλη συνίσταται από σωματίδια που αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη και κινούνται αργά υπό την επίδραση της βαρύτητας. Αυτή η αποκαλούμενη «ψυχρή» σκοτεινή ύλη περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια τις δομές μεγάλης κλίμακας όμως τα σμήνη γαλαξιών. Όμως, δυστυχώς μάλλον αποτυγχάνει στην περιγραφή των καμπυλών περιστροφής των μεμονωμένων γαλαξιών. Η σκοτεινή ύλη φαίνεται πως λειτουργεί διαφορετικά στην κλίμακα αυτή.

Σε μια πρόσφατη προσπάθεια επίλυσης αυτού του αινίγματος, δυο φυσικοί υποστηρίζουν πως η σκοτεινή ύλη έχει την δυνατότητα μετατροπών φάσης σε διαφορετικές κλίμακες. Οι φυσικοί Justin Khoury, στο πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνιας και ο Lasha Berezhiani, στο πανεπιστήμιο του Πρίνστον ισχυρίζονται ότι στο ψυχρό και πυκνό περιβάλλον της γαλαξιακής άλω η σκοτεινή ύλη συμπυκνώνεται σε ένα υπερρευστό – μια εξωτική κβαντική κατάσταση της ύλης με μηδενικό ιξώδες. Αν η σκοτεινή ύλη μετασχηματίζεται σε υπερρευστό στην γαλαξιακή κλίμακα, τότε υπεισέρχεται μια νέα δυναμική που θα ερμήνευε τις παρατηρήσεις που αδυνατεί να εξηγήσει το μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Στην τεράστια κλίμακα των σμηνών γαλαξιών απουσιάζουν οι ειδικές συνθήκες που απαιτούνται για την δημιουργία μιας υπέρρευστης κατάστασης και η σκοτεινή ύλη συμπεριφέρεται όπως η συμβατική ψυχρή σκοτεινή ύλη.

«Είναι μια κομψή ιδέα» λέει ο Tim Tait, φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων σε πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας. Υπάρχουν δυο διαφορετικές φάσεις της σκοτεινής ύλης και αυτή η ιδέα θα μπορούσε να ερευνηθεί σύντομα πειραματικά. Μπορεί τελικά ο γαλαξίας μας να πλέει μέσα σε μια θάλασσα υπερρευστού.

Η απίστευτη συμπεριφορά των υπερρευστών

Tα υπερρευστά δημιουργούνται στα εργαστήρια από το 1938 και απαιτούνται πολύ χαμηλές θερμοκρασίες για να εκδηλωθούν μακροσκοπικά οι κβαντικές τους ιδιότητες. Ο πρώτος που παρατήρησε υπερρευστό στο εργαστήριο ήταν ο Ολλανδός φυσικός Kamerlingh Onnes. Στα πειράματά του παρατήρησε πως το υγρό ήλιο κάτω από την θερμοκρασία των 2,17 Κ εμφάνιζε εξωτικές ιδιότητες. Ο βρασμός του ηλίου σταματούσε και το υγρό παρέμενε εντελώς ακίνητο. Οι ιδιότητές του άλλαζαν δραματικά, για παράδειγμα το ιξώδες του μειωνόταν απότομα κατά ένα εκατομμύριο φορές! Το υγρό ήλιο κάτω από την κρίσιμη αυτή θερμοκρασία μπορεί να ανεβαίνει στα τοιχώματα του δοχείου που το περιέχει και να χύνεται από το χείλος του προς τα έξω, και αντιστρόφως.



Κι όμως ο Onnes δεν ανακοίνωσε την μεγάλη αυτή ανακάλυψη, ίσως γιατί δεν πίστευε αυτό που έβλεπε.


Το υπερρευστό ήλιο και η συμπύκνωση Bose
Τα μυστηριώδη φαινόμενα που εμφανίζει το υπερρευστό ήλιο έχουν την βάση τους στον διαχωρισμό των βασικών σωματιδίων της ύλης σε φερμιόνια (ημιακέραιο σπιν) και μποζόνια (ακέραιο σπιν). Τα φερμιόνια (π.χ. ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια και γενικότερα τα σωματίδια της «ύλης») υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli, κάτι που αρνούνται πεισματικά τα μποζόνια ( π.χ. φωτόνια, γλοιόνια και γενικότερα οι φορείς των δυνάμεων). Ο ινδός φυσικός Sateyndra Bose (εξού και το όνομα μποζόνια), σε συνεργασία με τον Albert Einstein το 1924 διατύπωσαν την θεωρία της συμπύκνωσης των μποζονίων στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση: κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, τα μποζόνια «συμπυκνώνονται» χωρίς την επενέργεια ελκτικών δυνάμεων. Αρχικά το φαινόμενο αυτό θεωρήθηκε πως ήταν εντελώς θεωρητικό, μέχρι το 1938 όταν οι πειραματικοί τόλμησαν να δημοσιεύσουν τις παρατηρήσεις τους σχετικά με το υγρό ήλιο. Το ήλιο περιέχει στον πυρήνα του δυο πρωτόνια και δυο νετρόνια, τα οποία είναι φερμιόνια με ημιακέραιο σπιν.

Συνολικά όμως το σπιν του 4He είναι ακέραιος αριθμός, συνεπώς συμπεριφέρεται ως μποζόνιο. Οι ιδιότητες του υγρού ηλίου κάτω από την θερμοκρασία των 2 Κ είναι αποτέλεσμα της «συμπύκωνσης» των ατόμων του ηλίου στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Τότε όλα τα άτομα βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση, κι αυτό εμφανίζεται στην συμπεριφορά τους ως μια μορφή «συνεργασίας» προκαλώντας τις εξωτικές ιδιότητές. Δεν είναι τίποτε άλλο παρά άλλη μια εκδήλωση των ιδιομορφιών της κβαντικής στον μακρόκοσμο.

Συνέχεια
https://physicsgg.me/2017/06/18/%ce%b7-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%ce%ae-%cf%8d%ce%bb%ce%b7-%cf%89%cf%82-%cf%85%cf%80%ce%b5%cf%81%cf%81%ce%b5%cf%85%cf%83%cf%84%cf%8c/