“Οι 7 Ιδέες-Κλειδιά της Μοντέρνας Φυσικής” – Άρθρο του Καθηγητή Σπύρου Μαργέτη

Γράφει ο Σπύρος Μαργέτης*

Καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο ΚΕΝΤ των Η.Π.Α. 

Η Σύγχρονη Φυσική έχει εισάγει στη ζωή μας μερικές καινούργιες ιδέες και έννοιες οι οποίες έχουν αλλάξει ρηξικέλευθα και βαθιά τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε και κατανοούμε το κόσμο.

Οι ιδέες αυτές αντικατέστησαν άλλες παλιότερες ιδέες και είναι σχεδόν σίγουρο ότι στο μέλλον θα αντικατασταθούν και αυτές από άλλες ιδέες, πιο ευρύτερες και περιεκτικές.

Ίσως γιατί είναι η μοίρα των ιδεών να εξελίσσονται!

Παραθέτουμε εδώ περιληπτικά μερικές από αυτές τις ιδέες με την ελπίδα ότι θα μας εμπνεύσουν. Σε μελλοντικά άρθρα θα ασχοληθούμε περισσότερο και σε βάθος σε κάποιες από αυτές.

1. Η ιδέα της Παγκοσμιότητας: οι νόμοι της φυσικής φαίνεται να είναι συμπαντικοί.

Παραφράζοντας τον Αϊνστάιν: “το θαύμα δεν βρίσκεται στο ποιοι είναι οι νόμοι του Σύμπαντος αλλά στο ότι υπακούει σε νόμους“.

Η ιδέα είναι σχετικά απλή: Οι νόμοι της Φυσικής είναι οι ίδιοι παντού, εδώ στην Γη, στον Σείριο, κοντά στο κέντρο του Γαλαξία μας ή δίπλα σε μια μαύρη τρύπα. Δεν εξαρτώνται δηλαδή από τη θέση μας στο Σύμπαν. Επιπλέον δεν εξαρτώνται από τον χρόνο· είναι οι ίδιοι νόμοι που ίσχυαν χθες ή πριν από ένα δισεκατομμύριο χρόνια.

Θα αναρωτηθεί κανείς γιατί να είναι έτσι. Η εξήγηση δεν είναι απλή και θα επανέλθουμε σε αυτό το θέμα μια άλλη στιγμή. Για την ώρα ας πούμε ότι έτσι είναι η Φύση. Πάντως το γεγονός του ότι οι νόμοι είναι παντού οι ίδιοι κάνει τη ζωή μας πιο εύκολη, καθώς προσπαθούμε να τους μελετήσουμε. Φανταστείτε ένα Σύμπαν με νόμους οι οποίοι αλλάζουν από το ένα μέρος στο άλλο· η μελέτη και καταγραφή τους θα ήταν εφιάλτης.

Ο Νόμος της Παγκοσμιότητας βρίσκεται πίσω από κάθε επιστημονικό εγχείρημα. Για παράδειγμα δεν θα μπορούσαμε να πάμε στο Φεγγάρι ή αργότερα στον Άρη, εάν δεν είμαστε σίγουροι ότι ο νόμος της βαρύτητας είναι ο ίδιος εκεί. Ούτε θα ψάχναμε για εξωπλανητικά συστήματα ή εξωγήινους εάν η ζωή και η φύση ακολουθούσαν τελείως διαφορετικούς νόμους.

Όταν ο Νεύτωνας εμπνεύστηκε το νόμο της βαρύτητας, αυτό που αντιλήφθηκε δεν ήταν ότι το μήλο πέφτει επειδή υπάρχει η βαρύτητα, ο καθένας το ξέρει αυτό από εμπειρία. Αντιλήφθηκε τη παγκοσμιότητα του νόμου αυτού, το ότι η ίδια δύναμη που επιδρά στο μήλο είναι αυτή που κρατά το Φεγγάρι και τους Πλανήτες σε τροχιά γύρω από το Ήλιο, αποκαλύπτοντας με αυτό το τρόπο την δυναμική αιτία της ουράνιας μηχανικής.

2. Η ιδέα της μεγάλης Ενοποίησης: υπάρχουν ισχυρές ενδείξεις ότι τελικά όλα τα βασικά στοιχεία του κόσμου (σωματίδια, δυνάμεις αλλά ακόμη και ο χώρο-χρονικός καμβάς) είναι στη βάση τους αδιαχώριστα έχοντας κοινή καταγωγή.

Το βασικό στοιχείο αυτής της ιδέας είναι η πεποίθηση ότι η φαινομενική πληθώρα των στοιχείων, ατομικών και υποατομικών, και των δυνάμεων της φύσης δεν είναι παρά όψεις, εκδηλώσεις της ίδιας βασικής ουσίας, μιας βασικής δυναμικότητας. Η φύση και οι ιδιότητές της παραμένουν ακόμη μυστήριο.

Όλα ξεκίνησαν με τις διατύπωση των εξισώσεων του Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό και τη φύση του φωτός, όπου γίνεται η ενοποίηση δύο δυνάμεων αρχικά άσχετων, της ηλεκτρικής και μαγνητικής δύναμης, σε μία, την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Συνέχισε με την ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με την ασθενή δύναμη, τη δύναμη πίσω από όλα τα ραδιενεργά φαινόμενα…και εδώ είναι το σημείο όπου βρισκόμαστε σήμερα. Από εδώ και πέρα υπάρχει μια πληθώρα ενδείξεων, επιχειρημάτων και θεωριών για να ενωθεί μαζί της και η πυρηνική ή ισχυρή δύναμη καθώς και η δύναμη της βαρύτητας. Σε αυτές τις θεωρίες δίνουμε το συλλογικό όνομα ‘Θεωρίες της Μεγάλης Ενοποίησης‘ ή ‘Θεωρίες των Πάντων’! Σε αυτά τα εγχειρήματα οι θεωρητικοί φυσικοί δοκιμάζουν πολλές εκπλήξεις αλλά και αποτελέσματα άπειρης ομορφιάς.

Η πιο ευρέως γνωστή θεωρία των πάντων είναι η θεωρία των Υπερχορδών. Ανήκει στη κατηγορία των λεγόμενων υπερ-συμμετρικών θεωριών (δηλ. υποθέτει την ύπαρξη κάποιων συμμετριών που η ύπαρξή τους δεν έχει αποδειχθεί ακόμη αν και οι επιστήμονες τις ψάχνουν π.χ. στον LHC επιταχυντή στο κέντρο ερευνών CERN στη Γενεύη που ανακάλυψε το λεγόμενο «σωματίδιο του Θεού»). Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, το ζητούμενο θεμελιακό σωματίδιο ονομάζεται ‘υπερ-χορδή’ ή ‘υπερ-μεμβράνη’ η οποία πάλλεται σε δέκα διαστάσεις. Ανάλογα με τη ‘νότα’ που πάλλεται η χορδή αυτή εκδηλώνεται στον τρισδιάστατο κόσμο μας σαν ηλεκτρόνιο, φως, πυρηνική δύναμη κτλ.

Μια έκδοση της θεωρίας υποθέτει ότι υπάρχει μια μόνο δύναμη, η βαρύτητα, η οποία δρα σε ανώτερες διαστάσεις και χώρους και το ότι οι τρισδιάστατες φαινομενικές δυνάμεις που παρατηρούμε δεν είναι τίποτε άλλο παρά ολογραφικές προβολές των εκεί συμβαινόντων στον περιορισμένο χωροχρονικά κόσμο μας.

Αλλά οι πτήσεις των θεωρητικών φυσικών δεν σταματούν εκεί. Υπάρχουν θεωρίες [κυρίως από Ρώσσους φυσικούς] με τελείως αφηρημένες υποθέσεις, όπου το θεμελιώδες ‘κάτι’ είναι τελείως άυλο, ένας απλός αριθμός! Έτσι η θεωρία των πάντων ταυτίζεται με την θεωρία των αριθμών σε ένα τελειωτικό πάντρεμα του νου και της ύλης, της λογικής και της φύσης του κόσμου! Είναι η στιγμή που ο Πυθαγόρας μπαίνει στη σκηνή με το μονόχορδό του σκορπίζοντας θεία αρμονία!

Ότι και να είναι πάντως αυτό το έσχατο θεμέλιο του κόσμου, χορδή, ολογραφία ή αριθμός, παραμένει ακόμη κρυμμένο. Ένα υπέροχο βιβλίο για το κοινό πάνω στο θέμα αυτό έχει γράψει ο Brian Green: Το κομψό σύμπαν [the elegant universe].

3. Συμμετρίες και οι Νόμοι της Διατήρησης: Φαίνεται ότι κάθε φορά που η φύση παραμένει αδιάφορη στις επιλογές μας, δηλαδή κάθε φορά που έχουμε την ελευθερία να διαλέξουμε και ο νόμος που μελετάμε να μην επηρεάζεται, τότε κάτι, μια φυσική ποσότητα είναι διατηρήσιμη, δηλαδή παραμένει αναλλοίωτη μέσα στο χρόνο.

Η ιδέα αυτή αφορά σε ένα παράξενο χαρακτηριστικό της φύσης, την ύπαρξη ορισμένων συμμετριών οι οποίες φαίνεται να είναι μέσα στη φύση των νόμων που την διέπουν. Όταν υπάρχει απόλυτη συμμετρία τότε όλα είναι απορροφημένα σε μια ενοποιημένη κατάσταση, δεν υπάρχει διαφοροποίηση, ούτε εκδήλωση. Στην απόλυτη συμμετρία δεν υπάρχει διαχωρισμός σωματιδίων και δυνάμεων (όπως αναφέραμε παραπάνω), δεν υπάρχει διαχωρισμός μεταξύ ηλεκτρονίων και κουάρκς, δεν υπάρχει διαχωρισμός μεταξύ ‘εγώ’ και ‘εσύ’. Το γεγονός της πολλαπλότητας και του διαχωρισμού αποδεικνύει το ότι η φύση είναι σε μια «ατελή» κατάσταση, το ότι διάφορες συμμετρίες έχουν ‘σπάσει’.

Στη φυσική η έννοια της συμμετρίας σε ένα νόμο, σημαίνει ότι υπάρχει κάποιο είδος ελευθερίας επιλογής από τη μεριά μας η οποία δεν ‘ενοχλεί’ τη φύση, την αφήνει αδιάφορη, έτσι ώστε ο νόμος να μην επηρεάζεται. Για παράδειγμα όταν κάνω ένα πείραμα μπορώ να στήσω το εργαστήρι μου εδώ ή εκεί, να κάνω το πείραμα σήμερα ή αύριο, να προσανατολίσω τα όργανά μου προς αυτή ή την άλλη διεύθυνση. Γνωρίζω ότι ο νόμος που θα μελετήσω (ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα για παράδειγμα) θα είναι πάντα ο ίδιος. Είναι δηλαδή ‘συμμετρικός’ σε ότι αφορά τη ‘θέση’ στο διάστημα, την ‘αρχή’ του χρόνου, την ‘διεύθυνση’ στο χώρο. Αυτό δεν είναι και τόσο παράξενο, το περίεργο είναι ότι κάθε φορά που υπάρχει κάποια συμμετρική συμπεριφορά των νόμων τότε κάποιες φυσικές ποσότητες θα παραμένουν αναλλοίωτες στο χρόνο. Αυτό ακούγεται απλό αλλά τί θα λέγατε εάν μαθαίνατε ότι η ελευθερία του να μπορώ να διαλέξω τον τόπο που θα κάνω το πείραμά μου οδηγεί στο νόμο της διατήρησης της ενέργειας ενός συστήματος? Το ότι η ελευθερία να το αρχίσω όποτε θέλω οδηγεί στο νόμο της διατήρησης της ορμής ενός συστήματος, και το ότι η ελευθερία του προσανατολισμού οδηγεί στο νόμο της διατήρησης της στροφορμής ενός συστήματος? Αυτός ο τελευταίος νόμος είναι η αιτία που μια περιστρεφόμενη σβούρα στέκεται όρθια, φαινομενικά παραβιάζοντας το νόμο της βαρύτητας!

Πάντως αυτή η σχέση ανάμεσα σε μια συμμετρική συμπεριφορά και στους νόμους διατήρησης δεν είναι πάντα εμφανής. Στην υπο-πυρηνική φυσική έχουμε διάφορους νόμους διατήρησης χωρίς όμως να είναι εμφανείς οι σχετικές συμμετρίες που συνδέονται μαζί τους, έτσι για την ώρα τις αποκαλούμε ‘κρυφές συμμετρίες’.

4. Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης στη Κοσμολογία: Το Σύμπαν μας γεννήθηκε και τώρα επεκτείνεται. Το μόνο πιθανό είναι ότι δεν είναι στατικό, άπειρο ή αέναο.

Το Σύμπαν γεννήθηκε πριν από περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια σε μια κατακλυσμική έκρηξη. Που, γιατί και πως γεννήθηκε θα το συζητήσουμε σε άλλο άρθρο.

5. Ο παράξενος κόσμος της Κβαντικής φυσικής με τη διπλή φύση των στοιχείων, τη πανταχού παρουσία τους, του θανάτου του ‘προκαθορισμένου’ και τη γέννηση του ‘πιθανού’, και ενός Κενού που είναι ‘γεμάτο’.

Τα ατομικά και υποατομικά σωματίδια που χτίζουν αυτόν τον κόσμο έχουν διπλή φύση. Τα ανιχνεύουμε σαν ολοκληρωμένες οντότητες, σαν καθορισμένα ‘αντικείμενα’ με ορισμένες χαρακτηριστικές ιδιότητες όπως λ.χ. μάζα ή φορτίο, αλλά όταν ταξιδεύουν ελεύθερα κυριαρχεί η πανταχού παρούσα κυματική τους φύση και κινούνται σε ένα χώρο χωρίς καθορισμένες τροχιές ή, όπως το έθεσε ο Ρίτσαρντ Φάινμαν, κινούνται πάνω σε όλες τις δυνατές τροχιές. Αυτό το κυματικό, αιθέριο κομμάτι της φύσης τους παίζει σημαντικό ρόλο στη ζωή τους γιατί αυτό καθορίζει τη πιθανότητα το σωματίδιο αυτό να ανιχνευθεί σε αυτό ή το άλλο σημείο, και αυτό είναι η ουσία της κβαντικής μηχανικής. Χωρίς αυτό δεν είναι δυνατό να κατανοήσουμε πώς γίνεται ένα ηλεκτρόνιο να περνάει ‘ταυτόχρονα’ από δύο τρύπες στον τοίχο στο δρόμο του για την οθόνη ανίχνευσης. Χωρίς αυτό δεν είναι δυνατό να καταλάβουμε πώς το φως, συμπεριφερόμενο σαν σωματίδιο, κλωτσάει ένα ατομικό ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στο δρόμο του στο πλάι.

6. Η Θεωρία της Σχετικότητας όπου ο Χώρος, ο Χρόνος, η Μάζα και η Ενέργεια χάνουν την απόλυτη έννοια που έχουν στο κλασικό κόσμο και η ‘ροή’ τους μπορεί να αλλάξει. Τώρα εξαρτώνται από το σημείο αναφοράς, έτσι γίνονται ‘σχετικά’. Ταυτόχρονα η ταχύτητα του φωτός αναδεικνύεται στο νέο όριο ταχύτητας στο Σύμπαν για κάθε τι που έχει μάζα και έτσι γίνεται το μόνο σταθερό σημείο αναφοράς στον Κόσμο.

Νομίζαμε ότι ο καμβάς του χωροχρόνου όπου ξετυλίγονται τα γεγονότα της ζωής μας είναι δεδομένος και σταθερός. Νομίζαμε ότι η μάζα, η στερεότητα των αντικειμένων γύρω μας είναι κάτι στο οποίο μπορούμε να στηριχθούμε και να κτίσουμε πάνω του. Αλίμονο, ο Αϊνστάιν έστειλε όλες αυτές τις λαθεμένες ιδέες στη λήθη. Το μόνο απόλυτο και σταθερό ‘πράγμα’ στο κόσμο μας είναι το φως, τα υπόλοιπα όλα είναι ρευστά, μια εικόνα σχετικής αντίληψης.

7. Η ιδέα της Εντροπίας και το Τόξο του Χρόνου.

Όλες οι στοιχειώδεις φυσικές διαδικασίες είναι αντιστρέψιμες, μπορούμε να ‘παίξουμε’ μια ταινία τους ανάποδα και τίποτε να μην προδίδει την αναστροφή, όλα να φαίνονται λογικά και εύλογα.

Στη βιολογία και στη ζωή γενικά σύνθετων συστημάτων οι διαδικασίες είναι μη αντιστρέψιμες, π.χ. το σπάσιμο ενός αυγού ή ενός ποτηριού, η γήρανση κτλ. και γενικά φαίνεται ότι υπάρχει μια εγγενής τάση στο να αυξάνεται η χαοτικότητα αντί να δημιουργείται τάξη.

Αυτή η ιδιότητα των σύνθετων συστημάτων ονομάζεται εντροπία και χαρακτηρίζει ποσοτικά τη χαοτικότητα, την τυχαιότητα ενός τέτοιου συστήματος.

Οι νόμοι της φυσικής ορίζουν ότι η εντροπία μπορεί να αυξάνει ή στη καλύτερη περίπτωση να παραμένει σταθερή, κάτι που έχει συνέπειες, όπως για παράδειγμα προλέγει το θερμικό θάνατο του Σύμπαντος σε αντίθεση με την προσπάθεια της ζωής να δημιουργήσει οργανισμούς (κάτι που χαρακτηρίζεται από απίστευτη τάξη).

Η ιδέα της εντροπίας έχει εφαρμογές σε τελείως διαφορετικά επιστημονικά πεδία, από τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, την κοσμολογία, ακόμη και την πληροφορική όπου η πληροφορία ισοδυναμεί με αρνητική εντροπία.

Σε κάθε περίπτωση, η εντροπία και η μη αντιστρεψιμότητα των φυσιολογικών διαδικασιών σε συνδυασμό με την περιοδική κίνηση του Ήλιου, δημιουργούν την αίσθηση ενός ‘χρονικού’ δρόμου μονής κατεύθυνσης…ή έτσι φαίνεται τουλάχιστον.

*O πειραματικός φυσικός, Σπύρος Μαργέτης, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Κεντ του Οχάιο γεννήθηκε στο Μεσολόγγι, σπούδασε στην Αθήνα και «πέταξε» για την αντίπερα όχθη του Ατλαντικού, στην Αμερική και πλέον συγκαταλέγεται στους πολλούς Έλληνες επιστήμονες που διαπρέπουν στο εξωτερικό και μας κάνουν περήφανους με τα κατορθώματά τους.

Από μικρός ασχολήθηκε με τον χώρο της φυσικής και της έρευνας, και η προσήλωσή του τον οδήγησε στο κατώφλι του CERN, αργότερα έλαβε μέρος σε ένα από τα μεγαλύτερα πειράματα στον κόσμο και σήμερα είναι καθηγητής του Πανεπιστημίου Κεντ στο Οχάιο της Αμερικής όπου εκτός του ότι μεταδίδει τις γνώσεις του σε νέους φυσικούς, συνεχίζει τα αξιέπαινα πειράματά του.