Kβαντομηχανική.

[Δροσος Γεωργιος]

Η Ελιγολάνδη με το μοναδικό της δέντρο.

Το καλοκαίρι του 1925 ⁽ⁱ⁾, ένας εικοσιτριάχρονος Γερμανός πέρασε μέρες αγωνιώδους μοναξιάς σε ένα ανεμοδαρμένο νησί της Βόρειας Θάλασσας: την Ελιγολάνδη⁽ⁱⁱ⁾ ή Χέλγκολαντ (Helgoland) – το Ιερό νησί. Σ’ αυτό το νησί, συνέλαβε την μαθηματική δομή της κβαντικής φυσικής. Ίσως την πιο εντυπωσιακή επιστημονική επανάσταση όλων των εποχών. Το όνομα του νεαρού ήταν Βέρνερ Χάιζενμπεργκ (Werner Heisenberg).

Max Jensen – Ακτή ανοιχτά της Ελιγολάνδης

Ενώ εργαζόταν στο πανεπιστήμιο του Γκαίτιγκεν, μια κρίση αλεργίας στη γύρη παραμόρφωσε το πρόσωπό του κάνοντάς το αγνώριστο. Αδυνατώντας να αντέξει έστω και μια μέρα καλοκαιρινής άνοιξης παραπάνω, μπήκε σε ένα πλοίο για να φύγει όσο το δυνατόν πιο μακριά έχοντας στο μυαλό του τα ανεξήγητα προβλήματα της σύγχρονης φυσικής: Πως εξηγείται η συμπεριφορά των ατόμων; Πώς κινούνται τα ηλεκτρόνια; Γιατί φαίνονται να έχουν συγκεκριμένες μόνο τροχιές; Γιατί κάνουν αυτά τα ξεκάρφωτα «άλματα» από τη μια τροχιά στην άλλη; Ποια δύναμη θα μπορούσε πθανώς να προκαλέσει τέτοια παράξενη συμπεριφορά; Τα ερωτήματα του είχαν γίνει εμμονή. Όπως και οι άλλοι, είχε δοκιμάσει τα πάντα. Τίποτα δεν λειτούργησε. Φαινόταν ότι δεν υπήρχε λογική δύναμη ικανή να καθοδηγήσει τα ηλεκτρόνια στις παράξενες τροχιές του Μπορ και στα περίεργα άλματά του. Κι όμως αυτές οι τροχιές κι αυτά τα άλματα προέβλεπαν σωστά τα ατομικά φαινόμενα. Κατέληξε στην κατάσταση μιας απόγνωσης – εκείνης που μας ωθεί να αναζητήσουμε ακραίες λύσεις.Ο Χαίζενμπεργκ ταλαιπωρημένος από την αλλεργία του στη γύρη φτάνει στην Ελιγολάνδη η οποία διαθέτει ελάχιστη βλάστηση. Δεν έχει μαζί του πολλές αποσκευές: μια αλλαξιά ρούχα, ένα ζευγάρι παπούτσια πεζοπορίας, το Δυτικόανατολικό ντιβάνι – μια συλλογή ποιημάτων του Γκαίτε και τους υπολογισμούς του για τις τροχιές των ηλεκτρονίων. Βρήκε ένα δωμάτιο, η ιδιοκτήτρια του οποίου μόλις αντίκρυσε το παρμορφωμένο πρόσωπό του από την αλλεργία νόμισε ότι τον είχαν δείρει – γεγονός καθόλου σπάνιο στην Γερμανία του μεσοπολέμου.Στην «Ελιγολάνδη με το μοναδικό της της δέντρο», όπως λέει ο Τζέιμς Τζόις στον «Οδυσσέα», σε πλήρη μοναξιά, ο Χάιζενμπεργκ αποφάσισε να εξερευνήσει ριζοσπαστικές ιδέες. Με ριζοσπαστικές ιδέες είκοσι χρόνια νωρίτερα, ένα άλλος νεαρός φυσικός, ο Αϊνστάιν είχε καταπλήξει τον κόσμο. Ο ριζοσπαστισμός του είχε λειτουργήσει. Στα είκοσί σου, μπορείς να ονειρεύεσαι ελεύθερα. Ο Αϊνστάιν είχε δείξει ότι ακόμη και οι πιο ριζωμένες πεποιθήσεις μας μπορεί να είναι λανθασμένες. Αυτό που μας φαίνεται προφανές μπορεί να αποδειχθεί ότι δεν είναι σωστό. Η εγκατάλειψη υποθέσεων που δείχνουν αυτονόητες μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερη κατανόηση. Όλα πρέπει να βασίζονται σε αυτό που βλέπουμε, όχι σε αυτό που υποθέτουμε ότι ισχύει. Η γνώση έπρεπε να βασίζεται αποκλειστικά σε παρατηρήσεις, απαλλαγμένη από κάθε σιωπηρή «μεταφυσική» υπόθεση.Ο Χάιζενμπεργκ αγωνιούσε να μάθει τι πραγματικά συνέβαινε στο άτομο. Κάθε φορά που ένα ηλεκτρόνιο αλλάζει ενεργειακή στάθμη ενώ περιφέρεται γύρω από τον πυρήνα, εκπέμπει ένα φωτόνιο, ένα σωματίδιο φωτός. Τούτο το σωματίδιο μπορεί να καταγραφεί σε μια φωτογραφική πλάκα. Κι αυτή είναι η μόνη πληροφορία που μπορεί να μετρηθεί άμεσα, το μόνο φως που αναδύεται από το σκοτάδι του ατόμου. Ο Χάιζενμπεργκ αποφάσισε να αγνοήσει όλα τα υπόλοιπα. Θα συνήγαγε τους κανόνες που διέπουν την ύπαρξη σε αυτήν την κλίμακα οπλισμένος μονάχα με τούτη την πενιχρή χούφτα δεδομένων. Δεν θα βασιζόταν σε καμία έννοια, σε καμία εικόνα, σε κανένα μοντέλο. Θα άφηνε την πραγματικότητα να υπαγορεύσει η ίδια το τι θα μπορούσε να ειπωθεί γι αυτήν.Ο Χάιζενμπεργκ μισούσε την αφελή και παιδιάστικη εικόνα του ατόμου με τον πυρήνα σαν ένα μικρό ήλιο και τα ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω του σαν πλανήτες. Στο δικό του όραμα για το άτομο αυτές οι νοερές εικόνες εξαφανίζονταν· ο μικροσκοπικός ήλιος έσβηνε, το ηλεκτρόνιο έπαυε να περιστρέφεται και διαλυόταν σε ένα άμορφο νέφος. Το μόνο που έμενε ήταν οι αριθμοί. Ένα τοπίο τόσο άγονο όσο και το νησί της Ελιγολάνδης.  Τακτοποίησε τα πειραματικά δεδομένα σε ένα τεράστιο σύστημα από ομάδες και στήλες, σχηματίζοντας ένα πολύπλοκο δίκτυο από πίνακες. Σιγά-σιγά, άρχισε να διακρίνει αδιόρατες σχέσεις, τρόπους να προσθέτει και να πολλαπλασιάζει αυτούς τους πίνακες, κανόνες μιας νέου τύπου άλγεβρας που γινόταν όλο και πιο αφηρημένη. Ο Χάιζενμπεργκ αναστατώνεται τόσο που δεν μπορεί να ξανακοιμηθεί. Σχεδόν τρικλίζοντας από έξαψη βγαίνει έξω. Κατευθύνεται προς τη νότια άκρη του νησιού με σκοπό να ανέβει σε έναν απόκρημνο βράχο μεγάλου ύψους. Φτάνει στην κορυφή σώος και αβλαβής. Είναι η πιο δύσκολη ανάβαση στην ιστορία της φυσικής.Ο ίδιος περιέγραψε⁽ⁱⁱⁱ⁾ την κατάστασή του μετά από χρόνια ως εξής: «Ήταν γύρω στις τρεις η ώρα το πρωί όταν τα τελικά αποτελέσματα των υπολογισμών μου ήταν μπροστά μου. Ένιωσα βαθιά ταραχή. Ήμουν τόσο ταραγμένος που δεν μπορούσα να κοιμηθώ. Έφυγα από το σπίτι και άρχισα να περπατάω αργά στο σκοτάδι. Ανέβηκα σε έναν βράχο με θέα τη θάλασσα στην άκρη του νησιού και περίμενα να βγει ο ήλιος»Παρατηρώντας την ανατολή ήλιου αποκρυσταλλώνει στο μυαλό του τη νέα ιδέα. Μια ιδέα που θα μεταμόρφωνε τη φυσική στο σύνολό της – μαζί με το σύνολο της επιστήμης, αλλά και την ίδια την αντίληψή μας για τον κόσμο. Μια ιδέα που η ανθρωπότητα δεν την έχει ‘απορροφήσει’ ακόμη πλήρως. Το άλμα του Χάιζενμπεργκ είναι τόσο τολμηρό όσο και απλό.Αφού κανείς δεν μπόρεσε να βρει τη δύναμη που είναι ικανή να προκαλέσει την παράξενη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων, ας σταματήσουμε να ψάχνουμε για αυτή τη νέα δύναμη. Ας χρησιμοποιήσουμε αυτά που γνωρίζουμε: την ηλεκτρική δύναμη που δεσμεύει το ηλεκτρόνιο κοντά στον πυρήνα. Αφού δεν μπορούμε να βρούμε νέους νόμους κίνησης για να εξηγήσουμε τις τροχιές του Μπορ και τα «άλματα» του, θα μείνουμε με τους νόμους της κίνησης που γνωρίζουμε, χωρίς να τους αλλάξουμε. Αντίθετα, θα αλλάξουμε τον τρόπο σκέψης μας για το ηλεκτρόνιο. Θα σταματήσουμε να περιγράφουμε την κίνησή του. Θα περιγράψουμε μόνο αυτό που μπορούμε να παρατηρήσουμε: το φως που εκπέμπει. Θα βασίσουμε τα πάντα σε ποσότητες που είναι παρατηρήσιμες. Αυτή ήταν είναι η ιδέα.Ο Χάιζενμπεργκ υπολόγισε εκ νέου τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου χρησιμοποιώντας μεγέθη που παρατηρούμε, όπως τη συχνότητα του εκπεμπόμενου φωτός. Μπορούμε να παρατηρήσουμε τα αποτελέσματα των αλμάτων του ηλεκτρονίου από τη μια τροχιά του Μπορ σε μια άλλη. Ο Χάιζενμπεργκ αντικαθιστά τις φυσικές μεταβλητές (αριθμούς) με πίνακες αριθμών. Χρησιμοποιεί αυτούς τους πίνακες για να υπολογίσει κάτι που θα μπορούσε να δικαιολογήσει τους κανόνες του Μπορ.

Ένας πίνακας του Χάιζενμπεργκ, με τους αριθμούς που ‘παριστάνουν’ θέσεις ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, ο αριθμός X₂₃, αναφέρεται στο άλμα από την δεύτερη προς την τρίτη τροχιά

Όταν οι πρώτοι όροι φάνηκαν να ταιριάζουν δίνοντας τους κανόνες του Μπορ, δεν είχε πλέον καμία αμφιβολία για τη συνέπεια της νέας «κβαντικής» μηχανικής που περιέγραφε ο υπολογισμός του. Αισθανόταν βαθιά ανήσυχος, με μια αίσθηση ότι είχε ξεπεράσει την επιφάνεια των πραγμάτων βλέποντας το παράξενα όμορφο εσωτερικό τους. Ένιωθε ζαλισμένος στη σκέψη ότι τώρα έπρεπε να ερευνήσει αυτόν τον πλούτο των μαθηματικών δομών που η Φύση είχε απλώσει τόσο γενναιόδωρα μπροστά του.Μπορεί κάποιος να μετρήσει σε ποια κβαντική κατάσταση βρίσκεται το άτομο και αργότερα να ξαναμετρήσει σε ποιά κατάσταση βρίσκεται στη συνέχεια. Τι γίνεται όμως στο ενδιάμεσο; Έχει τελικά κανένα νόημα αυτή η ερώτηση; Μήπως η μοναδική πραγματικότητα την οποία μπορεί να συλλάβει μια μέτρηση είναι η πραγματικότητα της ίδιας της μέτρησης; Αν ναι, τότε μια θεωρία φυσικής, μια εμπειρική θεωρία, μπορεί να μιλάει μόνο για πράγματα που είναι μετρήσιμα. Η φυσική είναι αυτό που μπορεί να μετρήσει κανείς, τίποτα περισσότερο. Παρότι ο Χάιζενμπερργκ όλα αυτά τα αισθανόταν ακόμα πολύ ασαφή και αβέβαια, ήταν σίγουρος πλέον ότι τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται σε τροχιές.

(i) To 1925 ο Χίτλερ, ο οποίος είχε εκτίσει την «ποινή» του για την απόπειρα του πραξικοπήματος της μπυραρίας, έπεισε τις αρχές της Βαυαρίας να άρουν την απαγόρευση του ναζιστικού κόμματος. Το ναζιστικό κόμμα επανιδρύθηκε επίσημα με τον Χίτλερ ως αδιαμφισβήτητο ηγέτη του, οποίος το καλοκαίρι του 1925 θα εξέδιδε το πολιτικό μανιφέστο του, το Mein Kampf.
(ii) Η Ελιγολάνδη έχει έκταση όσο και η νήσος Ρω δυτικά του Καστελόριζου (αλλά σε αντίθεση με τα ελληνικά νησιά διαθέτει 12 ναυτικά μίλια χωρικά ύδατα όπως ακριβώς απαιτεί το διεθνές δίκαιο). Παραχωρήθηκε το 1890 στην Γερμανία από την Μεγάλη Βρετανία με την συνθήκη Συνθήκη Ελιγολάνδης-Ζανζιβάρης. Στις αρχές της δεκαετίας του 1930 το ναζιστικό καθεστώς μετέτρεψε το νησί σε στρατιωτική βάση. Το 1947 το Βρετανικό Ναυτικό συγκεντρώνει 7000 τόνους εκρηκτικά και επιχειρεί να τινάξει στον αέρα το νησί. Πραγματοποιήθηκε η μεγαλύτερη μέχρι τότε μη πυρηνική έκρηξη της ιστορίας. Η εκρηκτική ισχύς ήταν η μισή από την εκρηκτική δύναμη της βόμβας στην Χιροσίμα, αλλά το νησί άντεξε. Η πλαγιά όπου είκοσι δυο χρόνια νωρίτερα είχε σκαρφαλώσει ο Χάιζενμπεργκ έχοντας στο μυαλό του την κβαντομηχανική γκρεμίστηκε.
(iii) Werner Heisenberg, ‘Der Teil und das Ganze’ (1969)

https://physicsgg.me/2023/01/28/η-ελιγολάνδη-με-το-μοναδικό-της-δέντρο/

[Δροσος Γεωργιος]

Κβάντα, GPS και άλλα μυστήρια της ζωής.

Ο φυσικός Ντέιβιντ Κάιζερ πιάνει το νήμα της πιο αλλόκοτης θεωρίας από την αρχή

Πανεπιστήμιο Κορνέλ, Νέα Υόρκη, 1964. Σε μία από τις διάσημες διαλέξεις του, προσπαθώντας να περιγράψει στο ακροατήριό του τη μυστηριώδη συμπεριφορά των πιο μικροσκοπικών σωματιδίων της ύλης, ο νομπελίστας φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν λέει μια φράση που γράφει Ιστορία: «Κανείς δεν μπορεί να καταλάβει την κβαντομηχανική». Εξήντα χρόνια μετά, το μυστήριο παραμένει. Στο υποατομικό επίπεδο, τίποτα δεν θυμίζει την κοινή, καθημερινή μας αντίληψη για το πώς λειτουργεί ο φυσικός κόσμος. Πώς να μη μας φανεί παράξενο ότι αυτά τα υποατομικά σωματίδια συμπεριφέρονται λες και μπορούν να βρίσκονται σε πολλά σημεία ταυτόχρονα ή ότι μπορούν να επηρεάζουν το ένα το άλλο ακαριαία, ακόμη και αν βρίσκονται πολλά έτη φωτός μακριά μεταξύ τους; Και όμως, ακόμη και αν δεν έχουμε καταλάβει τα πάντα γι’ αυτήν, η κβαντοφυσική (ή κβαντομηχανική) ορίζει την καθημερινότητά μας με τρόπους που ίσως δεν φανταζόμαστε – από τη χρήση του GPS έως τις ακτίνες λέιζερ. Τον μήνα που πέρασε, μάλιστα, στη χώρα μας, μια εισαγωγή στην κβαντoφυσική άρχισε να διδάσκεται για πρώτη φορά στους μαθητές της Γ΄ Λυκείου και αποτελεί ύλη για τις Πανελλήνιες Εξετάσεις. Και ενώ η έρευνα πάνω στον τομέα συνεχίζεται, ένας Αμερικανός φυσικός, καθηγητής Ιστορίας της Επιστήμης στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT), o Ντέιβιντ Κάιζερ, γύρισε εκατό χρόνια πίσω και αποφάσισε να πιάσει το νήμα αυτής της συναρπαστικής ερευνητικής πορείας από την αρχή. Από τον Αϊνστάιν έως τον Χόκινγκ, από την αρχή του 20ού αιώνα έως σήμερα, ακροβατώντας δεξιοτεχνικά στο όριο μεταξύ επιστήμης και Ιστορίας, συνόψισε, θα έλεγε κανείς, όλη τη σύγχρονη φυσική σε ένα πολύτιμο βιβλίο που εκδόθηκε τρία χρόνια πριν στην Αμερική με τίτλο «Quantum Legacies». Σε αυτήν, εκλαϊκεύει δυσνόητες επιστημονικές έννοιες ενώ παράλληλα διηγείται ιστορίες ανθρώπων και κοινωνιών – ιστορίες που καταφέρνουν, όπως σημειώνει σχετικά και ο νομπελίστας φυσικός Κιπ Θορν, «να ενσωματώνουν την ανθρώπινη ιστορία στην επιστήμη». Το βιβλίο κυκλοφορεί τώρα και στην Ελλάδα με τον τίτλο «Κβαντική κληρονομιά» από τις εκδόσεις Ροπή. Οπως γράφει στον πρόλογο ο ιστορικός της φυσικής Γρηγόρης Πανουτσόπουλος, ο οποίος, μαζί με τον Θεμιστοκλή Χαλικιά, έκανε τη μετάφραση και την επιστημονική επιμέλεια της ελληνικής έκδοσης, «ο Ντέιβιντ Κάιζερ συρράφει σε μια ενιαία αφήγηση παγκοσμίους πολέμους, ιστορίες κατασκοπείας, κινήματα αντικουλτούρας, ψυχροπολεμικές διενέξεις, ρηξικέλευθες ιδέες, ανθρώπινες αδυναμίες, κβαντικά πηγάδια, γιγάντιους επιταχυντές σωματιδίων, εξισώσεις, πανεπιστημιακά εγχειρίδια και πολεμικά ερευνητικά προγράμματα».

– Σχεδόν εκατό χρόνια μετά τις απαρχές της κβαντικής θεωρίας και εξήντα χρόνια μετά εκείνη τη διάσημη ρήση του Ρίτσαρντ Φάινμαν, άραγε, συνεχίζουμε να μην καταλαβαίνουμε την κβαντομηχανική;

– Πράγματι, ενώ σήμερα χρησιμοποιούμε τις εξισώσεις της κβαντοφυσικής σε μεγάλη σειρά εφαρμογών και έχουμε μια βαθιά κατανόησή της, η περιβόητη εκείνη φράση του Φάινμαν ακούγεται ακόμη αληθινή. Ο λόγος είναι ότι, όταν προσπαθούμε να βάλουμε σε απλές λέξεις ή εικόνες πώς θα λειτουργούσε ο κόσμος ώστε να ανταποκρίνεται σε αυτές τις εξισώσεις, ακόμη πέφτουμε πάνω σε τοίχο. Αυτό που συμβαίνει σήμερα είναι ότι κάποιοι επιστήμονες δηλώνουν πως καταλαβαίνουν απολύτως καλά τη θεωρία, ενώ κάποιοι συνάδελφοί τους λένε πως είναι αυτοί που την καταλαβαίνουν ακόμη καλύτερα – ενώ όλο αυτό απλά δείχνει ότι ακόμη κανείς δεν την καταλαβαίνει! Ναι, λοιπόν, ακόμη ξύνουμε το κεφάλι μας με απορία κοιτώντας τα φαινόμενα της κβαντομηχανικής.

– Σε ό,τι αφορά εμάς, τους απλούς ανθρώπους, και την καθημερινότητά μας, πού συναντάμε, πού βιώνουμε την κβαντομηχανική στη ζωή μας;

– Είμαστε βυθισμένοι μέσα στα «δώρα» της έρευνας πάνω στην κβαντομηχανική κάθε μέρα – για την ακρίβεια, κάθε στιγμή της κάθε μέρας μας. Και αυτό είναι κάτι που ισχύει εδώ και πάνω από μισόν αιώνα. Η κατανόηση του πώς λειτουργούν τα τρανζίστορ, αμέσως μετά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, όρισε έκτοτε την καθημερινότητά μας (απλά σκεφτείτε τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές). Οσο για τα λέιζερ, σκεφτείτε πόσο αυτονόητο μας φαίνεται πλέον να «σκανάρεται» με ένα μικρό μηχάνημα ένα προϊόν στο ταμείο του σούπερ μάρκετ. Μιλάμε, στην ουσία, για ανακαλύψεις στις οποίες κρύβονται μέσα βαθιές κβαντικές ποιότητες τις οποίες ο ίδιος ο Αϊνστάιν συνέβαλε στο να κατανοήσουμε, έναν αιώνα πριν. Για να μην αναφέρουμε ένα ακόμη πιο «χτυπητό» παράδειγμα, το οποίο είναι τα εργαλεία πλοήγησης που χρησιμοποιούμε σήμερα και βασίζονται σε ένα σύστημα που λέγεται GPS, το οποίο δουλεύει επειδή έχουμε φτιάξει ρολόγια ακριβείας δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου – τα κοινώς αποκαλούμενα «ατομικά ρολόγια». Και, πιστέψτε με, δεν μπορεί κάτι να γίνει πιο «κβαντομηχανικό» από τα ατομικά ρολόγια! Το γεγονός, λοιπόν, πως μπορούμε να καταλάβουμε τις μικροσκοπικές δονήσεις συγκεκριμένων σωματιδίων και να κατασκευάσουμε συσκευές που δουλεύουν με βάση αυτή την κατανόηση, δείχνει ότι, χωρίς υπερβολή, είμαστε βαθιά μέσα στην κβαντομηχανική, ακόμη και αν δεν το γνωρίζουμε ή δεν το παρατηρούμε.

– Αραγε, τα πράγματα γίνονται παρομοίως «αλλόκοτα» και όταν η επιστήμη της φυσικής στρέφει τη ματιά της, από το μικροσκοπικό στο αχανές, από τον υποατομικό κόσμο στον κόσμο της αστρονομίας και του σύμπαντος;

– Ναι, συμβαίνουν και εκεί παράξενα πράγματα, αλλά με άλλους τρόπους. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που ακόμη αντιμετωπίζουμε είναι πώς μπορεί να συγκεραστεί η φυσική του πολύ μεγάλου, του σύμπαντος, που έχει περιγραφεί τόσο εύγλωττα από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, με τη θεωρία της κβαντομηχανικής και τη φυσική στο υποατομικό επίπεδο. Σκοπός μας είναι τώρα να βρούμε πώς θα ενώσουμε αυτές τις δύο τόσο όμορφες αλλά τόσο διαφορετικές θεωρίες για το πώς λειτουργούν ο κόσμος και η φύση. Και, ακόμη ψάχνουμε – πολύ συχνά κιόλας, στο σκοτάδι.

– Μιλώντας για την αστροφυσική, έρχεται στον νου ο Στίβεν Χόκινγκ, με τον οποίο μάλιστα διαλέγετε να κλείσετε και το βιβλίο σας. Ποια είναι η δική του «κβαντική κληρονομιά»;

– O Χόκινγκ, περισσότερο από κάθε άλλον στη γενιά του, προσπαθούσε να βρει τη λύση στην πρόκληση που περιγράψαμε μόλις πριν. Ηταν πρωτίστως ένας ειδικός στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, ένας εξπέρ στις καμπυλώσεις του χωροχρόνου και στις μαύρες τρύπες, και, προς τιμήν του, δεν έμεινε εκεί. Ηθελε πολύ να δει τι συμβαίνει όταν προσπαθείς να συνδέσεις αυτές τις δύο πολύ διαφορετικές αντιλήψεις του σύμπαντος, την κβαντική θεωρία και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, και, όπως και κανείς άλλος έως τώρα, δεν τα κατάφερε. Σημείωσε, όμως, μια σειρά από περίεργα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα όταν πάμε να το κάνουμε, όπως π.χ. η λεγόμενη «ακτινοβολία Χόκινγκ». Ηταν ο πρώτος που προσπάθησε να εξηγήσει τον κόσμο μέσα από μια ένωση των δύο θεωριών και στάθηκε βαθιά επιδραστικός στην επιστημονική κοινότητα.

Οι φυσικοί είναι άνθρωποι, δεν ζουν απομονωμένοι σε νησιά

– Ο Βασίλι Καντίνσκι είχε γράψει στο εμβληματικό βιβλίο του «Για το πνευματικό στην τέχνη», το 1910, τη διάσημη φράση: «Κάθε έργο τέχνης είναι παιδί της εποχής του, συχνά είναι μητέρα των αισθημάτων μας». Πιστεύετε πως θα μπορούσαμε να την παραφράσουμε, ώστε να μιλήσουμε για την επιστήμη της φυσικής;

– Ναι, το πιστεύω – ιδίως όταν σκέφτομαι όλα αυτά που μπορεί να νιώθουν τα παιδιά στο σχολείο, κατά την πρώτη τους «γνωριμία» με την κβαντική θεωρία. Ολο αυτό το δέος και τον θαυμασμό, ενώ αναρωτιούνται με έκπληξη «πώς μπορεί ο κόσμος να δουλεύει έτσι;». Το ίδιο βέβαια ισχύει για όλους μας, από τα παιδιά του λυκείου έως τους ενηλίκους και τους επιστήμονες: η μελέτη των κβαντικών φαινομένων είναι σαν ένα αστυνομικό μυστήριο κατά το οποίο μαζεύουμε αποδεικτικά στοιχεία, αλλά δεν ξέρουμε πώς θα τελειώσει. Ειδικά μεταξύ των ερευνητών και των ερευνητικών ομάδων, γεννάει και έναν παθιασμένο ανταγωνισμό, μια ένταση, και μοιάζει σαν μια πανανθρώπινη διανοητική περιπέτεια, ένα δράμα τού «ποιος θα βρει πρώτος τις απαντήσεις». Η έκπληξη, το μυστήριο, ακόμη και η αισθητική και η ομορφιά που περιέχονται σε όλη αυτή την έρευνα, είναι όλα στοιχεία που μου επιτρέπουν να πω πως πλησιάζουμε αρκετά αυτό το πλούσιο φάσμα των συναισθημάτων στο οποίο αναφερόταν ο Καντίνσκι.

– Σε μια κριτική του για την «Κβαντική κληρονομιά», ο θεωρητικός φυσικός και συγγραφέας Σον Κάρολ αναφωνεί: «Οι φυσικοί είναι άνθρωποι!», κάτι που υποδηλώνεται συνεχώς στο βιβλίο σας. Γιατί, όμως, αυτό δεν είναι αυτονόητο;

– Φαντάζομαι επειδή η έρευνά μας συχνά μοιάζει αφηρημένη, εκφράζεται με «τρομακτικά» μαθηματικά και λαμβάνει χώρα κεκλεισμένων των θυρών, σε δυσπρόσιτα μέρη. Είναι λες και όλοι πιστεύουν πως κάνουμε περίεργες, θεωρητικές έρευνες απομονωμένοι σε κάποια νησιά. Αλλά, ποτέ δεν ήταν έτσι, και δεν είναι έτσι: οι προσωπικές, ανθρώπινες ιστορίες μας είναι ένα μεγάλο κομμάτι της εικόνας – από το πόσο ντροπαλός ήταν ένας από τους μεγαλύτερους φυσικούς στην ιστορία, ο Βρετανός Πολ Ντιράκ, μέχρι το πόσο τρομακτικά επίμονος ήταν ο Στίβεν Χόκινγκ ή το προσωπικό δράμα του Αυστριακού φυσικού Πάουλ Ερενφεστ. Αλλά, ως ιστορικός, ακόμη πιο ενδιαφέρον μού είναι το πώς μπορούμε να χωρίσουμε αυτές τις προσωπικότητες σε διαφορετικές κουλτούρες και εποχές, σε σχολές σκέψης για τι μπορεί να είναι σωστό ή λάθος στη φυσική ή στην καθημερινή ζωή. Πώς ήταν άραγε να ανακαλύπτεις νέα πράγματα στην εποχή των ναζί, μην ξέροντας πού θα χρησιμοποιηθούν, ή πώς μπορεί να ήταν να κάνεις έρευνα πάνω στους πυραύλους κατά την περίοδο του Ψυχρού Πολέμου; Μιλάμε, δηλαδή, για προσπάθειες να ανακαλύψουμε πώς λειτουργεί ο κόσμος σε πολύ συγκεκριμένους τόπους και στιγμές. Και αυτό με ιντριγκάρει πολύ: πώς οι εποχές, το πλαίσιο και οι θεσμοί τους επηρέασαν τις ιδέες μας, την επιστημονική μας έρευνα; Τι προτεραιοποιήθηκε μέσα στην Ιστορία, γιατί γνωρίζουμε τόσο πολλά για κάποια πράγματα και λιγότερο για άλλα; Και αυτό είναι κάτι που ξεπερνά τις μαθηματικές εξισώσεις.

https://physicsgg.me/2023/03/13/κβάντα-gps-και-άλλα-μυστήρια-της-ζωής/

[Δροσος Γεωργιος]

Βραβείο όσκαρ στην θεωρία του πολυσύμπαντος.

Η ταινία «Everything Everywhere All at Once (Τα Πάντα Όλα)» στην πρόσφατη απονομή των βραβείων όσκαρ, κατέκτησε συνολικά επτά αγαλματίδια, ενώ ήταν υποψήφια για 11. Μεταξύ αυτών ήταν και το σημαντικότερο όλων, το βραβείο της καλύτερης ταινίας. Βέβαια κάποιοι ισχυρίζονται ότι η ταινία είναι χάλια και ότι το βραβείο δόθηκε χαριστικά γιατί έπρεπε για κάποιο λόγο να τιμηθεί ο κινηματογράφος από την Ασία. Αυτό όμως θα το διαπιστώσουμε όταν δούμε την ταινία.Το ενδιαφέρον με την ταινία αυτή είναι ότι το σενάριό της βασίζεται στην έννοια του πολυσύμπαντος. Σύμφωνα με την πλοκή της, η Evelyn Wang (την οποία υποδύεται η Michelle Yeoh) ανακαλύπτει ότι μπορεί να έχει πρόσβαση σε παράλληλες εκδοχές του εαυτού της σε έναν άπειρο αριθμό συμπάντων. Η πρωταγωνίστρια μπορεί να αξιοποιήσει τις μνήμες και τις δεξιότητες που διαθέτουν οι παράλληλες εκδοχές του εαυτού της στα παράλληλα σύμπαντα, τα οποία μπορεί να επισκέπτεται χρησιμοποιώντας την μυστηριώδη συσκευή που ονομάζεται Interdimensional Shift Device (ISD). Επιπλέον, πρέπει να χρησιμοποιήσει αυτή την ικανότητά της για να σώσει το πολυσύμπαν από την καταστροφή.Στο πολυσύμπαν της ταινίας υπάρχει μια κακή δύναμη που ονομάζεται Σκοτάδι. Σκοπός της είναι η καταστροφή της ποικιλομορφίας και της πολυπλοκότητας των αναρίθμητων συμπάντων του πολυσύμπαντος, επιβάλλοντας μια ομοιόμορφη μοναδική κατάσταση. Η Evelyn θα πρέπει να χρησιμοποιήσει τη μοναδική της δύναμη για να σταματήσει το Σκοτάδι πριν αυτό καταστρέψει τα πάντα.Βλέποντας κάποιος την ταινία σίγουρα θα αναρωτηθεί: το πολυσύμπαν έχει κάποια επιστημονική βάση ή είναι απλά αποκύημα της κινηματογραφικής επιστημονικής φαντασίας;Αν και μέχρι σήμερα δεν υπάρχει ΚΑΝΕΝΑ πειραματικό δεδομένο που να αποδεικνύει την ύπαρξη των πολλαπλών συμπάντων ή του πολυσύμπαντος, πολλοί φυσικοί χρησιμοποιούν τις έννοιες αυτές για να διατυπώσουν διάφορες θεωρίεςΠρώτος διδάξας ο Χιου Έβερετ ο τρίτος (Hugh Everett  III), που το 1957 στο πλαίσιο της διδακτορικής του διατριβής (με επιβλέποντα καθηγητή τον John Wheeler) είχε διατυπώσει μια ριζοσπαστική πρόταση η οποία περιλάμβανε τα παράλληλα σύμπαντα, προσπαθώντας να δώσει μια άλλη ερμηνεία στην κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης στην κβαντική θεωρία, παρακάμπτοντας την καθιερωμένη ερμηνεία της Κοπεγχάγης (Διαβάστε σχετικά: Παράλληλοι κόσμοι, παράλληλες ζωές)

https://physicsgg.me/2017/03/11/παράλληλοι-κόσμοι-παράλληλες-ζωές/

.Μια διαφορετική εκδοχή του πολυσύμπαντος, εμφανίζεται την δεκαετία του 1980 στα πλαίσια της κοσμολογικής θεωρίας του πληθωρισμού (Alan Guth, Andrei Linde), σύμφωνα με την οποία το σύμπαν υπέστη μια ταχεία διαστολή λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, δημιουργώντας φυσαλίδες χωροχρόνου που θα μπορούσαν να είχαν εξελιχθεί σε ξεχωριστά σύμπαντα. Αυτά τα σύμπαντα καθορίζονται από τους γνωστούς μας νόμους της φυσικής και γιαυτό μοιάζουν με το δικό μας (Διαβάστε σχετικά: Γιατί λέμε το Πολυσύμπαν και όχι απλά το Σύμπαν μας)

https://physicsgg.me/2011/10/29/γιατί-λέμε-το-πολυσύμπαν-και-όχι-απλά-τ/

.Όμως τα περισσότερα που ακούμε σχετικά με το πολυσύμπαν σχετίζονται κυρίως με την θεωρία των χορδών. Στο πλαίσιο αυτής της συλλογιστικής, δεν γνωρίζουμε γιατί οι θεμελιώδεις σταθερές έχουν τις τιμές που έχουν και δεν γνωρίζουμε γιατί οι νόμοι της φυσικής είναι αυτοί που είναι. Η θεωρία των χορδών θα μπορούσε να μας δώσει τους νόμους της φυσικής με τις τιμές των θεμελιωδών σταθερών, αλλά θα μπορούσε να μας δώσει και άλλους νόμους ή και άλλες σταθερές. Έτσι, αν έχουμε ένα τεράστιο πολυσύμπαν, συνήθως με εξωφρενικό αριθμό συμπάντων π.χ. 10⁵⁰⁰, τα οποία έχουν διαφορετικούς φυσικούς νόμους και/ή σταθερές, ένα από αυτά θα μπορούσε να είναι το σύμπαν μας (Διαβάστε σχετικά: Τι είναι (και τι δεν είναι) επιστημονικό σχετικά με το Πολυσύμπαν;)

https://physicsgg.me/2018/08/18/τι-είναι-και-τι-δεν-είναι-επιστημονικό/

.Μπορεί λοιπόν οι καλύτεροι των φυσικών να χρησιμοποιούν στις θεωρίες τους την έννοια του πολυσύμπαντος, αλλά καμία από αυτές (προς το παρόν) δεν κάνει επιστημονικές προβλέψεις που να μπορούμε να επαληθεύσουμε πειραματικά. Έτσι η θεωρία του πολυσύμπαντος περιορίζεται στα κινηματογραφικά βραβεία όσκαρ, τα οποία φυσικά δεν έχουν καμία σχέση με τα βραβεία νόμπελ.

δείτε επίσης: Μήπως η θεωρία του πολυσύμπαντος πρέπει να εγκαταληφθεί;

https://physicsgg.me/2022/11/05/μήπως-η-θεωρία-του-πολυσύμπαντος-πρέπ/

https://physicsgg.me/2023/03/15/βραβείο-όσκαρ-στην-θεωρία-του-πολυσύμ/

 

[Δροσος Γεωργιος]

Σκάσε και υπολόγιζε.

Ένα heavy metal τραγούδι για την Κβαντική Φυσική

Με το που εμφανίστηκε η κβαντική φυσική ήταν φανερό ότι εξηγούσε τα πειράματα και έκανε επιτυχείς προβλέψεις. Αφού λοιπόν βοηθούσε τους φυσικούς να κάνουν την δουλειά τους, πολλοί από αυτούς υποστήριζαν ότι δεν υπάρχει λόγος να εξηγήσουν γιατί αυτοί οι πρακτικοί κανόνες λειτουργούν σωστά. Γιατί να ασχολούμαστε με τις διάφορες ‘ερμηνείες’ της θεωρίας αφού οι κβαντικοί νόμοι κάνουν την δουλειά μας; Χρησιμοποιούσαν την κβαντική φυσική για την πρόβλεψη και ερμηνεία των πειραμάτων τους, χωρίς να υπεισέρχονται σε βαθύτερους φιλοσοφικούς προβληματισμούς. Έτσι με το πέρασμα του χρόνου η εκπαίδευση των νέων φυσικών βασίζονταν σε βιβλία (π.χ. του Messiah ή του Schiff) όπου κυριαρχούσε ο μαθηματικός φορμαλισμός που ήταν μεν αποτελεσματικός, όμως μεταξύ άλλων έκρυβε και κάθε ίχνος φυσικής ερμηνείας.Αυτή η αντιμετώπιση της κβαντικής θεωρίας είναι γνωστή στους κύκλους των φυσικών με την φράση: «σκάσε και υπολόγιζε (Shut Up And Calculate)». Έχοντας (μάλλον) στο μυαλό του τα παραπάνω, ο καθηγητής φυσικής Phil Moriarty έγραψε ένα heavy metal τραγούδι με τίτλο «Shut Up And Calculate»:

Shut Up And Calculate

New state’s emerging

Brink of collapse

Bracket the vector, apply operator

Set time zero again

Bit by bit, by bit by bit … how low can we go?

Bit by bit, by bit by bit… in thine eye, in thine i

Shut up and calculate

The numbers don’t lie

Shut up and calculate

The numbers don’t lie

Shut up and calculate

The numbers lie

It’s just a phase that you’re going through

The action speaks louder than surds      

Don’t question the direction

Or all is scattered on the shore

Shut up and calculate… the numbers don’t lie

—————–

 This is the root, the root, the root of all things….

 —————–

We will generate

We will modulate

You will never deviate from the norm

We will initiate

We will populate

You will never deviate from the norm

We will isolate

We will not hesitate

You will never deviate from the norm

We will regulate

We will seal your fate

You will never deviate from the norm

We will annihilate

We will annihilate

We will annihilate

πηγή: https://muircheartblog.wpcomstaging.com/2023/06/06/quantum-mechanix/

https://physicsgg.me/2023/06/18/σκάσε-και-υπολόγιζε/

[Δροσος Γεωργιος]

Το αυτοπαρατηρούμενο σύμπαν και το Γ θέμα φυσικής.

… των φετινών πανελλαδικών εξετάσεων

Γνωστοί φυσικοί, όπως Eugene Wigner και ο John Archibald Wheeler προβληματιζόμενοι με τα θεμέλια της κβαντικής θεωρίας, υποστήριζαν πως δεν αρκεί μόνο η μετρητική συσκευή για να αποκτήσει νόημα η θεωρία, αλλά και η ίδια η συνείδηση των παρατηρητών. Η συνείδηση, όχι ως μια υπερβατική οντότητα, αλλά ως υλική πραγματικότητα που αλληλεπιδρά με το παρατηρούμενο σύστημα. Στις πιο ακραίες διατυπώσεις της η άποψη αυτή θεωρεί την παρατήρηση από συνειδητούς παρατηρητές ως όρο ύπαρξης της πραγματικότητας. (O Einstein ειρωνευόταν αυτές τις απόψεις λέγοντας: Κοιτάξτε το φεγγάρι. Πιστεύετε πως αποκτά υπόσταση όταν το παρατηρεί ένα ποντίκι;)Ο Wigner σχεδίασε ένα νοητικό πείραμα – γνωστό ως ‘ο φίλος του Wigner‘ – για να διερευνήσει τον ρόλο της συνείδησης στη διαδικασία της κβαντικής μέτρησης. Από την πλευρά του, ο Wheeler θεωρούσε ότι είμαστε κάτι περισσότερο από παρατηρητές: είμαστε συμμέτοχοι στη ζωή του σύμπαντος. Με βάση τον μηχανισμό του δικού του πειράματος σκέψης (delayed choice experiment),

https://en.wikipedia.org/wiki/Wheeler's_delayed-choice_experiment

κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ακριβής φύση της πραγματικότητας περιμένει την ενεργό συμμετοχή ενός συνειδητού παρατηρητή. Η συνείδηση του παρατηρητή είναι υπεύθυνη για την αναδρομική δημιουργία της πραγματικότητας – ακόμη κι αν αυτή πραγματικότητα υπήρχε πριν από την ύπαρξη του παρατηρητή.Έτσι στις αρχές του 1980, o Wheeler σε άρθρο του με τίτλο «Law without law» (που περιέχεται στην συλλογή «Quantum Theory and Measurement«) αναρωτιέται αν το σύμπαν συμπεριφέρεται ως ένα αυτοδιεγειρόμενο κύκλωμα.Στον ηλεκτρομαγνητισμό, «ως αυτοδιεγειρόμενο κύκλωμα θεωρείται το κύκλωμα που δημιουργεί το δικό του μαγνητικό πεδίο μέσω της χρήσης ηλεκτρικού ρεύματος», όπως για παράδειγμα το κύκλωμα του πολυσυζητημένου θέματος Γ των φετινών πανελλαδικών εξετάσεων στη φυσική:

Η κίνηση της μεταλλικής ράβδου ΖΗ δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα στο κύκλωμα, εξαιτίας του οποίου δημιουργείται μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του πηνίου, που με την σειρά του προκαλεί ηλεκτρεγερτική δύναμη αυτεπαγωγής, από την οποία εξαρτάται η (εξ’ αρχής) περιγραφή της εξέλιξης του κυκλώματος

Ένα παρόμοιο αυτοδιεγειρόμενο ηλεκτρικό κύκλωμα θα είχε στο μυαλό του ο Wheeler όταν σχεδίαζε το παρακάτω σκίτσο, για να απεικονίσει τo σύμπαν ως αυτοπαρατηρούμενο σύστημα:

Ο Wheeler σκέφτηκε το κβαντικό σύμπαν ως ένα σύστημα αυτοδιεγειρόμενου κυκλώματος.

Η ουρά πάνω δεξιά παριστάνει τα πρώτα στάδια του σύμπαντος που μεγαλώνει με το χρόνο και τελικά δημιουργεί παρατηρητές – παριστάνονται με το μάτι αριστερά. Το σύμπαν μετατρέπεται σε συγκεκριμένη πραγματικότητα διαμέσου μιας μεταγενέστερης παρατήρησής του από μια συνείδηση που και η ίδια εξαρτάται απ’ αυτήν την πραγματικότητα.Οι πράξεις παρατήρησης της συνείδησης κάνουν απτή την πραγματικότητα του παρελθόντος, ακόμη και του μακρινού παρελθόντος, όταν δεν υπήρχαν παρατηρητές. Σύμφωνα με τον Wheeler δεν είμαστε μόνο θεατές. Είμαστε συμμετέχοντες. Δημιουργούμε την ίδια την πραγματικότητα που παρατηρούμε. Κατά μια περίεργη έννοια, ζούμε σε ένα συμμετοχικό σύμπαν.

διαβάστε άρθρο του John Archibald Wheeler με τίτλο «Law Without Law»:

wheeler_law_without_lawDownload

διαβάστε επίσης: Chris Ferrie, ‘Do we create the very reality that we observe?

https://physicsgg.me/2023/06/20/το-αυτοπαρατηρούμενο-σύμπαν-και-το-γ-θ/

 

[Δροσος Γεωργιος]

Δυο δρόμοι προς την κβαντική βαρύτητα.

● Αν το σύμπαν ξεκίνησε από μια Μεγάλη Έκρηξη, πρέπει να αναθεωρήσουμε τον τρόπο που εφαρμόζουμε την φυσική στην αρχή του χρόνου
● Το μεγάλο ερώτημα είναι πώς; Οι προσπάθειες για την οικοδόμηση μιας θεωρίας που συνδέει την κβαντική φυσική και την σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας (την γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν) έχουν μέχρι στιγμής αποτύχει.
● Ο μακρύς δρόμος προς τα εμπρός δεν έχει τελειώσει, αλλά έχει δημιουργήσει μερικές πολύ όμορφες ιδέες για την φύση της πραγματικότητας.

Κατά τη διάρκεια του 20^ου αιώνα, μάθαμε ότι ο Γαλαξίας μας δεν είναι παρά ένας από τους ‘αμέτρητους’ γαλαξίες στο σύμπαν μας. Μάθαμε επίσης ότι αυτοί οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο, μια συλλογική κοσμική διαστολή που την ερμηνεύσαμε ως αποτέλεσμα της διαστολής του χώρου. Αν φανταστούμε τον χρόνο να κινείται προς τα πίσω, αυτοί οι γαλαξίες θα πλησιάζουν όλο και πιο κοντά ο ένας στον άλλον μέχρι να καταλήξουν συμπιεσμένοι σε έναν μικροσκοπικό όγκο. Η θερμοκρασία εκεί είναι τεράστια και η ύλη διασπάται στα στοιχειώδη συστατικά της. Καθώς η συστολή συνεχίζεται, πλησιάζουμε στην αρχή των πάντων – την χρονική στιγμή t = 0 – στην γέννηση του σύμπαντος.Ασφαλώς τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά. Καθώς η ύλη συμπιέζεται σε όλο και μικρότερους όγκους, πρέπει να εγκαταλείψουμε κάθε ελπίδα ότι οι κανόνες της κλασικής φυσικής μπορούν να περιγράψουν αυτό που συμβαίνει εκεί. Σε αυτό το σημείο αναζητούμε απαντήσεις στην κβαντική φυσική, την φυσική των πολύ μικρών. Τα πράγματα τώρα γίνονται ενδιαφέροντα, αλλά αρκετά πιο μυστηριώδη.Για να ωθήσουμε τη φυσική στο πολύ πρώιμο σύμπαν, πρέπει να επεκτείνουμε τις τωρινές γνώσεις μας σε τομείς που παραμένουν άγνωστοι σε εμάς. Φυσικά, αυτό είναι πάντα ένα απαραίτητο βήμα για την προώθηση της γνώσης, αλλά υπάρχουν κίνδυνοι όταν τολμούμε προς το άγνωστο. Αν κάνουμε ένα λάθος βήμα μπορεί να χαθούμε. Η φυσική ακολουθούσε πάντα την επιστημονική μέθοδο που θέτει έναν σημαντικό περιορισμό: απορρίπτει τις υποθέσεις που δεν μπορούν να ελεγχθούν πειραματικά.Αλλά η αδυναμία ερμηνείας του αρχέγονου σύμπαντος με την γνωστή φυσική αμφισβητεί την παλιά προσέγγιση και ωθεί την επιστημονική μεθοδολογία σε νέες κατευθύνσεις. Πίσω από την αλλαγή στον τρόπο λειτουργίας της θεωρητικής φυσικής κρύβονται δύο βασικοί υπαίτιοι: η κβάντωση της βαρύτητας και η πιθανότητα να ζούμε σε ένα πολυσύμπαν. Ας εξετάσουμε την πρώτη πρόκληση – την δύσκολη σχέση μεταξύ της βαρύτητας και της κβαντικής φυσικής.

Η κβαντική βαρύτητα βρόχων

Πώς θα αντιμετωπίσουμε την κβάντωση της βαρύτητας, δεδομένου ότι η βαρύτητα νοείται ως η καμπυλότητα του χωροχρόνου, που προκαλείται από την παρουσία της ύλης; Τα τελευταία 60 χρόνια, δύο προσεγγίσεις έχουν αναδειχθεί ως οι αγαπημένοι υποψήφιοι. Η κβαντική βαρύτητα βρόχων υποστηρίζει την ιδέα ότι αν θέλουμε να κβαντώσουμε τη βαρύτητα, πρέπει να κβαντώσουμε τον ίδιο τον ιστό του χωροχρόνου. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να σταματήσουμε να θεωρούμε τον χώρο και τον χρόνο ως συνεχείς οντότητες αλλά ως ένα σύνολο ‘κβάντων’. Πιο συγκεκριμένα, η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας βρόχων (LQG – Loop Quantum Gravity) υποστηρίζει ότι η δομή του χωροχρόνου αποτελείται από μικροσκοπικούς βρόχους υφασμένους σε ένα είδος δικτύου, μια δομή σαν πάπλωμα σε τέσσερις διαστάσεις (μία για το χρόνο και τρεις για το χώρο). Συνδυάζοντας την γενική σχετικότητα με την κβαντική φυσική ο χωροχρόνος ορίζεται ως πλέγμα αδιαίρετων τμημάτων μεγέθους 10^-35 μέτρων (0,00000000000000000000000000000000001 m).Η κβαντική βαρύτητα βρόχων βασίζεται, ουσιαστικά, στην «ατομικοποίηση» του χώρου. Όσον αφορά την κοσμολογία, η θεωρία φτάνοντας στην στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης δεν υπάρχει ιδιομορφία και αντί γι αυτήν προκύπτει μια «κβαντική γέφυρα» που οδηγεί σε ένα παλαιότερο σύμπαν. Αυτή είναι η βάση για την θεωρία της «Μεγάλης Αναπήδησης» της προέλευσης του σύμπαντος μας. Μπορεί να ακούγεται περίεργο, αλλά η κβαντική βαρύτητα βρόχων καθώς εφαρμόζεται για να εκφράσει την κβαντοποίηση του χώρου και του χρόνου παραμένει πιστή σε μερικές από τις βασικές αρχές της φυσικής.

Η θεωρία υπερχορδών

Η άλλη προσέγγιση της κβαντικής βαρύτητας είναι η θεωρία των υπερχορδών – ένα πραγματικά επαναστατικό Παράδειγμα. Οι υπερχορδές απαιτούν μια ριζική επανεξέταση του ποια είναι τα βασικά δομικά στοιχεία της υλικής πραγματικότητας, απομακρύνοντας την ατομικιστική λογική που κυριαρχεί σε μεγάλο μέρος της σύγχρονης φυσικής. Οι υπερχορδές είναι εξαιρετικά μικροσκοπικοί δονούμενοι σωλήνες. Όπως οι χορδές κιθάρας που μπορούν να δονούνται για να παράγουν ήχους διαφορετικών συχνοτήτων, έτσι και οι υπερχορδές μπορούν να παράγουν ή να γίνουν διαφορετικά σωματίδια.Αυτό που περιπλέκει την ιστορία είναι ότι για να έρθουν σε επαφή με τα γνωστά σωματίδια της φύσης, οι υπερχορδές πρέπει να ζουν σε έναν δεκαδιάστατο χωροχρόνο – μια διάσταση για το χρόνο και εννέα για το χώρο. Απαιτούν επίσης μια νέα συμμετρία της φύσης που ονομάζεται υπερσυμμετρία. Αυτή η συμμετρία συσχετίζει τα σωματίδια της ύλης όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ με τα σωματίδια που μεταδίδουν τις δυνάμεις μεταξύ τους, όπως το φωτόνιο (που μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη) και το γλοιόνιο (που μεταφέρει την ισχυρή πυρηνική δύναμη). Η θεωρία είναι τόσο μαθηματικά όμορφη όσο και πολύπλοκη. Και η ίδια η πολυπλοκότητά της έχει επιβραδύνει την ανάπτυξη της θεωρίας, η οποία έχει τις ρίζες της στη δεκαετία του 1970 και έκανε τις μεγαλύτερες προόδους της στην δεκαετία του 1980.

Και η πειραματική επιβεβαίωση;

Η πειραματική επαλήθευση των παραπάνω θεωριών είναι περίπλοκη. Η κβαντική βαρύτητα βρόχων προβλέπει μια συγκεκριμένη εξέλιξη της κοσμικής ιστορίας που μπορεί να είναι ή να μην είναι σωστή. Ακόμα δεν γνωρίζουμε αν υπήρξε αναπήδηση στην αρχή του χρόνου ή αν η δομή του χωροχρόνου είναι ένα δίκτυο αλληλένδετων βρόχων. Η θεωρία χορδών απαιτεί ένα ακόμη μεγαλύτερο άλμα πίστης. Απαιτεί επιπλέον διαστάσεις χώρου καθώς και την υπερσυμμετρία, που μέχρι σήμερα δεν επληθεύονται πειραματικά. Στην πραγματικότητα, η υπερσυμμετρία, ακόμα κι αν ανιχνευόταν με τη μορφή ενός νέου σωματιδίου, θα παρείχε μόνο έμμεση υποστήριξη της θεωρίας των χορδών. Αλλά μια τέτοια δραματική αλλαγή επιστημονικού Παραδείγματος απαιτεί πολύ περισσότερα.Σαράντα χρόνια μετά την πρώτη εμφάνιση αυτών των ιδεών, πολλοί φυσικοί εξακολουθούν να εργάζονται σκληρά, προσπαθώντας να τις εξελίξουν. Ο δρόμος ήταν ανώμαλος αλλά και αρκετά θεαματικός, καθώς προτείνονται εντυπωσιακές ιδέες για να προχωρήσουν και οι δύο θεωρητικές προσεγγίσεις. Μερικές φορές, ακριβώς όπως όταν ανεβαίνουμε σε ένα βουνό, η καλύτερη θέα δεν φαίνεται από την κορυφή. Την απολαμβάνουμε κατά διάρκεια της ανάβασης.

διαβάστε περισότερες λεπτομέρειες: The two roads to quantum gravity

https://physicsgg.me/2023/06/25/δυο-δρόμοι-προς-την-κβαντική-βαρύτητα/

[Δροσος Γεωργιος]

Τι είναι αυτό που κινεί τα νήματα;

Ο Αϊνστάιν με την δημοσίευση της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας το 1905, επισήμανε ότι το ταυτόχρονο δυο γεγονότων τα οποία συντελούνται σε διαφορετικές θέσεις δεν αποτελεί μία απόλυτη και άνευ όρων σχέση μεταξύ των γεγονότων: είναι περισσότερο ένας τρόπος να μιλήσουμε για αυτά τα γεγονότα, κατάλληλος για ένα συγκεκριμένο σύστημα αναφοράς, αλλά ακατάλληλος για τα συστήματα αναφοράς που κινούνται σε σχέση με το συγκεκριμένο σύστημα αναφοράς κατά μήκος της γραμμής που ενώνει τα γεγονότα.Αυτό ήταν ήδη γνωστό και πριν το 1905 και αφορούσε τη χωρική σχέση ανάμεσα σε δυο γεγονότα που συντελούνται σε διαφορετικές στιγμές στον χρόνο (αν συντελούνται ή όχι στην ίδια θέση στον χώρο, προφανώς εξαρτάται από το σύστημα αναφοράς). Ακριβώς το ίδιο ισχύει και για τις χρονικές στιγμές ανάμεσα σε δυο γεγονότα, όμως οι επιστήμονες που είχαν αρχίσει να ερευνούν το θέμα του χρόνου και πριν από το 1905 δεν ήταν σε θέση να το αντιληφθούν. Και αυτό διότι στην ανθρώπινη κλίμακα χρόνων και αποστάσεων, ο χρόνος που αντιστοιχεί σε μία δεδομένη απόσταση είναι μόνο 1 νανοδευτερόλεπτο ανά πόδι, δηλαδή πολύ μικρός για να παρατηρηθεί.
Η διορατικότητα του Αϊνστάιν σχετικά με τη συμβατική φύση του ταυτοχρονισμού υπονοεί ότι ο ρυθμός ενός ρολογιού και το μήκος μιας ράβδου εξαρτώνται από το σύστημα αναφοράς στο οποίο τα μετράμε. Στην περίπτωση της ράβδου, η εξάρτηση από το σύστημα αναφοράς αποτελεί μία στοιχειώδη συνέπεια του γεγονότος ότι για να μετρήσουμε το μήκος μιας κινούμενης ράβδου πρέπει να παρατηρήσουμε που βρίσκονται οι δυο άκρες της ράβδου ακριβώς την ίδια χρονική στιγμή, έτσι ώστε αν η «ίδια χρονική στιγμή» ποικίλλει από το ένα σύστημα αναφοράς στο άλλο, τότε ποικίλλει ανάλογα με το μήκος της ράβδου. Στην περίπτωση του ρολογιού, για να μετρήσουμε τον ρυθμό του πρέπει να παρατηρήσουμε τις ενδείξεις του ρολογιού σε δυο διαφορετικές χρονικές στιγμές, έτσι ώστε αν το ρολόι κινείται θα πρέπει να το συγκρίνουμε με συγχρονισμένα και ακίνητα ρολόγια που βρίσκονται σε διαφορετικές θέσεις. Όμως, αν το ταυτόχρονο των γεγονότων που συντελούνται σε δυο διαφορετικές θέσεις είναι άμεσα εξαρτώμενο από το σύστημα αναφοράς, τότε και ο συγχρονισμός των ρολογιών σε δύο διαφορετικές θέσεις θα είναι άμεσα εξαρτώμενος από το σύστημα αναφοράς. Επομένως, οι όποιες διαφωνίες σχετικά με τον ταυτοχρονισμό όταν μεταφερόμαστε από ένα σύστημα αναφοράς σε ένα άλλο, ανάγονται υποχρεωτικά και σε διαφωνίες σχετικά με τον ρυθμό των κινούμενων ρολογιών και το μήκος των κινούμενων ράβδων.Τώρα, όμως, θα αναρωτηθείτε τι είναι αυτό που κάνει τις κινούμενες ράβδους να συστέλλονται και τι είναι αυτό που κάνει τα κινούμενα ρολόγια να επιβραδύνονται; Οι αλλαγές αυτές συμβαίνουν στην πραγματικότητα; Ή είναι απλώς δευτερεύουσες εκφάνσεις των διαφωνιών σχετικά με το ταυτόχρονο δύο γεγονότων οι οποίες οδηγούν με τη σειρά τους σε διαφωνίες σχετικά με τις προϋποθέσεις που ορίζουν μια μέτρηση ως έγκυρη; Αυτό που μπορούμε να πούμε με σιγουριά είναι ότι δεν επικρατεί ομοφωνία ανάμεσα στους εν ενεργεία φυσικούς σχετικά με τη σωστή απάντηση στις παραπάνω ερωτήσεις. Πολλές φορές ερχόμαστε αντιμέτωποι με τους ισχυρισμούς κάποιων φυσικών που υποστηρίζουν, για παράδειγμα, ότι τα κινούμενα ρολόγια φαίνεται ότι επιβραδύνονται όταν ο ρυθμός τους μετριέται από ακίνητα ρολόγια, ή ότι οι κινούμενες ράβδοι φαίνεται ότι συστέλλονται.Αυτή όμως η επιφυλακτική τοποθέτηση είναι τελείως αδικαιολόγητη. Τα κινούμενα ρολόγια όντως συστέλλονται, αν η έννοια του ρυθμού ενός ρολογιού ή του μήκους μιας ράβδου έχουν εξαρχής κάπoιο νόημα. Τα ρολόγια και οι ράβδοι πρέπει να συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο, καθώς η συμπεριφορά τους απορρέει κατευθείαν από τους κανόνες για ταυτόχρονα γεγονότα και για συγχρονισμένα ρολόγια. Τα ρολόγια και οι ράβδοι οφείλουν να έχουν αυτή τη συμπεριφορά, αν θέλουμε το όλο θέμα που εξετάζουμε να έχει απόλυτη συνοχή και να μην καταρρεύσει λόγω της δικής του ανακολουθίας.Αλλά αυτή η απάντηση δεν είναι καθόλου ικανοποιητική. Θα επιθυμούσαμε να υπάρχει κάποιος μηχανισμός. Τι είναι αυτό που προκαλεί τα ρολόγια να επιβραδύνονται; Τι είναι αυτό που προκαλεί τις κινούμενες ράβδους να συστέλλονται; Αν η μόνη διαθέσιμη εξήγηση είναι ότι τα κινούμενα ρολόγια επιβραδύνονται και οι κινούμενες ράβδοι συστέλλονται για να διατηρήσουν τη συνοχή της σχετικότητας, θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί γιατί τα ρολόγια και οι ράβδοι ενδιαφέρονται τόσο για τη σχετικότητα. Αυτό που πραγματικά χρειαζόμαστε είναι μια εξήγηση η οποία να βασίζεται σε αυτό το δομικό στοιχείο της κατασκευής ράβδων το οποίο αναγκάζει τις ράβδους να συσταλούν κατά μήκος της διεύθυνσης της κίνησής τους, όπως και στο αντίστοιχο δομικό στοιχείο του μηχανισμού των ρολογιών το οποίο αναγκάζει τα ρολόγια να επιβραδύνουν όταν βρίσκονται σε κίνηση, έτσι ώστε και η συστολή και η επιβράδυνση να υπολογίζονται από τον συντελεστή .

Kαι πράγματι μπορούμε να προσδιορίσουμε τέτοιους μηχανισμούς, αν και συχνά αποδεικνύεται αρκετά περίπλοκο ως διαδικασία. Μέσα σε ένα οποιοδήποτε σύστημα αναφοράς, οι νόμοι της φυσικής που διέπουν το μήκος των ράβδων και τον ρυθμό των ρολογιών παρέχουν ολοκληρωμένες και πειστικές εξηγήσεις γιατί μια ράβδος πρέπει να συστέλλεται όταν τη θέτουμε σε κίνηση ως προς τη διεύθυνση του μήκους, και γιατί ο ρυθμός ενός ρολογιού πρέπει να ελαττώνεται όταν το ρολόι αρχίζει να κινείται. Οι άνθρωποι που στογγυλεύουν τα λόγια τους χρησιμοποιώνας τη φράση «φαίνεται ότι» δεν έχουν κατανοήσει ακριβώς τι συμβαίνει.Ας σκεφτούμε, για παράδειγμα, ένα κανονικό ρολόι το οποίο τρέχει αργά όταν κινείται, για έναν πολύ απλό λόγο. Πάρτε μια ακίνητη ράβδο μήκους D, τοποθετήστε δυο καθρέφτες σε κάθε άκρη της ράβδου που να αντανακλούν το φως προς τα πίσω κατά μήκος της ράβδου και αφήστε έναν παλμό φωτός να αναπηδήσει μπρος πίσω κατά μήκος της ράβδου από τον έναν καθρέφτη στον άλλο.

Το ρολόι χτυπά κάθε φορά που ο παλμός ολοκληρώνει μια διαδρομή – από τον έναν καθρέφτη στον άλλο. Αν και είναι δύσκολο να κατασκευάσουμε ένα ρολόι το οποίο να λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο, το συγκεκριμένο ρολόι έχει έχει το προτέρημα της ενοιολογικής απλότητας. Ακριβώς για αυτό, χρειάζεται να γνωρίζουμε μόνο δυο στοιχεία για τη λειτουργία του φυσικού κόσμου έτσι ώστε να αναλύσουμε πώς συμπεριφέρεται το ρολόι όταν κινείται: πόσο γρήγορα τρέχει το φως στο κινούμενο ρολόι και πόσο είναι το μήκος της ράβδου όταν αυτή κινείται. Γνωρίζουμε ότι η ταχύτητα του φωτός παραμένει ίση με c σε οποιοδήποτε ανδρανειακό σύστημα αναφοράς, επομένως απαντάμε στο πρώτο ζητούμενο.Τώρα, όμως, μπορεί να ανησυχήσετε ότι θα πρέπει να ασχοληθούμε με τον μηχανισμό που προκαλεί τη συστολή των κινούμενων ράβδων για να κατανοήσουμε το μήκος του κινούμενου ρολογιού. Ευτυχώς, υπάρχει ένας εύκολος τρόπος για να αποφύγουμε αυτό το πρόβλημα: απαιτούμε η ράβδος να μην κινείται παράλληλα με τον εαυτό της παρά μόνο στην κάθετη διεύθυνση, όπως φαίνεται στο σχήμα.

(1) Η έντονη γραμμή αναπαριστά μία ακίνητη ράβδο μήκους D. Οι δυο μικρές και λεπτές οριζόντιες γραμμές προεξέχουν προς τα δεξιά από τις δυο άκρες της ράβδου είναι οι δυο καθρέφτες. Ο λευκός κύκλος απεικονίζει τον παλμό φωτός που κινείται μπορς πίσω από τον έναν καθρέφτη στον άλλον με ταχύτητα c, κατά μήκος της διακεκομμένης γραμμής. (2) Βλέπουμε την ίδια όπως φαίνεται σε δυο διαφορετικές χρονικές στιγμές σε ένα σύστημα αναφοράς το οποίο κινείται με ταχύτητα v προς τα αριστερά. Για να φτάσει ο παλμός φωτός από τον πάνω καθρέφτη στον κάτω καθρέφτη χρειάζεται χρόνο t και σε αυτόν τον χρόνο η ράβδος κινείται προς τα δεξιά, καλύπτοντας απόσταση vt. Ο παλμός φωτός κινείται κατά μήκος της διακεκομμένης γραμμής. Το τετράγωνο της διαγώνιας απόσταση (ct)² που καλύπτει ο παλμός για να ταξιδέψει από τον πάνω στον κάτω καθρέπτη, τώρα είναι ίση με (D² + v²t²)

Μια ράβδος η οποία κινείται κάθετα στο μήκος της δεν συστέλλεται – ούτε διαστέλλεται. Αυτό συμβαίνει, γιατί, σε αντίθεση με τα συστήματα αναφοράς τα οποία κινούνται κατά μήκος της γραμμής που ενώνει δυο γεγονότα, δεν υπάρχει τίποτα το προβληματικό σχετικά με το ταυτόχρονο των γεγονότων που συντελούνται σε δυο διαφορετικές θέσεις στον χώρο, όταν αναφερόμαστε σε συστήματα αναφοράς τα οποία κινούνται κάθετα στη γραμμή που ενώνει τα δύο γεγονότα.Όταν το ρολόι είναι ακίνητο, ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει από τη μιά άκρη της ράβδου στην άλλη είναι ίσος με D/c, έτσι ώστε ο χρόνος Τ που απαιτείται ανάμεσα στους χτύπους του ρολογιού να είναι:  (1).
Ωστόσο, όταν το ρολόι κινείται (βλέπε παραπάνω σχήμα) το φως πρέπει να καλύψει μεγαλύτερη απόσταση για να φτάσει από τη μία άκρη της ράβδου στην άλλη – και επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι ανεξάρτητη από οποιδήποτε σύστημα αναφοράς, προφανώς μεσολαβεί περισσότερος χρόνος ανάμεσα στους χτύπους του ρολογιού. Ο μηχανισμός είναι τόσο απλός.Πράγματι μπορούμε να εξάγουμε μία ποσοτική έκφραση για αυτόν τον επιπρόσθετο χρόνο. Αν η ταχύτητα της ράβδου είναι v και ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να κινηθεί από τη μια άκρη της ράβδου στην άλλη είναι t, τότε η ράβδος καλύπτει απόσταση vt, κάθετη στο μήκος της ράβδου, μεταξύ της αναχώρησης του φωτός από τη μία άκρη της άφιξής του στην άλλη άκρη. Eπομένως, η απόσταση που πρέπει να διανύσει το φως είναι η υποτείνουσα ενός ορθογωνίου τριγώνου, όπου η μία πλευρά του είναι ίση με το μήκος D της ράβδου – το οποίο δεν μεταβάλλεται – και η άλλη πλευρά του είναι ίση με vt. Eφόσον αυτή η απόσταση αντιστοιχεί στην απόσταση ct που καλύπτει το φως σε χρόνο t, από το Πυθαγόρειο θεώρημα παίρνουμε ότι:  και επομένως 
Eπειδή ο χρόνος  που μεσολαβεί μεταξύ των δύο χτύπων του κινούμενου ρολογιού θα έχουμε χρησιμοποιώντας την εξ. (1) ότι

Στο κινούμενο ρολόι μεσολαβεί περισσότερος χρόνος μεταξύ των χτύπων του συγκριτικά με το ακίνητο ρολόι.Θα μπορούσε κανείς να αντιμετωπίσει με καχυποψία το συγκεκριμένο παράδειγμα λέγοντας ότι δεν επιλέχθηκε για την απλότητά του, αλλά για να εκμεταλλευτεί τη σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός η οποία μπορεί να μας δώσει τον ζητούμενο «μηχανισμό» σχετικά με την επιβράδυνση των ρολογιών. Μια τέτοια καχύποπτη αντίδραση δεν είναι λογική όμως. Η αρχή της σταθερότητας της ταχύτητας του φωτός αποτελεί τόσο θεμελιώδες χαρακτηριστικό του κόσμου στον οποίο ζούμε, όσο θεμελιώδης είναι και οποιαδήποτε άλλη φυσική ιδιότητα. Κάποιοι ίσως να πουν ότι η σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός αποτελεί στην πραγματικότητα το πιο θεμελιώδες φυσικό χαρακτηριστικό. Επομένως, είναι απόλυτα παρωχημένη – τουλάχιστον κατά έναν αιώνα – και εντελώς παράλογη η αντίληψη να επιμένει κανείς ότι δεν θα εκμεταλλευτούμε την αρχή προς όφελός μας για τον σχεδιασμό εργαλείων και την ανακάλυψη μηχανισμών.Επιπλέον, πάντα μπορούμε να βρούμε έναν μηχανισμό, όποια κι αν είναι η κατασκευή του ρολογιού. Μόνο που αποδεικνύεται πιο περίπλοκο για τα περισσότερα ρολόγια. Η λειτουργία ενός μοντέρνου ατομκού ρολογιού, για παράδειγμα, βασίζεται στη συχνότητα της δόνησης ενός συγκεκριμένου ατόμου, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Τέτοιοι ρυθμοί δονήσεων διέπονται από περίπλοκες εξισώσεις της κβαντομηχανικής, οι οποίες διατυπώθηκαν για πρώτη φορά από τον Paul Dirac. Και πράγματι, αν χρησιμοποιήσετε την εξίσωση του Dirac για να υπολογίσετε τη συχνότητα δόνησης του συγκεκριμένου ατόμου, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, ενώ θεωρήσετε ότι ολόκληρο το ρολόι κινείται τώρα με ταχύτητα v, θα βρείτε – μετά από αρκετή προσπάθεια – ότι η κίνηση του ρολογιού μειώνει τον ρυθμό δόνησης του ατόμου κατά ακριβώς το συντελεστή επιβράδυνσης .

Ακόμα και ο ρυθμός ενός κλασικού μηχανικού ρολογιού διέπεται από την ελαστικότητα συγκεκριμένων χορδών ή από την αδράνεια συγκεκριμένων τροχών. Αυτά με τη σειρά τους καθορίζονται από τις δυνάμεις – σχεδόν ηλεκτρομαγνητικής φύσης – οι οποίες συγκρατούν ενωμένα τα άτομα που σχηματίζουν τις χορδές και τους τροχούς, αλλά αποκελιστικά ηλεκτρομαγνητικής φύσης – οι οποίες συγκρατούν ενωμένα τα άτομα που σχηματίζουν τις χορδές και τους τροχούς, αλλά και από τους νόμους της κβαντομηχανικής οι οποίοι καθορίζουν τη δομή των ατόμων υπό την παρουσία αυτών των δυνάμεων. Και παρόλο που κανένας, από όσο γνωρίζω, δεν έχει πραγματοποιήσει ποτέ έναν λεπτομερή υπολογισμό των «αρχικών συνθηκών» του ρυθμού ενός κινούμενου ρολογιού, ξεκινώντας από αυτό το θεμελιώδες επίπεδο, σας εγγυώμαι ότι η επίδραση της κίνησης στη δράση των δυνάμεων αυτών είναι ικανή να μειώσει τον αριθμό του ρολογιού κατά τον συντελεστή επιβράδυνσης.Πως μπορώ να σας εγγυηθώ κάτι τέτοιο, χωρίς να χρειαστεί να καταφύγω σε έναν δύσκολο υπολογισμό; Θυμηθείτε το πρώτο αξίωμα του Αϊνστάιν. Οι νόμοι του ηλεκτρομαγνητισμού, όπως και οι νόμοι της μηχανικής, πρέπει να είναι συνεπείς με την αρχή της σχετικότητας. Ένα από τα επιτεύγματα του Αϊνστάιν στο άρθρο του το 1905 ήταν η λεπτομερής επίδειξη πώς αυτοί οι νόμοι θα μπορούσαν να διατυπωθούν σε μία μορφή η οποία να είναι απόλυτα συνεπής με την αρχή της σχετικότητας.Με άλλα λόγια, οι νόμοι της κβαντομηχανικής – γνωστοί και ως «σχετικιστή κβαντομηχανική» – και του ηλεκτρομαγνητισμού, όπως τους γνωρίζουμε σήμερα, έχουν οριστεί σε αυτή τη μορφή, έτσι ώστε όταν εφαρμόζονται για να υπολογίσουμε τον ρυθμό ενός κινούμενου ρολογιού, το αποτέλεσμα που προκύπτει πρέπει να δείχνει ότι το κινούμενο ρολόι τρέχει αργά. Επίσης, έχουν οριστεί σε αυτή τη μορφή για να εξασφαλίζουν ότι οι δυνάμεις που συγκρατούν μία ράβδο συμπεριφέρονται με τέτοιον τρόπο, έτσι ώστε η ράβδος να συστέλλεται όταν τίθεται σε κίνηση. Αυτοί οι νόμοι πρέπει, όταν εφαρμόζονται σε αυτές τις καταστάσεις, να μας βοηθούν να κάνουμε μια λεπτομερή εκτίμηση – η οποία όμως μπορεί να μας δυσκολέψει αρκετά, απαιτώντας τεράστια υπολογιστική προσπάθεια – των φυσικών λόγων για τους οποίους τα κινούμενα ρολόγια επιβραδύνονται και οι κινούμενοι ράβδοι συστέλλονται.Το γεγονός ότι οι νόμοι μιας θεωρίας έχουν αυτή τη μορφή, συχνά συνοψίζεται από τον ισχυρισμό ότι η εκάστοτε θεωρία αποτελεί ένα «αναλλοίωτο Lorentz» ή «συναλλοίωτο Lorentz». Η ορολογία αυτή δόθηκε προς τιμήν του H. A. Lorentz ο οποίος δημοσίευσε το 1904 τη συναλλοίωτη μορφή Lorentz για τους νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού, χωρίς όμως να έχει κατανοήσει πλήρως τη σημασία αυτού του επιτεύγματος. Ο Αϊνστάιν ήταν αυτός που ενσωμάτωσε πρώτος τη μορφή Lorentz στη δημοσίευσή του το 1905 σχετικά με τη φύση του χρόνου.Αυτή, όμως, η επιμονή μας, ότι κάθε έγκυρη θεωρία της φυσικής πρέπει να απαιτεί ότι τα κινούμενα ρολόγια επιβραδύνονται και οι κινούμενες ράβδοι συστέλλονται, μήπως πρόκειται τελικά για μία κολοσσιαία απάτη – ή ακόμα αυταπάτη; Μήπως έχουμε επινοήσει μηχανισμούς οι οποίοι εξηγούν αυτά τα φαινόμενα, μόνο και μόνο επειδή αρνούμαστε να δώσουμε βάση σε οποιαδήποτε άλλη θεμελιώδη θεωρία η οποία δεν περιλαμβάνει τους μηχανισμούς αυτούς;
Σκεφτείτε κάποιες άλλες, πιο εύληπτες, αναλλοίωτες αρχές. Επιμένουμε ότι οποιαδήποτε αποδεκτή θεμελιώδης θεωρία δεν κάνει καμία διάκριση η οποία να βασίζεται σε απόλυτο προσανατολισμό. Αυτές οι θεωρίες έχουν βασιστεί στην αρχή του αναλλοίωτου σε στροφές. Μας δίνουν τη δυνατότητα να εξηγήσουμε με τη βοήθεια ενός μηχανισμού γιατί μπορεί κάποιος να ρίξει μια μπάλα σε μακρινή απόσταση τόσο προς τα βορειοανατολικά όσο και προς βορειοδυτικά – ανεξάρτητα από τον άνεμο, την περιστροφή της Γης και άλλες τοπικές ασυνάφειες. Είναι απάτη; Όχι! Αν τυχόν ανακαλύπταμε ποτέ ότι υπάρχει πραγματικά μία ιδιαίτερη κατεύθυνση ενσωματωμένη στη δομή του κενού χώρου, η ανακάλυψη αυτή θα ερμηνευόταν ως αποτυχία ενός βασικού νόμου και θα είχε να μας διδάξει κάτι πολύ σημαντικό. Εφόσον, όμως, η αρχή του αναλλοίωτου σε στροφές είναι σωστή, – σύμφωνα με όσα γνωρίζουμε μέχρι σήμερα – θα ήταν ανόητο να μην την ενσωματώναμε στη θεμελιώδη διατύπωση της φυσικής θεωρίας.Ακριβως το ίδιο ισχύει και για την αρχή της σχετικότητας και για την αρχή της σταθερότητας της ταχύτητας του φωτός, η οποία περιγράφεται καλύτερα – σύμφωνα με αυτό το γενικό πλαίσιο – ως αρχή της ύπαρξης μίας αναλλοίωτης ταχύτητας, ή αν προτιμάτε, ως αρχή αναλλοίωτου του διαστήματος. Αυτές οι αρχές έχουν πλέον εδραιωθεί τόσο καλά ώστε στην προσπάθειά μας να διατυπώσουμε θεωρίες για την ερμηνεία νέων φαινομένων τα οποία δεν πλαισιώνονται, όμως, από τους νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού, πρέπει να υιοθετήσουμε έναν κανόνα ο οποίος μας υποδεικνύει ότι αυτά τα νέα φαινόμενα πρέπει να είναι συνεπή με τις αρχές στις οποίες στηρίζεται η σχετικότητα. Για παράδειγμα, από το 1905 μέχρις ήμερα έχουμε ανακαλύψει δύο νέες δυνάμεις: τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις οι οποίες συγκρατούν τους ατομικούς πυρήνες, παρά τις ηλεκτρικές απωθήσεις μεταξύ των πρωτονίων που σχηματίζουν τον πυρήνα, και τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις οι οποίες διέπουν συγκεκριμένα είδη ραδιενεργών διασπάσεων, όπως τη διάσπαση ενός νετρονίου σε πρωτόνιο, σε ηλεκτρόνιο και σε νετρίνο.Αυτές οι δυνάμεις δεν έχουν άμεση σχέση με τον ηλεκτρομαγνητισμό, παρόλο που οι ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις συνδυάζονται πλέον σε μία «ηλεκτρασθενή» δύναμη η οποία εκδηλώνεται και στα δύο φαινόμενα. Στην προσπάθειά μας να βρούμε τους νόμους που διέπουν τις δυνάμεις αυτές, ερχόμαστε αντιμέτωποι με ισχυρούς περιορισμούς σύμφωνα με τις αρχές του αναλλοίωτου: οι νόμοι αυτοί πρέπει να είναι συνεπείς με την αρχή του αναλλοίωτου σε στροφές, την αρχή του αναλλοίωτου σε μεταθέσεις στον χρόνο και στον χώρο, με την αρχή της σχετικότητας και με την αρχή της σταθερότητας της αρχής του φωτός. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να εγγυηθούμε ότι αν σχεδιάσουμε οποιοδήποτε ρολόι το οποίο αξιοποιεί τις ισχυρές ή ασθενείς αλληλεπιδράσεις – όπως κάνει δηλαδή ένα ηλεκτρομαγνητικό ρολόι – το ρολόι αυτό θα τρέχει αργά κατά τέτοιον τρόπο ώστε ο ρυθμός του να δίνεται από τον συντελεστή επιβράδυνσης s. Kαι πράγματι, ένα νετρόνιο το οποίο κινείται με ταχύτητες πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός c, έχοντας μέσο χρόνο ζωής όταν είναι ακίνητο περίπου 12 λεπτά πριν από τη διάσπασή του, μπορεί να αυξήσει το μέσο χρόνο ζωής του, λειτουργώντας ακριβώς σαν ένα ρολόι το οποίο τρέχει αργά και διέπεται από ασθενείς αλληλεπιδράσεις, όπως συμπεριφέρονται και τα μιόνια (διαβάστε σχετικά ΕΔΩ).Επομένως, τώρα όλα συνδέονται μεταξύ τους. Αν η λέξη «πραγματικότητα» έχει οποιοδήποτε νόημα, τότε στην πραγματικότητα τα κινούμενα ρολόγια τρέχουν αργά και οι κινούμενες ράβδοι συστέλλονται. Από την άλλη, όμως, έχουμε φτάσει στο σημείο να είμαστε περισσότερο επιφυλακτικοί απέναντι στην αληθινή σημασία της λέξης «πραγματικός». Ο μηχανισμός ο οποίος δίνει την πραγματική εξήγηση ενός φαινομένου σε ένα σύστημα αναφοράς ενδέχεται να είναι εντελώς διαφορετικός από τον μηχανισμό που εξηγεί το φαινόμενο σε ένα άλλο σύστημα αναφοράς.Σκεφτείτε το ακόλουθο παράδειγμα (διαβάστε επίσης εδώ, εδώ και εδώ😞 Έχουμε δυο πυραύλους, τους οποίους ενώνει ένα μακρύ, τεντωμένο σχοινί. Σε μία συγκεκριμένη χρονική στιγμή και οι δύο πύραυλοι αρχίζουν να κινούνται κατά μήκος της διεύθυνσης του σχοινιού, ας πούμε προς τα ανατολικά, με την ίδια ταχύτητα v. Επειδή οι πύραυλοι αρχίζουν να κινούνται την ίδια στιγμή και με την ίδια ταχύτητα η απόσταση μεταξύ τους δεν αλλάζει. Και επειδή διατηρούν την απόσταση ανάμεσά τους, η ανάγκη για το κινούμενο σχοινί να συσταλεί σταματά να υφίσταται, επομένως το σχοινί τεντώνεται σε μήκος πέρα από το κανονικό του μήκος στη νέα κινούμενη κατάστασή του. Αν οι πύραυλοι κινούνται αρκετά γρήγορα, αυτό το τέντωμα θα ξεπεράσει το ελαστικό όριο του σχοινιού και το σχοινί θα σπάσει. Το συγκεκριμένο παράδειγμα αποτελεί μία παραστατική εκδήλωση της πραγματικότητας της συστολής του μήκους.Το παράδειγμα, όμως, ερμηνεύεται εντελώς διαφορετικά σε ένα σύστημα αναφοράς που κινείται κατά μήκος του σχοινιού με ταχύτητα v. Αρχικά και οι δυο πύραυλοι και το σχοινί – το οποίο έχει συσταλεί σε αυτό το σύστημα αναφοράς – κινούνται προς τα δυτικά με ταχύτητα v. Συνεπώς ο πύραυλος που βρίσκεται ανατολικά σταματά να κινείται, αλλά ο πύραυλος που βρίσκεται δυτικά συνεχίζει να κινείται για λίγο ακόμα πριν σταματήσει, γι αυτό το σχοινί τεντώνει και τελικά σπάει.Η αλήθεια είναι ότι και οι δυο περιγραφές αποδεικνύονται αρκετά πιο περίπλοκες. Και αυτό γιατί η κίνηση που επιβάλλεται σε οποιαδήποτε άκρη του σχοινιού με την ταχύτητα των ελαστικών κυμάτων μέσα στο σχοινί, ταχύτητα η οποία είναι θεωρείται εξαιρετικά χαμηλή στην κλίμακα της ταχύτητας του φωτός, με αποτέλεσμα η πιο αναλυτική από τις δυο να περιλαμβάνει επίσης δυο διαφορετικές εκδοχές. Κάθε εκδοχή είναι απολυτως σωστή για το σύστημα αναφοράς στο οποίο αναφέρεται. Η ταυτόχρονη ισχύς και των δυο περιγραφών, σύμφωνα με το κατάλληλο σύστημα αναφοράς, δεν είναι περισσότερο – ή λιγότερο – παράξενη από την αίσθηση που έχουν οι κα΄τοικοι στη Νέα Υόρκη για τους κατοίκους του Σίδνεϋ όταν υποστηρίζουν ότι βρίσκονται ανάποδα σε σχέση με αυτούς, αλλά φυσικά και το αντίστροφο. Και οι δυο είναι στην ουσία διαφορετικοί τρόποι περιγραφής των ίδιων φαινομένων.Ένα σημαντικό μάθημα που παίρνουμε από τη σχετικότητα είναι ότι τελικά υπάρχουν λιγότερα εγγενή στοιχεία στα πράγματα από όσα κάποτε πιστεύαμε. Πολλά από αυτά τα στοιχεία τα οποία τα οποία θεωρούσαμε ότι ήταν έμφυτα, τώρα αποδεικνύονται τελικά να είναι μέρος της σύμβασης που εμείς επιλέγουμε για την περιγραφή των φαινομένων. Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν υπάρχει τίποτε έμφυτο σε αυτά τα φαινόμενα. Ότιδήποτε έχουμε διδαχθεί ως έμφυτο – όπως το διάστημα ανάμεσα σε δύο γεγονότα, για παράδειγμα – καταλήγει να θεωρείται παράξενο και άγνωστο, ενώ ότιδήποτε θεωρούσαμε κάποτε ως έμφυτο – όπως ο χρόνος ανάμεσα σε δυο γεγονότα – καταλήγει να είναι απλώς μέρος τη σύμβασης.

Η διαδικασία της συνειδητοποίησης ότι οι παλιές μας πεποιθήσεις δεν ευσταθούν πια, η οποία μας οδηγεί και στην επίπονη προσπάθεια να αναγνωρίσουμε και να συμβιβαστούμε με όλα τα λάθη του παρελθόντος, μας δίνει τη δυνατότητα να θεσπίσουμε στιβαρές και βελτιωμένες πεποιθήσεις οι οποίες θα αντικαταστήσουν τις παλιές. Και είναι ακριβώς αυτή η διαδικασία που κάνει συναρπαστική την αναζήτηση της επιστήμης. Ο κόσμος μας θεωρώ ότι θα ήταν πολύ καλύτερος για όλους μας αν αυτή η χαρά της αποκαθήλωσης των δικών μας στρεβλών πεποιθήσεων αποτελούσε πιο συχνό φαινόμενο και σε άλλους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας.

πηγή: N. David Mermin «Είναι θέμα χρόνου», εκδόσεις ΡΟΠΗ.

https://physicsgg.me/2023/07/23/τι-είναι-αυτό-που-κινεί-τα-νήματα/

[Δροσος Γεωργιος]

Δεν μπορεί κανείς να παρατηρήσει τον κόσμο χωρίς να τον αλλάξει.

Einstein και Heisenberg

Δεν μπορεί κανείς να παρατηρήσει τον κόσμο χωρίς να τον αλλάξει. Αυτή η άποψη οδήγησε τον Βέρνερ Χάιζενμπεργκ στην κβαντομηχανική κι αυτή ήταν το δίλημμά του. Ήθελε να μελετήσει τον κόσμο, δεν τον ενδιέφερε να τον αλλάξει. Ωστόσο τον άλλαξε, αναγκάστηκε να τον αλλάξει με αυτή την τρομερή θεωρία ανά χείρας, διότι έζησε σε μια εποχή κατά την οποία δεν μπορούσε να υπάρξει αδιαφορία για τέτοια ζητήματα, σε μια Γερμανία που επικρατoύσε ο εθνικοσοσιαλισμός. Κάτι ανάλογο συνέβαινε και με άλλους φυσικούς, άντρες και γυναίκες. Ούτε καν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο δηλωμένος ειρηνιστής, δεν μπόρεσε να μείνει μακριά από την παγκόσμια ιστορία και βοήθησε κι εκείνος με τον τρόπο του στην κατασκευή της ατομικής βόμβας, πράγμα που αργότερα μετάνιωσε. Αυτή είναι η σκοτεινή πλευρά της ιστορίας, που ξεκινάει από τις πληγές στα δάχτυλα της Μαρί Κιουρί και φτάνει στην ατομική βόμβα της Χιροσίμα.

Το μικροσκόπιο του Heisenberg ως πείραμα σκέψης σχετικό με την αρχή της αβεβαιότητας

Η φωτεινή πλευρά της ιστορίας είναι εκείνη όλων αυτών των εκπληκτικών, απίστευτα έξυπνων και φιλομαθών ανθρώπων και της σύμπραξης του πνεύματός τους. Η κβαντομηχανική ήταν μια τόσο καινούργια θεωρία, ώστε κανείς τους δεν θα μπορούσε να την ανακαλύψει μόνος του, έπρεπε να συνεργαστούν, να συναγωνιστούν, να είναι φίλοι και αντίπαλοι, για να τη δημιουργήσουν από κοινού.
(… Ο Χάιζενμπεργκ και οι περισσότεροι φυσικοί της εποχής του), συνέχισαν να εργάζονται και μετά το 1945. Κανείς τους όμως δεν κατάφερε να ανακαλύψει κάτι που θα μπορούσε να συγκριθεί με την κβαντομηχανική ή τη θεωρία της σχετικότητας. Ο Αϊνστάιν αναζητούσε έναν παγκόσμιο τύπο. Το ίδιο και ο Χάιζενμπεργκ. Δεν τον βρήκαν. Οι θεωρίες τους όμως, οι οποίες διατυπώθηκαν πριν από εκατό χρόνια, αντέχουν μέχρι σήμερα, περιέχονται στα τσιπ των ηλεκτρονικών υπολογιστών μας και στα ιατρικά μηχανήματα, οι δε αντιπαραθέσεις που είχαν τότε για την ερμηνεία των θεωριών τους δεν έχουν διευθετηθεί μέχρι σήμερα. Τις αντιρρήσεις που προέβαλλε ο Αϊνστάιν για την κβαντομηχανική εξακολουθούν να τις προβάλλουν αρκετοί επιφυλακτικοί επιστήμονες. Η ιστορία δεν έχει τελειώσει ακόμα.

απόσπασμα από τον βιβλίο του Tobias Hurter, «Η εποχή της αβεβαιότητας, Τα φωτεινά και σκοτεινά χρόνια της φυσικής 1895-1945», μετάφραση: Γιώτα Λαγουδάκου, εκδόσεις διόπτρα