Περι Φυσικής-Χημείας-Βιολογίας?

[Δροσος Γεωργιος]

Μόνο το 1% των χημικών ενώσεων έχει ανακαλυφθεί.

Πώς θα βρούμε τις άγνωστες χημικές ενώσεις που θα μπορούσαν να αλλάξουν τον κόσμοΤο σύμπαν είναι πλημμυρισμένο από δισεκατομμύρια χημικές ουσίες, η καθεμία από τις οποίες αποτελεί μια νέα προοπτική και δυνατότητα. Και έχουμε εντοπίσει μόνο το 1% αυτών. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι ανεξερεύνητες χημικές ενώσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην απομάκρυνση των αερίων του θερμοκηπίου ή να προκαλέσουν μια ιατρική επανάσταση όπως η πενικιλίνη.Από τότε που ο Ρώσος χημικός Ντμίτρι Μεντελέγιεφ επινόησε τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων το 1869, ο οποίος είναι ουσιαστικά ένα κουτί Lego για χημικούς, οι επιστήμονες ανακαλύπτουν από τότε τις χημικές ουσίες που βοήθησαν στον καθορισμό του σύγχρονου κόσμου. Χρειαζόμασταν την πυρηνική σύντηξη για να φτιάξουμε την τελευταία παρτίδα στοιχείων, όπως για παράδειγμα το στοιχείο 117, η τενεσσίνη, που συντέθηκε το 2010 με αυτόν τον τρόπο.Για να κατανοήσουμε όμως την πλήρη κλίμακα του χημικού σύμπαντος, πρέπει να κατανοήσουμε και τις χημικές ενώσεις. Ορισμένες εμφανίζονται στη φύση – το νερό, για παράδειγμα, αποτελείται από υδρογόνο και οξυγόνο. Άλλες, όπως το νάιλον, ανακαλύφθηκαν σε εργαστηριακά πειράματα και κατασκευάζονται σε εργοστάσια.Τα στοιχεία αποτελούνται από έναν τύπο ατόμου, και τα άτομα αποτελούνται από ακόμη πιο μικρά σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων. Όλες οι χημικές ενώσεις αποτελούνται από δύο ή περισσότερα άτομα. Συνεπώς πόσες χημικές ενώσεις μπορούμε να φτιάξουμε με τα 118 διαφορετικά είδη στοιχείων Lego που γνωρίζουμε σήμερα;

Η μεγαλύτερη χημική ένωση αποτελείται από 3 εκατ. άτομα

Μπορούμε να ξεκινήσουμε με τη δημιουργία όλων των ενώσεων που αποτελούνται από δύο άτομα. Υπάρχουν πολλές από αυτές: το N₂ (άζωτο) και το O₂ (οξυγόνο) αποτελούν μαζί το 99% του αέρα μας. Ένας χημικός θα χρειαζόταν πιθανότατα περίπου ένα χρόνο για να φτιάξει μία ένωση και υπάρχουν θεωρητικά 6.903 ενώσεις δύο ατόμων. Αυτό σημαίνει ότι ένα χωριό χημικών πρέπει να εργάζεται ένα χρόνο για να φτιάξει κάθε δυνατή ένωση δύο ατόμων.Υπάρχουν περίπου 1,6 εκατομμύρια ενώσεις τριών ατόμων, όπως το H₂0 (νερό) και το C0₂ (διοξείδιο του άνθρακα), που αντιστοιχούν στον πληθυσμό του Μπέρμιγχαμ και του Εδιμβούργου μαζί. Μόλις φτάσουμε σε ενώσεις τεσσάρων και πέντε ατόμων, θα πρέπει όλοι στη Γη να φτιάξουν από τρεις ενώσεις ο καθένας. Και για να φτιάξουμε όλες αυτές τις χημικές ενώσεις, θα πρέπει επίσης να ανακυκλώσουμε όλα τα υλικά του σύμπαντος αρκετές φορές.Αυτό βέβαια είναι μια απλοποίηση. Πράγματα όπως η δομή μιας ένωσης και η σταθερότητά της μπορούν να την κάνουν πιο πολύπλοκη και πιο δύσκολη στην παρασκευή της.

Η μεγαλύτερη χημική ένωση που έχει κατασκευαστεί μέχρι σήμερα δημιουργήθηκε το 2009 και αποτελείται από σχεδόν 3 εκατομμύρια άτομα. Δεν είμαστε ακόμη σίγουροι για το τι κάνει, αλλά παρόμοιες ενώσεις χρησιμοποιούνται για την προστασία των φαρμάκων κατά του καρκίνου στο σώμα μέχρι να φτάσουν στο σωστό σημείο.

Σίγουρα δεν είναι δυνατές όλες αυτές οι ενώσεις

Η αλήθεια είναι ότι στη χημεία υπάρχουν κανόνες – αλλά είναι κάπως ελαστικοί, γεγονός που δημιουργεί περισσότερες δυνατότητες για χημικές ενώσεις.Ακόμα και τα μοναχικά «ευγενή αέρια» (συμπεριλαμβανομένων του νέον, του αργού, του ξένου και του ηλίου), τα οποία τείνουν να μη συνδέονται με τίποτα, σχηματίζουν μερικές φορές ενώσεις. Το υδρίδιο του αργού, ArH⁺, δεν υπάρχει φυσικά στη Γη, αλλά έχει βρεθεί στο διάστημα. Οι επιστήμονες έχουν καταφέρει να φτιάξουν συνθετικές εκδοχές στα εργαστήρια που αναπαράγουν τις συνθήκες του διαστήματος.Ο άνθρακας κανονικά να συνδέεται με ένα έως τέσσερα άλλα άτομα, αλλά πολύ περιστασιακά, για σύντομες χρονικές περιόδους, θα μπορούσε να συνδεθεί με πέντε (π.χ. το μεθάνιουμ). Φανταστείτε ένα λεωφορείο με μέγιστη χωρητικότητα τεσσάρων ατόμων. Το λεωφορείο βρίσκεται στη στάση κι ο κόσμος ανεβοκατεβαίνει. Ενώ οι άνθρωποι μετακινούνται, σε κάποια χρονική στιγμή το λεωφορείο θα μπορούσε να περιέχει περισσότερα από τέσσερα άτομα.Ορισμένοι χημικοί περνούν ολόκληρη τη σταδιοδρομία τους προσπαθώντας να δημιουργήσουν ενώσεις που, σύμφωνα με τους κανόνες της χημείας, δεν θα έπρεπε να υπάρχουν. Μερικές φορές οι προσπάθειες είναι επιτυχημένες.Ένα άλλο ερώτημα που πρέπει να αντιμετωπίσουν οι επιστήμονες είναι αν η ένωση που θέλουν μπορεί να υπάρξει μόνο στο διάστημα ή σε ακραία περιβάλλοντα – σκεφτείτε την τεράστια θερμότητα και πίεση που συναντάμε στις υδροθερμικές πηγές, οι οποίες είναι σαν τους θερμοπίδακες, αλλά στον πυθμένα του ωκεανού.

Πώς οι επιστήμονες αναζητούν νέες ενώσεις

Συχνά η απάντηση είναι ότι αναζητούν ενώσεις που σχετίζονται με ήδη γνωστές. Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι για να το κάνει αυτό κανείς. Η μία είναι να πάρουμε μια γνωστή ένωση και να την αλλάξουμε λίγο – προσθέτοντας, διαγράφοντας ή ανταλλάσσοντας κάποια άτομα. Μια άλλη μέθοδος είναι να πάρουμε μια γνωστή χημική αντίδραση και να χρησιμοποιήσουμε νέα αρχικά υλικά. Αυτό συμβαίνει όταν η μέθοδος δημιουργίας είναι η ίδια, αλλά τα προϊόντα μπορεί να είναι εντελώς διαφορετικά. Και οι δύο αυτές μέθοδοι είναι τρόποι αναζήτησης γνωστών αγνώστων.Επιστρέφοντας στο Lego, είναι σαν να φτιάχνεις ένα σπίτι, μετά ένα ελαφρώς διαφορετικό σπίτι, ή να αγοράζεις νέα τούβλα και να προσθέτεις έναν δεύτερο όροφο. Πολλοί χημικοί περνούν την καριέρα τους εξερευνώντας έναν από αυτούς τους χημικούς οίκους.

Πώς όμως θα αναζητήσουμε πραγματικά νέα χημεία

Ένας τρόπος με τον οποίο οι χημικοί μαθαίνουν για νέες ενώσεις είναι να εξετάζουν τον φυσικό κόσμο. Με αυτόν τον τρόπο βρέθηκε και η πενικιλίνη το 1928, όταν ο Αλεξάντερ Φλέμινγκ παρατήρησε ότι η μούχλα εμπόδιζε την ανάπτυξη των βακτηρίων.Πάνω από μια δεκαετία αργότερα, το 1939, ο Χόγουαρντ Φλόρευ βρήκε τον τρόπο να παράγει πενικιλίνη σε χρήσιμες ποσότητες, εξακολουθώντας να χρησιμοποιεί μούχλα. Χρειάστηκε όμως ακόμη περισσότερος χρόνος, μέχρι το 1945, για να προσδιορίσει η Ντόροθι Κρόφουτ Χόντκιν τη χημική δομή της πενικιλίνης.Αυτό είναι σημαντικό επειδή μέρος της δομής της πενικιλίνης περιέχει άτομα τοποθετημένα σε τετράγωνο, μια ασυνήθιστη χημική διάταξη που λίγοι χημικοί θα μπορούσαν να μαντέψουν και είναι δύσκολο να παραχθεί. Η κατανόηση της δομής της πενικιλίνης σήμαινε ότι γνωρίζαμε πώς έμοιαζε και μπορούσαμε να αναζητήσουμε τα χημικά ξαδέλφια της. Εάν με άλλα λόγια είμαστε αλλεργικοί στην πενικιλίνη και έχει τύχει να χρειαστούμε ένα εναλλακτικό αντιβιοτικό, πρέπει να ευχαριστήσουμε την Κρόφουτ Χόντκιν.Σήμερα, είναι πολύ πιο εύκολο να προσδιοριστεί η δομή νέων ενώσεων. Η τεχνική των ακτίνων Χ που εφηύρε η Κρόφουτ Χόντκιν στο δρόμο της για τον προσδιορισμό της δομής της πενικιλίνης εξακολουθεί να χρησιμοποιείται παγκοσμίως για τη μελέτη ενώσεων. Και η ίδια η τεχνική μαγνητικής τομογραφίας που χρησιμοποιούν τα νοσοκομεία για τη διάγνωση ασθενειών μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε χημικές ενώσεις για την ανάλυση της δομής τους.Αλλά ακόμη και αν ένας χημικός μαντέψει μια εντελώς νέα δομή που δεν σχετίζεται με καμία ένωση γνωστή στη Γη, θα πρέπει να την παρασκευάσει, και αυτό είναι το δύσκολο μέρος.Για πολλές χρήσιμες ενώσεις, όπως η πενικιλίνη, είναι ευκολότερο και φθηνότερο να «καλλιεργηθούν» και να εξαχθούν από τη μούχλα, από φυτά ή έντομα. Έτσι, οι επιστήμονες που αναζητούν νέα χημεία εξακολουθούν συχνά να αναζητούν έμπνευση στις πιο μικρές γωνιές του κόσμου γύρω μας.

πηγή: https://www.huffingtonpost.gr/entry/mono-to-1-ton-chemikon-enoseon-echei-anakalefthei-oi-aynostes-mporei-na-einai-epanastatikes_gr_6530ec5fe4b03b213b08bb91 – https://theconversation.com/only-1-of-chemical-compounds-have-been-discovered-heres-how-we-search-for-others-that-could-change-the-world-211302

 

[Δροσος Γεωργιος]

Τι είναι και τι χρησιμεύει το λευκό υδρογόνο;

Στη Γαλλία δύο επιστήμονες που αναζητούσαν ορυκτά καύσιμα, ανακάλυψαν αυτό που περιγράφουν ίσως ως το μεγαλύτερο κοίτασμα λευκού υδρογόνου που έχει βρεθεί ποτέ.

Το λευκό (ή φυσικό ή χρυσό) υδρογόνο είναι το μοριακό υδρογόνο που βρίσκεται στη φύση. Το όνομα λευκό υποδεικνύει τη φυσική προέλευσή του από τον φλοιό της Γης, όπου δημιουργείται μέσω γεωχημικών διεργασιών. Το διακρίνουμε από το πράσινο υδρογόνο, το οποίο παράγεται από την ηλεκτρόλυση του νερού, και από το γκρι, καφέ ή μαύρο υδρογόνο, τα οποία παράγονται εργαστηριακά από ορυκτές πηγές.Παρότι το υδρογόνο ως ενεργειακό μέσο δεν είναι κάτι νέο για την επιστήμη, το λευκό υδρογόνο είναι σχετικά καινούργιο. Η καύση του υδρογόνου παράγει νερό και καθόλου ρύπους, κάτι που το καθιστά μια φιλική στο περιβάλλον ενεργειακή λύση. Ωστόσο, έως πρότινος, οι επιστήμονες θεωρούσαν πως μαζικές ποσότητες υδρογόνου μπορούν να παραχθούν μόνο τεχνητά, σε εργαστήριο. Δύο επιστήμονες στη Γαλλία ανακάλυψαν ίσως το μεγαλύτερο κοίτασμα καθαρής πηγής ενέργειας που θα μπορούσε να αποδειχτεί σωτήρια στην προσπάθεια συγκράτησης των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής. Οι Ζακ Πιρονόν και Φιλίπ Ντε Ντονάτο, διευθυντές έρευνας στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας της Γαλλίας, ανακάλυψαν ένα κοίτασμα μεταξύ 6 εκατ. – 250 εκατομμυρίων μετρικών τόνων λευκού υδρογόνου – φυσικού αέριου υδρογόνου. «Προτείνουμε μια βαθιά γεώτρηση (βάθους έως 3.000 μέτρων) για να αποδείξουμε πως η συγκέντρωση υδρογόνου μεγαλώνει σε μεγαλύτερο βάθος. Αν όντως έτσι συμβαίνει, θα επιβεβαιώσουμε την παρουσία ενός ασυνήθιστα μεγάλου αποθέματος φυσικά παραγώμενου υδρογόνου, μεγαλύτερου από οποιοδήποτε έχει ανακαλυφθεί έως σήμερα, και θα μπορέσουμε να κάνουμε μια πρώτη ρεαλιστική εκτίμηση του μεγέθους του» εξηγούν οι δύο επιστήμονες. «Πολλοί εμπορικοί και θεσμικοί εταίροι, Γάλλοι και διεθνείς, ενδιαφέρονται να χρηματοδοτήσουν το έργο. Μένει να πείσουμε το γαλλικό κράτος για την αξία αυτής της πρωτοβουλίας, για να εξασφαλίσουμε τελικά τις απαραίτητες άδειες» σημειώνουν οι ίδιοι. «Αν με ρωτούσατε τέσσερα χρόνια πριν για το τι πίστευα για το φυσικό υδρογόνο, θα σας απαντούσα “α, δεν υπάρχει”», παραδέχεται ο Τζέφρι Έλις, γεωχημικός στο Γεωλογικό Ινστιτούτο Ηνωμένων Πολιτειών (USGS). «Το υδρογόνο βρίσκεται εκεί έξω, το ξέρουμε αυτό», λέει ο Έλις, παραδεχόμενος ωστόσο πως οι επιστήμονες δεν πίστευαν πως υπήρχε σε μεγάλες συγκεντρώσεις.Αποδεικνύεται πως ο Έλις, καθως και όσοι πίστευαν το ίδιο, έσφαλαν. Το 1987, τυχαία, ανακαλύφθηκε στο Μάλι ένα μεγάλο απόθεμα. Ωστόσο, σήμερα, η παραγωγή της χώρας της δυτικής Αφρικής δεν ξεπερνά τους 5 τόνους ετησίως – ποσότητα που ωχριά σε σύγκριση με την παγκόσμια παραγωγή γκρίζου υδρογόνου που εκτιμάται σε 80 εκατομμύρια τόνους ετησίως.Πλέον, η επιστημονική έρευνα έχει στρέψει κατά πολύ το ενδιαφέρον της στο λευκό υδρογόνο (που αποκαλείται και «φυσικό», «χρυσό» ή «γεωλογικό» υδρογόνο») καθώς θεωρείται το «ιερό δισκοπότηρο κατά της κλιματικής κρίσης που «θα συμβάλλει στην επιτάχυνση της διάσωσης του πλανήτη από τις επιπτώσεις της» σημειώνει ο γεωχημικός Βιάτσεσλαβ Ζγκόνικ. 

Καθαρό και φθηνό

Το υδρογόνο παράγει νερό μόνο κατά την καύση του, γι’αυτό αποτελεί μια πολύ ελκυστική λύση ως δυνητική καθαρή ενέργεια για την αεροπλοΐα, τη ναυτιλία και τη χαλυβουργία, βιομηχανίες δηλαδή με τεράστιες ενεργειακές ανάγκες.Όμως, παρότι το υδρογόνο είναι το στοιχείο με τη μεγαλύτερη αφθονία στον πλανήτη, υπάρχει μόνο σε συνδυασμό με άλλα μόρια. Αυτή τη στιγμή, το εμπορικό υδρογόνο παράγεται με μια ενεργοβόρα διαδικασία που τροφοδοτείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από ορυκτά καύσιμα. Ωστόσο, το λευκό υδρογόνο δεν απαιτεί καμία από αυτές τις ενεργοβόρες διαδικασίες, γι’αυτό και προβάλλει ως η λύση του μέλλοντος. Επιπλέον, είναι και φθηνότερο καθώς η παραγωγή του εκτιμάται πως κοστίζει 1 δολάριο ανά κιλό – σε σύγκριση με τα 6 δολάρια ανά κιλό του πράσινου υδρογόνου. Αποθέματα λευκού υδρογόνου έχουν εντοπιστεί σε όλο τον κόσμο, κάποια τυχαία, άλλα μετά από σχετική αναζήτηση – σε ΗΠΑ, ανατολική Ευρώπη, Ρωσία, Αυστραλία, Ομάν, καθώς και σε Μάλι και Γαλλία. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις του Έλις, ενδέχεται να υπάρχουν δεκάδες δισεκατομμύρια τόνοι λευκού υδρογόνου στον κόσμο – απείρως περισσότερα από τα 100 εκατομμύρια τόνων υδρογόνου που παράγονται σήμερα ετησίως, και από τα 500 εκατομμύρια τόνων που προβλέπεται να παράγονται ετησίως μέχρι το 2050, σύμφωνα με τον ίδιο. 

Πηγή: CNN – Business Insider
https://www.kathimerini.gr/life/environment/562699228/leyko-ydrogono-ti-einai-kai-giati-theoreitai-iero-diskopotiro-gia-to-klima/

[Δροσος Γεωργιος]

Η «εγκυκλοπαίδεια» του πλανητικού μικροβιώματος.

Δισεκατομμύρια νέων άγνωστων μέχρι σήμερα πρωτεϊνών αποκάλυψε πολυετής διεθνής συνεργασία με πρωτοστατούντες έλληνες ερευνητές.
Το μικροβίωμα, το σύνολο δηλαδή των μικροοργανισμών που συμβιούν με τον καθένα από εμάς παίζοντας καθοριστικό ρόλο στη φυσιολογία μας, είναι μάλλον γνωστό. Λιγότερο όμως γνωστό, ακόμη και στους επιστήμονες, είναι το περιβαλλοντικό μικροβίωμα, το σύνολο δηλαδή των οργανισμών στο περιβάλλον. Αν και αόρατοι με γυμνό μάτι, οι μικροοργανισμοί (ιοί, βακτήρια, μύκητες) βρίσκονται παντού: στο έδαφος, στον αέρα, στα υδάτινα οικοσυστήματα, επιβιώνοντας ακόμη και στις πλέον ακραίες συνθήκες, όπως είναι, παραδείγματος χάριν, τα ηφαίστεια, οι ωκεάνιες θερμοπηγές ή οι πάγοι των πόλων.

Μια βάση-χρυσωρυχείο

Παραδοσιακά, η μελέτη ενός μικροοργανισμού προϋπέθετε την απομόνωσή του και στη συνέχεια τη (συχνά ανέφικτη) καλλιέργειά του σε εργαστηριακές συνθήκες. Οι τεχνολογικές (και κυρίως οι υπολογιστικές) πρόοδοι όμως, οι οποίες έφεραν επανάσταση στη βιολογία ήδη από τα τέλη του περασμένου αιώνα και συνεχίζονται ακόμη με αμείωτη ένταση, έχουν επιτρέψει τη μελέτη των μικροβιωμάτων συνολικά, χωρίς να είναι απαραίτητη η απομόνωση και καλλιέργεια των επιμέρους μικροοργανισμών που τα απαρτίζουν. Στην πρωτοπορία της ανάλυσης των Μεγάλων Δεδομένων (Big Data) των μικροβιωμάτων βρίσκεται εδώ και μια εικοσαετία το εργαστήριο του δρος Νίκου Κυρπίδη, το οποίο ανήκει στο Joint Genome Institute (JGI) του υπουργείου Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών (DOE) και εδρεύει στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley. Ο έλληνας βιολόγος και οι συνεργάτες του έχουν, μεταξύ άλλων, δημιουργήσει εκεί μια τεράστια βάση δεδομένων περιβαλλοντικών μικροβιωμάτων, την οποία θα μπορούσε κανείς να περιγράψει ως «χρυσωρυχείο» πληροφορίας. Δεν είναι τυχαίο εξάλλου το γεγονός ότι οι μελέτες που βασίζονται σε στοιχεία από βάσεις δεδομένων ονομάζονται «εξορύξεις» (mining).Στις «στοές» αυτού του ιδιότυπου ψηφιακού χρυσωρυχείου καταδύθηκε μια διεθνής ομάδα επιστημόνων στην οποία η ελληνική συμμετοχή ήταν έντονη. Ειδικότερα, εκτός από τον δρα Κυρπίδη, ο οποίος είχε την επίβλεψη και τον συντονισμό των ερευνών, στη μελέτη συμμετείχαν μεταξύ άλλων τρία εργαστήρια με έδρα την Ελλάδα: το εργαστήριο του δρος Χρήστου Ουζούνη, καθηγητή Βιοπληροφορικής στο Τμήμα Πληροφορικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και διευθυντή Ερευνών του Εθνικού Κέντρου Ερευνας & Τεχνολογικής Ανάπτυξης, το εργαστήριο του δρος Ιωάννη Ηλιόπουλου, αναπληρωτή καθηγητή Μοριακής Βιολογίας – Βιοπληροφορικής στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Κρήτης, και το εργαστήριο του δρος Γεωργίου Παυλόπουλου, κύριου ερευνητή Βιοπληροφορικής στο ερευνητικό κέντρο «Αλέξανδρος Φλέμινγκ», το οποίο είχε και τη μερίδα του λέοντος στη συγκεκριμένη μελέτη. Ετσι, ο δρ Παυλόπουλος είναι ο πρώτος και βασικός συγγραφέας στο σχετικό επιστημονικό άρθρο, το οποίο δημοσιεύθηκε στα μέσα Οκτωβρίου στην έγκριτη επιστημονική επιθεώρηση «Nature».

Φως στη σκοτεινή ύλη

Ο τίτλος του άρθρου είναι «Αποκαλύπτοντας τη λειτουργική σκοτεινή ύλη μέσω παγκόσμιας μεταγονιδιωματικής» (Unraveling the functional dark matter through global metagenomics), που ίσως να μη σημαίνει και πολλά στους μη ειδικούς. Αξίζει λοιπόν τον κόπο να δώσουμε ορισμένες διευκρινίσεις. Το γονιδίωμα είναι το γενετικό υλικό ενός οργανισμού, ενώ ως μεταγονιδίωμα ορίζεται το σύνολο του γενετικού υλικού που υπάρχει σε ένα περιβαλλοντικό δείγμα που αποτελείται από πολλούς οργανισμούς. Κατ’ αντιστοιχία μεταγονιδιωματική είναι το πεδίο που μελετά το μεταγονιδίωμα, ενώ το έως τώρα ανεξερεύνητο γενετικό υλικό περιγράφει ο όρος «σκοτεινή ύλη» του τίτλου.Τόσο στο γονιδίωμα όσο και στο μεταγονιδίωμα υπάρχει κωδικοποιημένη η γενετική πληροφορία για τη δημιουργία πρωτεϊνών, των μορίων που εμπλέκονται στο σύνολο των βιολογικών διεργασιών. Το τιτάνιο έργο της συγκριτικής ανάλυσης των πρωτεϊνών της τεράστιας βάσης δεδομένων του εργαστηρίου του δρος Κυρπίδη ανέλαβε η διεθνής ομάδα επιστημόνων. Χωρίς υπερβολή, θα μπορούσε κανείς να πει ότι στην πραγματικότητα οι ερευνητές ανέλυσαν το πλανητικό μικροβίωμα καθώς η εν λόγω βάση δεδομένων καλύπτει κάθε γωνιά του πλανήτη. Οπως εξήγησε μιλώντας στο ΒΗΜΑ-Science ο δρ Παυλόπουλος, «αρχικά συγκρίναμε μεταξύ τους, μία προς μία, τις 8,5 περίπου δισεκατομμύρια πρωτεΐνες της βάσης. Αυτές οι μαζικά παράλληλες υπολογιστικές συγκρίσεις μάς οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι περίπου 1,2 δισεκατομμύρια από αυτές δεν σχετίζονται με καμία πρωτεΐνη που είναι κωδικοποιημένη στα μέχρι σήμερα γνωστά ως γονιδιώματα αναφοράς».

Οικογένειες πρωτεϊνών

Με άλλα λόγια, οι ερευνητές διαπίστωσαν αρχικά την ύπαρξη τουλάχιστον 1,2 δισεκατομμυρίων άγνωστων μέχρι σήμερα πρωτεϊνών. Γιατί όμως επέλεξαν να μελετήσουν τις πρωτεΐνες; «Οι πρωτεΐνες είναι το αποτέλεσμα ενός πανάρχαιου ταξιδιού που ξεκίνησε πάνω από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Αυτές οι μακρομοριακές μηχανές έχουν οργανώσει τις δομές και λειτουργίες τους από την αυγή της ζωής στη Γη. Εχουν εξελιχθεί και προσαρμοστεί  να ανταποκρίνονται στις διαρκώς μεταβαλλόμενες απαιτήσεις των ζωντανών οργανισμών» εξήγησε ο δρ Ουζούνης και πρόσθεσε: «Επιπλέον, οι πρωτεΐνες δεν είναι μεμονωμένα στοιχεία: συνιστούν περίπλοκες κοινότητες γνωστές ως οικογένειες πρωτεϊνών. Αυτές οι οικογένειες αποτελούνται από πρωτεΐνες που προέρχονται από έναν κοινό πρόγονο με παρόμοιες δομές και λειτουργίες, που χρησιμεύουν ως μαρτυρία της κοινής εξελικτικής τους κληρονομιάς».Αναζητώντας λοιπόν τις εξελικτικές μεταξύ τους σχέσεις, οι ερευνητές ομαδοποίησαν τις άγνωστες πρωτεΐνες σε οικογένειες. «Χρησιμοποιώντας παράλληλους αλγορίθμους και πάνω από 170.000 υπολογιστικούς πυρήνες σε έναν από τους μεγαλύτερους υπερυπολογιστές του κόσμου, ομαδοποιήσαμε αυτές τις άγνωστες πρωτεϊνικές αλληλουχίες σε οικογένειες» εξήγησε ο δρ Παυλόπουλος και συνέχισε: «Για να πληροί τις προϋποθέσεις που θέσαμε ώστε να μειωθεί ο κίνδυνος λάθους, μια πρωτεϊνική οικογένεια θα έπρεπε να έχει τουλάχιστον 100 μέλη. Εντοπίσαμε έτσι περισσότερες από 100.000 νέες οικογένειες πρωτεϊνών, αριθμός αντίστοιχος με αυτόν των οικογενειών που γνωρίζαμε μέχρι σήμερα, οι οποίες προέρχονται αποκλειστικά από τα καταχωρισμένα γοδιώματα αναφοράς. Διπλασιάσαμε δηλαδή τον αριθμό των πρωτεϊνικών οικογενειών».

Απαρχή νέων ανακαλύψεων

Στη φύση οι πρωτεΐνες δεν είναι γραμμικά μόρια αλλά υιοθετούν τρισδιάστατες δομές οι οποίες υπαγορεύονται από την αλληλουχία των δομικών συστατικών τους (αμινοξέα). Ετσι, οι ερευνητές δεν αρκέστηκαν στο γεγονός ότι με τα αρχικά ευρήματά τους διπλασίασαν τον αριθμό των πρωτεϊνικών οικογενειών, αλλά θέλησαν να ελέγξουν και τη δομή τους με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης. «Εφαρμόζοντας τη μεθοδολογία της Google DeepMind, θυγατρικής της Alphabet, υπολογίσαμε πιθανές τρισδιάστατες δομές των πρωτεϊνών και τις συγκρίναμε με όλες τις υπάρχουσες δομές του πλανήτη. Εντοπίσαμε έτσι εκατοντάδες εντελώς νέες δομές, οι οποίες αξίζει να επαληθευτούν πειραματικά» εξήγησε ο δρ Παυλόπουλος, ενώ ο δρ Κυρπίδης τόνισε ότι «η συγκεκριμένη έρευνα δεν διπλασίασε μόνο την υπάρχουσα γνώση για την ποικιλία των διαφορετικών πρωτεϊνών, αλλά και για πρώτη φορά παρέχει ποσοτικές πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος αυτής της ποικιλομορφίας στη φύση, που ακόμα δεν έχει εξερευνηθεί πλήρως. Επιπλέον, προσφέρει πρώτες ενδείξεις σχετικά με τον πιθανό ρόλο των νέων πρωτεϊνών, το οποίο αναμένουμε να οδηγήσει σε νέες μεγάλες ανακαλύψεις και νέες βιοτεχνολογικές εφαρμογές τα επόμενα χρόνια».Επομένως, τα αποτελέσματα του τιτάνιου έργου της ερευνητικής ομάδας δεν είναι μόνο η αποκάλυψη ενός άγνωστου πρωτεϊνικού κόσμου, πράγμα που συνεπάγεται την ύπαρξη πληθώρας άγνωστων ακόμη μικροοργανισμών, αλλά και το γεγονός ότι αποτελεί την απαρχή για αναρίθμητες νέες ερευνητικές μελέτες. Πρόκειται δηλαδή για ένα δώρο στην παγκόσμια ερευνητική κοινότητα η αξιοποίηση του οποίου θα αποδίδει καρπούς για πολλά ακόμη χρόνια.

 https://www.tovima.gr/print/science/i-egkyklopaideia-tou-planitikou-mikroviomatos/

[Δροσος Γεωργιος]

Οι δύο τραγικοί αυτόχειρες της Στατιστικής Μηχανικής.

Το 1975 ο φυσικος David L. Goodstein κυκλοφόρησε το βιβλίο του με τίτλο «States of Matter«. Το βιβλίο αυτό έγινε γνωστό, όχι τόσο για το περιεχόμενό του, αλλά για τον γλαφυρό τρόπο με τον οποίο ξεκινά το 1ο κεφάλαιο «Θερμοδυναμική και Στατιστική Φυσική» :
«Ο Ludwig Boltzmann, ο οποίος ξόδεψε μεγάλο μέρος της ζωής του μελετώντας την στατιστική μηχανική, αυτοκτόνησε το 1906. Και ο συνεχιστής του έργου του, ο Paul Ehrenfest, αυτοκτόνησε επίσης το 1933. Τώρα ήρθε η σειρά μας να μελετήσουμε στατιστική μηχανική.
Ίσως θα ήταν σοφό να προσεγγίσουμε το θέμα προσεκτικά. Θα ξεκινήσουμε εξετάζοντας το απλούστερο θεμελιώδες παράδειγμα, το ιδανικό αέριο, προκειμένου να ξεκαθαρίσουμε τις κεντρικές έννοιες…»

Η σελίδα από το βιβλίο του David L. Goodstein ‘States of Matter‘, με την αντίστοιχη υπογράμμιση, κυκλοφορεί εδώ και καιρό στο διαδίκτυο.

Πάντως η πλειοψηφία των φοιτητών που παρακολουθεί για πρώτη φορά το μάθημα της Στατιστικής Μηχανικής, δεν αντιλαμβάνεται ότι ο συγγραφέας κάνει χιούμορ χρησιμοποιώντας το τραγικό τέλος των δυο μεγάλων φυσικών. Κι αυτό γιατί η ενασχόλησή τους με το ‘δύσκολο’ μάθημα της Στατιστικής Μηχανικής τους προκαλεί όντως αυτοκτονικές τάσεις!

Η μανιοκατάθλιψη των Μπόλτσμαν και Έρενφεστ

Ο Λούντβιχ Μπόλτσμαν ήταν Αυστριακός φυσικός που γεννήθηκε το 1844 και υπήρξε ένας από τους θεμελιωτές της Στατιστικής Μηχανικής. Συνδύασε την θεωρία πιθανοτήτων στον 2ο Θερμοδυναμικό Νόμο, αποδεικνύοντας ότι η πιθανότερη κατάσταση ενός θερμοδυναμικού συστήματος είναι η κατάσταση ισορροπίας. Απέδειξε το θεώρημα ισοκατανομής της ενέργειας, και ήταν ένας από τους σημαντικότερους υποστηρικτές της Ατομικής Θεωρίας, όταν πολλοί μεγάλοι επιστήμονες αμφισβητούσαν ακόμα την ύπαρξη των ατόμων. Ο Μπόλτσμαν δεν τα πήγαινε καλά με κάποιους από τους συναδέλφους του, όπως ξακουστός Ερνστ Μαχ, οι οποίοι δεν αποδέχονταν τις θεωρίες του. Ως καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης δεν δίδασκε μόνο Φυσική, αλλά έδινε και διαλέξεις φυσικής Φιλοσοφίας, οι οποίες ήταν πολύ δημοφιλείς.
Ο Μπόλτσμαν υπέφερε από μανιοκατάθλιψη και κατά τη διάρκεια των θερινών διακοπών του στη μικρή πόλη Duino κοντά στην Τεργέστη το 1906, αυτοκτόνησε με απαγχονισμό. Αν και η αιτία της αυτοκτονίας του αποδόθηκε, μάλλον λανθασμένα, στην έλλειψη αποδοχής των ιδεών του, σημαντικότερο ρόλο για την τραγική αυτή εξέλιξη έπαιξε η ψυχική του ασθένεια.

Στον τάφο του Boltzmann αναγράφεται η πιο διάσημη εξίσωσή του: S = k logW, η οποία συσχετίζει την εντροπία S ενός συστήματος με τον αριθμό των μικροκαταστάσεων του συστήματος W που είναι συμβιβαστές με μια μακροκατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Το k είναι μια σταθερά, που σήμερα ονομάζουμε σταθερά Boltzmann.

Ο Πάουλ Έρενφεστ ήταν επίσης Αυστριακός θεωρητικός φυσικός που γεννήθηκε το 1880 και υπήρξε φοιτητής του Λούντβιχ Μπόλτζμαν. Έκανε το μεγαλύτερο μέρος της έρευνάς του, ως καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Λέιντεν στην Ολλανδία και κέρδισε τη φήμη του καλύτερου δασκάλου της γενιάς του κατά τον Αϊνστάιν, με τον οποίο ήταν προσωπικός φίλος, όπως και με τον Νιλς Μπορ.
Ο Έρενφεστ είχε σημαντικές συνεισφορές στη Στατιστική Φυσική, την Θερμοδυναμική, αλλά και στην θεμελίωση της κβαντικής φυσικής (ανήκε στην περίφημη Σχολή της Κοπεγχάγης).
Όμως το τέλος του ήταν τραγικότερο του Μπολτσμαν. Το 1933 ενώ το ναζιστικό κόμμα είχε ήδη καταλάβει την εξουσία στη Γερμανία, ο Έρενφεστ έφτασε στο Άμστερνταμ για να επισκεφτεί τον μικρότερο γιό του Βάσικ που είχε το σύνδρομο Down και βρισκόταν σε ίδρυμα. Ο Έρενφεστ, όπως και ο δάσκαλός του Μπόλτσμαν έπασχε από βαριά μορφή κατάθλιψης. Με δεδομένο το επερχόμενο ζοφερό ναζιστικό μέλλον, αποφάσισε ότι ο γιός του έπρεπε να απαλλαγεί από τη δυστυχία του ταυτόχρονα με τον ίδιο. Έτσι ο πυροβόλησε πρώτα τον γιό του και στη συνέχεια τον εαυτό του.

O Paul Ehrenfest στο Amsterdam το 1933. Έγινε γνωστός κυρίως από το θεώρημα και το παράδοξο Ehrenfest, αλλά και τη θεωρία των αδιαβατικών αναλλοίωτων

Τελικά, οι δυο τραγικές αυτοκτονίες που στο βιβλίο του Goodstein, «συνδέονται με την μελέτη της Στατιστικής Μηχανικής», έχουν την ρίζα τους στην ασυνείδητη ενόρμηση της καταστρεπτικότητας του ανθρώπου, η οποία εκδηλώνεται είτε προς τους άλλους είτε προς τον εαυτό του. Ο Φρόϋντ ονόμαζε την ενόρμηση αυτή «ένστικτο του θανάτου«. Όταν στρέφεται προς τον εαυτό μας, τότε εμφανίζεται η κατάθλιψη και η μελαγχολία, οι οποίες μπορεί τελικά να οδηγήσουν και στην αυτοκτονία.
Μιλώντας με όρους Θερμοδυναμικής και Στατιστικής Μηχανικής, η αυτο-καταστρεπτικότητα (και η ετερο-καταστρεπτικότητα) ισοδυναμεί με την «τάση αύξησης της εντροπίας» που οδηγεί στην αποδιοργάνωση και την αταξία,
με λίγα λόγια στον θάνατο – αφού το βασικότερο χαρακτηριστικό των ζωντανών οργανισμών είναι η ικανότητά τους να ελαττώνουν ή τουλάχιστον να διατηρούν σταθερή την εντροπία τους.

Το βιβλίο «States of Matter» του Goodstein βασίστηκε στις διαλέξεις που έδωσε στο Caltech – αρχές της δεκαετίας του 1970 – ακολουθώντας ένα νέο πρόγραμμα σπουδών στην εφαρμοσμένη φυσική. Ξεκινώντας με πρώτο κεφάλαιο την εισαγωγή στην Θερμοδυναμική και την Στατιστική Μηχανική, προχωρά σε βαθύτερες περιγραφές της συμπεριφοράς των ιδανικών αερίων, των ηλεκτρονίων στα μέταλλα, την συμπύκνωση Bose, την δομή των ρευστών, την θεωρία μοριακού πεδίου Weiss, την εξίσωση van der Waals και διάφορες πτυχές των μεταταροπών φάσης.

https://physicsgg.me/2023/11/17/οι-δύο-τραγικοί-αυτόχειρες-της-στατισ/

[Δροσος Γεωργιος]

Ένα νέο είδος μαγνητισμού.

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης ανακάλυψαν έναν νέο τύπο μαγνητισμού σε υλικό που κατασκεύασαν στο εργαστήριο. Το υλικό γίνεται σιδηρομαγνητικό μέσω της ελαχιστοποίησης της κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων του.

Στο νέο υλικό moiré που παράχθηκε τα σπιν των ηλεκτρονίων διαταράσσονται όταν υπάρχει ακριβώς ένα ηλεκτρόνιο ανά θέση πλέγματος (αριστερά). Όταν όμως υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια από τις θέσεις πλέγματος (δεξιά), τότε ζεύγη ηλεκτρονίων καταλαμβάνουν την ίδια θέση πλέγματος – τα επονομαζόμενα «doublons» – (κόκκινο), και τα σπιν ευθυγραμμίζονται σιδηρομαγνητικά γιατί έτσι ελαχιστοποιείται η κινητική ενέργεια. Το νέο υλικό παράχθηκε τοποθετώντας λεπτά δισδιάστατα στρώματα δύο διαφορετικών ημιαγωγών υλικών -δισελενιούχο μολυβδαίνιο (MoSe₂) και δισουλφίδιο βολφραμίου (WS₂) – το ένα πάνω στο άλλο.

Εν συντομία:
– Ερευνητές στο ETH εντόπισαν ένα νέο είδος σιδηρομαγνητισμού που διαφέρει από εκείνο του κοινού μαγνήτη του ψυγείου.
– Σε αυτόν τον «κινητικό μαγνητισμό» το υλικό γίνεται μαγνητικό επειδή η ενέργεια κίνησης των ηλεκτρονίων ελαχιστοποιείται όταν οι μαγνητικές ροπές τους ευθυγραμμίζονται.
– Για να ανιχνεύσουν αυτό το φαινόμενο, οι ερευνητές παρήγαγαν ένα τεχνητό υλικό με μεγάλη σταθερά πλέγματος και το έψυξαν σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Ανακαλύφθηκε νέο είδος μαγνητισμού

Για να κολλήσει στην πόρτα του ψυγείου ένας μαγνήτης, πρέπει να λαμβάνουν χώρα κάποιες προϋποθέσεις: Οι μαγνητικές ροπές των ηλεκτρονίων πρέπει να «κοιτούν» προς την ίδια κατεύθυνση, ακόμα και αν δεν τις βάζουν να το κάνουν αυτό κάποιες εξωτερικές δυνάμεις μαγνητικών πεδίων. Αυτό συμβαίνει λόγω ενός συνδυασμού ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ ηλεκτρονίων και κβαντοκομηχανικών αλληλεπιδράσεων των σπιν των ηλεκτρονίων, που, με τη σειρά τους, ευθύνονται για τις μαγνητικές ροπές. Αυτό είναι μια κοινή εξήγηση για το ότι κάποια συγκεκριμένα υλικά είναι σιδηρομαγνητικά, ή μόνιμα μαγνητικά, αρκεί κάποιος να μην τα θερμάνει πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.Στο ΕΤΗ Zurich ομάδα ερευνητών από των Ατάτς Ιμάμογλου στο Ινστιτούτο Κβαντικής Ηλεκτρονικής και τον Γιουτζίν Ντέμλερ στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής εντόπισαν ένα νέο είδος σιδηρομαγνητισμού σε ένα τεχνητά παραγόμενο υλικό, όπου η ευθυγράμμιση των μαγνητικών ροπών λαμβάνει χώρα με διαφορετικό τρόπο. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο Nature.Στο εργαστήριο του Ιμάμογλου, ερευνητές παρήγαγαν ένα ειδικό υλικό με εξαιρετικά λεπτά (σε ατομικό επίπεδο) στρώματα δύο διαφορετικών υλικών-ημιαγωγών, το ένα πάνω στο άλλο. Στο «πλάνο» επαφής, οι διαφορετικές σταθερές πλέγματος των δύο υλικών- το πόσο χωρίζονται τα άτομά τους- οδηγεί σε μια δύο διαστάσεων δομή με μια μεγάλη σταθερά πλέγματος, που μπορεί να γεμίσει με ηλεκτρόνια, εφαρμόζοντας ηλεκτρική τάση.Αυξάνοντας σταθερά την τάση, οι ερευνητές γέμισαν το υλικό με ηλεκτρόνια και μέτρησαν το επίπεδο μαγνητισμού. Μέχρι ένα σημείο το υλικό παρέμενε παραμαγνητικό, μέχρι που κάποια στιγμή άρχισε ξαφνικά να συμπεριφέρεται σαν σιδηρομαγνήτης. «Αυτό ήταν απόδειξη ενός νέου τύπου μαγνητισμού που δεν μπορεί να εξηγηθεί από την αλληλεπίδραση των ανταλλαγών» είπε ο Ιμάμογλου.Ο Γιουτζίν Ντέμλερ, σε συνεργασία με τον μεταδιδακτορικό Ιβάν Μορέρα, είχαν μια ιδέα: Να δουν έναν μηχανισμό που είχε σκεφτεί ο Ιάπωνας φυσικός Γιοσούκε Ναγκαόκα από το 1996. Σε αυτό το μηχανισμό, κάνοντας τα σπιν να «δουν» προς την ίδια κατεύθυνση, τα ηλεκτρόνια ελαχιστοποιούν την κινητική ενέργεια, που είναι πολύ μεγαλύτερη από την ενέργεια από τις ανταλλαγές. Στο πείραμα που έγινε παρατηρήθηκε πως κάτι τέτοιο συμβαίνει αμέσως μόλις υπάρξει πάνω από ένα ηλεκτρόνιο ανά πλέγμα στο πλέγμα του υλικού. Ως αποτέλεσμα, δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων, σχηματίζοντας «(doublons) δουβλόνια». Η κινητική ενέργεια ελαχιστοποιείται όταν τα δουβλόνια εξαπλώνονται. Αυτό, ωστόσο, είναι δυνατόν μόνο αν τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια στο πλέγμα ευθυγραμμίζουν τα σπιν τους σιδηρομαγνητικά. «Ως τώρα, τέτοιοι μηχανισμοί κινητικού μαγνητισμού είχαν εντοπιστεί μόνο σε συστήματα- μοντέλα, για παράδειγμα σε τέσσερις συζευγμένες κβαντικές κουκκίδες», λέει ο Imamoğlu, «αλλά ποτέ σε εκτεταμένα συστήματα στερεάς κατάστασης όπως αυτό που χρησιμοποιούμε».

πηγή: https://www.huffingtonpost.gr/entry/anakaleftheke-neo-eidos-maynetismoe_gr_655b58b3e4b0ce6a31bdf1e2 – https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/11/a-new-kind-of-magnetism.html

 

[Δροσος Γεωργιος]

Ποιά είναι η έβδομη αίσθηση των δελφινιών;

Τα δελφίνια συγκαταλέγονται στα λίγα θηλαστικά που έχουν έξι αισθήσεις (γεύση, όσφρηση, όραση, αφή, ακοή, συν την αίσθηση του ηχοεντοπισμού), ωστόσο επιστήμονες διαπίστωσαν πως τα ρινοδέλφινα έχουν και μία έβδομη: ανιχνεύουν το ηλεκτρικό πεδίο.

Τα δύο ρινοδέλφινα του πειράματος μπορούσαν να ανιχνεύσουν ηλεκτρικά πεδία τόσο ασθενή έως 2,4 και 5,5 μV/cm⁻¹, αντίστοιχα. Το κατώφλι ανίχνευσης για πεδία εναλλασσόμενου ρεύματος (συχνότητας 1,5 και 25 Hz) ήταν γενικά υψηλότερο και η ευαισθησία για τα εναλλασσόμενα πεδία μειωνόταν με την αύξηση της συχνότητας.

Τα δελφίνια είναι από τα λίγα θηλαστικά που έχουν έξι αισθήσεις. Εκτός από τη γεύση, την όσφρηση, την ακοή, την όραση και την αφή, έχουν και την αίσθηση του ηχοεντοπισμού, δηλαδή τα ηχητικά κύματα που παράγουν ανακλώνται από αντικείμενα στο νερό, γεγονός που τους επιτρέπει να ανιχνεύουν ακόμη και ένα μικρό ψάρι σε απόσταση μεγαλύτερη από 300 μέτρα.Όμως τώρα οι επιστήμονες ήρθαν να επιβεβαιώσουν ότι ένα είδος δελφινιού έχει και μία έβδομη αίσθηση. Συγκεκριμένα σύμφωνα με δημοσίευμα της El Pais, μία σειρά πειραμάτων διαπίστωσε ότι το ρινοδέλφινο (Tursiops truncatus) – το πιο συνηθισμένο είδος που συναντάται στα ενυδρεία – διαθέτει μια έβδομη αίσθηση: είναι ικανό να ανιχνεύει ηλεκτρικά πεδία, μια ικανότητα που θα το βοηθούσε να κυνηγάει ψάρια που κρύβονται στον πυθμένα της θάλασσας.Επίσης, οι ερευνητές θεωρούν ότι αυτή η ικανότητα της αντίληψης του ηλεκτρισμού, βοηθάει τα ρινοδέλφινα να προσανατολίζονται ακολουθώντας το μαγνητικό πεδίο της Γης.

Πολύ σπάνια ικανότητα σε θηλαστικά

Αν και πολλά ψάρια, ιδίως τα ελασμοβράγχια (σαλάχια και καρχαρίες), και ορισμένα αμφίβια μπορούν να ανιχνεύσουν ηλεκτρικά πεδία χαμηλής έντασης, αυτό είναι εξαιρετικά σπάνιο στα θηλαστικά. Τόσο σπάνιο, που μόνο δύο από τα πιο ασυνήθιστα ζώα στον πλανήτη έχουν αυτή την ικανότητα: ο πλατύποδας και η αυστραλιανή έχιδνα, και τα δύο μονοτρήματα που γεννούν αυγά και έχουν ένα μόνο άνοιγμα, την κλόακα, όπου συγκλίνουν  το πεπτικό, το ουροποιητικό και το αναπαραγωγικό σύστημα.Το 2011, μια ομάδα Γερμανών επιστημόνων ανακάλυψε ότι το δελφίνι της Γουιάνας (Sotalia guianensis) αντιλαμβάνεται ηλεκτρικά σήματα. Αυτό το δελφίνι, που ενδημεί στον αμερικανικό Νότιο Ατλαντικό, από την Καραϊβική έως τις ακτές της Βραζιλίας, κυνηγά τα ψάρια που κρύβονται πάνω ή κάτω από την άμμο στον πυθμένα της θάλασσας. Πλέον μέλη της ομάδας που έκανε αυτή την ανακάλυψη επιβεβαίωσε ότι και τα ρινοδέλφινα έχουν αυτή την ικανότητα.Οι ηλεκτροδεκτικές ικανότητες του δελφινιού της Γουιάνας οδήγησαν τον Γκουίντο Ντένχαρντ, διευθυντή του Κέντρου Θαλασσίων Επιστημών του Πανεπιστημίου του Ροστόκ στη Γερμανία, να σκεφτεί ότι και άλλα δελφίνια θα μπορούσαν να έχουν αυτή την έβδομη αίσθηση.Ο Ντένχαρντ που ήταν ένας από τους υπεύθυνους της ανακάλυψης του 2011, ήταν πεπεισμένος ότι και τα ρινοδέλφινα πρέπει να έχουν αυτή την ικανότητα.«Και τα δύο είδη ακολουθούν μια βενθική στρατηγική διατροφής», εξήγησε στην El Pais μέσω ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. Αυτό σημαίνει ότι και τα δύο τρώνε ψάρια που ζουν στον πυθμένα του ωκεανού. Έτσι, αν το δελφίνι της Γουιάνας είναι ικανό να ανιχνεύει τον ηλεκτρισμό που παράγεται από τα ψάρια, γιατί να μην μπορεί να το κάνει και το ρινοδέλφινο;

Το σήμα που ανιχνεύουν τα δελφίνια

Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί δημιουργούν ηλεκτρικά πεδία γύρω από το σώμα τους όταν βρίσκονται στο νερό. Αυτό είναι το σήμα που ανιχνεύουν τα δελφίνια.Όπως εξήγησε ο μαθητής του Ντένχαρντ, Τιμ Χούτνερς: «Αυτά τα ηλεκτρικά πεδία δημιουργούνται από τη νευρική δραστηριότητα ή την κίνηση των μυών».Τα ψάρια δημιουργούν επίσης ένα πεδίο γύρω τους όταν οι βλεννογόνες μεμβράνες στο στόμα και στα βράγχιά τους «έρχονται σε άμεση επαφή με τον ωκεανό και απελευθερώνουν ιόντα στο νερό».Το νερό, χάρη στο αλάτι που περιέχει, βοηθά στη διάδοση αυτών των πεδίων, τα οποία μπορούν να ανιχνευθούν από τα ζώα που έχουν αναπτύξει συστήματα για την αντίληψή τους. Οι καρχαρίες χρησιμοποιούν αυτή την αίσθηση για να πετύχουν τα θύματά τους σε μικρές αποστάσεις, ενώ για μεγάλες αποστάσεις χρησιμοποιούν την αίσθηση της όσφρησης.

Πώς έγινε το πείραμα

Για να επαληθεύσουν την ύπαρξη αυτής της αίσθησης στα ρινοδέλφινα, οι Χούνερς και Ντένχαρντ, χρησιμοποίησαν τις Ντόνα και Ντόλι, δύο θηλυκά δελφίνια του είδους που ζουν στο ενυδρείο της Νυρεμβέργης. Δημιούργησαν ένα σύστημα στο οποίο έπρεπε να αγγίξουν μια μπάλα όταν εντόπιζαν ένα ηλεκτρικό πεδίο- αν το έκαναν σωστά, ανταμείβονταν με μια ρέγγα.Τα πειράματα, τα οποία πραγματοποιήθηκαν τα τελευταία τρία χρόνια και τα αποτελέσματα των οποίων δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Journal of Experimental Biology, έδειξαν ότι και τα δύο είχαν μεγάλη ευαισθησία στα ηλεκτρικά πεδία. Αν και με κάποιες διαφορές μεταξύ τους, ένιωθαν τα πεδία που δημιουργούνταν τόσο με εναλλασσόμενο όσο και με συνεχές ρεύμα. Για να μετρήσουν το εύρος, οι ερευνητές ξεκίνησαν με ένα πεδίο με ηλεκτρικό δυναμικό 500 μικροβόλτ ανά εκατοστό (μV/cm) και στη συνέχεια το μείωσαν.Τόσο η Ντόνα όσο και η Ντόλι ήταν εξίσου ευαίσθητες στα ισχυρότερα πεδία. Στα μέτρια ισχύος πεδία, το ποσοστό επιτυχίας ήταν πάντα πάνω από 80%. Μόνο στα ασθενέστερα ηλεκτρικά πεδία η Ντόνα αποδείχθηκε ελαφρώς πιο ευαίσθητη, ανιχνεύοντας πεδία 2,4 μV/cm, ενώ η Ντόνι αντιλαμβανόταν πεδία 5,5 μV/cm.Ένα μικροβόλτ ισοδυναμεί με ένα εκατομμυριοστό του βολτ. Για λόγους σύγκρισης, οι πλατύποδες, οι οποίοι επίσης τρέφονται με ζώα που κρύβονται στον πυθμένα (των ποταμών, στην περίπτωσή τους), εντοπίζουν καβούρια, γαρίδες ή έντομα που αποκαλύπτονται με ηλεκτρικά πεδία 25 έως 50 μικροβόλτ.

Πού βρίσκεται η έβδομη αίσθηση των δελφινιών

Η έβδομη αίσθηση αυτών των δελφινιών φαίνεται να βρίσκεται σε αισθητήρες που θυμίζουν τα μουστάκια που έχουν οι γάτες ή οι φώκιες.«Κατά τη γέννησή τους, έχουν ακόμα θυλάκια με τρίχες που λειτουργούν ως μηχανοϋποδοχείς, αλλά χάνουν τις τρίχες λίγο μετά τη γέννηση και απομένουν μόνο άδειες κρύπτες», εξηγεί ο Χούτνερς.Για μεγάλο χρονικό διάστημα πίστευαν ότι αυτές οι τρύπες πάνω από το ρύγχος ήταν απομεινάρια του παρελθόντος που είχαν χάσει τη λειτουργία τους, ωστόσο όπως διαπίστωσε το πείραμα: «Σύμφωνα με τις δοκιμές μας και μια προηγούμενη μελέτη με ένα δελφίνι της Γουιάνας, οι κρύπτες δονούνται και μετατρέπονται από μηχανοϋποδοχείς σε ηλεκτροϋποδοχείς».Απλως και μόνο συστέλλοντας τους μύες τους ή ανταλλάσσοντας ιόντα με το νερό, τα υδρόβια ζώα δημιουργούν πεδία μεταξύ 50 και 500 μV/cm. Αν και οι συγγραφείς της μελέτης δεν χρησιμοποίησαν ζωντανά ψάρια για τα πειράματά τους, πιστεύουν ότι η ηλεκτροαντίληψη είναι το κλειδί για να τρέφονται τα δελφίνια.Τα ζώα αυτά έχουν ικανότητες ηχοεντοπισμού, αλλά όταν βρίσκονται εκατοστά μακριά από ένα κρυμμένο θήραμα, η άμμος παρεμβάλλεται στο σήμα της ηχούς. Ωστόσο, αν και το ηλεκτρικό πεδίο εξασθενεί με την απόσταση, σε κοντινή απόσταση αποκαλύπτει το θήραμα.

Είδος μαγνητόμετρου

Οι βιολόγοι αναφέρουν επίσης μια δεύτερη λειτουργία αυτής της έβδομης αίσθησης, με τις νευρικές απολήξεις σε αυτές τις κρύπτες στο ρύγχος να λειτουργούν ως ένα είδος μαγνητόμετρου.«Τα ηλεκτρικά και τα μαγνητικά πεδία είναι πάντα συνδεδεμένα», επισημαίνει ο Χούτνερς. Όταν ένα αγώγιμο σώμα κινείται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο. «Αυτό ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική επαγωγή και υπάρχει στους καρχαρίες και πιθανώς στα δελφίνια», εξήγησε ακόμα ο ερευνητής. Καθώς κολυμπούν μέσα στο μαγνητικό πεδίο της Γης, δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο γύρω από το σώμα τους.«Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο θα μπορούσε να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να ανιχνεύεται από το ίδιο το ζώο, παρέχοντας πληροφορίες που μοιάζουν με χάρτη, τον οποίο μπορεί να χρησιμοποιήσει για να προσανατολιστεί στον ωκεανό», καταλήγει ο Χούτνερς σημειώνοντας πως κάτι τέτοιο θα μπορούσε να εξηγήσει τη συχνότητα με την οποία ξεβράζονται κήτοι μετά από μια ηλιακή καταιγίδα ή μια μαγνητική ανωμαλία.

Ο στόχος των πειραμάτων

Ο κύριος στόχος αυτών των πειραμάτων με τα ρινοδέλφινα ήταν να δείξουν ότι «η ηλεκτροαντίληψη δεν εμφανίζεται μόνο σε ένα είδος- είναι πιθανώς μια ικανότητα που έχει ίσως η πλειονότητα των οδοντωτών φαλαινών», ανέφερε ο Ντένχαρντ που είναι ο κύριος συγγραφέας αυτής της μελέτης.Το πρόβλημα θα είναι η επαλήθευσή της, αν και υπάρχουν κάποιες ενδείξεις ότι είναι αλήθεια. Πρόκειται για την περίπτωση των φαλαινών φυσητήρων, οι οποίες είναι επίσης οδοντωτά κητώδη και το βαρύτερο ζώο στον πλανήτη.Ο Ντένχαρντ εξήγησε ότι αυτοί οι θαλάσσιοι γίγαντες πέθαιναν κατά δεκάδες, παγιδευμένοι σε υποβρύχια καλώδια και όπως και τα δελφίνια, τρέφονται επίσης με βενθικά ψάρια και, κατά την αναζήτησή τους, έπεσαν πάνω στα καλώδια, σπάζοντας περισσότερα από ένα.Ωστόσο, τις τελευταίες δεκαετίες, δεν έχουν αναφερθεί πλέον θάνατοι αυτού του είδους. Η εξήγηση θα μπορούσε να είναι, σύμφωνα με τον Γερμανό επιστήμονα, «μια πρώτη ένδειξη της ικανότητας αυτών των κοιτών να αντιλαμβάνονται τα ηλεκτρικά πεδία».Τα πρώιμα τηλεγραφικά, και αργότερα, τηλεφωνικά συστήματα, χρησιμοποιούσαν καλώδια με μεταλλικό πυρήνα που δημιουργούσαν ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία, τα οποία θα μπορούσαν να έχουν προσελκύσει φάλαινες με ηλεκτρική αντίληψη. Ωστόσο, ούτε τα ομοαξονικά καλώδια ούτε οι οπτικές ίνες παράγουν αυτά τα πεδία, γι’ αυτό και οι φάλαινες φυσητήρες  δεν αντιμετωπίζουν πλέον αυτό το πρόβλημα.

πηγή: https://www.in.gr/2023/12/03/in-science/perivallon-b-science/kapoia-delfinia-exoun-evdomi-aisthisi-poia-einai-ayti/ – https://journals.biologists.com/jeb/article/226/22/jeb245845/334721/Passive-electroreception-in-bottlenose-dolphins

 

 

[Δροσος Γεωργιος]

Τι είναι η ηλεκτρασθενής δύναμη;

Δύο πολύ διαφορετικές δυνάμεις
Όταν εξετάζουμε το πώς λειτουργούν οι ηλεκτρομαγνητικές και οι ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις στο σύμπαν μας, είναι εύκολο να καταλάβουμε γιατί οι φυσικοί δεν αντιλήφθηκαν αμέσως την ειδική τους σχέση.
Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις βρίσκονται παντού γύρω μας. Σ’ αυτές βασίζεται η παραγωγή και η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας, το μαγνητικό πεδίο της Γης που μας προστατεύει από τις κοσμικές ακτίνες, οι τηλεπικοινωνίες και το φως, χημικοί δεσμοί, η λειτουργία του μυακορδίου, η επικοινωνία των νευρώνων κλπ.
Aντιθέτως, η ασθενής πυρηνική δύναμη αν και είναι επίσης απαραίτητη, την συναντάμε σπανιότερα. Ευθύνεται για τη ραδιενεργό διάσπαση βήτα, μια υποατομική διαδικασία κατά την οποία ασταθείς πυρήνες μετασχηματίζονται σε ελαφρύτερους πυρήνες εκπέμποντας ηλεκτρόνια και αντινετρίνα (ή ποζιτρόνια και νετρίνα). Είναι επίσης σημαντική σε πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης που πραγματοποιούνται στο εσωτερικό του ήλιου και άλλων άστρων.Και η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής πυρηνική δύναμη δεν διαφέρουν μόνο ως προς τα αποτελέσματά τους, αλλά και ως προς τα σωματίδια που μεταφέρουν την δράση τους. Ένα από τα βασικά δόγματα της σωματιδιακής φυσικής είναι ότι τα πάντα στον συνηθισμένο, καθημερινό μας κόσμο αποτελούνται από σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια είναι στην πραγματικότητα «τοπικές διεγέρσεις», ουσιαστικά μικροσκοπικές κινήσεις, μέσα σε κβαντικά πεδία που διαπερνούν όλο το χώρο. Κάθε τύπος σωματιδίου περιγράφεται από ένα κβαντικό πεδίο.Μια τοπική διέγερση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου ονομάζεται φωτόνιο. Όλα τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα που παρατηρούμε είναι το αποτέλεσμα ενός συνδυασμού φωτονίων. Το φωτόνιο δεν έχει ούτε ηλεκτρικό φορτίο, ούτε μάζα ηρεμίας. Είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης και διασχίζει το σύμπαν με την ταχύτητα φωτός.Φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης είναι: το ουδέτερο μποζόνιο Z και τα δύο μποζόνια W⁺, W^– , το ένα φέρει θετικό και το άλλο αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Σε σχέση με τα φωτόνια, αυτά τα τρία σωματίδια που μεταφέρουν την ασθενή δύναμη είναι βαριά και σχετικά αργά. Θα διασπαστούν πριν προλάβουν να διασχίσουν μια μικρή απόσταση – ακόμα και όσο το εύρος ενός ατομικού πυρήνα.Όταν οι φυσικοί παρατηρούν τη συμπεριφορά των σωματιδίων-φορέων της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς δύναμης στο σύμπαν μας, φαίνεται ξεκάθαρα πως είναι εκφράσεις δύο ξεχωριστών και διακριτών θεμελιωδών δυνάμεων. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιούν τα μαθηματικά της σωματιδιακής φυσικής για να περιγράψουν πώς συμπεριφέρονται αυτά τα σωματίδια, η κατάσταση γίνεται λίγο πιο περίπλοκη.

Μία δύναμη, διαχωρίσιμη
Οι φυσικοί χρησιμοποιούν τις εξισώσεις κίνησης για να περιγράψουν πώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια φορείς με τα σωματίδια της ύλης, δίνοντας μια εικόνα των πιθανών κινήσεων και συμπεριφοράς τους. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ασθενής δύναμη και τα αντίστοιχα σωματίδια μπορούν όλα να περιγραφούν από αυτό που είναι γνωστό ως θεωρία βαθμίδας (gauge theory) – μαθηματικά εργαλεία που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να κατανοήσουν ποιοι τύποι αλληλεπιδράσεων είναι δυνατοί για διαφορετικούς τύπους σωματιδίων.Αν έχουμε κάποια αλληλεπίδραση που μεταφέρεται από ένα [σωματίδιο δύναμης], τότε προκύπτει πάντα μια θεωρία βαθμίδας. Ο όρος περιγράφει την πολύ συγκεκριμένη μαθηματική δομή στην οποία διατυπώνεται η θεωρία.Κάθε είδος σωματιδίου απαιτεί τη δική του θεωρία βαθμίδας. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ όλων αυτών των σωματιδίων ικανοποιούν κανόνες και νόμους που περιορίζουν το τι μπορεί να συμβεί.Για παράδειγμα, το φωτόνιο – και το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο κατ’ επέκταση – είναι «αναλλοίωτο τοπικής φάσης». Η τοπική φάση ενός σωματιδίου είναι μια ποσότητα που ποικίλλει στο χωροχρόνο και επηρεάζει τον υπολογισμό της κυματοσυνάρτησης του σωματιδίου. Η κυματοσυνάρτηση είναι ένα εργαλείο που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να μάθουν σχετικά με την πιθανότητα λήψης ορισμένων αποτελεσμάτων όταν παρατηρούν το σωματίδιο.Τα φωτόνια περιγράφονται ως «αναλλοίωτα τοπικής-φάσης». Κι αυτό διότι όταν εφαρμόζουμε το αναλλοίωτο φάσης στις εξισώσεις κίνησης αυτές παραμένουν ίδιες – ανεξάρτητα από την τιμή της τοπικής φάσης του σωματιδίου που εισήχθη. Έτσι, παίρνουμε μια μαθηματική θεωρία που περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτονίων και άλλων σωματιδίων. Κι όχι μόνο αυτό, παίρνουμε επίσης μια μαθηματική θεωρία που περιγράφει όλα όσα γνωρίζουμε για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, τόσο το κβαντικό της πεδίο όσο και τα φωτόνια που αναδύονται από αυτήν.Αυτό είναι μέρος αυτού που κάνει μια θεωρία «θεωρία βαθμίδας». Θέτοντας μερικούς περιορισμούς σε μια γενική θεωρία της κίνησης των σωματιδίων, αυτά τα αναλλοίωτα βαθμίδας καταλήγουν σε εξισώσεις που περιγράφουν με μεγάλη ακρίβεια τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων.Ο ηλεκτρομαγνητικός τομέας έχει μόνο ένα αναλλοίωτο βαθμίδας, που συνοδεύεται από το μοναδικό σωματίδιο φορέα της δύναμης του, το φωτόνιο. Τα μποζόνια της ασθενούς δύναμης αντιστοιχούν σε ένα σύνολο τριών αναλλοίωτων τοπικής βαθμίδας, ένα για καθένα από τα τρία μποζόνια της ασθενούς δύναμης (Z, W⁺, W^–). Αν εφαρμόσουμε τα αναλλοίωτα των ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών δυνάμεων στις εξισώσεις κίνησης και καθορίσουμε τους όρους της ενεργειακής κλίμακας σε αυτές τις εξισώσεις ώστε να ταιριάζουν με τις ενεργειακές κλίμακες της πραγματικότητας που βιώνουμε ως καθημερινοί άνθρωποι, θα έχουμε τις δύο εντελώς διαφορετικές θεωρίες: της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς δύναμης.Ας σημειωθεί ότι, ενώ η ηλεκτρομαγνητική δύναμη θεωρείται ως θεωρία βαθμίδας, η ασθενής δύναμη, όπως την παρατηρούμε στον καθημερινό μας κόσμο, τεχνικά δεν είναι τέτοια – για λόγους που δεν έχουμε τον χώρο-χρόνο να εξετάσουμε εδώ. Ωστόσο, αν καθορίσουμε τους ενεργειακούς μας όρους μέχρι τις υψηλότερες ενεργειακές κλίμακες του αρχέγονου σύμπαντος, συμβαίνει κάτι πολύ ενδιαφέρον. Σε αυτές τις κλίμακες υψηλής ενέργειας, οι ασθενείς και οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις συνδυάζονται σε μια ενοποιημένη θεωρία βαθμίδας – μια ενιαία θεμελιώδη δύναμη που αποτελείται από τέσσερα άμαζα σωματίδια, όλα σχετικά των τεσσάρων σωματιδίων που σχετίζονται με τις ξεχωριστές ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις (το φωτόνιο και τα μποζόνια Z, W⁺, W^–)Σήμερα οι φυσικοί θεωρούν ότι κλάσματα δευτερολέπτων αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, υπήρχε μία, ενωμένη ηλεκτρασθενής δύναμη. Λίγα picoseconds αργότερα, αυτή η ενοποιημένη ηλεκτρασθενης δύναμη χωρίστηκε στις ηλεκτρομαγνητικές και τις ασθενείς δυνάμεις που βλέπουμε σήμερα.

Για δεκαετίες, οι επιστήμονες δεν ήταν σίγουροι για το πώς συνέβη αυτή η μετάβαση, και υπέθεταν ότι κάτι έπρεπε να είχε διασπάσει την αρχέγονη δύναμη. Όταν το σύμπαν ψύχθηκε από πολύ υψηλές θερμοκρασίες προς χαμηλότερες θερμοκρασίες, υπέστη μια μετατροπή φάσης στην ενεργειακή κλίμακα στην οποία σπάει η ηλεκτρασθενής δύναμη. Αυτό μοιάζει πολύ με την μετατροπή της υγρής φάσης του νερού μιας λίμνης προς την στερεά φάση του πάγου όταν η θερμοκρασία πέφτει κάτω από 0 ^οC.Ό,τι διασπούσε την ηλεκτροασθενή δύναμη κατά τη διάρκεια αυτής της μετατροπής φάσης έπρεπε να έχει ως αποτέλεσμα τα τέσσερα αρχικά άμαζα σωματίδια της ηλεκτροασθενούς δύναμης να μετασχηματιστούν προς τα τρία πολύ βαριά σωματίδια-φορείς της ασθενούς δύναμης και το άμαζο ηλεκτρομαγνητικό σωματίδιο, το φωτόνιο.Με βάση αυτή την ιδέα, οι επιστήμονες προέβλεψαν την ύπαρξη ενός κβαντικού πεδίου που θα μπορούσε να δώσει μάζα σε ορισμένα (αλλά όχι όλα) στοιχειώδη σωματίδια: το πεδίο Higgs. Το 2012, επιστήμονες μετά από πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων ανακοίνωσαν την ανακάλυψη του σωματιδίου που σχετίζεται με αυτό το πεδίο, το μποζόνιο Higgs.

Ερωτήματα που παραμένουν
Φυσικά, υπάρχουν πολλά πράγματα που οι φυσικοί δεν γνωρίζουν ακόμη για αυτή τη μετατροπή. Δεν ξέρουμε αν συνέβη σιγά-σιγά ή πολύ ξαφνικά, Αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό ερώτημα που πρέπει να απαντηθεί σχετικά με το πώς εξελίχθηκε το αρχέγονο σύμπαν μας από τη Μεγάλη Έκρηξη και θα μπορούσε επίσης να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε ορισμένα μυστήρια, όπως το γιατί η ύλη δεν εξαϋλώθηκε μαζί με την αντιύλη κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης, δημιουργώντας ένα βαρετό σύμπαν που θα περιείχε μόνο φως.Οι επιστήμονες αναρωτιούνται επίσης αν οι ηλεκτρομαγνητικές και οι ασθενείς δυνάμεις δεν είναι οι μόνες δυνάμεις που ήταν ενοποιημένες στο αρχέγονο σύμπαν. Αυτή η ιδέα προέρχεται από την Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία (GUT), σύμφωνα με την οποία μια τρίτη θεμελιώδης δύναμη – η ισχυρή πυρηνική δύναμη – μπορεί να υνδεόταν κάποτε με την ηλεκτρασθενή δύναμη.Η ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς δύναμης σε μια μόνο δύναμη μας υπέδειξε με αρκατά πειστικό τρόπο, ότι ίσως και η ισχυρή δύναμη ενοποιείται με αυτές σε υψηλότερες ενέργειες.Υπάρχουν έμμεσες ενδείξεις ότι αυτό είναι μια δυνατότητα… Τα μαθηματικά αυτών των δυνάμεων έχουν μια ξεκάθαρη σχέση που τις κάνει να συγκλίνουν προς μία δύναμη σε πολύ υψηλές ενέργειες. Αν μπορούσαμε να κατασκευάσουμε έναν μεγάλο επιταχυντή αδρονίων στο μέγεθος της τροχιάς του Άρη γύρω από τον ήλιο, τότε ίσως φτάσουμε σε αυτές τις ενεργειακές κλίμακες και να δούμε άμεσα μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία.

Στις ενέργειες που επιτυγχάνονται στους γήινους επιταχυντές, οι ασθενείς και οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις ενοποιούνται. Δυστυχώς, οι ενέργειες στις οποίες οι ισχυρές και ηλεκτρασθενείς δυνάμεις ταυτίζονται προς το παρόν είναι απρόσιτες από τους επιταχυντές που μπορούν να κατασκευάσουν οι άνθρωποι. Μόνο η φύση, και το ίδιο το σύμπαν αν ιδωθεί ως εργαστήριο, μπορεί να μας δώσει ενδείξεις για την ενοποίηση δυνάμεων σε μεγαλύτερες ενέργειες.

Μερικοί θεωρητικοί μάλιστα προτείνουν ότι η τέταρτη θεμελιώδης δύναμη που γνωρίζουμε, η βαρύτητα, μπορεί να ήταν επίσης μέρος αυτής της ενοποίησης. Ελπίζουν ότι θα βρουν μια συμμετρία, μια ομάδα μετασχηματισμών, που θα ήταν σε θέση να εξηγήσει τα πάντα – τις ασθενείς, τις ισχυρές, τις ηλεκτρομαγνητικές και τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις.Γενικά, οι μεγάλες θεωρίες ενοποίησης ασχολούνται μόνο με την ενοποίηση των ασθενών, των ισχυρών και των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων. Η ενοποίηση της βαρύτητας εμπίπτει σε ένα διαφορετικό σύνολο ιδεών που είναι γνωστό ως θεωρία χορδών.Σε κάθε περίπτωση, είτε ψάχνοντας την υπερσυμμετρία, είτε διερευνώντας τις θεωρίες των χορδών ή άλλες θεωρίες, υπάρχουν πολλά να ανακαλύψουμε για την ενοποίηση των δυνάμεων πέραν της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης. Άλλωστε, γιατί να σταματήσουμε εκεί;

δείτε επίσης: Είναι δύναμη … η ασθενής πυρηνική δύναμη;

πηγή: https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-the-electroweak-force?language_content_entity=und

Το επεξεργάστηκε Δεκέμβριος 18, 2023 ο Δροσος Γεωργιος

[Δροσος Γεωργιος]

Η κβαντική φυσική με εικόνες, χωρίς μαθηματικά.

Ο Bob Coecke εξηγεί πως αντικατέστησε τα μαθηματικά με εικόνες και γιατί πρέπει όλοι μας να κατανοήσουμε την υποατομική φυσική: Είναι πιο εύκολο να πείσεις παιδιά παρά ενήλικες για τα κβαντομηχανικά φαινόμενα.

Ο καθηγητής Bob Coecke στο στούντιο-γραφείο του στην Οξφόρδη

Ο Βέλγος φυσικός Bob Coecke 55 ετών, πρώην καθηγητής της Οξφόρδης και μουσικός, θέλει να διδάξει κβαντική φυσική σε ένα ευρύτερο κοινό. Έτσι, επινόησε ένα πλαίσιο χωρίς μαθηματικά χρησιμοποιώντας διαγράμματα για εντελώς αρχάριους. Η μέθοδος περιγράφεται στο βιβλίο που έγραψε με τον Dr Stefano Gogioso και κυκλοφόρησε στις αρχές του 2023 με τίτλο Quantum in Pictures. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, διεξήγαγαν ένα εκπαιδευτικό πείραμα, διδάσκοντας την εικονογραφική μέθοδο σε μαθητές του Ηνωμένου Βασιλείου – οι οποίοι στη συνέχεια ξεπέρασαν τη μέση βαθμολογία των εξετάσεων των μεταπτυχιακών φοιτητών φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.

Ο Coecke σε συνέντευξή του στον Guardian μίλησε για την διδασκαλία της κβαντικής φυσικής και το εκπαιδευτικό του πείραμα, λέγοντας μεταξύ άλλων τα εξής: «Σκεφτείτε την Τεχνητή Νοημοσύνη. Σκεφτείτε πόσο χάλια έγινε ο κόσμος τώρα. Εταιρείες δισεκατομμυρίων δολαρίων ηγούνται μιας επανάστασης που θα μπορούσε να ελέγξει τον κόσμο και κανείς δεν καταλαβαίνει τι κάνουν. Ήμουν καθηγητής στην Οξφόρδη για 20 χρόνια και τώρα εργάζομαι στη βιομηχανία, στην Quantinuum, κατασκευάζοντας κβαντικούς υπολογιστές [μηχανές σχεδιασμένες να χρησιμοποιούν την υποατομική φυσική για να ξεπεράσουν μια μέρα τους συμβατικούς υπολογιστές]. Θέλουμε οι άνθρωποι να καταλάβουν τι κάνουμε από την αρχή, προτού η τεχνολογία γίνει γιγαντωθεί. Θέλουμε να κάνουμε την φυσική, την τεχνολογία, την μηχανική και τα μαθηματικά πιο ανοιχτά σε όλους, να κάνουμε την κβαντική φυσική προσβάσιμη σε όλους. Είναι εντελώς παράλογο, αλλά μέσα από την βιομηχανία μπορώ τώρα να κάνω αυτό το εκπαιδευτικό πείραμα.Το εκπαιδευτικό μας πείραμα περιελάμβανε 54 μαθητές, ηλικίας 15-17 ετών, που επιλέχθηκαν τυχαία από περίπου 1.000 αιτούντες, από 36 σχολεία του Ηνωμένου Βασιλείου – κυρίως κρατικά σχολεία. Οι έφηβοι περνούσαν δύο ώρες την εβδομάδα σε διαδικτυακά μαθήματα και μετά από οκτώ εβδομάδες έλαβαν ένα τεστ χρησιμοποιώντας ερωτήσεις από μια μεταπτυχιακή εξέταση κβαντικής φυσικής στην Οξφόρδη.
«Πάνω από το 80% των μαθητών πέρασαν και περίπου οι μισοί κέρδισαν διάκριση. Τα πήγαν πολύ καλύτερα από φοιτητές πανεπιστημιακού επιπέδου.»Ο Coecke κατέληξε στην μέθοδο της «κβαντικής εικονογράφησης» γιατί είναι περισσότερο οπτικός τύπος: «Δεν είμαι απλώς ένας κβαντικός φυσικός, είμαι καλλιτέχνης και μουσικός. Στην πραγματικότητα, ο μόνος λόγος που κατέληξα στην κβαντική φυσική ήταν επειδή ήθελα να υποστηρίξω τη μουσική μου καριέρα – η rock μπάντα μου, Black Tish, κυκλοφόρησε δύο άλμπουμ φέτος. Εργάστηκα στο τμήμα επιστήμης υπολογιστών του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης τη δεκαετία του 1990 και ο συνάδελφός μου Samson Abramsky μου είπε ότι χρειαζόμασταν μια γλώσσα προγραμματισμού υψηλού επιπέδου για [μελλοντικούς] κβαντικούς υπολογιστές. Για κανονικούς υπολογιστές, προγραμματίζετε με μηδενικά και ένα, αλλά οι περισσότεροι άνθρωποι δεν ξέρουν πώς να το κάνουν αυτό. Όμως όλοι ξέρουν πώς να χρησιμοποιούν ένα iPhone. Θέλαμε το ισοδύναμο της διεπαφής iPhone για τον προγραμματισμό κβαντικού υπολογιστή. Έτσι ο Abramsky και εγώ δημοσιεύσαμε ένα νέο φορμαλισμό της κβαντικής μηχανικής το 2004, βασισμένο στη «θεωρία κατηγοριών» [ένας καθιερωμένος κλάδος των μαθηματικών που χρησιμοποιεί διαγράμματα για να περιγράψει συλλογές αντικειμένων].
Με τα χρόνια το αναπτύξαμε περαιτέρω, και έγραψα ένα βιβλίο για αυτό για φυσικούς το 2017 με τον Aleks Kissinger. Αλλά οι χειρότεροι άνθρωποι για να διδάξουν είναι οι θεωρητικοί φυσικοί. Έχουν τόσα πολλά να ξεμάθουν.Οι μισοί από τους επιστήμονες που εργάζονταν στους κβαντικούς υπολογιστές είπαν: «Κάνετε πράγματα με ανόητες εικόνες, αυτό δεν μπορεί να είναι χρήσιμο – είναι απλοϊκό!»

– Εικονίτσες, εικονίτσες…
– Κι από κάτω λογάκια, λογάκια…

Και οι άλλοι μισοί είπαν: «Η θεωρία κατηγοριών είναι τόσο δύσκολη, δεν μπορεί να είναι χρήσιμη, είναι πολύ περίπλοκη!» Χρειάστηκαν χρόνια για να απαλλαγούμε από το στίγμα ότι αυτό ήταν πολύ περίπλοκο. Έτσι γράψαμε αυτό το νέο βιβλίο με τον Stefano, ο οποίος έκανε όλες τις εικόνες, για να αποδείξουμε ότι αυτό είναι τόσο εύκολο, ότι τα παιδιά μπορούν να μάθουν και να ξεπεράσουν ακόμα και τους μεταπτυχιακούς φοιτητές της Οξφόρδης.

Στο βιβλίο όλα σχεδιάζονται ως κβαντικά κυκλώματα: κουτιά συνδεδεμένα με καλώδια [για την επίδειξη κβαντικών φαινομένων]. Η τηλεμεταφορά είναι απλώς η ολίσθηση των κουτιών κατά μήκος ενός καλωδίου. Οι μετρήσεις αντιπροσωπεύονται από κουτιά που ονομάζονται «αράχνες» που έχουν πολλά πόδια ή καλώδια να προεξέχουν. Ένα κβαντικό σωματίδιο που μπορεί να βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα πριν μετρηθεί, σχεδιάζεται ως δύο πόδια που μπαίνουν σε μια αράχνη – το σώμα της αράχνης αντιπροσωπεύει τη μέτρηση – και το ένα πόδι βγαίνει από την άλλη πλευρά- αυτό είναι το αποτέλεσμα.

Σε ερώτηση για το πώς βλέπει το το μέλλον της κβαντικής εικονογράφησης απάντησε ό,τι τον προσέγγισαν άτομα από τις κυβερνήσεις της Αυστραλίας και της Ελλάδας (!!) εκδηλώνοντας ενδιαφέρον για την εφαρμογή της μεθόδου στα εκπαιδευτικά τους συστήματα.
Και κατέληξε: Ξεκίνησα θέλοντας να αλλάξω τον τρόπο με τον οποίο κατανοείται η κβαντική μηχανική και διαπίστωσα ότι είναι πιο εύκολο να πείσω τα παιδιά παρά τους ενήλικες. Τα παιδιά δεν έχουν προκαταλήψεις. Ίσως λοιπόν η επόμενη γενιά να το προχωρήσει. Όπως είπε κάποτε ο Max Planck – ο φυσικός που άναψε πρώτος την σπίθα της κβαντικής φυσικής: «Η επιστήμη προχωράει με μια κηδεία τη φορά».

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: Physicist Bob Coecke: ‘It’s easier to convince kids than adults about quantum mechanics’

https://physicsgg.me/2023/12/17/η-κβαντική-φυσική-με-εικόνες-χωρίς-μαθ/

[Δροσος Γεωργιος]

Από τι είναι φτιαγμένη η φωτιά;

«Η φλόγα δεν είναι στην πραγματικότητα ουσία»

Οι διακριτές ζώνες μιας φλόγας

Σε όλη τη διάρκεια της ανθρώπινης ιστορίας, το είδος μας πάντα είχε εμμονή με τη φωτιά. Από τα πρώτα γρυλίσματα γύρω απ’ τις υπαίθριες φωτιές της Πλειστόκαινου εποχής μέχρι την εξαιρετική ερμηνεία του Κερτ Ράσελ στην ταινία «Κύματα φωτιάς» , η φωτιά ανέκαθεν κατείχε κεντρικό ρόλο στις κοινωνίες και τη φαντασία μας.Αλλά η λέξη φωτιά είναι ένας γενικός όρος που αναφέρεται σε μια καύσιμη ύλη, μια χημική αντίδραση, και τα προϊόντα που παράγουν μαζί. To ερώτημα του τίτλου δεν αναφέρεται σ’ αυτό, αλλά μάλλον στην ίδια τη φλόγα. Που είναι και πολύ συναρπαστική. Αλλά: Η φλόγα δεν είναι στην πραγματικότητα ουσία. Η φλόγα είναι η σε εξέλιξη χημική μεταβολή της καύσιμης ύλης από οξειδωτικά αέρια, που παράγει θερμική ενέργεια και φως.
Για να δημιουργηθεί μια φλόγα υπάρχουν τρία βασικά προαπαιτούμενα: 1) καύσιμη ύλη, 2) οξυγόνο (ή άλλο οξειδωτικό αέριο, αλλά εδώ ας μείνουμε στο παλιό καλό Ο₂) και 3) μια πηγή θερμότητας για να ξεκινήσει η αντίδραση. Η καύσιμη ύλη (είτε πρόκειται για ένα κούτσουρο είτε για οτιδήποτε άλλο) περιέχει χημικούς δεσμούς. Σ’ αυτούς τους χημικούς δεσμούς είναι αποθηκευμένη μια ποσότητα ενέργειας, η οποία λαχταράει ν’ απελευθερωθεί. Η φλόγα είναι η απελευθέρωση αυτής της ενέργειας – ενέργειας που αρχικά ήταν αποθηκευμένη στους χημικούς δεσμούς μεταξύ των ατόμων του κούτσουρου και απελευθερώνεται με τη χαρακτηριστική θερμότητα και το φως της φλόγας.Η φλόγα είναι ενέργεια. Είναι η χημική αντίδραση που συμβαίνει μεταξύ του οξυγόνου και των μοριακών δεσμών της καύσιμης ύλης. Αν και είναι λίγο πολύπλοκο για να το εξηγήσουμε εδώ, σε αυτή την αντίδραση κάποιοι δεσμοί σπάνε, άλλοι σχηματίζονται και ηλεκτρόνια αλλάζουν θέση.Κάτι ενδιαφέρον σχετικά με τη φλόγα είναι ότι έχει διακριτές στρώσεις, στις οποίες λαμβάνουν χώρα διαφορετικά στάδια της χημικής αντίδρασης. Αν έχεις ποτέ κοιτάξει από κοντά τη φλόγα ενός κεριού, σίγουρα θα έχεις δει αυτές τις στρώσεις. Πιο κοντά στην καύσιμη ύλη είναι η εσωτερική στρώση – αυτή είναι το λιγότερο ζεστό σημείο και περιέχει ένα μείγμα καυτών υδρατμών απ΄την καύσιμη ύλη και λίγο οξυγόνο. Η μεσαία στρώση της φλόγας είναι το μέρος όπου η αντίδραση αρχίσει να δυναμώνει – είναι πολύ πιο ζεστή και φωτεινή από την εσωτερική στρώση. Τέλος, η εξωτερική στρώση είναι το μέρος που η χημική αντίδραση προχωράει για τα καλά – είναι η πιο ζεστή και η πιο λεπτή στρώση της φλόγας.Έτσι λοιπόν, την επόμενη φορά που θα βρίσκεσαι δίπλα στο τζάκι, μην ξεχάσεις να ευχαριστήσεις τη θερμογόνο ανταλλαγή ηλεκτρονίων που πραγματοποιείται στα ιδιαιτέρως οξειδωτικά αέρια στην ατμόσφαιρά μας, τα οποία αναπνέεις κιόλας.

απόσπασμα από το βιβλίο της Εlson Leah, (ΔΕΝ) ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΧΑΖΕΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ, εκδόσεις Παπαδόπουλος

[Δροσος Γεωργιος]

Χημικοί δημιούργησαν τον μικρότερο κόμπο στον κόσμο.

Αποτελείται από 54 άτομα

Η δομή του μικρότερου κόμπου
(Li et al. Nature Communications, 2024)

Επιστήμονες δημιούργησαν κατά λάθος το μικρότερο και τον πιο σφιχτό κόμπο στην ιστορία, καταλαμβάνοντας μία θέση στο βιβλίο των ρεκόρ Guinness. Ο εντυπωσιακά μικρός κόμπος – τριφύλλι» – αποτελείται από μόλις 54 άτομα, τα οποία περιπλέκονται τρεις φορές χωρίς κάποια άκρη.Το προηγούμενο ρεκόρ, που έγινε το 2020 κατείχαν επιστήμονες από την Κίνα με 69 άτομα. Τώρα, ερευνητές του Πανεπιστημίου του Western Ontario στον Καναδά και της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών ένωσαν τις δυνάμεις τους και κατέρριψαν αυτό το ρεκόρ, αναφέρει το Science Alert. Οι περισσότεροι οργανικοί κόμποι έχουν μία αναλογία αναδιασταύρωσης (BCR) μεταξύ 27 και 33. Ο τωρινός κόμπος έχει BCR 18.Κβαντικοί χημικοί υπολογισμοί τοποθετούν την πιο σταθερή δομή αυτού του είδους στα 50 μόρια και το νέο κατόρθωμα σημαίνει πως πλησιάζουμε στο θεωρητικό όριο. Τι σημαίνει όμως αυτό στην πράξη; Σημαίνει πως οι επιστήμονες έρχονται όλο και πιο κοντά στους μικροσκοπικούς κόμπους που αποτελούν το DNA, το RNA και διάφορες άλλες πρωτεΐνες στο σώμα μας. Επιπλέον, κατανοώντας πως σχηματίζονται οι χημικοί κόμποι, μπορούμε να δημιουργήσουμε καλύτερα πλαστικά και πολυμερή.«Οι μοριακοί κόμποι, των οποίων η σύνθεση έχει πολλές προκλήσεις, μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο στη δομή των πρωτεϊνών και στη λειτουργία τους, καθώς και σε χρήσιμα μοριακά υλικά των οποίων οι ιδιότητες εξαρτώνται από το μέγεθος της δομής τους», εξηγεί η ομάδα ερευνητών.Όπως πολλές επιστημονικές ανακαλύψεις, έτσι και η δημιουργία αυτού του κόμπου ήταν κατά λάθος. Ο χημικός Richard Puddephatt είπε στον Alex Wilkins στο New Scientist πώς συνέβη το τυχαίο γεγονός.Οι επιστήμονες προσπαθούσαν να δημιουργήσουν ακετυλίδια μετάλλου στο εργαστήριο, αφαιρώντας υδρογόνο από τα μόρια. Όταν σύνδεσαν ακετυλίδιο χρυσού με μία δομή άνθρακα ονόματι συναρμωτής διφωσφίνης, αντί να ενωθούν σχηματίζοντας μία αλυσίδα στη σειρά, δημιούργησαν αυτόν τον κόμπο.«Είναι ένα αρκετά περίπλοκο σύστημα και για να είμαστε ειλικρινείς, δεν ξέρουμε πως δημιουργείται. Αποτελεί όμως ένα κίνητρο για να ερευνήσουμε παρόμοιες και πιο στιβαρές δομές στο μέλλον», δήλωσε ο Puddephatt, ο οποίος εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Δυτικού Οντάριο, στο New Scientist.

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature Communications.

 https://www.huffingtonpost.gr/entry/chemikoi-demioeryesan-ton-mikrotero-kompo-ston-kosmo_gr_65afd8b6e4b0d65b024e21fa

[Δροσος Γεωργιος]

Κρύσταλλοι χρόνου διάρκειας 40 λεπτών.

Αν και με το πρώτο άκουσμα οι «κρύσταλλοι χρόνου» παραπέμπουν σε μαγεία, στην πραγματικότητα είναι ορολογία της φυσικής στερεάς κατάστασης. Και δεν είναι τόσο μυστηριώδεις όσο δείχνει το όνομά τους. Μια ομάδα φυσικών κατασκεύασε τον πιο σταθερό κρύσταλλο χρόνου μέχρι σήμερα, θέτοντας παράλληλα το ερώτημα ‘σε τι θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα αυτά τα αντικείμενα;’

Ένας κανονικός κρύσταλλος είναι μια συμμετρική διαμόρφωση ατόμων που επαναλαμβάνεται σε κάθε κατεύθυνση. Ένας κρύσταλλος χρόνου είναι μια διαμόρφωση ατόμων που επαναλαμβάνεται τόσο στο χώρο όσο και στο χρόνο. Στην ουσία, ταλαντώνεται, αλλά δεν είναι ένας τύπος ταλάντωσης που θα περιμέναμε ή θα σκεφτόμασταν.Οι κρύσταλλοι χρόνου προτάθηκαν για πρώτη φορά το 2012 από τον Frank Wilczek. Ο Wilczek έχει κερδίσει ήδη ένα βραβείο Νόμπελ και βρίσκεται σε μια πολλά υποσχόμενη διαδρομή για ένα δεύτερο, είτε με τους κρυστάλλους χρόνου είτε με τα αξιόνια – έναν τύπο σωματιδίων σκοτεινής ύλης που αναζητούν διάφορα πειράματα σε όλο τον κόσμο.Στην ουσία οι κρύσταλλοι χρόνου είναι ένας νέος τύπος αυτοοργάνωσης στα στερεά. Ταλαντώνονται κατά κάποιο τρόπο όπως μπορούν να ταλαντωθούν οι χημικές αντιδράσεις Belousov–Zhabotinsk, χωρίς να κυριαρχούνται από την θερμοδυναμική συμπεριφορά της ισορροπίας. Δυστυχώς, στη φυσική το φαινόμενο δεν φαίνεται τόσο εντυπωσιακό όπως στη χημεία. Η αρχική ιδέα του Wilczek ήταν ότι ορισμένα υλικά θα μπορούσαν να ταλαντώνονται από μόνα τους, αλλά αποδείχθηκε ότι αυτό δεν είναι συμβατό με την διατήρηση της ενέργειας.Το υλικό πρέπει να τροφοδοτείται με ενέργεια. Αλλά λίγα χρόνια αφότου ο Wilczek πρότεινε την ιδέα, τα πρώτα πειράματα κατάφεραν να δημιουργήσουν κρυστάλλους χρόνου. Σε τέτοια πειράματα η ενέργεια παρέχεται τυπικά με λέιζερ σε συγκεκριμένο είδος υλικού. Αυτά τα υλικά στη συνέχεια αποκρινόμενα αρχίζουν κάποιο είδος ταλάντωσης. Αυτή η ταλάντωση μπορεί να συνεχιστεί ακόμη και μετά την απενεργοποίηση των λέιζερ. Τώρα, αν διεγερθεί ένα υλικό με περιοδικό διεγέρτη και προκύψει περιοδική απόκριση, αυτό δεν προκαλεί έκπληξη. Ωστόσο είναι δυνατή η δημιουργία κρυστάλλων χρόνου χωρίς η παρεχόμενη ενέργεια να εμπεριέχει περιοδικότητα. Τότε προκύπτει αυτό που ονομάζεται «κρύσταλλος συνεχούς χρόνου». Ένας συνεχής κρύσταλλος χρόνου έχει τη δική του εσωτερική περιοδικότητα.Κρύσταλλοι συνεχούς χρόνου έχουν δημιουργηθεί σε νέφη εξαιρετικά ψυχρών ατόμων, για παράδειγμα το 2022 από ερευνητές στο Αμβούργο της Γερμανίας (Observation of a continuous time crystal). Αυτά τα νέφη αποτελούνται συνήθως από μερικές δεκάδες χιλιάδες άτομα. Όταν τα άτομα ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, δημιουργούν αυτό που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein. Αν το νέφος των ατόμων είναι αρκετά ψυχρό για να σχηματίσει συμπύκνωμα Bose-Einstein, αυτό σημαίνει ότι έχει κβαντικές ιδιότητες παντού – μπορεί να συμπεριφέρεται και σαν σωματίδιο και σαν κύμα. Στη συνέχεια οι ερευνητές το τροφοδότησαν με ενέργεια από ηλεκτρομαγνητικά κύματα κι αυτό ανταποκρίθηκε! Σ’ αυτό το παράδειγμα είδαν μια ταλάντωση στον αριθμό πυκνότητας σε συχνότητα μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου, που δεν είχε καμία σχέση με τη συχνότητα της ακτινοβολίας. Ιδού λοιπόν, ένας κρύσταλλος χρόνου. Αυτό που κάνει αυτούς τους κρυστάλλους χρόνου τόσο ενδιαφέροντες είναι ότι εμφανίζουν ένα εντελώς νέο φυσικό φαινόμενο, και προς το παρόν δεν γνωρίζουμε ακριβώς πού και πώς θα μπορούσε να βρει κάποια χρήσιμη εφαρμογή.Oι ερευνητές Greilich et al στην πρόσφατη δημοσίευσή τους με τίτλο ‘Robust continuous time crystal in an electron–nuclear spin system‘ περιγράφουν το πείραμά τους στο οποίο κατάφεραν να παράγουν έναν κρύσταλλο χρόνου που διήρκεσε 40 ολόκληρα λεπτά. Αυτή η διάρκεια είναι πάνω από ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη σε σχέση με παλαιότερα παρόμοια πειράματα. Χρησιμοποίησαν έναν ημιαγωγό κατασκευασμένο από αρσενίδιο γαλλίου-ινδίου εμπλουτισμένο με πυρίτιο, σε θερμοκρασία περίπου 6Κ. ‘Βομβάρδισαν’ το υλικό με λέιζερ, οπότε οι καταστάσεις σπιν του υλικού άρχισαν να ταλαντώνονται με περίοδο περίπου 6 δευτερολέπτων. Και η ταλάντωση ήταν αξιοσημείωτα σταθερή. Παρατήρησαν επίσης ότι η περίοδος ταλάντωσης είναι πολύ ευαίσθητη στις αλλαγές του μαγνητικού πεδίου και της θερμοκρασίας. Γι ‘αυτό το λόγο, προτείνουν ότι τέτοια υλικά ίσως χρησιμεύσουν ως αισθητήρες με τους οποίους θα μπορούσε κανείς να συμπεράνει αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο ή την θερμοκρασία από τη συχνότητα ταλάντωσης.

Για περισσότερες λεπτομέρειες παρακολουθείστε το βίντεο της Sabine Hossenfelder που ακολουθεί:

 

https://physicsgg.me/2024/02/20/κρύσταλλοι-χρόνου-διάρκειας-40-λεπτών/

[Δροσος Γεωργιος]

Ενέργεια από το τίποτα;

Οι φυσικοί έχουν εφεύρει δύο τύπους μυστηριωδών εννοιών: την σκοτεινή ενέργεια και την σκοτεινή ύλη. Και δεν τα ονομάζουν έτσι, μόνο και μόνο επειδή τους αρέσει το «σκοτάδι», αλλά γιατί στην πραγματικότητα δεν έχουν ιδέα από που προέρχονται και από τι συνίστανται. Χρειάζονται όμως αναγκαστικά την έννοια της σκοτεινής ενέργειας για να αποδώσουν σε κάποια αιτία την επιταταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος, όπως και την έννοια της σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουν γιατί οι γαλαξίες που περιστρέφονται αρκετά γρήγορα δεν διαλύονται εξαιτίας των φυγόκεντρων δυνάμεων. Η ιδέα ότι αυτό συμβαίνει επειδή η ενέργεια απλώς δεν διατηρείται και προέρχεται από το πουθενά είναι αρκετά ελκυστική. Το ερώτημα είναι αν αυτό παραβιάζει την θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν;Η ενέργεια μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί κάθε φορά που ο ίδιος ο χώρος μεταβάλλεται με τον χρόνο. Για παράδειγμα, έστω ότι σε ένα μέρος του χώρου περιέχονται κβάντα φωτός (φωτόνια). Τα φωτόνια αντιστοιχούν σε ένα μήκος κύματος λ από το οποίο εξαρτάται η ενέργειά τους:  . Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος, τόσο μικρότερη είναι η ενέργεια του φωτονίου. Αν έχουμε Ν φωτόνια τότε η συνολική ενέργειά τους θα είναι:  Aς φανταστούμε τον χώρο – το κουτί – που περιέχει τα Ν φωτόνια να διαστέλλεται. Θα έχουμε τον ίδιο αριθμό φωτονίων, αλλά τώρα το μήκος κύματός τους θα είναι μεγαλύτερο και επομένως η ενέργειά τους είναι μικρότερη. Δηλαδή, η συνολική ενέργεια μειώθηκε. Πού πήγε; Δεν πήγε πουθενά, απλά δεν διατηρήθηκε. Κι αυτό δεν είναι απλά μια θεωρία. Συμφωνεί με τις παρατηρήσεις. Η μη διατήρηση ενέργειας των φωτονίων στο διαστελλόμενο σύμπαν είναι ο λόγος που η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου αντιστοιχεί σήμερα στα μεγάλα μήκη κύματος της μικροκυματικής αντινοβολίας.Επομένως, η ενέργεια δεν διατηρείται εφόσον ο χώρος μπορεί να τεντωθεί και να συρρικνωθεί, κάτι που συμβαίνει στη θεωρία της γενικής σχετικότητας. Ωστόσο, στη θεωρία του Αϊνστάιν έχουμε μια πιο περίπλοκη σχέση για την ενέργεια. Η οποία στην ουσία λέει ότι αν η ενέργεια δεν διατηρείται, αυτό συμβαίνει επειδή ο χώρος μεταβάλλεται με τον χρόνο. Η μεταβολή στην ενέργεια πρέπει να συμβαδίζει με την μεταβολή του χώρου. Στην στριφνή ορολογία της γενικής σχετικότητας ονομάζεται νόμος συναλλοίωτης διατήρησης του τανυστή ενέργειας-ορμής, αλλά για απλότητα ας το πούμε γενικευμένη διατήρηση της ενέργειας.Θα μπορούσαμε διαμέσου αυτής της γενικευμένης διατήρησης ενέργειας να εξηγήσουμε την σκοτεινή ύλη και την σκοτεινή ενέργεια; Η σύντομη απάντηση είναι όχι. Κι αυτό γιατί στη θεωρία του Αϊνστάιν, αυτή η γενικευμένη διατήρηση ενέργειας ικανοποιείται αυτόματα. Είναι μια μαθηματική ταυτότητα. Είναι πάντα αληθής, αρκεί να χρησιμοποιήσουμε τη θεωρία του. Στην πράξη αυτό σημαίνει ότι κάθε προσπάθεια απόρριψης της γενικευμένης διατήρησης ενέργειας έχει ως συνέπεια να εμφανίζεται μια νέα συνεισφορά στις εξισώσεις που αναπληρώνει την αναντιστοιχία. Κι αυτή η νέα συνεισφορά, μπορεί να μοιάζει με σκοτεινή ενέργεια, μπορεί να μοιάζει με σκοτεινή ύλη, αλλά δεν είναι κάτι καινούργιο. Είναι μαθηματικά το ίδιο πράγμα, απλά ερμηνεύεται διαφορετικά. Aυτό είναι το αντικείμενο της πρόσφατης δημοσίευσης του φυσικού H. R. Fazlollahi με τίτλο «Non-conserved modified gravity theory» .

Στην πρόσφατη δημοσίευσή του ο φυσικός H. R. Fazlollahi υποστηρίζει την ριζοσπαστική άποψη ότι η αρχή διατήρησης της ενέργειας ήταν λάθος … και γι’ αυτό χρειαζόμαστε την σκοτεινή ενέργεια! (Astrophysicist proposes a new theory of gravity without a conservation law)

Ο Fazlollahi χρησιμοποιεί αυτήν την προσέγγιση της μη διατήρησης της ενέργειας για να καταλήξει σε συγκεκριμένες πειραματικές προβλέψεις που μπορούν αναζητηθούν στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Το ζήτημα είναι ότι ακόμα κι αν αυτή η πρόβλεψη αποδειχτεί σωστή, υπάρχουν περίπου εκατό άλλα θεωρητικά μοντέλα που δίνουν την ίδια πρόβλεψη …

Για περισσότερες λεπτομέρειες παρακολουθείστε το βίντεο της Sabine Hossenfelder που ακολουθεί:

 

https://physicsgg.me/2024/02/28/ενέργεια-από-το-τίποτα/

[Δροσος Γεωργιος]

Η πτήση των ψαρονιών.

Ο Giorgio Parisi θα μπορούσε να είχε βραβευθεί με το Νόμπελ Φυσικής του 2004, «για την ανακάλυψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας στη θεωρία της ισχυρής αλληλεπίδρασης», αν το 1973, στην υπερφίαλη ηλικία των είκοσι πέντε ετών, ήταν λίγο πιο προσεκτικός στην έρευνά του στην θεωρητική φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Όμως το ενδιαφέρον του και γι άλλα ποικίλα αινιγματικά φαινόμενα όπως οι αλλαγές φάσης, οι ύαλοι σπιν, η πτήση των ψαρονιών και γενικότερα το ενδιαφέρον του για την θεωρία των χαοτικών και τυχαίων φαινομένων του έδωσε μια δεύτερη ευκαιρία.
To 2021 βραβεύθηκε τελικά με το Νόμπελ Φυσικής «για την ανακάλυψη της αλληλεπίδρασης της αταξίας και των διακυμάνσεων στα φυσικά συστήματα από τις ατομικές έως τις πλανητικές κλίμακες».

Από τις Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης κυκλοφόρησε στα ελληνικά το νέο βιβλίο του Giorgio Parisi «Η πτήση των ψαρονιών – Ο θαυμαστός κόσμος των πολύπλοκων συστημάτων» (Μετάφραση: Μαρία Οικονομίδου). Στο βιβλίο αυτό ο Παρίζι αφηγείται την ιστορία του μέσα από αναδρομές σε σημαντικά επεισόδια της επιστημονικής του σταδιοδρομίας. Και ξεκινά από τις μελέτες του σχετικά με της πτήσεις των ψαρονιών – πτήσεις εντυπωσιακής ομορφιάς, που μόνο η φυσική αυτού του αιώνα αρχίζει να εξηγεί. Δείχνει ότι είναι πολύ δύσκολο να κατανοήσουμε πολλά από τα φαινόμενα που παρατηρούμε σε σχεδόν καθημερινή βάση: η πολυπλοκότητα δεν αφορά ό,τι συμβαίνει στα εργαστήρια, αλλά και τον κόσμο γύρω μας.Τι ήταν αυτό που τον παρακίνησε να γράψει το εν λόγω βιβλίο; Μας το εξηγεί ο ίδιος:
«(…) Την επιστήμη πρέπει να την υπερασπιστούμε όχι μόνο για τις πρακτικές πλευρές της, αλλά και για την πολιτισμική της αξία. Θα πρέπει να έχουμε το θάρρος να πάρουμε ως παράδειγμα τον Ρόμπερτ Ουίλσον, ο οποίος το 1969, όταν βρέθηκε αντιμέτωπος με έναν αμερικανό γερουσιαστή που ρωτούσε επίμονα σχετικά με τις εφαρμογές της κατασκευής του επιταχυντή Fermilab, κοντά στο Σικάγο, και ιδίως αν ήταν χρήσιμος στρατιωτικά για την υπεράσπιση της χώρας, απάντησε: ‘Η αξία του έγκειται στην αγάπη για τον πολιτισμό: είναι όπως η ζωγραφική, η γλυπτική, η ποίηση, όπως όλες εκείνες οι δραστηριότητες για τις οποίες οι Αμερικανοί είναι πατριωτικά υπερήφανοι. Δεν χρησιμεύει στην υπεράσπιση της χώρας μας, αλλά δίνει έναν λόγο ώστε να αξίζει τον κόπο να την υπερασπιστούμε’.
Προκειμένου η επιστήμη να εδραιωθεί ως πολιτισμός, χρειάζεται να διδάξουμε στο ευρύ κοινό τι είναι η επιστήμη και τον τρόπο με τον οποίο αυτή συνυφαίνεται με τον πολιτισμό, τόσο στην ιστορική τους εξέλιξη όσο και στη σύγχρονη πρακτική. Επίσης να εξηγήσουμε με μη μαγικό τρόπο τι κάνουν οι ζωντανοί επιστήμονες και ποιές είναι οι τρέχουσες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν. Δεν είναι εύκολο, ειδικά στην περίπτωση ‘σκληρών’ επιστημών, στις οποίες τα μαθηματικά παίζουν ουσιαστικό ρόλο. Ωστόσο, το σωστό είδος προσπάθειας μπορεί να οδηγήσει σε εξαιρετικά αποτελέσματα.
Συχνά λέγεται πως οι σκληρές επιστήμες δεν είναι κατανοητές σε όσους δεν έχουν σπουδάσει μαθηματικά. Αλλά το ίδιο πρόβλημα υπάρχει και με την κινεζική ποίηση, η οποία αποτελεί αξεδιάλυτο μείγμα λογοτεχνίας και ζωγραφικής: το πρωτότυπο χειρόγραφο του ποιήματος είναι ένας πίνακας στον οποίο τα επιμέρους ιδεογράμματα συνιστούν τα ζωγραφικά στοιχεία που αναπαρίστανται κάθε φορά με διαφορετικό τρόπο. Η ζωγραφική διάσταση χάνεται εντελώς στη μετάφραση και η ομορφιά της δεν μπορεί να εκτιμηθεί από κάποιον που δεν γνωρίζει άπταιστα κινεζικά. Αλλά όπως είναι δυνατόν να εκτιμηθεί στα ιταλικά η ομορφιά των κινεζικών ποιημάτων, έτσι είναι δυνατόν να κατανοηθεί και η ομορφιά των σκληρών επιστημών από κάποιον που δεν γνωρίζει μαθηματικά και δεν έχει σπουδάσει θετικές επιστήμες.
Δεν είναι εύκολο, αλλά μπορεί να γίνει. Οφείλουμε να προωθήσουμε πρωτοβουλίες που θα επιτρέψουν σε όσο το δυνατόν περισσότερους ανθρώπους να προσεγγίσουν τη σύγχρονη επιστήμη. Αν δεν γίνει αυτό, ακόμα και οι επιστήμονες δεν θα μπορέσουν να αποφύγουν τις ευθύνες τους. Εγώ προσπάθησα να αναλάβω τις δικές μου: το βιβλίο αυτό είναι η προσπάθειά μου να μεταφέρω σε ένα ευρύ αναγνωστικό κοινό την ομορφιά, τη σημασία και την πολιτισμική αξία της σύγχρονης επιστήμης. (…)»

Τα περιεχόμενα του βιβλίου:
Πρόλογος στην ελληνική έκδοση
Πρόλογος
1. Η πτήση των ψαρονιών
2. Η φυσική στη Ρώμη πριν από περίπου πενήντα χρόνια
3. Je ne regrette rien
4. Μεταβάσεις φάσης ή, αλλιώς, συλλογικά φαινόμενα
5. Ύαλοι σπιν: H εισαγωγή της αταξίας
6. Πώς γεννιούνται οι ιδέες
7. Η μεταφορά στην επιστήμη
8. Η σημασία της φυσικής
Σημείωμα

Διαβάστε ένα απόσπασμα του βιβλίου: Η πτήση των ψαρονιών.

https://physicsgg.me/2024/03/05/η-πτήση-των-ψαρονιών/

[Δροσος Γεωργιος]

Η χειρότερη πρόβλεψη της Φυσικής.

Μια καλή επιστημονική θεωρία είναι αυτή που κάνει ακριβείς προβλέψεις. Ωστόσο, υπάρχει μια πρόβλεψη στη σύγχρονη φυσική που είναι πραγματικά πολύ κακή – ίσως η χειρότερη σε όλες τις επιστήμες.

Η ενέργεια του κενού χώρου της κβαντικής θεωρίας θα μπορούσε να εκφραστεί με την κοσμολογική σταθερά Λ στις εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Και η κοσμολογική σταθερά Λ με τη σειρά της, μπορεί να εξηγήσει την σκοτεινή ενέργεια, στην οποία αποδίδεται η παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος (και όχι την στατικότητά του όπως λανθασμένα θεώρησε αρχικά ο Αϊνστάιν). Όμως η τιμή της σταθεράς Λ φαίνεται να είναι πάρα, μα πάρα πολύ μικρότερη σε σχέση με την τιμή που προβλέπουν οι θεωρίες. Διαβάστε σχετικά: ‘Το πιο ενοχλητικό πρόβλημα στη Φυσική‘

Η σύγχρονη φυσική μπορεί να προβλέψει αρκετά περίπλοκα πράγματα, π.χ την αεροδυναμική που εμπλέκεται στην πτήση ενός υπερηχητικού αεροπλάνου ή το πώς ένα άστρο εκρήγνυται. Όμως δεν μπορεί να κάνει πρόβλεψη γι αυτό που φαίνεται ως η απλούστερη μέτρηση φυσικής: Την ενεργειακή πυκνότητα του κενού χώρου.Σήμερα γνωρίζουμε ότι το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Η αιτία αυτής της επιταχυνόμενης διαστολής αποδίδεται στην μυστηριώδη έννοια της σκοτεινής ενέργειας που εκφράζει την ενέργεια του κενού χώρου. Σε γνωστές μονάδες η ενεργειακή της πυκνότητα είναι ελάχιστη, αντιστοιχεί σε 4 μεμονωμένα άτομα υδρογόνου ανά κυβικό μέτρο.
Από την άλλη πλευρά, η κβαντική θεωρία μας λέει ότι ο κενός χώρος – εντελώς απαλλαγμένος από κάθε ύλη, ηλεκτρικά πεδία, βαρύτητα και οτιδήποτε άλλο – εξακολουθεί να περιέχει πεδία, τα οποία όταν δονούνται με τον κατάλληλο τρόπο παράγουν σωματίδια. Η ενέργεια του κενού χώρου σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων είναι 10¹²⁰ φορές μεγαλύτερη σε σχέση με αυτή που παίρνουμε θεωρώντας την σκοτεινή ενέργεια του σύμπαντος!!Οι μακροσκοπικές και οι μικροσκοπικές θεωρίες δίνουν τραγικά διαφορετικές προβλέψεις για την ενεργειακή πυκνότητα του κενού χώρου. Δεδομένου ότι η διαφορά είναι ιλλιγγιώδης, προφανώς κάτι δεν πάει καθόλου καλά.
Τι προκαλεί τη διαφωνία; Η απάντηση είναι ότι δεν ξέρουμε ακόμα. Ίσως να μην κατανοούμε σωστά τη βαρύτητα. Ίσως να μην κατανοούμε σωστά τον κβαντικό κόσμο, ή μπορεί να υπάρχει κάποιο είδος φυσικού φαινομένου που δεν έχουμε ανακαλύψει.
Έχουν προταθεί πολλές ερμηνείες, αλλά καμία από αυτές δεν είναι προς το παρόν αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα.

Στο βίντεο που ακολουθεί ο Don Lincoln μας περιγράφει την χειρότερη επιστημονική πρόβλεψη σχετικά με την ενεργειακή πυκνότητα του κενού χώρου – αυτό το ένοχο μυστικό της σύγχρονης φυσικής:

https://physicsgg.me/2024/03/17/η-χειρότερη-πρόβλεψη-της-φυσικής/

[Δροσος Γεωργιος]

Η αρχή διατήρησης της ενέργειας στο διαστελλόμενο σύμπαν

Παράξενο αλλά αληθινό: η ενέργεια δεν διατηρείται στο διαστελλόμενο σύμπαν

Στο σχολείο οι μαθητές μαθαίνουν ότι η ενέργεια μπορεί να αλλάζει μορφές, αλλά ποτέ δεν δημιουργείται εκ του μηδενός, ούτε εξαφανίζεται. Πρόκειται για την αρχή διατήρησης της ενέργειας, έναν από τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής που καθορίζουν την πραγματικότητά μας. Γι αυτό, ο ισχυρισμός ότι «η ενέργεια δεν διατηρείται στο διαστελλόμενο σύμπαν» ακούγεται περίεργα και μας προκαλεί δυσφορία. Όμως είναι αληθινός.

Συμμετρίες και Αρχές Διατήρησης

Αρχές όπως η «διατήρηση της ενέργειας», η «διατήρηση της ορμής» και η «διατήρηση της στροφορμής» είναι ακρογωνιαίοι λίθοι των φυσικών θεωριών, από τη Νευτώνεια μηχανική μέχρι την κβαντική ηλεκτροδυναμική και πέρα από αυτή. Ισχύουν, π.χ. για τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος, αλλά και για τις συγκρούσεις των σωματιδίων που πραγματοποιούνται στους γήινους επιταχυντές. Αλλά αυτοί δεν είναι απλά κάποιοι νόμοι που επιβεβαιώνουν οι παρατηρήσεις μας. Είναι μια αναπόφευκτη συνέπεια ορισμένων συμμετριών που απαιτείται από το περίφημο θεώρημα της Nέδερ.

Έμι Νέδερ

Το 1915 εκτός από τη δημοσίευση της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο βλέπαμε τη βαρύτητα, τον χωροχρόνο και τη συμπεριφορά του ίδιου του σύμπαντος, συνέβη και κάτι συναρπαστικό στον κόσμο των μαθηματικών. Η απόδειξη ενός πολύ σημαντικού θεωρήματος από την Emmy Noether, στο οποίο αρχικά δεν δόθηκε μεγάλη σημασία. Σύμφωνα με το θεώρημα αυτό, κάθε συμμετρία της φύσης συνεπάγεται και έναν νόμο διατήρησης, ενώ πίσω από κάθε νόμο διατήρησης αποκαλύπτεται μία συμμετρία. Για παράδειγμα, το γεγονός ότι οι φυσικοί νόμοι έχουν την ίδια μορφή σε διαφορετικούς τόπους (συμμετρία στη μετατόπιση στον χώρο) συνεπάγεται τη διατήρηση της ορμής. Με παρόμοιο τρόπο, το γεγονός ότι οι φυσικοί νόμοι παραμένουν ίδιοι κάτω από περιστροφές στον χώρο έχει ως αποτέλεσμα τη διατήρηση της στροφορμής. 
Ήταν η εποχή που ο Ντέιβιντ Χίλμπερτ ένας από τους κορυφαίους μαθηματικούς του 20ου αιώνα, ασχολήθηκε με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, υποστηρίζοντας ότι η φυσική είναι υπερβολικά δύσκολη για να την διεκπεραιώνουν οι ίδιοι οι φυσικοί!
Στις 23 Ιουλίου 1918, η Emmy Noether θα παρουσίαζε την εργασία της (που είχε ήδη δημοσιευτεί το 1915) στη Γερμανική Μαθηματική Εταιρεία. Όμως δεν της επετράπη να την παρουσιάσει η ίδια, (λόγω φύλου και της μικρής της ηλικίας). Η παρουσίαση έγινε από τον μεγάλο μαθηματικό Felix Klein (γνωστός στους περισσότερους από τη φιάλη Klein).

Σύμφωνα με το θεώρημα της Noether λοιπόν, ποια είναι η συμμετρία που οδηγεί στην διατήρηση της ενέργειας; Είναι η συμμετρία στις χρονικές μετατοπίσεις. Σε πιο θεμελιώδες επίπεδο ο νόμος αυτός ισχύει σε ένα φυσικό σύστημα, όταν υπάρχει μια υποκείμενη συμμετρία στην οποία υπακούει το σύστημα: την συμμετρία της ομοιογένειας του χρόνου – το φυσικό σύστημα παραμένει το ίδιο από τη μια χρονική στιγμή στην άλλη.
Αυτή είναι και μια ιδιότητα όλων των νόμων της κβαντικής φυσικής, η οποία περιγράφει τον μικρόκοσμο, τα στοιχειώδη σωματίδια καθώς και όλα τα κβαντικά πεδία. Διέπει τα απομονωμένα σωματίδια, αλλά και τα σωματίδια που αλληλεπιδρούν. Διέπει την δημιουργία και τον εξαύλωση ζευγών σωματιδίων-αντισωματιδίων. Και διέπει κάθε βαρυτική μέτρηση που έχουμε πραγματοποιήσει ποτέ, στη Γη, στο ηλιακό σύστημα, ακόμη και στον Γαλαξία μας.

Η ενέργεια στο διαστελλόμενο σύμπαν

Εφόσον λοιπόν οι νόμοι της φυσικής παραμένουν αμετάβλητοι με το χρόνο σε ένα φυσικό σύστημα, τότε η ενέργεια θα διατηρείται σ’ αυτό το σύστημα. Αλλά σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν αυτό ισχύει μόνο σε έναν χωροχρόνο που έχει μια στατική, αμετάβλητη δομή με το χρόνο. Αν το μόνο που υπήρχε ήταν μια μόνο σημειακή μάζα, η δομή του σύμπαντος δεν θα άλλαζε με την πάροδο του χρόνου. Θα μπορούσε απλώς να περιγραφεί με μια ακριβή λύση: τον χωρόχρονο Schwarzschild. Αν γράψετε τις εξισώσεις που διέπουν αυτό το σενάριο, οι συντεταγμένες, οι νόμοι και οι κανόνες του χωροχρόνου σας δεν αλλάζουν. Επειδή είναι αμετάβλητες στις χρονικές μετατοπίσεις, αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια πρέπει να διατηρείται.

Δυστυχώς όμως για τους λάτρεις της διατήρησης ενέργειας, αυτό δεν ισχύει πλέον όταν το σύμπαν διαστέλλεται. Το σύμπαν είναι διαφορετικό από τη μια στιγμή στην άλλη, κι αυτό έχει πραγματικές και μετρήσιμες κοσμικές επιπτώσεις.

Στο πραγματικό σύμπαν μας, η καμπυλότητα του χωροχρόνου καθορίζεται από την παρουσία και την κατανομή της ύλης και της ενέργειας. Σύμφωνα με τον John Archibald Wheeler, ο χωροχρόνος λέει στην ύλη πως να κινηθεί και η ύλη λέει στον χωροχρόνο πώς να καμπυλωθεί. Αν το σύμπαν μας στη μεγαλύτερη από τις κοσμικές κλίμακες έχει ομοιόμορφα κατανεμημένη την ύλη και την ενέργεια, τότε ο χωροχρόνος που το περιγράφει δεν είναι πλέον Schwarzschild, ούτε είναι στατικός και αμετάβλητος. Αντίθετα, αυτός ο χωροχρόνος είναι γνωστός ως χωροχρόνος Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW) και το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό του είναι ότι πρέπει είτε να διαστέλλεται είτε να συστέλλεται με το χρόνο. Όλες οι στατικές λύσεις είναι εγγενώς ασταθείς.

Οι φυσικοί μπορούν να δούν και να μετρήσουν την διαστολή του σύμπαντος. Αφού το σύμπαν – μέσω της ίδιας της πράξης της διαστολής – δεν είναι πλέον το ίδιο ανά πάσα στιγμή, αυτό σημαίνει ότι δεν είναι αναλλοίωτο στις χρονικές μετατοπίσεις της Noether. Κι αυτό έχει επιπτώσεις στο μέγεθος της ενέργειας του σύμπαντος. Επιπλέον, ο τρόπος με τον οποίο η κοσμική διαστολή επηρεάζει τον υπολογισμό της ενέργειας, εξαρτάται από το αν αναφερόμαστε στην ενέργεια που αντιστοιχεί στην ύλη ή στην ενέργεια που αποδίδεται στην ακτινοβολία.

Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται οποιαδήποτε μορφή ακτινοβολίας αυξάνει το μήκος κύματός της και χάνει ενέργεια.(Credit : E. Siegel/Beyond the Galaxy)

Χοντρικά, αν έχουμε έναν δεδομένο αριθμό σταθερών σωματιδίων ύλης, τότε είναι εύκολο να δούμε πώς εξελίσσεται το σύμπαν. Έχουμε τρεις διαφορετικές διαστάσεις, και έτσι κάθε φορά που το σύμπαν «διπλασιάζεται» σε κλίμακα λόγω διαστολής, ο όγκος αυξάνεται κατά οκτώ: δύο φορές λόγω του διπλασιασμού της κάθε μίας από τις τρεις διαστάσεις. Ως αποτέλεσμα, η πυκνότητα πέφτει στο ένα όγδοο της αρχικής της πυκνότητας, διατηρώντας σταθερή τη συνολική «μάζα» του σύμπαντος.

Τα φωτόνια «κρυώνουν» όσο το σύμπαν διαστέλλεται

Αλλά αν έχουμε π,χ. ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ή με άλλα λόγια έναν σταθερό αριθμό φωτονίων – σωματίδια χωρίς μάζα ηρεμίας των οποίων η ενέργεια εξαρτάται από το μήκος κύματος (), – τότε το σύμπαν θα εξελιχθεί εντελώς διαφορετικά. Και πάλι, έχουμε τρεις διαφορετικές διαστάσεις, κι έτσι καθώς το σύμπαν «διπλασιάζεται» σε κλίμακα, ο όγκος αυξάνεται κατά τον ίδιο συντελεστή οκτώ. Αλλά αυτή τη φορά, καθώς το σύμπαν διπλασιάζεται σε κλίμακα, διπλασιάζεται επίσης και το μήκος κύματος αυτής της ακτινοβολίας, μειώνοντας στο μισό την ενέργεια κάθε κβάντου ακτινοβολίας. Συνδυάζοντας αυτούς τους δυο παράγοντες, η συνολική ενεργειακή πυκνότητα πέφτει στο ένα δέκατο έκτο της αρχικής, προκαλώντας τη μείωση της συνολικής «ενέργειας» του σύμπαντος κατά έναν επιπλέον παράγοντα δύο (η κλίμακα της διαστολής), σε σχέση με την περίπτωση της ύλης.

Αυτός ο γρίφος επιδεινώνεται ακόμη περισσότερο αν θεωρήσουμε ένα σύμπαν σαν το δικό μας: όπου δεν υπάρχουν μόνο ύλη και ακτινοβολία, αλλά και η μυστηριώδης μορφή ενέργειας που προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος, η σκοτεινή ενέργεια. Η σκοτεινή ενέργεια, εντός των ορίων των παρατηρήσεών μας, συμπεριφέρεται ως κοσμολογική σταθερά, ενεργώντας σαν να έχει σταθερή ενεργειακή πυκνότητα ανεξάρτητα από το πόσο διαστέλλεται ή συστέλλεται το σύμπαν.

Ενώ η ύλη (τόσο η κανονική όσο και η σκοτεινή) και η ακτινοβολία γίνονται λιγότερο πυκνές καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμένει σταθερή. (Credit : E. Siegel/Beyond the Galaxy)

Για τη σκοτεινή ενέργεια, λοιπόν, καθώς το σύμπαν διπλασιάζεται σε κλίμακα, ο όγκος μιας συγκεκριμένης περιοχής του διαστήματος αυξάνεται κατά οκτώ. Αλλά αυτό δεν έχει καμία επίδραση στην ‘σκοτεινή’ ενεργειακή πυκνότητα. Καθώς το σύμπαν αυξάνεται σε όγκο, η συνολική ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας αυξάνεται όσο αυξάνεται ο όγκος: ένα σύμπαν που οκταπλασιάζεται έχει οκταπλάσια ποσότητα σκοτεινής ενέργειας, και καθώς συνεχίζει να διαστέλλεται, η σκοτεινή ενέργεια μέσα στο σύμπαν αυξάνεται επίσης χωρίς όριο. (Αν το σύμπαν συστέλλονταν, τότε η σκοτεινή ενέργεια θα μειωνόταν με αντίστοιχο ρυθμό.)

Μπορούμε να ρωτήσουμε, για την περίπτωση της ακτινοβολίας, «Πού πήγε αυτή η ενέργεια;» Και παρομοίως, για τη σκοτεινή ενέργεια, μπορούμε να θέσουμε την αντίθετη ερώτηση: «Από πού προέρχεται η «νέα» ενέργεια που εμφανίζεται;» Η απάντηση είναι απλά πως, η ενέργεια δεν διατηρείται σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν.

Έχουν διατυπωθεί θεωρητικές προτάσεις που επαναπροσδιορίζουν την ενέργεια για να σώσουν την αρχή διατήρησής της. Υπάρχει μόνο ένα πρόβλημα με αυτόν τον επαναπροσδιορισμό: δεν είναι αυστηρός ή ισχυρός. Είναι ένας αυθαίρετος ορισμός. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει κανένας λόγος να επιλέξουμε έναν τέτοιο συγκεκριμένο «παγκόσμιο ορισμό» για την ενέργεια, εκτός από το γεγονός της ανθρώπινης προκατάληψης να πούμε, «Εντάξει, αφού η ενέργεια πρέπει να διατηρείται, ας την ορίσουμε με αυτόν τον έναν συγκεκριμένο τρόπο για το διαστελλόμενο σύμπαν». Στην πραγματικότητα, το πρόβλημα με τη διατήρηση της ενέργειας στο διαστελλόμενο σύμπαν δεν είναι ότι η ενέργεια είτε δημιουργείται είτε καταστρέφεται. Το πρόβλημα είναι ότι η ενέργεια δεν ορίζεται μοναδικά σε έναν διαστελλόμενο χωρόχρονο. Μόνο αν έχουμε αναλλοίωτες χρονικές μετατοπίσεις, κάτι που ξεκάθαρα δεν ισχύει στο διαστελλόμενο σύμπαν, μπορεί να οριστεί η ενέργεια.
Η μόνη ελπίδα είναι να υπερβούμε τους περιορισμούς της Γενικής Σχετικότητας και να ελπίζουμε ότι κάποια θεωρία της Κβαντικής Βαρύτητας, που δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί, θα μας επιτρέψει να ορίσουμε την ενέργεια σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν και να προσδιορίσουμε τι είναι – και τι δεν είναι – διατηρήσιμο, άπαξ και δια παντός!

Το σύμπαν δεν παραβιάζει το νόμο της διατήρησης ενέργειας. Μάλλον βρίσκεται εκτός της δικαιοδοσίας αυτού του νόμου.

πηγές:
1. Beyond The Galaxy: How Humanity Looked Beyond Our Milky Way And Discovered The Entire Universe – Ethan Siegel, 2016, worldscientific.com
2. How do symmetries lead to conservation laws? https://bigthink.com/starts-with-a-bang/symmetries-conservation-laws/
3. Is the Universe Leaking Energy? – https://www.scientificamerican.com/article/is-the-universe-leaking-energy/
4. Why and how energy is not conserved in cosmology https://motls.blogspot.com/2010/08/why-and-how-energy-is-not-conserved-in.html
5. Η έκφραση «τα φωτόνια κρυώνουν όσο το σύμπαν διαστέλλεται», περιγράφεται στο κλασικό βιβλίο του Βασίλη Ξανθόπούλου, ‘Περί Αστέρων και Συμπάντων’, ΠΕΚ, 1987, ως εξής:
«Την εποχή t 500.000 χρόνια η θερμοκρασία ήταν T 3.000K. To σύμπαν ήταν 1000 φορές μικρότερο απ’ ότι σήμερα (δηλαδή η απόσταση μεταξύ δυο τυχαίων σημείων του ήταν 1000 φορές μικρότερη απ’ ότι είναι σήμερα). Πριν από τη θερμοκρασία αυτή, η ύλη ήταν αρκετά ιοντισμένη, αποτελούμενη ως επί το πλείστον από ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα υδρογόνου και ηλίου. Τα φωτόνια αντιδρούσαν με τα φορτισμένα αυτά σωματίδια και η ζωή τους ήταν γεμάτη από συνεχείς απορροφήσεις και επανεκπομπές. Το σύμπαν ήταν αδιαφανές στα φωτόνια, τα οποία λόγω των συνεχών αλληλεπιδράσεων, βρίσκονταν σε θερμική ισορροπία με την ύλη. Σε θερμοκρασία Τ3.000K τα ηλεκτρόνια ενώθηκαν με τα ιόντα και σχημάτισαν ουδέτερους πυρήνες. Έκτοτε το σύμπαν έγινε διαπερατό (διαφανές) στα φωτόνια, τα οποία επηρεάζονται, πλέον, μόνον από τον χώρο αλλά όχι κι από την ύλη του. Λέμε ότι για Τ 3.000K η ύλη διαχωρίζεται (decouples) από την ακτινοβολία ή ότι τα φωτόνια υφίστανται την τελευταία τους σκέδαση (last scattering).
Λόγω της διαστολής του σύμπαντος, από την τελευταία τους σκέδαση και μετά, τα φωτόνια «κρυώνουν». Για να καταλάβουμε το φαινόμενο αυτό, φανταζόμαστε ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που δεν είναι τίποτε άλλο από φωτόνια, σχηματίζει στάσιμα κύματα μέσα σε κάποιο χώρο με γραμμική διάσταση d. Τότε ισχύει nλ=2d, όπου λ είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και n ένας ακέραιος αριθμός.
Έστω ότι από τότε οι διαστάσεις του σύμπαντος έχουν αυξηθεί, λόγω της διαστολής του, κατά έναν παράγοντα δ, τότε το d της προηγούμενης σχέσης αυξήθηκε κι αυτό κατά τον παράγοντα δ, και επειδή ο αριθμός των στάσιμων κυμάτων n παραμένει σταθερός, το μήκος κύματος λ πρέπει να αυξηθεί κι αυτό κατά τον ίδιο παράγοντα. Αύξηση, όμως, του μήκους κύματος συνεπάγεται ελάττωση της συχνότητας f της ακτινοβολίας, κατά τον ίδιο παράγοντα δ. Επειδή η ενέργεια του φωτονίου είναι hf, όπου h η σταθερά του Planck, και η ισοδύναμή του θερμοκρασία Τ θα είναι T=hf/k, όπου k η σταθερά του Boltzmann, βρίσκουμε ότι η ενέργεια και η θερμοκρασία του φωτονίου ελαττώνονται κατά τον παράγοντα δ της διαστολής του σύμπαντος. Όσο το σύμπαν θα διαστέλλεται, τα φωτόνια θα κρυώνουν.
Εφόσον από την εποχή της τελευταίας σκέδασης του φωτός μέχρι σήμερα το σύμπαν έχει μεγαλώσει κατά 1000 φορές, η θερμοκρασία των φωτονίων, αντίστοιχα, έχει ελαττωθεί κατά 1000 φορές περίπου. Αυτή την ακτινοβολία, που συνεχώς κρυώνει, την παρατηρούμε σήμερα ως ακτινοβολία μικροκυμάτων των 3 Κ. Πρόκειται για κοσμική ακτινοβολία, που γεμίζει όλο το σύμπαν, και παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1965 από τους Penzias και Wilson.»

https://physicsgg.me/2024/03/30/η-αρχή-διατήρησης-της-ενέργειας-στο-δι/

[Δροσος Γεωργιος]

Η τελετή απονομής των επιστημονικών βραβείων Όσκαρ 2024.

Υπενθυμίζεται ότι το βραβείο Θεμελιώδους Φυσικής 2024 απονεμήθηκε στους:
John Cardy (All Souls College, Oxford) και Alexander Zamolodchikov (Πανεπιστήμιο Stony Brook), «για την σημαντική συνεισφορά στη στατιστική φυσική και την κβαντική θεωρία πεδίου, με τις ποικίλες και ευρείες εφαρμογές σε διάφορους κλάδους της φυσικής και των μαθηματικών»,
ενώ το βραβείο Νέοι Οριζόντες στη Φυσική στους:
στους Michael Johnson και Alexandru Lupsasca για τις μελέτες τους σχετικά με το φως που παγιδεύεται σε τροχιά γύρω από μαύρες τρύπες – και την εργασία τους που δείχνει τον τρόπο ανίχνευσής τους,
στους Laura M. Pérez, Paola Pinilla, Nienke van der Marel and Til Birnstiel για την ανακάλυψη των παγίδων σκόνης – περιοχές δυναμικών δακτυλίων αερίου και σκόνης γύρω από άστρα, όπου τα σωματίδια σκόνης συσσωματώνονται,
και στους Mikhail Ivanov, Oliver Philcox και Marko Simonović για τις μελέτες τους σχετικά με τη δομή του σύμπαντος σε γαλαξιακή κλίμακα και την ανάπτυξη νέων εργαλείων για την εξαγωγή θεμελιώδους φυσικής από αυτές τις έρευνες.

Η τελετή απονομής των βραβείων έγινε στο … Χόλιγουντ και θυμίζει την απονομή των βραβείων Όσκαρ με την παρουσία διασημοτήτων, αθλητών και δισεκατομμυριούχων στο κόκκινο χαλί!
Παρακολουθείστε την τελετή στο βίντεο που ακολουθεί:

https://physicsgg.me/2024/04/20/η-τελετή-απονομής-των-επιστημονικών-β/

[Δροσος Γεωργιος]

Για την αγάπη της φυσικής.

Ο καθηγητής Walter Lewin, έγινε γνωστός από την διδασκαλία φυσικής στο MIT και τις απολαυστικές διαλέξεις του που κυκλοφορούν ελεύθερα στο διαδίκτυο εδώ και πολλά χρόνια (δείτε ΕΔΩ: Lectures by Walter Lewin. They will make you ♥ Physics).

«Οι καθηγητές που κάνουν τη φυσική βαρετή είναι εγκληματίες», με αυτό το απόφθεγμα ο διάσημος φυσικός και πρώην καθηγητής στο MIT Γουόλτερ Λεβίν συνοψίζει τις διαδικτυακές –πλέον– διαλέξεις του. Για πολλούς, ο δρ Λεβίν αποτελεί τον Μπομπ Ρος της φυσικής ή τον άνθρωπο που έβαλε τη φυσική στο σπίτι του μέσου πολίτη, με τα πειράματά του να εκλαϊκεύουν τους σύνθετους νόμους της φυσικής και να προβάλλονται πάνω από 100 εκατομμύρια φορές στο Διαδίκτυο, με τον Μπιλ Γκέιτς να αποτελεί έναν εκ των θαυμαστών του και να του αποστέλλει δύο επιστολές.Ο Γουόλτερ Λεβίν έδωσε συνέντευξη στον Αθανάσιο Κατσικίδη που δημοσιεύθηκε στην εφημερίδα Καθημερινή, στην οποία μιλάει για τις πρωτότυπες διαλέξεις του και για τα μυστικά του Διαστήματος, για το διαρκώς μεταβαλλόμενο τοπίο της εκπαίδευσης, την ανάγκη της δημιουργικότητας την ώρα της διδασκαλίας ως βασικού συστατικού κατανόησης του μαθήματος και τις μελλοντικές ανακαλύψεις στο πεδίο της φυσικής.

Διαβάστε επίσης:
1. Ο καθηγητής Walter Lewin διδάσκει καπνίζοντας
2. H γιαγιά του Walter Lewin και οι στολές των αστροναυτών
3. Walter Lewin: To εντυπωσιακότερο πείραμα σε όλη μου τη ζωή

Όμως, ο δρ Λεβίν δεν περιορίζεται σε μια τετριμμένη συζήτηση, αλλά αναλύει  μερικά από τα διάσημα πειράματά του, όπως το «εκκρεμές», τα οποία τον οδήγησαν να λάβει τον τίτλο του πιο αναγνωρίσιμου φυσικού του Διαδικτύου.

– Πώς έχει αλλάξει το τοπίο της εκπαίδευσης στο πεδίο της φυσικής με την πάροδο των ετών και ποιες τάσεις προβλέπετε για το μέλλον;

– Η ηλεκτρονική μάθηση έχει αλλάξει οριστικά την έννοια της εκπαίδευσης στη φυσική. Hμουν από τους πρώτους που εξερεύνησαν την ηλεκτρονική μάθηση. Οι διαλέξεις μου είχαν βιντεοσκοπηθεί στο ΜΙΤ και προβάλλονταν στις αίθουσες του ΜΙΤ, αλλά και σε έναν τηλεοπτικό σταθμό στο Σιάτλ, που έφτασε στα πέντε εκατομμύρια προβολές και αυτό ήταν μόλις το 1995, ενώ το 2007 οι New York Times με φιλοξένησαν σε πρωτοσέλιδό τους να «κρέμομαι» από ένα εκκρεμές.Σκεφτείτε ότι πλέον μπορείτε να παρακολουθήσετε στο Διαδίκτυο σχεδόν κάθε διάλεξη φυσικής που μπορείτε να φανταστείτε, ενώ μπορείτε να περάσετε ακόμη και μαθήματα, ηλεκτρονικά, και να πάρετε «πιστωτικές μονάδες». Οπότε, πράγματι, η ηλεκτρονική μάθηση έχει αλλάξει εντελώς την όλη έννοια της διδασκαλίας, η οποία ξεκίνησε σε μια αίθουσα διδασκαλίας και πλέον δεν είναι απαραίτητο να γίνεται στην τάξη. Οι μαθητές μπορούν να κάνουν ερωτήσεις ακόμη και στο κανάλι μου στο YouTube και να λαμβάνουν απαντήσεις.

 

– Στο βιβλίο σας «Για την αγάπη της φυσικής» εξηγείτε θεμελιώδεις αρχές της φυσικής με απολύτως λογικό και κατανοητό τρόπο. Τι σας οδήγησε στην υπεραπλούστευση της επιστήμης σας και ποιες είναι μερικές αποτελεσματικές στρατηγικές για να κάνετε τις πολύπλοκες έννοιες της φυσικής πιο προσιτές στους φοιτητές σας;

– Κατάφερα να εξηγήσω δύσκολα θέματα χρησιμοποιώντας απλές λέξεις και απλά παραδείγματα, ενώ συχνά αναφερόμουν στον κόσμο των φοιτητών και στις δικές τους εμπειρίες. Και βέβαια, υποστηρίζω τη φυσική με επιδείξεις. Ορισμένες από αυτές ήταν εντυπωσιακές, ακόμη και επικίνδυνες, με στόχο οι φοιτητές να μην τις ξεχάσουν ποτέ. Σκεφτείτε πως στις παρουσιάσεις μου κάνω τους φοιτητές μου να τους «κοπεί» η ανάσα, τους κάνω να σωπάσουν εντελώς, να γελάσουν, ακόμη και να κατουρηθούν πάνω τους. Και αυτό είναι αλήθεια! Το στυλ της διάλεξής μου είναι μάλλον μοναδικό.Στις διαλέξεις μου, δίνω πάντα έμφαση στην ομορφιά και στον ενθουσιασμό της φυσικής, παρά στις λεπτομέρειες που συχνά θα χάνονταν, ούτως ή άλλως, από τους φοιτητές. Προσπαθώ πάντα, όπου είναι δυνατόν, να τους κάνω να δουν πράγματα που δεν είχαν σκεφτεί ποτέ πριν, τα οποία είναι αρκετά εύκολο να τα κατανοήσουμε μέχρι και κυριολεκτικά να τα ακουμπήσουμε. Στόχος μου είναι να κάνω τους φοιτητές να αγαπήσουν τη φυσική και να τους κάνω να δουν τον κόσμο με διαφορετικό τρόπο, δηλαδή γιατί οι ουρανοί είναι γαλάζιοι, γιατί τα ηλιοβασιλέματα είναι κόκκινα και γιατί υπάρχουν ουράνια τόξα. Και αυτές οι εμπειρίες είναι που θα τους εντυπωθούν σε όλη τους τη ζωή, διότι στην τελική αυτό που μετράει είναι αυτό που αποκαλύπτεις, όχι αυτό που καλύπτεις (= την ύλη του μαθήματος).

 

– Στα πανεπιστήμια, οι καθηγητές συνήθως διδάσκουν δύσκολες και πολύπλοκες φυσικές μεταβλητές, αλλά υιοθετώντας τη φράση σας, «οι καθηγητές που κάνουν τη φυσική βαρετή είναι εγκληματίες». Πώς εξισορροπείτε την ακρίβεια και το βάθος της επιστήμης με τη διασκέδαση, και τι συμβουλές θα δίνατε στους εκπαιδευτικούς που επιθυμούν να δημιουργήσουν ελκυστικό περιεχόμενο για τους μαθητές-φοιτητές τους;

– Λοιπόν, η συμβουλή που θα τους δώσω, μπορεί να μην τους αρέσει, γιατί μια διάλεξη είναι σαν να χτίζεις ένα «σπίτι». Ολα είναι θέμα χρόνου που αφιερώνεται στην προετοιμασία και βέβαια είναι θέμα φαντασίας του εκπαιδευτικού. Ο χρόνος προετοιμασίας για κάθε μία από τις 94 διαλέξεις του μαθήματός μου ήταν περίπου 60 ώρες ανά διάλεξη. Όταν έδινα τις διαλέξεις μου για πρώτη φορά έπρεπε να σταματήσω την έρευνά μου και επικεντρωνόμουν αποκλειστικά ή σχεδόν αποκλειστικά στις διαλέξεις μου για δύο εξάμηνα. Φυσικά, αυτό ήταν πολύ δύσκολο για τους μεταπτυχιακούς φοιτητές μου.Πρέπει να γνωρίζετε πως για πολλές ημέρες σκεφτόμουν τη διαρρύθμιση αυτού του «σπιτιού». Προετοίμαζα και έκανα εξάσκηση τις διαλέξεις μου τρεις φορές (δύο εβδομάδες πριν από τη διάλεξη, μία εβδομάδα πριν από τη διάλεξη και στις 6 π.μ. της ημέρας της διάλεξης). Αυτό με οδήγησε στο να έχω έναν σχεδόν τέλειο συγχρονισμό και να μη χρειαστεί ποτέ να βιαστώ με μια επίδειξη, όπως κάνουν πολλοί άλλοι καθηγητές, οι οποίοι δεν χρονομετρούν ποτέ τις διαλέξεις τους. Πιστέψτε με, έχω παρακολουθήσει πολλές διαλέξεις φυσικής στο ΜΙΤ από συναδέλφους μου. Εννέα στις δέκα αντιμετωπίζουν μεγάλα προβλήματα. Σχεδιάζουν μια επίδειξη και στο τέλος δεν έχουν πια χρόνο και απλώς βιάζονται. Οπότε η συμβουλή μου προς τους καθηγητές είναι, «να σκέφτεστε κάθε διάλεξη σαν να χτίζετε ένα “σπίτι” και αυτό το “σπίτι” πρέπει να είναι όμορφο, άνετο και συναρπαστικό».

– Σε ένα από τα διάσημα βίντεό σας, σηκώνετε μια μπάλα στο ύψος του πιγουνιού σας, την αφήνετε και οι φυσικές δυνάμεις κάνουν τα υπόλοιπα μη επιτρέποντάς της να σας βλάψει. Μπορείτε να εξηγήσετε τι σας ωθήσετε να πραγματοποιήσετε αυτό το πείραμα, το οποίο έχει τύχει μεγάλης αποδοχής από τα εκατομμύρια των ψηφιακών ακολούθων σας;

– Αυτό το πείραμα υπήρξε μια πολύ διάσημη επίδειξη, στην οποία στεκόμουν με την πλάτη στο τοίχο και ακουμπούσα το κεφάλι μου στον τοίχο, ώστε να μην μπορώ να γυρίσω πίσω. Στα χέρια μου κρατούσα ένα αντικείμενο βάρους πέντε κιλών ενωμένο με νήμα το οποίο δημιουργούσε ένα «εκκρεμές». Το «εκκρεμές» ακουμπούσε πάνω στο πιγούνι μου. Στη συνέχεια απελευθέρωνα το βαρίδι των πέντε κιλών, το οποίο ταλαντευόταν μακριά και επέστρεφε σε μένα. Επειτα από μια πλήρη ταλάντωση, το βαρίδι κατέληγε περίπου ένα χιλιοστό από το πιγούνι μου.Αυτό ήταν ένα κλασικό πείραμα που γινόταν στις μέρες μου σε πολλά πανεπιστήμια, αλλά εγώ πρόσθεσα την πινελιά μου. Δηλαδή, αύξησα την πίεση λέγοντας στους φοιτητές μου ότι δεν μπορούσα να κοιμηθώ τη νύχτα, γιατί αν έκανα ένα μικρό λάθος και το έσπρωχνα λίγο παραπάνω θα μπορούσε να είναι η τελευταία μου διάλεξη. Τους είπα επίσης ότι φοβόμουν και γι’ αυτό θα έκλεινα τα μάτια μου. Φυσικά, η όλη επίδειξη είναι εντελώς ακίνδυνη λόγω της αντίστασης του αέρα, αλλά αύξησε την ένταση.Ωστόσο, είναι αλήθεια ότι αν έδινα στο βαρίδι μια μικρή ώθηση, τότε ναι, θα μπορούσε να με σκοτώσει. Γι’ αυτό τους ζήτησα να είναι πολύ ήσυχοι και να μην κάνουν θόρυβο. Στη συνέχεια, μέτρησα αντίστροφα. «Τρία, δύο, ένα, μηδέν» και κρατούσα τα μάτια μου κλειστά μέχρι να νιώσω τον άνεμο της μπάλας που απομακρυνόταν. Οι μαθητές κάθονταν παγωμένοι στις θέσεις τους, γιατί πραγματικά πίστευαν ότι αυτή ίσως να είναι η τελευταία μου διάλεξη. Οπότε όλο αυτό το δράμα τούς ακολουθεί για μια ζωή.

 

– Υπάρχουν κάποιοι συγκεκριμένοι τομείς της φυσικής που θεωρείτε συναρπαστικούς ή που πιστεύετε ότι κρύβουν μεγάλες υποσχέσεις για μελλοντική εξερεύνηση;

– Ακόμη δεν γνωρίζουμε τι είναι η σκοτεινή ύλη και δεν ξέρουμε γιατί υπάρχει σκοτεινή ενέργεια. Η κανονική ύλη που βλέπουμε είναι η ύλη η οποία αποτελείται από αστέρια, πλανήτες, αέρια, ζώα, δέντρα και εσάς. Αυτό είναι μόνο το 5% της συνολικής ενέργειας στο σύμπαν. Το 27% είναι σκοτεινή ύλη και το 68% είναι σκοτεινή ενέργεια. Αυτός είναι ένας τομέας που υπόσχεται πολλά για το μέλλον, σίγουρα για τον επιστήμονα που πρώτος θα αποδείξει τι είναι πραγματικά η σκοτεινή ύλη. Ακόμη δεν το ξέρουμε αυτό. Και αυτό σίγουρα θα περιλαμβάνει στο μέλλον αρκετά βραβεία Νομπέλ.

– Σε ποια μελλοντική ανακάλυψη θα θέλατε να είστε παρών όταν συμβεί;

– Θα ήθελα να είμαι παρών και ζωντανός όταν ανακαλυφθεί ζωή εκτός του ηλιακού μας συστήματος. Δεν υπάρχει καμία αμφιβολία για την ύπαρξη αμέτρητων μορφών ζωής στο σύμπαν μας. Ενας πολύς πρόχειρος υπολογισμός, που πολλοί μπορούν να κάνουν και να το διαπιστώσουν, είναι ο εξής: Aν υποθέσουμε ότι μόνο 1 στα 10 εκατομμύρια πλανήτες έχει μορφές ζωής, τότε εξακολουθούν να υπάρχουν στο σύμπαν μας περίπου 10 με 16 πλανήτες με μορφές ζωής. Οπότε δεν είναι ένα ίσως, αλλά ένα απόλυτο πρέπει. Και ναι, είναι αλήθεια ότι αργά ή γρήγορα θα υπάρξουν πειστικές αποδείξεις για την ύπαρξη ζωής. Το πρόβλημα, φυσικά, είναι η απόσταση. Ακόμη και τα κοντινότερα αστέρια απέχουν τέσσερα έτη φωτός από εμάς, και τα οποία μπορεί να μην έχουν ζωή.

πηγή: https://www.kathimerini.gr/opinion/interviews/562990987/ametrites-morfes-zois-sto-sympan/

 

Ο Walter Lewin (σε συνεργασία με τον Warren Goldstein) έγραψε το βιβλίο με τίτλο ‘Για την αγάπη της Φυσικής‘, εκδόσεις ΚΑΤΟΠΤΡΟ, (μετάφραση Βλάσιος Πετούσης και Ανδρέας Δημητρόπουλος).