Η ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΟΝ ΕΙΚΟΣΤΟ ΑΙΩΝΑ

Ο 20ος αιώνας άρχισε δυναμικά για τη Φυσική. Η μορφή που καθορίζει την πορεία της εξέλιξης της Σύγχρονης Φυσικής είναι αυτή του Άλμπερτ Αϊνστάιν (Albert Einstein, 1879-1955). Με δύο άρθρα που δημοσίευσε το 1905, εισήγαγε δύο επαναστατικές έννοιες: τη Θεωρία της Σχετικότητας και ένα νέο τρόπο προσέγγισης της ηλεκτρομα- γνητικής θεωρίας που αποτέλεσε τη βάση της Κβαντικής Θεωρίας.

Αρχικά (1905) ο Αϊνστάιν εισήγαγε την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας στην οποία προσπάθησε να ενοποιήσει τη Μηχανική και την ηλεκτρομαγνητική θεωρία. Σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας καταργείται η έννοια του χώρου και του χρόνου της κλασικής Φυσικής· χώρος και χρόνος ενοποιούνται στην έννοια του “Χωρόχρονου” που έχει 4 διαστάσεις. Δεν έχει πλέον νόημα να μιλάμε για τον χώρο ξεχωριστά απ’ τον χρόνο. Ο χρόνος παύει να ακολουθεί την γραμμική πορεία της κλασικής Φυσικής και γίνεται ελαστικός. Οι έννοιες και τα μεγέθη του χώρου και του χρόνου είναι σχετικά και εξαρτούνται απ’ τον εκάστοτε παρατηρητή.

Η θεωρία του Αϊνστάιν προκάλεσε μια αλλαγή στην εικόνα του κόσμου που παρουσίαζε η κλασική θεώρηση της Φύσης. Σαν άμεση συνέπεια της θεωρίας αυτής, ήταν η συνειδητοποίηση ότι η μάζα δεν είναι τίποτα περισσότερο από μια μορφή ενέργειας. Η διάσημη εξίσωση E = mc², δήλωνε ότι κάθε υλικό αντικείμενο έχει μέσα αποθηκευμένη μια ποσότητα ενέργειας, αλλά και ότι ένα ποσό ενέργειας ισοδυναμούσε με μια μάζα, με ύλη. Έτσι στην ορολογία των επιστημόνων του 20ου αι. εντάχθηκε η έννοια της “Υλοενέργειας”.

Θεμελιώδη σημασία στην εικόνα του κόσμου που διαμόρφωσε η Θεωρία της Σχετικότητας, κλήθηκε να παίξει η παγκόσμια σταθερά c, η ταχύτητα του φωτός. Έτσι κάθε φορά που θέλουμε να μελετήσουμε φαινόμενα που περιλαμβάνουν ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός (όπως οι κινήσεις των σωματιδίων στα πειράματα της Ατομικής και Πυρηνικής Φυσικής), θα πρέπει να παραμερίσουμε την κλασική Φυσική και να υπολογίσουμε τις αρχές της Θεωρίας της Σχετικότητας. Η εμβέλεια της κλασικής Φυσικής περιορίζεται στα φαινόμενα “μεσαίου μεγέθους”, δηλ. στα απλά καθημερινά φαινόμενα.

Το 1915 ο Αϊνστάιν δημοσιεύει τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, στην οποία συμπεριέλαβε τη βαρύτητα. Η δύναμη της βαρύτητας κύρτωνε τον χώρο και τον χρόνο. Χώρος, χρόνος και ενέργεια δεν είναι πια έννοιες ανεξάρτητες, αλλά τρεις οντότητες που συνυπάρχουν πάντα ενωμένες. Πλέον οι μετρήσεις που αφορούν το χώρο και το χρόνο είναι σχετικές και εξαρτούνται απ’ την κατανομή της μάζας στο Σύμπαν. Η κλασική Ευκλείδεια Γεωμετρία δεν μπορεί να περιγράψει τον κυρτό διάστημα που προκύπτει απ’ την καμπύλωση που προκαλούν στο διάστημα οι πλανήτες και οι ήλιοι, και περιορίζεται στην περιγραφή δισδιάστατων “γήινων” χώρων. Τον ουράνιο χώρο θα μπορούν πλέον να περιγράψουν άλλες Γεωμετρίες (όπως η γεωμετρία Riemann) και μαθηματικά μοντέλα που είχαν ήδη αναπτυχθεί ή αναπτύχθηκαν μετά τη δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας.

Μέχρι σήμερα η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας έχει επικυρωθεί πειραματικά, ενώ οι έρευνες για την επιβεβαίωση ή όχι της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας δεν έχουν φέρει αναντίρρητα αποτελέσματα. Η δεύτερη πάντως χρησιμοποιείται στην Αστροφυσική για να περιγράψει τα φαινόμενα του διαστήματος.

Η άλλη επανάσταση που συντελέστηκε στον 20ο αι. ήταν η ανάπτυξη ενός νέου κλάδου της Φυσικής: της Κβαντομηχανικής. Το 1900 ο Πλανκ (Max Planck, 1858-1947) δείχνει τον δρόμο προς την “κβαντική επανάσταση”. Σύμφωνα με τον Πλανκ τα άτομα εκπέμπουν και απορροφούν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία κατά “κβάντα” δηλ. κατά διακριτά μέρη ενέργειας. Ο Αϊνστάιν δεχόμενος την θεωρία του Πλανκ υπέθεσε ότι και η ίδια η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (και συνεπώς το φως) αποτελείται από “δέματα ενέργειας” (κβάντα) τα οποία ονομάσθηκαν “φωτόνια”. Στην ύπαρξη των φωτονίων βάσισε ο Αϊνστάιν στην ερμηνεία που έδωσε για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (1905).

Με τα παραπάνω συμπεράσματα όφειλε να συμφωνούν και πρότυπα περιγραφής του ατόμου. Το πιο αξιοσημείωτο πρότυπο που είχε παρουσιαστεί μέχρι τότε ήταν το “σταφιδόψωμο” του  J. J. Thomson που παρουσίαζε ένα συμπαγές σφαιρικό άτομο, μέσα στο οποίο βρίσκονταν διάσπαρτα θετικά φορτία και ηλεκτρόνια. Η πρώτη αναθεωρητική περιγραφή ήρθε το 1911, όταν ο Νεοζηλανδός Ράδερφορντ κατέληξε στο ”πλανητικό” πρότυπο του ατόμου, σύμφωνα με το οποίο τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω απ’ τον πυρήνα με ανάλογο τρόπο που οι πλανήτες περιφέρονται γύρω απ’ τον Ήλιο. Κάποιες αντιφάσεις που παρουσιάζονταν απ’ το πρότυπο αυτό, διόρθωσε το 1913 ο Δανός Νιλς Μπορ (Niels Bohr, 1885-1962). Ο Μπορ όρισε ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται σε καθορισμένες τροχιές γύρω απ’ τον πυρήνα, τις οποίες μάλιστα όρισε αυστηρά σαν “επιτρεπτές τροχιές”. Το πρότυπο του Μπορ προέβλεπε ακόμα ότι ένα ηλεκτρόνιο μπορούσε να μεταπηδήσει από μια τροχιά σε άλλη εκπέμποντας ή απορροφώντας ενέργεια κατά κβάντα.

Με όλες τις παραπάνω θεωρίες άρχισε να στερεώνεται το οικοδόμημα της Κβαντομηχανικής, που ολοκληρώθηκε με την συμβολή μεγάλων φυσικών των αρχών του αιώνα μας όπως οι Ντε Μπρογκλί, Χάισενμπεργκ, Στρόντιγκερ, Μίλικαν, Κόμπτον, Μπορν, Ντάιρακ, Πάουλι κ.ά. Όσο όμως η Φυσική ερευνά τον μικρόκοσμο τόσο παραμένει ένα μεγάλο ερώτημα: το φως είναι κύμα ή αποτελείται από σωματίδια; Οι θεωρίες αλλά και τα πειράματα είναι αντιφατικά, δίνοντας πότε το ένα και πότε το άλλο αποτέλεσμα.

Τα πειράματα οδηγούν και σε ένα άλλο “παράδοξο” που τείνει να ανατρέψει το ακριβές πρότυπο του Μπορ: το ηλεκτρόνιο είναι μεν σωμάτιο, αλλά η κίνησή του δεν ακολουθεί κάποια τροχιά ! Έτσι δεν μπορεί να περιγραφεί η κίνησή του παρά μόνο από μια κυματική ποσότητα ! Το ηλεκτρόνιο, όπως και το φως είναι ταυτόχρονα ύλη και ενέργεια, μια άποψη που θα συμβιβαστεί μόνο με τη Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν και την Ισοδυναμία Μάζας και Ενέργειας.

Τα παράδοξα αυτά του μικρόκοσμου έρχεται να δικαιολογήσει εν μέρει, η Αρχή της Απροσδιοριστίας που διατυπώνει ο Χάισενμπεργκ, με βάση την οποία δεν μπορούμε να ξέρουμε ταυτόχρονα τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου της ύλης. Για παράδειγμα δεν είμαστε σε θέση να γνωρίσουμε την ακριβή θέση ενός ηλεκτρονίου στην τροχιά του, αλλά να την υπολογίσουμε βάσει πιθανοτήτων. Οι επιστήμονες λοιπόν φτάνουν να μιλήσουν για ένα “νέφος” των ηλεκτρονίων, παρά για απόλυτα καθορισμένες τροχιές τους. Η αποκάλυψη αυτή δίνει τέλος σε κάθε προσπάθεια να εξηγηθούν τα μυστήρια του μικρόκοσμου με ένα αυστηρά μηχανιστικό μοντέλο. Ο κανόνας αυτός του τυχαίου επεκτείνεται σ’ όλο τον υποατομικό κόσμο. Γνωρίζουμε π.χ. πότε θα διασπασθούν τα μισά από τα άτομα ενός ραδιενεργού υλικού, αλλά δε μπορούμε να προβλέψουμε πότε θα διασπασθεί ένα συγκεκριμένο άτομο.

Η διείσδυση στο μικρόκοσμο συνεχίστηκε. Μέχρι κάποια στιγμή οι φυσικοί πίστευαν ότι γνώριζαν την δομή του ατόμου και τα βασικά δομικά στοιχεία της ύλης: ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο, νετρόνιο. Αυτά ήταν και τα έσχατα “ά-τομα” της ύλης. Όμως στη δεκαετία του 1930, ανακαλύφθηκαν και άλλα σωματίδια και η ανακάλυψη νέων συνεχίζεται μέχρι σήμερα. Έτσι το 1935 ήταν γνωστά 6 σωματίδια, το 1955 έφτασαν τα 18, και το 1974 πέρασαν τα 200, χωρίς να πάψει η ανακάλυψη νέων. Θα μπορούσαν εξάλλου να ήταν αναρίθμητα αφού και η Θεωρία της Σχετικότητας προβλέπει τη δυνατότητα δημιουργίας στοιχειωδών σωματιδίων από γνήσια ενέργεια. Αυτό κάνει τους επιστήμονες να αναρωτιούνται κατά πόσο μπορούμε να μιλάμε για στοιχειώδη σωματίδια της ύλης ή για κβάντα ενέργειας ή για αλληλεπίδραση ύλης-ενέργειας και για ένα “Υλο-ενεργειακό” Σύμπαν.

σχήμα 1 Το σύγχρονο μοντέλο του υποατομικού μικρόκοσμου

Στις μέρες μας η διείσδυση αυτή έχει προχωρήσει πιο πολύ. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν είναι πια στοιχειώδη. Αποτελούνται κι αυτά από μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκς. Έχουν ανακαλυφθεί 18 [1] είδη κουάρκ και πιστεύεται ότι αυτά μαζί με τα 6 λεπτόνια [2] αποτελούν βασικά δομικά συστατικά της ύλης (σχήμα 1).

Η επανάσταση όμως δεν σταμάτησε εκεί. Νέους ορίζοντες άνοιξε η υπόθεση απ’ τον Αγγλου Ντάιρακ της ύπαρξης ενός σωματιδίου με μάζα ίση με του ηλεκτρονίου αλλά με αντίθετο φορτίο. Το “ποζιτρόνιο”, όπως ονομάστηκε ανακαλύφθηκε δύο χρόνια μετά στην κοσμική ακτινοβολία, αποκαλύπτοντας μια συμμετρία μεταξύ Ύλης και Αντιύλης. Αυτή η συμμετρία προέβλεπε την ύπαρξη ενός αντι-σωματιδίου για κάθε γνωστό σωματίδιο (με ίδια μάζα και αντίθετο φορτίο). Τα ζεύγη σωματιδίων και αντι-σωματιδίων μπορούσαν να δημιουργηθούν αν διοχετευθεί η κατάλληλη ενέργεια για τη δημιουργία τους, αλλά αντίθετα μπορούν να εκμηδενιστούν και να μετατραπούν σε ενέργεια. Οι προβλέψεις αυτές επιβεβαιώθηκαν πειραματικά με τη δημιουργία αντιύλης στο εργαστήριο.

Έχοντας λύσει - μέχρι ένα σημείο - το πρόβλημα της δομής της ύλης στο πρώτο τέταρτο του 20ου αι., η Φυσική - και μέσω αυτής και άλλες επιστήμες - είχε να ακολουθήσει πια δύο δρόμους: έναν προς τον Μακρόκοσμο, προς πιο μεγάλες δομές (μόρια, στερεά σώματα, βιολογικούς οργανισμούς, Γη, Ήλιο, Γαλαξίες και Σύμπαν) κι έναν - πιο αναλυτικό - στην αναζήτηση πιο μικρών και στοιχειωδών μορφών ύλης απ’ τους ατομικούς πυρήνες και τα ηλεκτρόνια.

Έτσι αναπτύχθηκε η Πυρηνική Φυσική που ασχολείται με τις ιδιότητες των διαφόρων πυρήνων που υπάρχουν, ξεκινώντας απ’ τις ιδιότητες των συστατικών τους: των πρωτονίων και των νετρονίων. Η Πυρηνική Φυσική μελετάει επίσης τις δυνάμεις που αναπτύσσονται στα πλαίσια του Μικρόκοσμου. Πέρα απ’ τις βαρυτικές δυνάμεις - που είναι αμελητέες στη δομή του πυρήνα - οι δυνάμεις που καθορίζουν τη συμπεριφορά των πυρήνων είναι η “ισχυρή πυρηνική δύναμη” και η “ασθενής πυρηνική δύναμη” [3] .

Η Πυρηνική Φυσική αναπτύχθηκε ταχύτατα στον αιώνα μας. Το 1942 ο Fermi πέτυχε την πρώτη ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση ανοίγοντας το δρόμο προς την κατασκευή της πρώτης πυρηνικής βόμβας το 1945. Αλλά η πειραματική έρευνα προχωράει παραπέρα: για να μελετηθούν οι πυρήνες και η συμπεριφορά τους, απαιτείται να βομβαρδιστούν με άλλους πυρήνες ή άλλα σωματίδια, που κινούνται με ταχύτητες κοντά σ’ αυτήν του φωτός. Για να επιτευχθούν οι ταχύτητες αυτές κατασκευάστηκαν επιταχυντές δηλ. συσκευές κυκλικές ή ευθύγραμμές μήκους χιλιομέτρων, ικανές να δώσουν τέτοιες ταχύτητες στα σωματίδια. Η μελέτη τέτοιων συγκρούσεων αποτέλεσε αντικείμενο μελέτης ενός άλλου κλάδου της σύγχρονης Φυσικής: της Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων. Έτσι σήμερα με τη χρήση των επιταχυντών, αλλά και τη μελέτη των επιδράσεων της κοσμικής ακτινοβολίας στην ύλη, έχει αποκαλυφθεί ένα θαυμάσιο “νέο Σύμπαν” κάτω ακριβώς απ’ τα μάτια μας.

Την έρευνα στον Μακρόκοσμο αναλαμβάνουν άλλοι κλάδοι της Φυσικής ή και άλλες επιστήμες, ανάλογα με την κλίμακα της ύλης που μελετάται.

Η Ατομική και Μοριακή Φυσική (ή Χημειοφυσική) μελετάει τον άπειρο αριθμό των μορίων που σχηματίζουν τα άτομα της ύλης καθώς και τη βιολογική τους σημασία (Βιοχημεία). 

Η Φυσική των Στερεών (γενικά της συμπυκνωμένης ύλης) έχει σαν αντικείμενο τη μελέτη μακροσκοπικών σωμάτων (στερεών και υγρών). Θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι ο τομέας αυτός θα ασχολούνταν με προβλήματα της κλασικής Νευτώνειας Μηχανικής ή της Μηχανικής των Ρευστών· αλλά αυτό είναι το λιγότερο. Στηριγμένη στις γνώσεις της Ατομικής Φυσικής και της Κβαντικής Θεωρίας η Φυσική των Στερεών έδωσε πλούσιους καρπούς. Μελετώντας μικροσκοπικά τις ιδιότητες της ύλης, φανέρωσε πολλές μακροσκοπικές ιδιότητές της. Έτσι γεννήθηκαν το τρανζίστορ, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, οι μαγνητικές μνήμες και άλλα σημαντικά τεχνολογικά βοηθήματα με τεράστια εφαρμογή στη μικροηλεκτρονική, στους υπολογιστές, στη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας  και αλλού.

Όμως η σύγχρονη Φυσική έχει συμβάλλει και με άλλους τρόπους στην ανάπτυξη της τεχνολογίας του αιώνα μας. Σήμερα μπορούμε να μιλάμε για μια Εφαρμοσμένη Φυσική, αφού οι γνώσεις της Φυσικής χρησιμοποιούνται για να εξυπηρετήσουν ανάγκες άλλων επιστημών (Ιατρική, Αρχαιολογία κ. λ π.).

Παράλληλα η Φυσική έχοντας να μελετήσει τη Φύση, δηλ. ένα τεράστιο φάσμα γνώσεων, ανέπτυξε νέους κλάδους ή σημαντικές “νησίδες” μέσα σε άλλες επιστήμες.

Έτσι μπορούμε να μιλάμε για:

Βιοφυσική: μελετάει των βιολογικών οργανισμών και του ανθρώπου,

Ιατρική Φυσική: συμβολή σε μεθόδους διάγνωσης και θεραπείας (ακτίνες X, ακτίνες Laser, υπέρηχοι, αξονική τομογραφία, μαγνητογραφήματα κ.ά),

Γεωφυσική: μελέτη  της δομής του πλανήτη μας (κίνηση τεκτονικών πλακών, ηφαιστειακή δράση, πρόγνωση σεισμών, μελέτη του μαγνητικού πεδίου της Γης κ.λπ.),

Ατμοσφαιρική Φυσική: μελέτη της γήινης ατμόσφαιρας και των μετεωρολογικών φαινομένων

Μαθηματική και Υπολογιστική Φυσική: ανάπτυξη μαθηματικών τεχνικών για την περιγραφή φυσικών νόμων (μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις, γεωμετρία Fractal). Στον κλάδο αυτό όλο και πιο συχνά απαιτείται η χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών εξαιτίας της πολυπλοκότητας των μαθηματικών τεχνικών

Αστροφυσική: είναι ο κλάδος της Φυσικής που μας συνδέει με το άπειρο. Με τη βοήθεια τεχνητών δορυφόρων, τηλεσκοπίων, φασματογράφων και άλλων τεχνολογικών βοηθημάτων μελετάει τους αναρίθμητους γαλαξίες, τους ήλιους, τους πλανήτες και τους δορυφόρους τους και γενικά κάθε ουράνιο σχηματισμό. Δεν περιορίζεται μόνο στην κίνηση των σωμάτων αυτών, αλλά και στη μελέτη της σύστασής τους, της δημιουργίας τους και της εξέλιξής τους, αποβλέποντας έτσι στην απάντηση του μεγάλου ερωτήματος που αφορά στην ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ !

ΑΙΧΜΕΣ ΤΩΝ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

(τα μεγάλα “ΓΙΑΤΙ;” και το μέλλον της Επιστήμης)

Αφήνοντας στην άκρη τις τόσες τεχνολογικές εφαρμογές που έχουν προκύψει στον αιώνα μας απ’ την ανάπτυξη των θετικών επιστημών, θα επικεντρώσουμε το ενδιαφέρον μας στις επιστήμες αυτές και στις θεωρίες που θεωρείται ότι μπορούν να καθορίσουν το μέλλον της επιστήμης και να μεταβάλλουν τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε το Σύμπαν και τους Νόμους που το διέπουν.

 

Η εξέλιξη της Γενετικής

Μέσω της μελέτης του γεννητικού υλικού των κυττάρων φυτών, ζώων και ανθρώπων η Γενετική διατείνεται ότι μπορεί να κάνει “θαύματα”. Η μελέτη του DNA, του γενετικού υλικού των χρωμοσωμάτων και των ελάχιστων μονάδων καθορισμού κληρονομικών χαρακτηριστικών - των γονιδίων - επιτρέπει στη Γενετική να παρεμβαίνει καθορίζοντας τα κληρονομικά χαρακτηριστικά των απογόνων ενός είδους.

Ήδη έχουν δημιουργηθεί ποικιλίες φυτών με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που καθορίζονται με την επέμβαση στα γονίδιά τους και γίνονται πειράματα και σε ζώα. Στον άνθρωπο θεωρείται επίσης βέβαιη η δυνατότητα να καθορίζεται το φύλο του παιδιού που πρόκειται να γεννηθεί, αλλά και άλλα χαρακτηριστικά του, όχι μόνο σωματικά αλλά και ψυχονοητικά. Όλα εξαρτώνται - σ’ ένα μοντέλο που τείνει να γίνει καθαρά μηχανιστικό - απ’ τον εντοπισμό του γονιδίου που ευθύνεται για το ανάλογο χαρακτηριστικό. Εντοπίζονται επίσης γονίδια που θεωρούνται - κατά ένα ποσοστό ή αποκλειστικά - υπεύθυνα για κάποιες ασθένειες ή για την τάση να αναπτυχθεί μια ασθένεια.

Με βάση τα παραπάνω, η Γενετική μπορεί να αποτελέσει ελπίδα για την θεραπεία αρκετών ασθενειών που βασανίζουν την ανθρωπότητα, αλλά παράλληλα μπορεί να αποβεί και καταστροφική ασχολούμενη με ιδιότητες της Φύσης που ίσως να μην είναι ο άνθρωπος έτοιμος ακόμα - κυρίως ηθικά - να ορίζει. Ήδη δέχεται σκληρή κριτική η προσπάθεια να καθοριστούν τα χαρακτηριστικά ενός παιδιού που θα γεννηθεί, όπως και η προσπάθεια αναπαραγωγής μέσω κλωνοποίησης (διαδικασίας κατά την οποία μπορεί να δημιουργηθεί ένα ακριβές αντίγραφο ενός οργανισμού με επέμβαση στον πυρήνα του ωαρίου και αντικατάσταση του γενετικού του υλικού με το υλικό ενός συγκεκριμένου δότη που θα ήθελε να δημιουργήσει ένα αντίγραφό του).

Όπως και οι άλλοι τομείς της γνώσης, έτσι και η Γενετική αναμένεται να αποτελέσει στα αμέσως επόμενα χρόνια “ελπίδα” ή “κατάρα”, ανάλογα με τη χρήση της.

Υπεραγωγιμότητα

Πρόκειται για την ιδιότητα κάποιων μετάλλων, σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273⁰ C ή 0⁰ Κ), να επιτρέπουν την διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος από μέσα τους δίχως να προβάλλουν αντίσταση και συνεπώς να μην προκαλείται απώλεια ενέργειας. Το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται στα 26 απ’ τα 90 στοιχεία που υπάρχουν στη φύση.

Πρώτη φορά παρατηρήθηκε κάτι τέτοιο το 1908 απ’ τον Κ. Οννες, ο οποίος παρατήρησε ότι στους 4,2⁰ Κ (-268,95⁰ C) μηδενιζόταν η αντίσταση του υδράργυρου. Το φαινόμενο παρουσίαζε τεράστια τεχνολογική σημασία αφού για την κυκλοφορία του ηλεκτρικού ρεύματος δεν θα απαιτούνταν εξωτερική τάση, ούτε θα είχαμε απώλειες ενέργειας. Είχε δημιουργηθεί ένα “αεικίνητο” στον χώρο του ηλεκτρισμού.

Από τότε καταβάλλονται συνεχείς προσπάθειες για να βρεθούν ενώσεις στοιχείων που να εμφανίζουν το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας σε υψηλότερες θερμοκρασίες (που να μπορούν να επιτευχθούν πιο εύκολα). Το ρεκόρ μέχρι σήμερα κατέχει μια ένωση Υττρίου-Βαρίου-Χαλκού-Οξυγόνου που έγινε υπεραγωγός στους 93⁰ Κ (-180⁰ C). Το ρεκόρ επιτεύχθηκε στις 29 Ιανουαρίου του 1987 στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα των ΗΠΑ, απ’ τον καθηγητή Maw-Kuen-Wu.

Οι προσπάθειες πάντως δεν έχουν σταματήσει για ενώσεις που θα παρουσιάζουν το φαινόμενο σε ακόμα υψηλότερες θερμοκρασίες.

Η θεωρία του ενοποιημένου πεδίου

Η θεωρία αυτή αποτελεί μια προσπάθεια να ενοποιηθούν οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της Φύσης: βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή πυρηνική δύναμη και ασθενή πυρηνική δύναμη (σχήμα 2). Αν και εμείς ερχόμαστε σε άμεση επαφή μόνο με τη βαρυτική δύναμη, αυτή είναι η πιο “αδύναμη” συγκριτικά με τις υπόλοιπες τρεις. Αν αποδώσουμε στην βαρυτική δύναμη μέγεθος 1, τότε, η ασθενής πυρηνική δύναμη έχει μέγεθος 10²⁸, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη 10³⁸ και η ισχυρή πυρηνική δύναμη 10⁴⁰.

σχήμα 2 Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της Φύσης που θέλει να ενοποιήσει η σύγχρονη Φυσική.

Το 1983 οι Carlo Rubia και Simon van der Meer αποκάλυψαν τα υποατομικά σωματίδια που είναι φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, προωθώντας τη ενοποίηση της δύναμης αυτής με την ηλεκτρομαγνητική σε μία νέα δύναμη: την ηλεκτρασθενή. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι θα μπορέσουν να ενοποιήσουν και τις υπόλοιπες δυνάμεις, απ’ τις οποίες η βαρυτική είναι αυτή που αντιστέκεται περισσότερο στην ενοποίησή της με τις υπόλοιπες, ίσως επειδή γνωρίζουμε τη φύση της λιγότερο απ’ τις άλλες.

Η θεωρία του Χάους και η Γεωμετρία Fractal

Στην προσπάθεια του ανθρώπου να περιγράψει τον κόσμο μ’ ένα αιτιοκρατικό μοντέλο, είδαμε ήδη ότι αντιτάχθηκε η Φυσική του πρώτου μισού του αιώνα μας. Την αιτιοκρατία ανέτρεπε άλλοτε η Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν κι άλλοτε η Αρχή της Απροσδιοριστίας του Χάισενμπεργκ. Πιο πολύ όμως οι επιστήμονες ένοιωθαν ανίσχυροι να περιγράψουν την πραγματικότητα όταν βρίσκονταν αντιμέτωποι με τους χαοτικούς παράγοντες που περιλάμβαναν καθημερινές, φυσικές διαδικασίες όπως οι μετεωρολογικές συνθήκες, οι δίνες που σχηματίζονται στη ροή ενός ποταμού ή οι χρηματιστηριακοί δείκτες.

σχήμα 3 Ένα αντικείμενο fractal: το σύνολο Mandelbrot

Σε αντίθεση με τον Λαπλάς που υποστήριζε ότι μπορούμε να προβλέψουμε τα πάντα στο σύμπαν αρκεί να γνωρίζουμε τα δεδομένα και τους κανόνες της φύσης, οι επιστήμονες παραδέχτηκαν κάποια στιγμή, ότι δεν μπορούσαν να κάνουν προβλέψεις σε φαινόμενα όπως τα παραπάνω, αφού ούτε γνώριζαν όλους τους νόμους της φύσης, αλλά και επειδή σε τέτοιες διαδικασίες υπεισέρχεται ένας αμέτρητος αριθμός δεδομένων, που μάλιστα μεταβάλλονται από στιγμή σε στιγμή. Με απλά λόγια: Χάος. Έτσι αναπτύχθηκε η Θεωρία του Χάους - που κάποιοι την θεωρούν την τρίτη επανάσταση της Φυσικής στον 20ο αι., μετά τη Θεωρία της Σχετικότητας και τη Κβαντομηχανική - για να περιγράψει τέτοια χαοτικά φαινόμενα. 

Η Θεωρία του Χάους βασίζεται στη διαπίστωση ότι το Χάος και η Απροσδιοριστία δεν οφείλονται στην ανικανότητα των οργάνων μέτρησης που διαθέτουμε, αλλά είναι ιδιότητες του Σύμπαντος. Ενα άλλο χαρακτηριστικό των χαοτικών συστημάτων - δηλ. της Φύσης - είναι ότι είναι εξαιρετικά ευαίσθητα· μια πολύ μικρή αιτία, ένα γεγονός που είναι δύσκολο να παρατηρήσουμε ή να ελέγξουμε, μπορεί να προκαλέσει ένα σημαντικό αποτέλεσμα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το “φαινόμενο της πεταλούδας”: το τίναγμα των φτερών μιας πεταλούδας στην Κίνα, προκαλεί μια αλληλουχία συμβάντων που καταλήγουν σε μια καταιγίδα στις δυτικές ακτές των ΗΠΑ ! Η Φύση λοιπόν είναι ένα δυναμικό σύστημα και δεν περιγράφεται με γραμμικές εξισώσεις [4].

Για να στηριχθεί όμως η Θεωρία του Χάους απαιτούνταν και το κατάλληλο μαθηματικό μοντέλο. Αυτό ήρθε να δώσει η Γεωμετρία Fractal πατέρας της οποίας θεωρείται  ο Γάλλος μηχανικός και μαθηματικός Benoit Mandelbrot. Ένα αντικείμενο της γεωμετρίας αυτής έχει σαν βασικό χαρακτηριστικό του την αυτοομοιότητα δηλ. την ιδιότητα να εμπεριέχει μια μικρογραφία του εαυτού του σε οποιοδήποτε επίπεδο βάθους το εξετάσουμε· σε διάφορες κλίμακες παρατήρησης βλέπουμε να ξεδιπλώνεται μπροστά μας το ίδιο το αρχικό αντικείμενο (σχήμα 3). Ακόμα, ξεκινώντας από ένα απλό γεωμετρικό σχήμα - όπως ένα τρίγωνο - και εφαρμόζοντας κατ’ επανάληψη ένα απλό γεωμετρικό μετασχηματισμό, μπορούμε να καταλήξουμε σ’ ένα fractal αντικείμενο μεγάλης πολυπλοκότητας, φαινομενικά χαοτικό. Το Χάος αποκτά ξαφνικά Τάξη.

Η Γεωμετρία Fractal, αποδείχθηκε για τη Θεωρία του Χάους ένα σπουδαίο εργαλείο, για να μπει Τάξη στο Χάος. Δομές fractal αποκαλύφθηκαν σε συστήματα και φαινόμενα που απλά θα χαρακτηρίζαμε χαοτικά: στον στροβιλισμό, στις νιφάδες του χιονιού, στη δομή και την κατανομή των γαλαξιών, στον ανθρώπινο εγκέφαλο, στην κατανομή των δασών στη γήινη επιφάνεια, στη διαμόρφωση των ακτών, στους σχηματισμούς των πνευμονικών βρόγχων, στη μουσική μεγάλων συνθετών (όπως του Μότσαρτ και του Μπαχ) και αλλού. Έτσι οι φυσικοί μιλούν πλέον όχι για Χάος και Τάξη, αλλά για μια Υπέρ-Τάξη, στην οποία τυχαίο και χαοτικό δεν είναι παρά αυτό που δεν μπορούμε να περιγράψουμε ή δεν έχουμε εντοπίσει ακόμα τους νόμους που το διέπουν. 

Η δημιουργία, η εξέλιξη και το μέλλον του Σύμπαντος

Ίσως αυτό να είναι το μέγιστο των ερωτημάτων για τον άνθρωπο· το μεγάλο “Γιατί;” και το μεγάλο “Πώς;”. Η απάντησή του ίσως να μας φέρει πιο κοντά στο Θεό και τη Φύση.

Οι υπάρχουσες θεωρίες για τη γέννηση και την ανάπτυξη του Σύμπαντος προτείνουν διάφορους τρόπους για τη δημιουργία του και του δίνουν ηλικία από 8 ως 25 δισεκατομμύρια χρόνια. Όλες πάντως έχουν αδύνατα σημεία και προς το παρόν αποτελούν απλές υποθετικές ερμηνείες. Παρακάτω θα απαριθμήσουμε μερικές.

α) Η πιο γνωστή θεωρία είναι αυτή της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang): το Σύμπαν είναι ένα πολύ μικρό πρώτο σημείο, με πυκνότητα 3,8 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη του νερού, διαστέλλεται και ψύχεται με γοργό ρυθμό. Μετά από 0,11 δευτερόλεπτα, το Σύμπαν που έχει θερμοκρασία 30.000.000.000⁰ Κ, αρχίζει να διαστέλλεται και να ψύχεται. Σε μια επόμενη φάση (μετά από 3 λεπτά μετά τον συμβατικό χρόνο “μηδέν”), η θερμοκρασία έχει πέσει κι άλλο (1.000.000.000⁰ Κ). Η διαστολή και η ψύξη συνεχίζονται για 70.000 χρόνια ακόμη δίχως να συμβεί τίποτα ιδιαίτερο, μέχρι η θερμοκρασία να πέσει σε τέτοια επίπεδα ώστε να μπορούν να σχηματιστούν σταθερά άτομα. Αργότερα η ψύξη συνεχίζεται και δημιουργούνται σταθερότερες μορφές ύλης και σταδιακά γεννιούνται οι γαλαξίες, τα άστρα, οι πλανήτες κ.ο.κ. Το Σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται, αλλά για το μέλλον υπάρχουν διάφορες απόψεις, όπως π.χ. αυτή που προβλέπει μια επερχόμενη συστολή και “θερμική κατάρρευση” του Σύμπαντος.

β) Άλλη θεωρία είναι αυτή της Ανομοιογενούς Μεγάλης Έκρηξης. Βασίζεται στην ίδια ιδέα με την προηγούμενη αλλά δέχεται μια ανομοιογενή κατανομή της ύλης με δημιουργία περιοχών υψηλής πυκνότητας και άλλες χαμηλής πυκνότητας. Οι παραδοχές αυτές γίνονται για να λυθούν κάποιες αντιφάσεις της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης.

γ) Υπάρχει επίσης η θεωρία του Guth, που παρουσιάζει το Σύμπαν σαν ένα ελάχιστο τμήμα μιας τεράστιας φυσαλίδας που δημιουργήθηκε σε ένα χρονικό διάστημα της τάξης του χιλιοστού του δευτερολέπτου.

δ) Θεωρία του Zeldovich: άλλη παραλλαγή της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης.

ε) Η θεωρία του Πλάσματος, που προτάθηκε το 1970 απ’ τον H. Alfen. Tο πλάσμα, που αποτελείται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, θεωρείται η τέταρτη κατάσταση της ύλης (πέρα απ’ την στερεή, την υγρή και την αέρια). Το 99,999% της παρατηρήσιμης ύλης στο Σύμπαν είναι σε μορφή Πλάσματος. Κυριολεκτικά πλέουμε σ’ ένα ωκεανό Πλάσματος. Σε κάποια σημεία διασταύρωσης νημάτων Πλάσματος παρατηρείται εκπομπή ακτινοβολίας σύχροτρου (ακτινοβολία που προκαλείται από τη γρήγορη περιστροφή φορτισμένων σωματιδίων σε μαγνητικό πεδίο). Τα νήματα Πλάσματος αυξάνονται σε μήκος δισεκατομμυρίων ετών φωτός και συσσωρεύουν γύρω τους αρκετή ουδέτερη ύλη, ώστε σταδιακά να αρχίσει να παίζει σημαντικό ρόλο η δύναμη της βαρύτητας και να σχηματίζονται οι πρώτοι γαλαξίες. 

στ) Θεωρία της αλληλεπίδρασης Ύλης και Αντιύλης. Την πρότεινε κι αυτή ο H. Alfen. Αρχικά υπήρχε μια αρχική κατάσταση όπου ύλη και αντιύλη είναι ομοιογενώς κατανεμημένες σε μια σφαίρα που ονομάζεται “αμφίπλασμα”. Αρχικά έγινε συστολή της σφαίρας. Μετά από ένα τρισεκατομμύριο χρόνια η μεγάλη πυκνότητα στη σφαίρα προκάλεσε την εκπομπή ακτινοβολίας. Λόγω της πίεσης της ακτινοβολίας, άρχισε η διαστολή της σφαίρας, που οδήγησε σε ανομοιογενή κατανομή της ύλης και σε δημιουργία κέντρων συμπύκνωσης της ύλης στα οποία άρχισε να δρα η βαρύτητα.

ζ) Η θεωρία των υπερχορδών. Μια επαναστατική θεωρία ήρθε να προστεθεί το 1974 απ’ τους J. Scherk και J. Schwarz. Αυτοί πρότειναν να μη θεωρούνται τα στοιχειώδη σωματίδια σαν σημεία, αλλά σαν μονοδιάστατες καμπύλες μηδενικού πάχους, ή πιο απλά χορδές. Οι χορδές αυτές δονούνται και ανάλογα με τον τρόπο δόνησης αναπαριστούν και ένα διαφορετικό σωματίδιο. Ακόμα οι χορδές αυτές μπορούν να συνενωθούν για να σχηματίσουν μία άλλη, αλλά και μία χορδή μπορεί να διαιρεθεί σε δύο. Μπορούν ακόμα να σχηματίζουν κλειστούς βρόγχους, που καθώς ταλαντεύονται δημιουργούν ρυθμικούς παλμούς βαρυτικής ενέργειας (κύματα βαρύτητας) που διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Κάποιοι απ’ τους βρόγχους αυτούς μπόρεσαν να προσελκύσουν τη γύρω μάζα. Οι μεγαλύτεροι βρόγχοι προσέλκυσαν τους μικρότερους συγκεντρώνοντας τους γαλαξίες σε ομάδες.

Κάτι άλλο που προτείνει η θεωρία αυτή, είναι ότι ο χώρος αποτελείται από 9 διαστάσεις κι όχι από 3, όπως εμείς αντιλαμβανόμαστε. Οι υπόλοιπες 6 μένουν “συρρικνωμένες” σ’ ένα είδος εξαδιάστατης σφαίρας. Η θεωρία των Υπερχορδών, πέρα απ’ το γεγονός ότι προτείνει ένα μόνο “σωματίδιο” που μεταβαλλόμενο αναπαριστά τα αναρίθμητα υποατομικά σωματίδια, υποδεικνύει και τη μοναδική αφετηρία όλων των δυνάμεων. Αποτελεί μια εναλλακτική προσπάθεια προς την ενοποίηση όλων των δυνάμεων τη φύσης σε μία, όπως αναφέρθηκε παραπάνω.

Επίλογος

Οι θετικές επιστήμες όπως φαίνεται απ’ την εξέλιξή τους αλλά κυρίως απ’ τις προοπτικές που διαφαίνονται στο κατώφλι του 21ου αι., έχουν καταφέρει να μας αποκαλύψουν απόκρυφα μυστικά της Φύσης, τόσο όσον αφορά τον Μικρόκοσμο, όσο και για τον Μακρόκοσμο. Όμως σημασία από δω και πέρα δεν έχει μόνο η απόκτηση γνώσεων και η αποκάλυψη και νέων κρυμμένων φυσικών Νόμων. Πιο ουσιαστικό είναι να συνειδητοποιήσουμε ότι η Επιστήμη πρέπει να λειτουργεί για να υπηρετεί τον άνθρωπο κι όχι για να τον διαφθείρει και να τον καταστρέψει.

Αυτά είναι πολύ σημαντικά, επειδή μαζί με την αλματώδη ανάπτυξη των επιστημών τα τελευταία 100 χρόνια, η ανθρωπότητα δοκίμασε με καταστροφικά αποτελέσματα τις δυνατότητες που προσφέρει η γνώση. Όχι μόνο ξεσκεπάσαμε κάποιες δυνάμεις της Φύσης, αλλά τις χρησιμοποιήσαμε σαν ανώριμα παιδιά, που μην ξέροντας με πόσο επικίνδυνα παιχνίδια παίζουν, τα δοκιμάζουν κατά των συνανθρώπων τους και του εαυτού τους. Μέσα σε 100 χρόνια δημιουργήθηκαν τόσες πληγές στην ανθρωπότητα και στον πλανήτη, που θα απαιτούνταν πολλές γενιές σε παλιότερες εποχές για να προκληθούν.

Γι’ αυτό είναι απαραίτητα όχι μόνο η γνώση και η έρευνα, αλλά και η διαμόρφωση των επιστημόνων ώστε αυτοί να δρουν υπηρετώντας την ανθρωπότητα και το κοινό καλό κι όχι οικονομικά ή άλλου είδους συμφέροντα. Ίσως πάνω από όλα θα έπρεπε να ληφθούν στα σοβαρά τα λόγια του ποιητή T.S. Eliot:

“Αν υπάρχει κάποια μικρή ελπίδα να αποκτήσουμε κάποτε μια πραγματική σοφία,

αυτή θα είναι η σοφία της ταπεινοφροσύνης” (esoterica)

THE PERSISTENCE OF A FREE PHOTON