Οι 7 Ιδέες-Κλειδιά της Μοντέρνας Φυσικής
Εισαγωγή
Η Σύγχρονη Φυσική έχει εισάγει στη ζωή μας μερικές καινούργιες ιδέες και έννοιες οι οποίες έχουν αλλάξει ρηξικέλευθα τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε και κατανοούμε το κόσμο. Οι ιδέες αυτές αντικατέστησαν άλλες παλιότερες ιδέες και είναι σίγουρο ότι στο μέλλον θα αντικατασταθούν και αυτές από άλλες πιό ευρύτερες και περιεκτικές. Ίσως γιατί είναι η μοίρα των ιδεών να εξελίσσονται. Παραθέτουμε εδώ μερικές από αυτές τις ιδέες με την ελπίδα ότι θα μας εμπνεύσουν.
1. Η ιδέα της Παγκοσμιότητας, οι νόμοι της φυσικής παραμένουν οι ίδιοι παντού.
Παραφράζοντας τον Αϊνστάιν: "το θαύμα δεν βρίσκεται στο ποιοί είναι οι νόμοι του Σύμπαντος αλλό στο ότι υπακούει σε νόμους".
Η ιδέα είναι σχετικά απλή: Οι νόμοι της Φυσικής είναι οι ίδιοι παντού, εδώ στην Γη, στον Σείριο, κοντά στο κέντρο του Γαλαξία μας ή δίπλα σε μιά μαύρη τρύπα. Δεν εξαρτώνται δηλαδή από τη θέση μας στο Σύμπαν. Επιπλέον δεν εξαρτώνται από τον χρόνο· είναι οι ίδιοι νόμοι που ίσχυαν χθές ή πριν από χίλια χρόνια.
Θα αναρωτηθεί κανείς γιατί να είναι έτσι. Η εξήγηση δεν είναι απλή άν και γίνεται προσπάθεια για να το κατανοήσουμε βαθύτερα. Για την ώρα ας πούμε ότι έτσι είναι η Φύση. Πάντως το γεγονός του ότι οι νόμοι είναι παντού οι ίδιοι κάνει τη ζωή μας πιο εύκολη, καθώς προσπαθούμε να τους μελετήσουμε. Φανταστείτε ένα Σύμπαν με νόμους οι οποίοι αλλάζουν από το ένα μέρος στο άλλο· η μελέτη και καταγραφή τους θα είταν εφιάλτης.
Ο Νόμος της Παγκοσμιότητας βρίσκεται πίσω από κάθε επιστημονικό εγχείρημα. Για παράδειγμα δεν θα μπορούσαμε να πάμε στο Φεγγάρι ή αργότερα στον Άρη, εάν δεν είμαστε σίγουροι οτι ο νόμος της βαρύτητας είναι ο ίδιος εκεί. Ούτε θα ψάχναμε για εξωπλανητικά συστήματα ή εξωγήινους εάν η ζωή και η φύση ακολουθούσαν τελείως διαφορετικούς νόμους.
Όταν ο Νεύτωνας εμπνεύστηκε το νόμο της βαρύτητας, αυτό που αντιλήφθηκε δεν ήταν ότι το μήλο πέφτει επειδή υπάρχει η βαρύτητα, ο καθένας το ξέρει αυτό από εμπειρία. Αντιλήφθηκε τη παγκοσμιότητα του νόμου αυτού, το ότι η ίδια δύναμη που επιδρά στο μήλο είναι αυτή που κρατά το Φεγγάρι και τους Πλανήτες σε τροχιά γύρω από το Ήλιο, αποκαλύπτοντας με αυτό το τρόπο την δυναμική αιτία της ουράνιας μηχανικής.
2. Η ιδέα της μεγάλης Ενοποίησης: υπάρχουν ισχυρές ενδείξεις οτι τελικά όλα τα βασικά στοιχεία του κόσμου (σωματίδια, δυνάμεις αλλά ακόμη και ο χωρο-χρονικός καμβάς) είναι στη βάση τους αδιαχώριστα έχοντας κοινή καταγωγή.
Το βασικό στοιχείο αυτής της ιδέας είναι η πεποίθηση οτι η φαινομενική πληθώρα των στοιχείων, ατομικών και υπατομικών, και των δυνάμεων της φύσης δεν είναι παρά όψεις, εκδηλώσεις της ίδιας βασικής ουσίας, μιας βασικής δυναμικότητας. Η φύση και οι ιδιότητές της παραμένουν ακόμη μυστήριο.
Όλα ξεκίνησαν με τις διατύπωση των εξισώσεων του Maxwell για τον ηλεκρομαγνητισμό και τη φύση του φωτός, όπου γίνεται η ενοποίηση δύο δυνάμεων αρχικά άσχετων, της ηλεκτρικής και μαγνητικής δύναμης, σε μία, την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Συνέχισε με την ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με την ασθενή δύναμη, τη δύναμη πίσω από όλα τα ραδιοενεργά φαινόμενα...και εδώ είναι το σημείο όπου βρισκόμαστε σήμερα. Από εδώ και πέρα υπάρχει μια πληθώρα επιχειρημάτων και θεωριών για να ενωθεί μαζί της και η πυρηνική ή ισχυρή δύναμη καθώς και η δύναμη της βαρύτητας. Σε αυτές τις θεωρίες δίνουμε το συλλογικό όνομα 'Θεωρίες της Μεγάλης Ενοποίησης' ή 'Θεωρίες των Πάντων'! Σε αυτά τα εγχειρήματα οι θεωρητικοί φυσικοί δοκίμασαν πολλές εκπλήξεις αλλά και αποτελέσματα άπειρης ομορφιάς.
Η πιό ευρέως γνωστή θεωρία των πάντων είναι η θεωρία των Υπερχορδών. Ανήκει στη κατηγορία των λεγόμενων υπερ-συμμετρικών θεωριών (δηλ. υποθέτει την ύπαρξη κάποιων συμμετριών που η ύπαρξή τους δεν έχει αποδειχθεί ακόμη άν και οι επιστήμονες τις ψάχνουν π.χ. στον LHC επιταχυντή στο CERN). Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, το ζητούμενο θεμελιακό σωματίδιο ονομάζεται 'υπερ-χορδή' ή 'υπερ-μεμβράνη' η οποία πάλλεται σε δέκα διαστάσεις. Ανάλογα με τη 'νότα' που πάλλεται η χορδή αυτή εκδηλώνεται στον τρισδιάστατο κόσμο μας σαν ηλεκτρόνιο, φως, πυρηνική δύναμη κτλ. Μια έκδοση της θεωρίας υποθέτει ότι υπάρχει μιά μόνο δύναμη, η βαρύτητα, η οποία δρά σε ανώτερες διαστάσεις και χώρους και το ότι οι τρισδιάστατες φαινομενικές δυνάμεις που παρατηρούμε δεν είναι τίποτε άλλο παρά ολογραφικές προβολές των εκεί συμβαινόντων στον περιορισμένο χωροχρονικά κόσμο μας.
Αλλά οι πτήσεις των θεωρητικών φυσικών δεν σταματούν εκεί. Υπάρχουν θεωρίες με τελείως αφηρημένες υποθέσεις, όπου το θεμελιώδες 'κάτι' είναι τελείως άυλο, ένας απλός αριθμός. Έτσι η θεωρία των πάντων ταυτίζεται με την θεωρία των αριθμών σε ένα τελειωτικό πάντρεμα του νου και της ύλης, της λογικής και της φύσης του κόσμου.
Ότι και να είναι πάντως αυτο το έσχατο θεμέλιο του κόσμου, χορδή, ολογραφία ή αριθμός, παραμένει ακόμη κρυμμένο.
3. Συμμετρίες και οι Νόμοι της Διατήρησης: Φαίνεται οτι κάθε φορά που η φύση παραμένει αδιάφορη στις επιλογές μας, δηλαδή κάθε φορά που έχουμε την ελευθερία να διαλέξουμε και ο νόμος που μελετάμε να μην επηρεάζεται, τότε κάτι, μιά φυσική ποσότητα είναι διατηρήσιμη, δηλαδή παραμένει αναλλοίωτη μέσα στο χρόνο.
Η ιδέα αυτή αφορά σε ένα παράξενο χαρακτηριστικό της φύσης, την ύπαρξη ορισμένων συμμετριών οι οποίες φαίνεται να είναι μέσα στη φύση των νόμων που την διέπουν. Όταν υπάρχει απόλυτη συμμετρία τότε όλα είναι αποροφημένα σε μιά ενοποιημένη κατάσταση, δεν υπάρχει διαφοροποίηση και εκδήλωση. Στην απόλυτη συμμετρία δεν υπάρχει διαχωρισμός σωματιδίων και δυνάμεων (όπως αναφέραμε παραπάνω), δεν υπάρχει διαχωρισμός μεταξύ ηλεκτρονίων και κουάρκς, δεν υπάρχει διαχωρισμός μεταξύ 'εγώ' και 'εσύ'. Το γεγονός της πολλαπλότητας και του διαχωρισμού αποδεικνύει το ότι η φύση είναι σε μιά ατελή κατάσταση, το ότι διάφορες συμμετρίες έχουν 'σπάσει'.
Στη φυσική η έννοια της συμμετρίας σε ένα νόμο, σημαίνει ότι υπάρχει κάποιο είδος ελευθερίας επιλογής από τη μεριά μας η οποία δεν 'ενοχλεί' τη φύση, την αφήνει αδιάφορη, έτσι ώστε ο νόμος να μήν επηρεάζεται. Για παράδειγμα όταν κάνω ένα πείραμα μπορώ να στήσω το εργαστήρι μου εδώ ή εκεί, να κάνω το πείραμα σήμερα ή αύριο, να προσανατολίσω τα όργανά μου προς αυτή ή την άλλη διεύθυνση. Γνωρίζω οτι ο νόμος που θα μελετήσω (ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα για παράδειγμα) θα είναι πάντα ο ίδιος. Είναι δηλαδή 'συμμετρικός' σε ότι αφορά τη 'θέση' στο διάστημα, την 'αρχή' του χρόνου, την 'διεύθυνση' στο χώρο. Αυτό δεν είναι και τόσο παράξενο, το περίεργο είναι ότι κάθε φορά που υπάρχει κάποια συμμετρική συμπεριφορά των νόμων τότε κάποιες φυσικές ποσότητες θα παραμένουν αναλλοίωτες στο χρόνο. Αυτό ακούγεται απλό αλλά τί θα λέγατε εάν μαθαίνατε οτι η ελευθερία του να μπορώ να διαλέξω τον τόπο που θα κάνω το πείραμά μου οδηγεί στο νόμο της διατήρησης της ενέργειας ενός συστήματος? Το οτι η ελευθερία να το αρχίσω όποτε θέλω οδηγεί στο νόμο της διατήρησης της ορμής ενός συστήματος, και το οτι η ελευθερία του προσανατολισμού οδηγεί στο νόμο της διατήρησης της στροφορμής ενός συστήματος? Αυτός ο τελευταίος νόμος είναι η αιτία που μιά περιστρεφόμενη σβούρα στέκεται όρθια, φαινομενικά παραβιάζοντας το νόμο της βαρύτητας!
Πάντως αυτή η σχέση ανάμεσα σε μια συμμετρική συμπεριφορά και στους νόμους διατήρησης δεν είναι πάντα εμφανής. Στην υπο-πυρηνική φυσική έχουμε διάφορους νόμους διατήρησης χωρίς όμως να είναι εμφανείς οι σχετικές συμμετρίες που συνδέονται μαζί τους, έτσι για την ώρα τις αποκαλούμε 'κρυφές συμμετρίες'.
4. Η θεωρία της Μεγάλης ΄Εκρηξης στη Κοσμολογία: Το Σύμπαν μας γενήθηκε και τώρα επεκτείνεται. Το μόνο πιθανό είναι ότι δεν είναι στατικό, άπειρο ή αέναο.
Για λεπτομέρειες γύρω από τη θεωρία της Μεγάλης ΄Εκρηξης και για τις παρατηρήσεις που την υποστηρίζουν δείτε εδώ: [Θεωρία Μεγάλης Έκρηξης]
5. Ο παράξενος κόσμος της Κβαντικής φυσικής με τη διπλή φύση των στοιχείων, τη πανταχού παρουσία τους, του θανάτου του 'προκαθορισμένου' και τη γέννηση του 'πιθανού', και ενός Κενού που είναι 'γεμάτο'.
Τα ατομικά και υπατομικά σωματίδια που χτίζουν αυτόν τον κόσμο έχουν διπλή φύση. Τα ανιχνεύουμε σαν ολοκληρωμένες οντότητες, σαν καθορισμένα 'αντικείμενα' με ορισμένες χαρακτηριστικές ιδιότητες όπως λ.χ. μάζα ή φορτίο, αλλά όταν ταξιδεύουν ελεύθερα κυριαρχεί η πανταχού παρούσα κυματική τους φύση και κινούνται σε ένα χώρο χωρίς καθορισμένες τροχιές ή, όπως το έθεσε ο Ρίτσαρντ Φάινμαν, κινούνται πάνω σε όλες τις δυνατές τροχιές. Αυτό το κυματικό, αιθερικό κομμάτι της φύσης τους παίζει σημαντικό ρόλο στη ζωή τους γιατί αυτό καθορίζει τη πιθανότητα το σωματίδιο αυτό να ανιχνευθεί σε αυτό ή το άλλο σημείο, και αυτό είναι η ουσία της κβαντικής μηχανικής. Χωρίς αυτό δεν είναι δυνατό να κατανοήσουμε πώς γίνεται ένα ηλεκτρόνιο να περνάει 'ταυτόχρονα' από δύο τρύπες στον τοίχο στο δρόμο του για την οθόνη ανίχνευσης. Χωρίς αυτό δεν είναι δυνατό να καταλάβουμε πώς το φως, συμπεριφερόμενο σαν σωματίδιο, κλωτσάει ένα ατομικό ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στο δρόμο του στο πλάι.
6. Η Θεωρία της Σχετικότητας όπου ο Χώρος, ο Χρόνος, η Μάζα και η Ενέργεια χάνουν την απόλυτη έννοια που έχουν στο κλασικό κόσμο και η 'ροή' τους μπορεί να αλλάξει. Τώρα εξαρτώνται από το σημείο αναφοράς, έτσι γίνονται 'σχετικά'. Ταυτόχρονα η ταχύτητα του φωτός αναδεικνύεται στο νέο όριο ταχύτητας στο Σύμπαν για κάθε τι που έχει μάζα και έτσι γίνεται το μόνο σταθερό σημείο αναφοράς στον Κόσμο.
Νομίζαμε ότι ο καμβάς του χωροχρόνου όπου ξετυλίγονται τα γεγονότα της ζωής μας είναι δεδομένος και σταθερός. Νομίζαμε οτι η μάζα, η στερεότητα των αντικειμένων γύρω μας είναι κάτι στο οποίο μπορούμε να στηριχθούμε και να κτίσουμε πάνω του. Αλίμονο, ο Αινστάιν εστειλε όλες αυτές τις λαθεμένες ιδέες στη λήθη. Το μόνο απόλυτο και σταθερό 'πράγμα' στο κόσμο μας είναι το φώς, τα υπόλοιπα όλα είναι ρευστά, μια εικόνα σχετικής αντίληψης.
7. Η ιδέα της Εντροπίας και το Τόξο του Χρόνου.
Όλες οι στοιχειώδεις φυσικές διαδικασίες είναι αντιστρέψιμες, μπορούμε να 'παίξουμε' μια τανία τους ανάποδα και τίποτε να μην προδίδει την αναστροφή, όλα να φαίνονται λογικά και εύλογα. Στη βιολογία και στη ζωή γενικά σύνθετων συστημάτων οι διαδικασίες είναι μη αντιστρέψιμες, π.χ. το σπάσιμο ενός αυγού ή ενός ποτηριού, η γήρανση κτλ. και γενικά φαίνεται ότι υπάρχει μιά εγγενής τάση στο να αυξάνεται η χαοτικότητα αντί να δημιουργείται τάξη. Αυτή η ιδιότητα των σύνθετων συστημάτων ονομάζεται εντροπία και χαρακτηρίζει ποσοτικά τη χαοτικότητα, την τυχαιότητα ενός τέτοιου συστήματος. Οι νόμοι της φυσικής ορίζουν οτι η εντροπία μπορεί να αυξάνει ή στη καλύτερη περίπτωση να παραμένει σταθερή, κάτι που έχει συνέπειες, όπως για παράδειγμα προλέγει το θερμικό θάνατο του Σύμπαντος σε αντίθεση με την προσπάθεια της ζωής να δημιουργήσει οργανισμούς (κάτι που χαρακτηρίζεται από απίστευτη τάξη). Η ιδέα της εντροπίας έχει εφαρμογές σε τελείως διαφορετικά επιστημονικά πεδία, από τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, την κοσμολογία, ακόμη και την πληροφορική όπου η πληροφορία ισοδυναμεί με αρνητική εντροπία. Σε κάθε περίπτωση, η εντροπία και η μή αντιστρεψιμότητα των φυσιολογικών διαδικασιών σε συνδυασμό με την περιοδική κίνηση του Ήλιου, δημιουργούν την αίσθηση ενός 'χρονικού' δρόμου μονής κατεύθυνσης...ή έτσι φαίνεται τουλάχιστον.