Πώς η ανθρώπινη περιέργεια μετατρέπεται σε επιστημονική γνώση
Σε ομιλία της στο Perimeter Institute και στη συζήτηση που επακολούθησε με την Nahlah Ayed, για την εκπομπή IDEAS του CBC, η Ασημίνα Αρβανιτάκη(*) περιγράφει την αναζήτηση των νόμων της φύσης ως έναν διαρκή διάλογο ανάμεσα στη θεωρία και στο πείραμα. Μας δίνει μια γεύση από τον τρόπο με τον οποίο αποκρυπτογραφούμε το Σύμπαν:
Στη συνέχεια παρατίθενται συνοπτικά μερικά σημεία της ομιλίας της:
● Η Φυσική – σκοπός της οποίας είναι η κατανόηση της φύσης και η ανακάλυψη των θεμελιωδών νόμων της – βασίζεται σε δύο πυλώνες. Ο πρώτος είναι η θεωρία, δηλαδή τα μαθηματικά που περιγράφουν τους νόμους της φύσης. Ο δεύτερος είναι το πείραμα και η παρατήρηση, μέσα από τα οποία ελέγχονται οι θεωρίες μας και οι ιδέες μας για το ποιοι θα έπρεπε να είναι αυτοί οι νόμοι.
● Κατά κάποιον τρόπο η Φυσική είναι ένας διάλογος ανάμεσα στους ανθρώπους και στη φύση. Τα μαθηματικά μας επιτρέπουν να διατυπώσουμε τα ερωτήματα που θέλουμε να θέσουμε στη φύση. Το πείραμα και η παρατήρηση είναι ο τρόπος να της απευθύνουμε αυτά τα ερωτήματα και να πάρουμε απαντήσεις.
● Οι θεωρίες συνδέονται στενά με τα μαθηματικά. Μπορούμε να καταλάβουμε καλύτερα γιατί τα μαθηματικά είναι σημαντικά, αν εξετάσουμε μια συγκεκριμένη θεωρία, π.χ. την θεωρία της βαρύτητας.
● Η πρώτη θεωρία της βαρύτητας διατυπώθηκε από τον Αριστοτέλη. Θεωρώντας ότι η Γη ήταν το κέντρο του Σύμπαντος, η βασική ιδέα ήταν ότι τα πράγματα πρέπει να πέφτουν προς το κέντρο. Είχε μια λογική, αλλά δεν εξηγούσε π.χ. πώς μεταβάλλεται αυτή η δύναμη ανάλογα με την απόσταση από το κέντρο.
● Μετά από δυο χιλιάδες χρόνια διατυπώθηκε μια καλύτερη θεωρία βαρύτητας από τον Νεύτωνα, η οποία συνέδεσε όσα παρατηρούμε στη Γη με τα ουράνια φαινόμενα. Όπως το μήλο πέφτει στην επιφάνεια της Γης, έτσι και η Γη, στην ουσία πέφτει διαρκώς γύρω από τον Ήλιο. Τα γήινα και τα ουράνια φαινόμενα ενοποιήθηκαν σε μία θεωρία, την θεωρία της βαρύτητας.
● Για να περιγράψει την δυναμική των φαινομένων αυτών ο Νεύτων επινόησε – στην πραγματικότητα αναγκάστηκε να επινοήσει – τον απειροστικό λογισμό. Γι αυτό θεωρείται όχι μόνο πατέρας της σύγχρονης Φυσικής, αλλά και των σύγχρονων μαθηματικών.
● Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν σε μια διάλεξή του στην Οξφόρδη το 1933, είχε πει για την μεθοδολογία της θεωρητικής φυσικής: «Η καθαρά λογική σκέψη δεν μπορεί να μας προσφέρει καμία γνώση του εμπειρικού κόσμου. Κάθε γνώση της πραγματικότητας ξεκινά από την εμπειρία και καταλήγει σε αυτήν.» Κι αυτό είναι ένα κρίσιμο στοιχείο της επιστημονικής διαδικασίας.
● Η θεωρία του Νεύτωνα για την βαρύτητα, είχε την πρώτη της επιτυχία, διότι επιβεβαίωνε τους τρεις νόμους του Κέπλερ για την κίνηση των πλανητών (που προέκυψαν από παρατηρησιακά αστρονομικά δεδομένα): των ελλειπτικών τροχιών των πλανητών, των ίσων εμβαδών που διαγράφει η επιβατική ακτίνα σε ίσους χρόνους και το τετράγωνο της περιόδου περιφοράς ενός πλανήτη γύρω από τον Ήλιο, που είναι ανάλογο με τον κύβο του μεγάλου ημιάξονα της τροχιάς του. Κι όμως, αυτό δεν ήταν αρκετό για να πείσει τον κόσμο, ακόμα και τον ίδιο τον Νεύτωνα.
● Θεωρώντας δύο μάζες, σύμφωνα με την νέα θεωρία της βαρύτητας, εμφανιζόταν ελκτική δύναμη μεταξύ τους. Πώς όμως μεταβιβάζεται αυτή η αλληλεπίδραση; Δεν υπάρχει κάποιο μέσο, ούτε σωματίδια που μετακινούνται κρυφά από την μία μάζα στην άλλη για να προκαλέσουν την βαρυτική έλξη, αφού μεταξύ τους υπάρχει κενός χώρος.
● Αυτή η ιδέα της δράσης από απόσταση καθυστέρησε την αποδοχή της θεωρίας. Μια σημαντική εργαστηριακή επιβεβαίωση της νευτώνειας βαρύτητας προσέφερε το πείραμα του Cavendish με τον ζυγό στρέψης, το 1798. Μέτρησε τη βαρυτική έλξη ανάμεσα σε μολύβδινες σφαίρες και, συγκρίνοντάς την με τη γήινη βαρύτητα, υπολόγισε τη μέση πυκνότητα της Γης. Βρήκε ότι ήταν 5,5 φορές η πυκνότητα του νερού, μια τιμή πολύ κοντά σε αυτήν που γνωρίζουμε σήμερα. Γι’ αυτό το πείραμά του είναι γνωστό και ως το πείραμα που ζύγισε τη Γη.
● Μέχρι την εποχή του Νεύτωνα, οι άνθρωποι πίστευαν ότι η Γη βρισκόταν στο κέντρο του Σύμπαντος. Τελικά δεν ήταν έτσι. Ο Ήλιος βρίσκεται στο κέντρο του Ηλιακού Συστήματος και η Γη απλώς περιφέρεται γύρω του. Χρειάστηκαν περίπου εκατό χρόνια για να το χωνέψουμε αυτό.
● Έπειτα ήταν τα άστρα που βλέπουμε. Οι άνθρωποι άρχισαν να συνειδητοποιούν ότι αυτές οι μικρές φωτεινές κουκκίδες μπορεί να είναι μακρινοί ήλιοι. Περίπου εκατό χρόνια μετά τον Νεύτωνα κατάλαβαν ότι υπάρχει ένας γαλαξίας. Αλλά έλεγαν: «Ο Ήλιος πρέπει να βρίσκεται στο κέντρο του Γαλαξία. Πού αλλού θα μπορούσε να βρίσκεται;». Τελικά ούτε αυτό ίσχυε. Χρειάστηκαν άλλα εκατόν τριάντα χρόνια για να πειστούν ότι ο Ήλιος δεν βρίσκεται στο κέντρο του Γαλαξία.
● Το εκπληκτικό ήταν ότι μόλις δέκα χρόνια αργότερα ήρθε ο Hubble και είπε: «Ούτε ο Γαλαξίας μας είναι μοναδικός».
● Οι προσωπικές μας πεποιθήσεις επηρεάζουν την αντίληψή μας για την πραγματικότητα. Όμως η επιστήμη μας βοηθά να περιορίζουμε αυτή την επιρροή. Η διαδικασία που συνδυάζει συγκεκριμένες θεωρίες με πείραμα και παρατήρηση μας επιτρέπει να ελέγχουμε τις ιδέες μας και να προσεγγίζουμε την αλήθεια, οδηγώντας μας πέρα από τις πεποιθήσεις μας. Η επιστήμη μπορεί να αλλάξει την κοσμοθεωρία μας.
● Πέρα από την βαρύτητα, κατανοήσαμε τα άτομα, την δομή τους, ότι διαθέτουν πυρήνες, ότι οι πυρήνες αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια, κι αυτά με την σειρά τους από κουάρκ. Καταλάβαμε ότι υπάρχουν κι άλλες αλληλεπιδράσεις εκτός από την βαρυτική και την ηλεκτρομαγνητική. Σήμερα γνωρίζουμε ότι, πέρα από την βαρύτητα, υπάρχουν δεκαεπτά σωματίδια που περιγράφονται με δεκαεννέα παραμέτρους με μια εξίσωση. Δεν χρειάζεται να θυμόμαστε την εξίσωση. Μας δείχνει όμως πόσο συμπαγής είναι η θεωρία.
● Με όσα έχουμε μάθει μπορούμε να κατανοούμε φαινόμενα που εμφανίζονται σε ένα τεράστιο εύρος κλιμάκων: από τις μικρότερες κλίμακες που γνωρίζουμε, τον πυρήνα ή και μικρότερες, μέχρι το μέγεθος του Σύμπαντος. Μπορούμε να περιγράφουμε αρκετά καλά όσα βλέπουμε.
● Για να πάρουμε μια ιδέα αυτού του εύρους, γνωρίζουμε ότι ένας πυρήνας είναι πολύ μικρός σε σύγκριση με έναν άνθρωπο. Η αναλογία του πυρήνα προς τον άνθρωπο είναι σαν την αναλογία του ανθρώπου προς το Ηλιακό Σύστημα. Και η αναλογία του ανθρώπου προς το Ηλιακό Σύστημα είναι σαν την αναλογία του Ηλιακού Συστήματος προς το Σύμπαν.
● Μιλάμε για τεράστιες κλίμακες μήκους που με την δύναμη των μαθηματικών, του πειράματος και της παρατήρησης, καταφέραμε να περιγράψουμε φαινόμενα που ξεπερνούν κατά πολύ την καθημερινή μας εμπειρία.
● Αν και η κατανόηση των φυσικών φαινομένων έχει αξία από μόνη της, χάρη σε αυτήν μπορέσαμε να υποτάξουμε τη φύση στη θέλησή μας και να βρούμε εφαρμογές που βελτίωσαν την καθημερινή ζωή μας. Για παράδειγμα, το 1888 ο Hertz ήθελε να ελέγξει τη θεωρία του Μaxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό. Στην πορεία ανακάλυψε τα ραδιοκύματα. Ήταν λοιπόν πολύ χαρούμενος που μπορούσε να ανακοινώσει ότι ο Μaxwell είχε δίκιο, αλλά είπε ότι αυτό ήταν εντελώς άχρηστο. Σήμερα, περισσότερο από εκατό χρόνια αργότερα, η συντριπτική πλειονότητα των ασύρματων επικοινωνιών γίνεται με ραδιοκύματα. Δεν μπορούμε να φανταστούμε τη ζωή μας χωρίς αυτή την «άχρηστη» ανακάλυψη.
● Ένα άλλο παράδειγμα είναι η θερμοδυναμική. Η ανακάλυψη της ατμομηχανής πυροδότησε την Βιομηχανική Επανάσταση και στις αρχές του 19ου αιώνα με την μηχανή Carnot προέκυψε η θεωρία της θερμοδυναμικής. Χάρη στην περαιτέρω έρευνα των Boltzmann, λόρδου Kelvin και άλλων φυσικών, κατασκευάστηκαν πολύ αποδοτικότερες μηχανές, μηχανές που αργότερα μας πήγαν μέχρι το Φεγγάρι.
● Αλλά πόσο βέβαιοι είμαστε για την εγκυρότητα των θεωριών μας; Στη σωματιδιακή φυσική το ελέγχουμε με αυτό που ονομάζουμε πειράματα ακριβείας: συγκρίνουμε την θεωρητική πρόβλεψη με την τιμή που μετράμε πειραματικά. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου. Ο παράγοντας g, που την συνδέει με το σπιν του, αποκλίνει ελαφρά από την τιμή 2 λόγω κβαντικών διορθώσεων. Η μέτρηση του g/2 έχει επιτευχθεί με σχετική ακρίβεια περίπου 0,13 μέρους στο τρισεκατομμύριο, προσφέροντας έναν εξαιρετικά ευαίσθητο έλεγχο της θεωρίας. Είναι σαν να γνωρίζουμε μια περιουσία ενός τρισεκατομμυρίου δολαρίων με ακρίβεια περίπου δέκα λεπτών του δολαρίου.
● Γιατί χρειάζεται να προχωρήσουμε πέρα από τις γνωστές μας θεωρίες, αφού αυτές κάνουν τόσο ακριβείς προβλέψεις; Διότι οι θεωρίες αυτές περιγράφουν μόνο την συνηθισμένη ύλη του Σύμπαντος. Αν κοιτάξετε το συνολικό ενεργειακό περιεχόμενο του Σύμπαντος, υπάρχει ένα 95% για το οποίο δεν γνωρίζουμε από τι αποτελείται. Υπάρχει μια συνιστώσα που ονομάζουμε σκοτεινή ύλη, την οποία δεν μπορεί να περιγράψει η θεωρία μας. Υπάρχει επίσης κάτι που ονομάζουμε σκοτεινή ενέργεια, το οποίο αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ενεργειακής πυκνότητας του Σύμπαντος που είναι ακόμη πιο μυστηριώδες.
● Επιστρέφοντας στην βαρύτητα, αυτή εξακολουθεί να ξεχωρίζει από όλες τις άλλες δυνάμεις. Είναι εξαιρετικά ασθενής. Δεν το σκέφτεστε, αλλά κάθε φορά που περπατάτε, ανεβαίνετε μια σκάλα, οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις στο σώμα σας που ελέγχουν τους μυς σας υπερνικούν τη βαρυτική έλξη ολόκληρου του πλανήτη. Αυτό μας δείχνει πόσο ασθενής είναι η βαρύτητα. Είναι ένα τεράστιο αίνιγμα, και παραμένει αίνιγμα εδώ και πολύ καιρό. Έχουμε διάφορες ιδέες για το γιατί συμβαίνει αυτό, και αυτές ελέγχονται τώρα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τον μεγάλο επιταχυντή του CERN. Υπάρχει, όμως, ένα ακόμη μεγαλύτερο αίνιγμα: το μέγεθος του Σύμπαντος.
● Πόσο μεγάλο είναι λοιπόν το Σύμπαν; Όταν μιλάμε για τον κόσμο, δεν μετράμε συνήθως τις αποστάσεις σε μέτρα. Αυτό το κάνουμε αν θέλουμε να μετρήσουμε το μέγεθος αυτού του τραπεζιού. Το Σύμπαν, όμως, είναι τόσο μεγάλο ώστε μετράμε τις αποστάσεις με βάση τον χρόνο που χρειάζεται το φως για να ταξιδέψει ανάμεσα σε δύο σημεία. Και το φως ταξιδεύει πολύ γρήγορα.
Για παράδειγμα, η Σελήνη απέχει μερικές εκατοντάδες χιλιάδες χιλιόμετρα και το φως χρειάζεται περίπου ένα δευτερόλεπτο για να φτάσει από εκεί σε εμάς. Από τον Ήλιο χρειάζεται περίπου οκτώ λεπτά. Ο Ήλιος είναι πολύ μακριά. Αν κοιτάξουμε πολύ μακριά στο Σύμπαν, βλέπουμε γαλαξίες των οποίων το φως ταξίδεψε για περισσότερα από δεκατρία δισεκατομμύρια χρόνια μέχρι να φτάσει σε εμάς.
● Το Σύμπαν, λοιπόν, είναι τεράστιο. Η εξέλιξή του συνδέεται με την ενεργειακή πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας, η οποία επηρεάζει τον ρυθμό διαστολής του. Η παρατηρούμενη πυκνότητα είναι πολύ μικρότερη από τις συνήθεις θεωρητικές εκτιμήσεις. Και εδώ βρίσκεται το πρόβλημα. Με βάση την κατανόηση των θεωριών μας, μπορούμε να εκτιμήσουμε, να κάνουμε μια υπόθεση για το πόση σκοτεινή ενέργεια θα έπρεπε να υπάρχει. Αποδεικνύεται ότι η πρόβλεψή μας είναι πως το Σύμπαν δεν θα έπρεπε να είναι μεγαλύτερο από το κεφάλι μιας καρφίτσας. Κι αυτό δεν φαίνεται πολύ καλό ούτε για τους γαλαξίες, ούτε για τα άστρα ή ούτε και για εμάς. Αυτή η απόκλιση ανάμεσα σε αυτό που περιμένουμε και σε αυτό που πράγματι μετράμε είναι ένα τεράστιο αίνιγμα.
● Παρ’ όλα αυτά, γνωρίζουμε ότι οι θεωρίες μας λειτουργούν πολύ καλά πειραματικά. Ίσως η καλύτερη διαθέσιμη ιδέα για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος είναι πως το Σύμπαν μας δεν είναι μοναδικό. Η μικρή παρατηρούμενη τιμή της σκοτεινής ενέργειας αποτελεί κίνητρο για αυτή την υπόθεση, χωρίς να συνιστά πειραματική επιβεβαίωσή της.
● Πώς λειτουργεί αυτή η ιδέα, πώς μπορεί να λύσει το πρόβλημα; Η αναλογία μάς φέρνει πίσω στο δικό μας Ηλιακό Σύστημα. Στην αρχή, όταν οι άνθρωποι θεωρούσαν ότι υπήρχε μόνο ένα ηλιακό σύστημα, ορισμένοι αφιέρωναν χρόνο προσπαθώντας να κατανοήσουν το μέγεθος των πλανητικών τροχιών. Είχαν θεωρίες με επικύκλους. Χρειαζόταν αυτό που ονομάζουμε δυναμική: κάποιον μηχανισμό που να εξηγεί το μέγεθος των πλανητικών τροχιών που παρατηρούμε. Μόλις όμως καταλάβαμε ότι το Ηλιακό Σύστημά μας είναι ένα από τα δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων στο Σύμπαν, αυτό έγινε σύμπτωση. Απλώς τυχαίνει να βρισκόμαστε σε εκείνο όπου η Γη έχει τέτοια απόσταση ώστε να μην είναι ούτε πολύ θερμή ούτε πολύ ψυχρή, αλλά κατάλληλη ώστε να υπάρχουμε εμείς.
● Κάτι ανάλογο συμβαίνει με την ιδέα του πολυσύμπαντος. Αν υπάρχει μόνο ένα σύμπαν, θα αναζητούσαμε κάποια θεωρία, κάποιον δυναμικό μηχανισμό που να εξηγεί γιατί η σκοτεινή ενέργεια είναι τόσο μικρή. Αν όμως υπάρχουν πολλά, τότε αναπόφευκτα θα βρεθούν τυχαία ορισμένα όπου η σκοτεινή ενέργεια είναι αρκετά μικρή ώστε να επιτρέπει την ανάπτυξη γαλαξιών. Δεν είναι ικανοποιητική απάντηση, επειδή μετατρέπει κάτι που θα έπρεπε να καθορίζεται από την δυναμική σε κάτι που καθορίζεται από τη σύμπτωση. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχουν θεωρίες που το προβλέπουν και υπάρχουν τα αντίστοιχα μαθηματικά.
● Το ερώτημα λοιπόν είναι: πώς θα το ελέγχαμε; Δεν μπορούμε να δούμε το φως που προέρχεται από τα άλλα σύμπαντα. Αποδεικνύεται όμως ότι, όταν έχεις μια συγκεκριμένη μαθηματική κατασκευή για το τι θα μπορούσε να είναι ένα πολυσύμπαν, αυτή έχει συνέπειες για το δικό μας Σύμπαν. Για παράδειγμα, μπορεί να υπάρχουν σωματίδια που αποτελούν την σκοτεινή ύλη και έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες. Μπορείς πράγματι να σχεδιάσεις πειράματα για να τα αναζητήσεις.
● Τα πειράματα αυτά βασίζονται σε τεχνολογίες που ίσως έχετε ακούσει. Για παράδειγμα, στον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό, την τεχνολογία στην οποία στηρίζεται ο μαγνητικός τομογράφος, αν έχετε κάνει ποτέ μαγνητική τομογραφία. Τα ατομικά ρολόγια, που καθορίζουν το σημερινό πρότυπο μέτρησης του χρόνου, ή οι κβαντικές τεχνολογίες για τις οποίες ακούμε συνεχώς, πρέπει να φτάσουν στα όριά τους για να μπορέσουμε να ανιχνεύσουμε αυτά τα σωματίδια.
Αυτό είναι το ουσιαστικό: μόλις διατυπώσουμε μια μαθηματική θεωρία, μπορούμε να αναζητήσουμε την κατάλληλη επιστημονική μέθοδο και να δούμε ποια στοιχεία υπάρχουν ώστε να στηρίξουμε την υπόθεσή μας.
● Παρά ταύτα, η ιδέα αυτή κάνει τους ανθρώπους να αισθάνονται πολύ άβολα. Νομίζω ότι ο λόγος είναι πως μας περιμένει ακόμη ένας υποβιβασμός. Έπρεπε να χωνέψουμε ότι η Γη δεν είναι το κέντρο του κόσμου. Ούτε ο Ήλιος είναι τόσο ξεχωριστός, αφού βρίσκεται πολύ μακριά από το κέντρο του Γαλαξία. Και ο Γαλαξίας μας δεν είναι τόσο ξεχωριστός μέσα στο Σύμπαν. Και τώρα, μαντέψτε: ούτε το Σύμπαν μας είναι τελικά τόσο ξεχωριστό.
● Μένουμε λοιπόν με ένα αίνιγμα. Ξεκινήσαμε θέτοντας ερωτήματα, προσπαθώντας να καταλάβουμε όσα βρίσκονται γύρω μας, έχοντας περιέργεια. Έτσι δημιουργήσαμε μια διαδικασία, την επιστημονική μέθοδο, η οποία μας επιτρέπει να κατανοούμε τον κόσμο γύρω μας πέρα από όσα νομίζουμε και, με αυτόν τον τρόπο, να καταλαβαίνουμε τη θέση μας στο Σύμπαν.
(*) Η Ασημίνα Αρβανιτάκη κατέχει την Έδρα Θεωρητικής Φυσικής «Αρίσταρχος» του Ιδρύματος Σταύρος Νιάρχος στο Ινστιτούτο Perimeter. Είναι φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων και το έργο της επικεντρώνεται στον σχεδιασμό πειραμάτων για την αναζήτηση νέων φαινομένων και νέων δυνάμεων της φύσης. Έχει δείξει, για παράδειγμα, πώς τα ατομικά ρολόγια, στα οποία βασίζεται η ακριβής μέτρηση του χρόνου και καθιστούν δυνατή τη λειτουργία του GPS που χρησιμοποιούμε όλοι, μπορούν να αξιοποιηθούν για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, της άγνωστης συνιστώσας της μάζας του Σύμπαντος στην οποία οφείλεται η ύπαρξη των γαλαξιών. Έχει επίσης δείξει πώς οι μαύρες τρύπες, όπως εκείνες που ανιχνεύθηκαν πρόσφατα από το πείραμα LIGO, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διαπιστωθεί η παρουσία νέων σωματιδίων. Για το έργο της τιμήθηκε, μαζί με άλλους ερευνητές, με το Βραβείο «Νέοι Ορίζοντες στη Φυσική» του 2017, από το Ίδρυμα Breakthrough Prize.
Κατηγορίες:ΙΣΤΟΡΙΑ, ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, ΣΥΜΠΑΝ, ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ, ΦΥΣΙΚΗ
Σχολιάστε