Η «γέννηση» της Θεωρίας της Σχετικότητας

Η μεγάλη διανοητική σύγκρουση στην αυγή του 20ου αιώνα.

Η μεγάλη διανοητική σύγκρουση στην αυγή του 20ου αιώνα.

Εισαγωγή


Η Επιστημονική Επανάσταση που συντελείται τον 16ο και 17ο αι. και οι σπουδαίες ανακαλύψεις στη Φυσική, την Αστρονομία και τα Μαθηματικά με πρωτοπόρους τον Galileo Galilei (1564-1642), τον René Descartes (1596-1650) και τον Isaac Newton (1643-1727) οδηγούν τους επιστήμονες στη βεβαιότητα πως το Σύμπαν είναι μια τεράστια καλοκουρδισμένη μηχανή στην οποία τα πάντα λειτουργούν αιτιοκρατικά υπό την επίβλεψη συγκεκριμένων Φυσικών Νόμων.

Ο μεγάλος Isaac Newton, φυσικός, μαθηματικός, αστρονόμος, φιλόσοφος, αλχημιστής και θεολόγος, πατέρας της Κλασικής Φυσικής και του Διαφορικού και Ολοκληρωτικού Λογισμού, διατυπώνει τη θεωρία του περί «Ουράνιας Μηχανικής», το επιστέγασμα της μηχανιστικής αντίληψης για τον Κόσμο. Στο περίφημο έργο του Philosophiæ Naturalis Principiæ Mathematica (Μαθηματικές αρχές της φυσικής φιλοσοφίας, 1684-1687) περιγράφει τους τρεις διάσημους νόμους του για την κίνηση και διατυπώνει τον νόμο της Παγκόσμιας Έλξης που περιγράφει τον τρόπο της Βαρυτικής Αλληλεπίδρασης δύο σωμάτων.

Ο Newton – και κατ’ επέκταση η Κλασσική Φυσική – αντιλαμβάνεται το Χώρο ως μια τρισδιάστατη οντότητα, ανεξάρτητη του Χρόνου, τη ροή του οποίου τίποτα δεν μπορεί να αλλάξει. Ο Χώρος και ο Χρόνος θεωρούνται απόλυτοι, ανεξάρτητοι δηλαδή του παρατηρητή. Το Νευτώνειο οικοδόμημα στηρίζεται στους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου, οι οποίοι μετασχηματίζουν τις μετρήσεις του Χώρου και του Χρόνου από έναν παρατηρητή σε έναν άλλον κινούμενο με σταθερή ταχύτητα ως προς τον πρώτο. Θα πρέπει εδώ να σημειωθεί ότι ο Γαλιλαίος είναι ο πρώτος που διατυπώνει το αξίωμα της σχετικότητας, σύμφωνα με το οποίο όλοι οι νόμοι της κίνησης είναι ίδιοι σε όλα τα συστήματα αναφοράς.

Στα χρόνια που ακολουθούν οι περισσότεροι επιστήμονες θεωρούν πως το οικοδόμημα της Φυσικής είναι σχεδόν τελειοποιημένο, πως οι παραδοξότητες και οι εκπλήξεις δεν έχουν θέση σε αυτήν καθώς βρίσκει αξιοσημείωτες εφαρμογές στην Υδροδυναμική, την Αναλυτική Μηχανική και την Ουράνια Μηχανική. Πιστεύουν επίσης πως κάποια «μικροπροβλήματα» που προκύπτουν αργά ή γρήγορα θα βρουν τη λύση τους στα πλαίσια πάντα της «θεϊκής» Νευτώνειας Μηχανικής.

Ένα από αυτά τα «μικροπροβλήματα» είναι το ενοχλητικό ερώτημα που βασανίζει τους αστρονόμους «Γιατί η τροχιά του Δία μοιάζει να συρρικνώνεται ενώ του Κρόνου να επεκτείνεται;» Φαίνεται αδύνατο να δοθεί μια μαθηματική απάντηση στο ερώτημα καθώς οι αμοιβαίες Βαρυτικές Έλξεις των Πλανητών είναι ιδιαίτερα πολύπλοκες, κάτι που κάνει τον ίδιο τον Newton να διατυπώσει την άποψη ότι η ευστάθεια του Ηλιακού Συστήματος πρέπει να οφείλεται στην περιοδική παρέμβαση μιας ανώτερης θεϊκής δύναμης. Την «θεότητα» του Newton αναλαμβάνει να εξορίσει από τη Φυσική ο Γάλλος μαθηματικός Pierre – Simon de Laplace (1749-1827) o οποίος εφαρμόζει επιτυχώς τη βαρυτική θεωρία του Newton στο Ηλιακό Σύστημα, παρουσιάζοντας μια αυστηρά μαθηματική απόδειξη της σταθερότητας του Ηλιακού Συστήματος. Το κύρος της Νευτώνειας Μηχανικής αποκαθίσταται προσωρινά.

Το 1846 οι αστρονόμοι παρατηρούν την ανωμαλία της μετάθεσης του περιηλίου του Ερμή η οποία αποδεικνύεται μεγαλύτερη κατά 43″ από αυτήν που υπολογίζει η θεωρία. Ο Urbain Le Verrier (1811-1877) προκειμένου να εξηγήσει το φαινόμενο αυτό, υποθέτει την ύπαρξη ενός Πλανήτη τον οποίο ονομάζει «Ήφαιστο» και υπολογίζει τα στοιχεία του. Τέτοιος πλανήτης όμως δεν υπάρχει.

Το 1872, ο διαπρεπής φυσικός James Clerk Maxwell (1831-1879), στο έργο του A Treatise on Electricity and Magnetism (Πραγματεία πάνω στον Ηλεκτρισμό και το Μαγνητισμό) παρουσιάζει τις περίφημες εξισώσεις που φέρουν το όνομά του για το Ηλεκτρομαγνητικό Πεδίο. Ο Maxwell ουσιαστικά βασίζεται στην θεωρία του Michael Faraday και ενώνει τους τέσσερις νόμους που περιγράφουν το Ηλεκτρικό και το Μαγνητικό Πεδίο (ηλεκτρικός νόμος Gauss, μαγνητικός νόμος Gauss , Νόμος Ampere – Maxwell και νόμος Faraday) σε τέσσερις εξισώσεις.

Αποδεικνύει για πρώτη φορά την ύπαρξη μιας αλληλεπίδρασης με πεπερασμένη ταχύτητα, της Ηλεκτρομαγνητικής, δυναμιτίζοντας την αντίληψη που ως τότε επικρατούσε περί ακαριαίων αλληλεπιδράσεων. Επίσης, για πρώτη φορά, περιγράφει με μαθηματικό τρόπο τα Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα. Άμεση απόρροια αυτού είναι το γεγονός πως η ταχύτητα του φωτός (το οποίο, όπως δείχνουν οι έρευνες για τη φύση του, συμπεριφέρεται ως εγκάρσιο Ηλεκτρομαγνητικό Κύμα) είναι πεπερασμένη και σταθερή, κάτι που ανοίγει το δρόμο για καινούριες αμφισβητήσεις του Νευτώνειου οικοδομήματος, εφόσον κάτι τέτοιο δεν επιδέχεται ερμηνείας στα πλαίσια της Κλασσικής Μηχανικής.

Το 1879 o Albert Abraham Mickelson (1852-1931) υπολογίζει πειραματικά ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι περίπου ίση με 300.000 km/s, επιβεβαιώνοντας τις θεωρητικές προβλέψεις του Maxwell.

Εκείνη την εποχή ένας γερμανόφωνος Τσέχο-Αυστριακός φυσικός, ο Ernst Mach (1838-1916), ασκεί σκληρή κριτική στο μηχανιστικό μοντέλο του Isaac Newton. Το 1883 δημοσιεύει το βιβλίο του Die Mechanik in ihrer Entwicklung historisch-kritisch dargestellt (Η Μηχανική στην ιστορική της εξέλιξη – κριτική θεώρηση) όπου χαρακτηρίζει ως «άχρηστες μεταφυσικές συλλήψεις» κάποιες μη ελέγξιμες έννοιες όπως ο απόλυτος Χρόνος και ο απόλυτος Χώρος διότι αφ’ ενός δεν είναι μετρήσιμες έννοιες, αφ’ ετέρου έχουν έντονη θεολογική χροιά. Υποστηρίζει ότι μόνο η σχετική κίνηση μπορεί να είναι χρήσιμη.

Η εμφάνιση του Αιθέρα


Οι επιστήμονες του 19ου αι. προκειμένου να εξηγήσουν την διάδοση του φωτός αλλά και διάφορα «παράδοξα» που προκύπτουν σε σχέση με την Κινηματική και τη Δυναμική των σωμάτων (για παράδειγμα αδυναμία παρουσίας των αιτίων της κίνησης στον κενό χώρο) έχουν επινοήσει τον «αιθέρα», ένα ακίνητο, διαφανές, μη άμεσα παρατηρήσιμο και διάχυτο στο Σύμπαν μέσο, μέσα στο οποίο η Γη κινείται όπως ένα οποιοδήποτε αντικείμενο στο ρεύμα ενός ανέμου. Εξασφαλίζουν με τον τρόπο αυτόν στο φως ένα ελαστικό μέσο διάδοσης, παρ’ όλο που οι εξισώσεις Maxwell δεν απαιτούν κάτι τέτοιο. Στον αιθέρα αποδίδονται περίεργες ιδιότητες. Δεν έχει μεν μάζα αλλά είναι άκαμπτος και δεν επιδρά στις τροχιές κανενός ουράνιου σώματος. Και επειδή τα εγκάρσια κύματα διαδίδονται μόνο στα στερεά, υποθέτουν ότι ο αιθέρας θα πρέπει να είναι στερεός. Διάφορες Κοσμολογικές Θεωρίες υποστηρίζουν ότι το Σύμπαν ταυτίζεται με τον αιθέρα και ότι η ύλη που αντιλαμβανόμαστε προκύπτει από δίνες αιθέρα.

Παρ’ όλη την εικαζόμενη «αναγκαιότητα» της ύπαρξης του αιθέρα, υπάρχουν πολλές αμφισβητήσεις για την ύπαρξή του, οι οποίες απορρέουν από το γεγονός πως οι ιδιότητες που του δίνονται για να ερμηνευτούν με επιστημονική συνέπεια τα φαινόμενα που προκαλεί, είναι αντιφατικές.

Διάφορα πειράματα λαμβάνουν χώρα για τον εντοπισμό του «αιθέριου» μέσου διάδοσης του φωτός, το πιο γνωστό από τα οποία είναι το διάσημο πείραμα συμβολής που πραγματοποιούν το 1887 οι Albert Michelson και Edward Morley, με το οποίο προσπαθούν να εντοπίσουν μεταβολές στην ταχύτητα του φωτός που οφείλονται στην κίνηση της Γης ως προς τον αιθέρα. Όμως προκύπτει ένα «αναπάντεχο» αποτέλεσμα: καμία μεταβολή στην ταχύτητα του φωτός δεν εντοπίζεται. Η ταχύτητά του είναι ίδια προς κάθε κατεύθυνση. Κατά συνέπεια ο αιθέρας θα πρέπει να είναι ακίνητος ως προς τη Γη, κάτι που -ως αδύνατον- οδηγεί στην διαπίστωση ότι ο αιθέρας δεν υπάρχει. Αντίθετα αποδεικνύεται η ύπαρξη στο Σύμπαν μιας απόλυτης ταχύτητας, αυτής του φωτός, που δεν εξαρτάται από τον παρατηρητή.

Το 1887 ο Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) αποδεικνύει την ύπαρξη των Ηλεκτρομαγνητικών Κυμάτων και η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell γίνεται ευρέως αποδεκτή.

Η εγκατάλειψη του Αιθέρα


Τα δεδομένα οδηγούν σε αδιέξοδο. Οι επιστήμονες αδυνατούν να ερμηνεύσουν το αποτέλεσμα του πειράματος των Michelson-Morley. Εξ’ άλλου οι νόμοι του Ηλεκτρομαγνητισμού και ειδικότερα ο νόμος για την σταθερότητα της ταχύτητας των Ηλεκτρομαγνητικών Κυμάτων, παραβιάζουν τον νόμο πρόσθεσης των ταχυτήτων (δεν ικανοποιούν τους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου). Συνεπώς, είτε η Νευτώνεια Μηχανική δεν ισχύει ή οι εξισώσεις Maxwell και τα πειραματικά δεδομένα είναι λανθασμένα. Η ασυμβατότητα των εξισώσεων του Maxwell με το πλαίσιο της Νευτώνειας Φυσικής φαίνεται ότι μπορεί να αντιμετωπιστεί μόνο μέσα από ένα νέο χωροχρονικό πλαίσιο.

Το 1889 ένας Ιρλανδός επιστήμονας, ο George Francis FitzGerald (1851-1901) σε μια μικρή εργασία με τίτλο «The Ether and the Earth’s Atmosphere» (Ο αιθέρας και η γήινη ατμόσφαιρα), διατυπώνει την ιδέα ότι οι διαστάσεις των σωμάτων μεταβάλλονται καθώς κινούνται μέσα στον αιθέρα, κλονίζοντας έτσι για πρώτη φορά το αναλλοίωτο των διαστάσεων των σωμάτων.

Το 1896, ο Hendrik Lorentz (1853-1928), Ολλανδός φυσικός και μαθηματικός, ερμηνεύει το φαινόμενο Zeeman κάνοντας την ανατρεπτική, για τα υπάρχοντα θεωρητικά δεδομένα, πρόταση της εκπομπής φωτός από κινούμενα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια που βρίσκονται μέσα στο άτομο. Τον επόμενο χρόνο, τον Αύγουστο του 1897, ο Joseph John Thomson (1856-1940) περιγράφει τα πειράματα προσδιορισμού του λόγου φορτίου προς μάζα (e/m) των σωματίων που συνιστούσαν τις Καθοδικές Ακτίνες (ηλεκτρονίων) και προτείνει ότι το ηλεκτρόνιο είναι συστατικό όλων των ατόμων και θεμελιώδες σωμάτιο της Ύλης.

Παράλληλα με όλα αυτά εισάγεται στη Φυσική ο όρος «ηλεκτρομαγνητική μάζα» καθώς πρώτος ο Thomson, από το 1881, έχει παρατηρήσει πως η μάζα των κινούμενων σωμάτων αυξάνεται κατά μία σταθερή ποσότητα και ότι τα Ηλεκτροστατικά Πεδία συμπεριφέρονται ως να προσθέτουν μία «ποσότητα μάζας» στη μηχανική μάζα των σωμάτων. Σύμφωνα με τον Thomson η Ηλεκτρομαγνητική Ενέργεια αντιστοιχεί σε συγκεκριμένο ποσό μάζας, κάτι που ερμηνεύεται ως ένα είδος «αυτεπαγωγής» του Ηλεκτρομαγνητικού Πεδίου. Η εργασία του Thomson συνεχίζεται από άλλους επιστήμονες και το 1899 ο Lorentz εξαίρει τη σημασία των παρατηρήσεών του.

To 1900 ο Wilhelm Wien προτείνει την ιδέα ότι η συνολική μάζα ενός σώματος έχει ηλεκτρομαγνητική προέλευση και καταλήγει στο συμπέρασμα ότι θα πρέπει να υπάρχει μια αναλογία μεταξύ της ηλεκτρομαγνητικής, της αδρανειακής και της βαρυτικής μάζας. Ταυτόχρονα, ο Henri Poincaré βρίσκει έναν άλλον τρόπο συσχετισμού των εννοιών της μάζας και της ενέργειας. Θεωρεί ότι η Ηλεκτρομαγνητική Ενέργεια συμπεριφέρεται όπως ένα είδος εικονικού ρευστού με πυκνότητα μάζας m=E/c2 δηλαδή ουσιαστικά εισάγει για πρώτη φορά τη σχέση E=mc2 στην οποία ωστόσο δεν καταφέρνει να δώσει φυσική ερμηνεία. Το ίδιο έτος, o Lorentz, προτείνει την θεωρία ότι η Βαρύτητα μπορεί να αποδοθεί σε ενέργειες που ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός.

Κατά τη διάρκεια των ετών 1901–1903, ο Kaufmann μελετά την κίνηση σχετικιστικών σωματιδίων σε Ηλεκτρικό και Μαγνητικό Πεδίο και δίνει την πρώτη πειραματική απόδειξη της εξάρτησης της μάζας από την ταχύτητα. Συγκεκριμένα αναλύοντας τον λόγο e/m των καθοδικών ακτίνων, διαπιστώνει ότι η τιμή του μειώνεται καθώς αυξάνεται η ταχύτητα, δείχνοντας έτσι ότι, αν θεωρηθεί το φορτίο σταθερό, η μάζα του ηλεκτρονίου αυξάνεται με την ταχύτητα. O Kaufmann πιστεύει ότι τα πειράματά του επιβεβαιώνουν την υπόθεση Wien περί ύπαρξης μόνο μιας «φαινομενικής» ηλεκτρομαγνητικής μάζας. Tη σκυτάλη της έρευνας παίρνουν οι Max Abraham και Friedrich Hasenöhrl.

\mathbf{x'=\gamma (x-V t)}
\mathbf{y'=y}
\mathbf{z'=z}
\mathbf{t'=\gamma (t-\frac{V}{c^{2}}x)}

\mathbf{\gamma =\frac{1}{\sqrt{1-\frac{V^2}{c^2}}}}

Μετασχηματισμοί Lorentz

Το 1904 o Lorentz επινοεί τους μετασχηματισμούς που φέρουν το όνομά του, στην προσπάθειά του να εξηγήσει το πείραμα Michelson-Morley.

To 1905 ο Henri Poincaré σε μια εργασία που υποβάλλει προς δημοσίευση λίγες ημέρες πριν δημοσιεύσει ο Einstein την Θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας, προτείνει ότι όλες οι δυνάμεις θα έπρεπε να μετατραπούν σύμφωνα με τους μετασχηματισμούς Lorentz. Όμως, αυτό αποκλείει την ισχύ του νόμου του Νεύτωνα, διότι αυτός επιτρέπει την ακαριαία δράση από απόσταση. Κατ’ αναλογία με την Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία, ο Poincaré θεωρεί ότι οι Βαρυτικές Αλληλεπιδράσεις πραγματοποιούνται με την ταχύτητα του φωτός και περιλαμβάνουν κύματα που διαδίδονται με σταθερό ρυθμό, φτάνοντας πολύ κοντά στη διατύπωση μιας νέας θεωρίας. Διστάζει όμως να κάνει το τελευταίο αποφασιστικό βήμα: την απόρριψη της ύπαρξης του αιθέρα.

Henri Poincare

Από τα τέλη του 19ου αιώνα διαφαίνεται πως η ενεργειακή μελέτη, στα πλαίσια της κλασσικής μηχανικής, των ραδιενεργών διασπάσεων πυρήνων αρχικά ακίνητων σε μικρότερους πυρήνες ή στοιχειώδη σωμάτια που εκπέμπονται με μη μηδενικές ταχύτητες, οδηγεί σε αδιέξοδο. Στις αρχές του 20ου αιώνα οι νεογέννητες ιδέες για τη φύση του φωτός και τον υποατομικό κόσμο έρχονται να προσθέσουν άλλη μία «αστάθεια» στο οικοδόμημα της φυσικής, καθιστώντας σαφές το γεγονός πως η κλασσική μηχανική αποτυγχάνει όταν εισέρχεται στον «παράξενο» δυϊκό κόσμο του φωτός ή της ραδιενέργειας.

Τα ινία της θεωρητικής έρευνας λαμβάνει ένας νεαρός, άσημος υπάλληλος στο γραφείο ευρεσιτεχνιών της Βέρνης, ο Albert Eisntein (1879-1955). Το 1905, προσπαθώντας να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, αποδίδει στο φως σωματιδιακές ιδιότητες.

«Η ενέργεια μιας φωτεινής ακτίνας που εκπέμπεται από μια φωτεινή πηγή, δεν είναι συνεχώς κατανεμημένη στο χώρο, αλλά αποτελείται από ένα πεπερασμένο αριθμό ενεργειακών κβάντων (φωτονίων), που είναι τελείως εντοπισμένα στο χώρο, χωρίς να διαιρούνται και τα οποία μπορούν να παραχθούν ή να απορροφηθούν μόνο σαν ολόκληρες μονάδες.»

Α. Einstein, 1905.

Τα θεμέλια βασικών φυσικών εννοιών όπως η ενέργεια, \mathbf{E=\frac{1}{2}mu^{2}}(1) και η ορμή, \mathbf{P=mu}(2), τρίζουν. Εφόσον τα φωτόνια έχουν μηδενική μάζα και κινούνται με πεπερασμένη ταχύτητα \mathbf{c\simeq 3\cdot 10^{8}m/s}, από τις σχέσεις (1) και (2) συνάγεται πως η Ενέργεια και η Ορμή τους είναι αμφότερες μηδενικές, κάτι που προφανώς δεν ισχύει.

Δύο είναι οι ενδεχόμενοι τρόποι λύσης του προβλήματος: είτε οι σχέσεις για την ενέργεια και την ορμή δεν είναι σωστές,  είτε τα δύο φυσικά αυτά μεγέθη δεν διατηρούνται σε όλα τα φαινόμενα.

Η απάντηση στο δίλημμα αυτό είναι μάλλον προφανής. Κι αυτό διότι οι δύο αρχές διατήρησης που «δοκιμάζονται» είναι βαθιά και σταθερά θεμελιωμένες στο σώμα της Επιστήμης, καθώς σχετίζονται με την ομογένεια του χώρου και του χρόνου. Το θεώρημα Noether δεν αφήνει περιθώρια: η συμμετρία ως προς τις χρονικές μετατοπίσεις συνεπάγεται τη διατήρηση της ενέργειας, ενώ η συμμετρία ως προς τις χωρικές μετατοπίσεις συνεπάγεται τη διατήρηση της ορμής. Επομένως ο μοναδικός δρόμος οδηγεί στην αναζήτηση νέων σωστών εκφράσεων για την ενέργεια και την ορμή που θα αντικαταστήσουν τις υπάρχουσες.

Η τρέχουσα φυσική θεωρία δεν αρκεί για την ερμηνεία του κόσμου καθώς η κλασσική Νευτώνεια Μηχανική μοιάζει όλο και περισσότερο ασύμβατη με τα καινούρια δεδομένα. Όμως, ενώ οι φυσικοί έχουν καταφέρει να βρουν πολλά από τα κομμάτια του παζλ μιας νέας, αναδυόμενης φυσικής πραγματικότητας, εν τούτοις δεν έχουν καταφέρει ακόμη να βρουν τον τρόπο να τα τοποθετήσουν στη σωστή τους θέση.

Αυτό δεν είναι όσο εύκολο φαίνεται εκ πρώτης όψεως. Οι νόμοι του Νεύτωνα θριαμβεύουν για περισσότερο από 250 χρόνια, έχοντας άπειρες πειραματικές επιτυχίες και προβλέποντας σωστά πολλά παρατηρήσιμα φαινόμενα. Αντίθετα η θεωρία του Maxwell είναι καινούρια και σχετικά αδοκίμαστη και τα νέα πειραματικά δεδομένα που θέτουν εν αμφιβόλω το κλασσικό οικοδόμημα, δεν γίνονται αποδεκτά από όλους. Οι επιστήμονες χωρίζονται σε δύο αντίπαλα στρατόπεδα. Από τη μια μεριά βρίσκονται οι υπέρμαχοι της κλασικής φυσικής που βλέπουν με σκεπτικισμό τα αποτελέσματα των πειραμάτων και θεωρούν ότι θα αποδειχτούν λανθασμένα και ο Newton θα θριαμβεύσει όπως έχει γίνει τόσες φορές στο παρελθόν. Από την άλλη μεριά οι επιστήμονες εκείνοι που θεωρούν πως τα πειραματικά δεδομένα είναι ορθά και η ασυμβατότητα του Maxwell και του Newton δεδομένη και διαβλέπουν ότι η κλασική θεώρηση του κόσμου ατελής.

Η εμφάνιση της Ειδικής Σχετικότητας


Στα 17 του χρόνια ο Albert Einstein έχει ήδη μελετήσει την Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία του Maxwell ενώ στα 18, δηλαδή το 1897, διαβάζει το βιβλίο του Mach «Η Μηχανική στην ιστορική της εξέλιξη-κριτική θεώρηση». Tον εντυπωσιάζει ιδιαίτερα η θαρραλέα, για την εποχή, αμφισβήτηση από τον Mach των θεμέλιων λίθων της Νευτώνειας επιστήμης, του απόλυτου Χώρου και του απόλυτου Χρόνου. Καταλαβαίνει λοιπόν γρήγορα πως ο μόνος τρόπος να τα καταφέρει είναι να απαλλαγεί από κάποιες «προφανείς αλήθειες» που δεσπόζουν στη Φυσική και εδώ ακριβώς έγκειται η μεγαλοφυΐα του.

Albert Einstein

Στις 30 Ιουνίου του «annus mirabilis» 1905, στο επιστημονικό περιοδικό Αnnalen der Physik δημοσιεύει ένα άρθρο με τον τίτλο «Zur Elektrodynamik bewegter Körper» (Περί της Ηλεκτροδυναμικής των εν κινήσει σωμάτων) το οποίο αποτελεί το θεμέλιο λίθο της μίας νέας φυσικής θεωρίας η οποία βασίζεται σε δύο αρχές που ο Einstein δέχεται αξιωματικά.

  • Το πρώτο αξίωμα, σε συμφωνία με τον Maxwell, είναι πως το φως έχει σταθερή ταχύτητα, ίδια για όλους τους αδρανειακούς παρατηρητές και ανεξάρτητη από τη μεταξύ τους ταχύτητα.
  • Το δεύτερο αξίωμα είναι πως οι νόμοι της Φυσικής είναι οι ίδιοι ως προς όλους τους αδρανειακούς παρατηρητές.

Η πρώτη απόρροια αυτών των αξιωμάτων είναι ότι ο Χώρος και ο Χρόνος δεν είναι πλέον απόλυτες οντότητες αλλά εξαρτώνται από το σύστημα αναφοράς με το οποίο γίνεται η μέτρησή τους. Γίνεται σαφής λόγος για συστολή μήκους (οι διαστάσεις ενός κινούμενου σώματος αλλάζουν κατά τη διεύθυνση της κίνησής τους σύμφωνα με τους μετασχηματισμούς του Lorentz) και διαστολή χρόνου (o χρόνος που μετρά ένας κινούμενος παρατηρητής είναι μικρότερος από αυτόν που μετρά παρατηρητής σε ηρεμία). Η μάζα, που ουσιαστικά αποτελεί το μέτρο της αδράνειάς ενός σώματος, παύει να θεωρείται ως απόλυτο μέγεθος καθώς αποδεικνύεται ότι αυξάνεται όταν το σώμα επιταχύνεται. Συνέπεια αυτού είναι ότι στο όριο κατά το οποίο η ταχύτητα ενός σώματος τείνει να γίνει ίση με την ταχύτητα του φωτός, η μάζα του (άρα και η αδράνειά του) απειρίζονται, κάτι που είναι αδύνατο. Συνεπώς κανένα σώμα με μη μηδενική μάζα δεν μπορεί να έχει ταχύτητα ίση με αυτή του φωτός, κάτι που θέτει ένα άνω όριο στις ταχύτητες των σωμάτων στο Σύμπαν.

Η μάζα συνδέεται με την Ενέργεια με την διάσημη εξίσωση Einstein: E=mc2, που αποκτά πλέον φυσική υπόσταση υποδηλώνοντας την ισοδυναμία μάζας και ενέργειας. Για πρώτη φορά γίνεται λόγος για Υλοενέργεια.

Ο Einstein καταφέρνει να θέσει τα θεμέλια μιας καινούριας θεωρίας της Φυσικής Επιστήμης, συνθέτοντας τα κομμάτια του παζλ που οι προκάτοχοί του είχαν καταφέρει να εντοπίσουν και δίνοντας φυσική ερμηνεία στους μετασχηματισμούς Lorentz και την εξίσωση με την οποία ο Poincare είχε συνδέσει τη μάζα με την ενέργεια. H νέα θεωρία είναι ένα τεράστιο, αξιοθαύμαστο επιστημονικό άλμα, αν σκεφτεί κανείς πως φέρνει τα πάνω κάτω στον τρόπο θεώρησης του Σύμπαντος και ότι τα φαινόμενα που προβλέπει αντίκεινται στην καθημερινή μας εμπειρία. Tο όνομα αυτής «Special Relativity» (Ειδική Σχετικότητα).

Η ριζοσπαστική αλλαγή στη θεώρηση του μήκους και του χρόνου είναι γεγονός. Δεν αποτελούν πια απόλυτα διακριτά φυσικά μεγέθη αλλά συνδέονται μεταξύ τους με τη σχέση: απόσταση = ταχύτητα φωτός x χρόνος.

Έτσι εισάγονται μονάδες μέτρησης απόστασης, όπως είναι το έτος φωτός, που δηλώνει την απόσταση που διανύει το φως κατά τη διάρκεια ενός έτους.

Μετά από τρία χρόνια, το 1908, ο Minkowski εισάγει την έννοια του Χωροχρόνου, ο οποίος παρουσιάζει μια σημαντική διαφορά από αυτόν του Γαλιλαίου: δεν επιτρέπει κανένα ταξίδι με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτήν του φωτός. Σε ένα συνέδριο στην Κολωνία ο Minkowski θα πει: «Οι απόψεις για τον Χώρο και τον Χρόνο τις οποίες επιθυμώ να εκθέσω ενώπιόν σας, έχουν ξεπηδήσει από το έδαφος της Πειραματικής Φυσικής, και σε αυτό έγκειται η δύναμή τους. Είναι πρωταρχικές. Στο εξής ο Χώρος αφ’ εαυτού και ο Χρόνος αφ’ εαυτού, είναι καταδικασμένοι να σβήσουν σε απλές σκιές, και μονάχα ένα είδος ένωσης των δύο θα διατηρεί μια ανεξάρτητη πραγματικότητα». O Χωρόχρονος Minkowski περιλαμβάνει τέσσερις διαστάσεις: τρεις για το Χώρο και μία για το Χρόνο. Ο τετραδιάστατος πλέον Χωρόχρονος, ως ενοποιημένη οντότητα, είναι ανεξάρτητος του παρατηρητή και συνεπώς απόλυτος, παρόλο που οι συνιστώσες του, δηλαδή ο Χώρος και ο Χρόνος, εξαρτώνται από το σύστημα αναφοράς στο οποίο γίνονται οι μετρήσεις τους. Ένα σημείο του Χωροχρόνου ονομάζεται γεγονός.

Όμως, στην πορεία παρουσιάζεται ένα ακόμη σημαντικό πρόβλημα. Ο νόμος της βαρύτητας του Newton είναι ασύμβατος με τις αρχές της Ειδικής Σχετικότητας. Και αυτό διότι, όπως έχει επισημανθεί παραπάνω, συνεπάγεται ακαριαία μετάδοση των δυνάμεων (άρα άπειρη ταχύτητα) ενώ οι αρχές της σχετικότητας θεωρούν την ταχύτητα του φωτός ανυπέρβλητη. Εξάλλου, σύμφωνα με τον νόμο αυτό, η βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο σωμάτων είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης. Το γεγονός όμως πως η απόσταση δεν είναι πλέον απόλυτο μέγεθος αλλά εξαρτάται από το σύστημα αναφοράς σημαίνει πως ο νόμος της Παγκόσμιας Έλξης δεν είναι αναλλοίωτος ως προς τους μετασχηματισμούς Lorentz. Ένα επιπρόσθετο «αγκάθι» της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας είναι πως αυτή αφορά στα αδρανειακά συστήματα αναφοράς και δεν συμπεριλαμβάνει τα επιταχυνόμενα. Ο Einstein γρήγορα αντιλαμβάνεται ότι τίποτα δεν έχει τελειώσει ακόμη και ότι η Θεωρία της Σχετικότητας πρέπει να επεκταθεί έτσι ώστε να συμπεριλαμβάνει τη βαρύτητα και να ισχύει σε οποιοδήποτε σύστημα αναφοράς.

Η Εμφάνιση της Γενικής Σχετικότητας


H επεξεργασία μιας νέας, γενικευμένης Θεωρίας της Σχετικότητας αποδεικνύεται για τον Einstein μια ιδιαίτερα επίπονη διαδικασία. Κι αυτό διότι σε αντίθεση με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας για τη διατύπωση της οποίας στηρίχθηκε στη εργασία πολλών επιστημόνων, αυτή τη φορά, στο δύσκολο έργο που έχει αναθέσει στον εαυτό του, είναι μόνος. Επιπλέον γνωρίζει πολύ καλά ότι η εκ νέου αμφισβήτηση του Newton δεν είναι εύκολη υπόθεση και ότι μπορεί να γίνει μόνο αν η νέα θεωρία είναι συμπαγής και διατυπώνεται σαφώς με έναν αυστηρό μαθηματικό φορμαλισμό.

Το 1907 ο Einstein γράφει ένα άρθρο στο οποίο εισάγει για πρώτη φορά την «αρχή της ισοδυναμίας» και το φαινόμενο της βαρυτικής διαστολής του Χρόνου. Ακολουθούν οκτώ έτη έντονης διανοητικής προσπάθειας καθώς το όλο εγχείρημα βαίνει σε δύσβατα και ανεξερεύνητα νοητικά μονοπάτια. Κατά τη διάρκεια αυτών των ετών, όπως φαίνεται από κάποιες επιστολές που στέλνει σε φίλους, ο Einstein συχνά καταρρέει ψυχολογικά όταν οι υπολογισμοί του δείχνουν να τον προδίδουν. Ο ίδιος ο Max Plank φέρεται να του συνιστά να εγκαταλείψει την προσπάθεια καθώς υπάρχει πιθανότητα αποτυχίας και σε αυτήν ακόμη την περίπτωση της επιτυχίας, η θεωρία του είναι πολύ δύσκολο να γίνει αποδεκτή.

Ο Einstein όμως επιμένει, καταφέρνει να συμπληρώσει τη θεωρία του και 10 έτη μετά το «annus mirabilis», το Νοέμβριο του 1915, παρουσιάζει στην Πρωσσική Ακαδημία Επιστημών σε μία σειρά διαλέξεων το νέο, μνημειώδες έργο του «The field equations of gravitation» που περιλαμβάνει τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, ένα από τα πλέον συναρπαστικά επιτεύγματα της ανθρώπινης σκέψης, ισχυριζόμενος ότι τα Βαρυτικά Πεδία επιβάλλουν μια διαφορετική από την Ευκλείδεια Γεωμετρία στο Χώρο.

Η Βαρύτητα τίθεται κάτω από ένα εξ’ ολοκλήρου διαφορετικό πρίσμα θεώρησης. Τα βασικά σημεία της νέας θεωρίας συνοψίζονται ως εξής:

  1. Το Βαρυτικό Πεδίο ισοδυναμεί με ένα επιταχυνόμενο Σύστημα Αναφοράς.
  2. Η βαρύτητα επιβραδύνει το Χρόνο.
  3. Η καμπύλωση του Χωροχρόνου προκαλεί επιτάχυνση.
  4. Η παρουσία Ύλης καμπυλώνει το Χωρόχρονο.

Συνεπώς η Βαρύτητα δεν είναι δυνατόν πλέον να αντιμετωπίζεται ως μια δύναμη που περιγράφεται από το Νόμο της Παγκόσμιας Έλξης, αλλά ως ένα δυναμικό φαινόμενο που οφείλεται στην καμπύλωση του Χωροχρόνου που προκαλεί η παρουσία Ύλης. Ο Χωρόχρονος δεν είναι απόλυτος αλλά διακρίνεται από μία «ευελιξία» αποτελώντας μία δυναμική οντότητα που μπορεί να καμφθεί εξ’ αιτίας της ύλης που περιέχεται μέσα σε αυτόν και στη συνέχεια να αλλάξει τη συμπεριφορά της ύλης. Η ύλη επομένως «διαπλάθει» τον Χωροχρόνο σε μια συγκεκριμένη τετραδιάστατη μορφή. Η ριζοσπαστική αυτή θεώρηση των φυσικών νόμων θέτει τις βάσεις για την ανάπτυξη ενός συναρπαστικού κλάδου της επιστήμης: της Κοσμολογίας.

Εύκολα κάποιος που έχει ελάχιστη γνώση της φυσικής επιστήμης και της ιστορίας της μπορεί να συμπεράνει την αναστάτωση που φέρνει στον επιστημονικό κόσμο η νέα αντίληψη του Σύμπαντος που εισάγει η νέα θεωρία. Πολύ περισσότερο αν ενταχθεί στα πλαίσια των κοινωνικοπολιτικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στην Ευρώπη, στην οποία μαίνεται ο 1ος Παγκόσμιος Πόλεμος. Αυτό που ουσιαστικά επιχειρείται, σε επιστημονικό επίπεδο, είναι η εκθρόνιση του Άγγλου «Θεού» της φυσικής Newton από τον κείμενο στις τάξεις του εχθρού Γερμανοεβραίο Einstein. Και μολονότι αυτό φαίνεται παράδοξο, το πρώτο μεγάλο εγχείρημα της επικύρωσης αυτής της εκθρόνισης, το αναλαμβάνουν Άγγλοι.

Στα πλαίσια του Μεγάλου Πολέμου, η ανταλλαγή επιστημονικών πληροφοριών ανάμεσα στις επιστημονικές ομάδες των αντίπαλων στρατοπέδων, της Γερμανίας και της Αγγλίας, είναι περιορισμένη. Το μόνο «όχημα ανταλλαγής απόψεων» είναι η ουδέτερη Ολλανδία. Μέσω αυτής λοιπόν, ένας σημαντικός Άγγλος αστρονόμος, o Arthur Eddington (1882 – 1944), διευθυντής του Αστεροσκοπείου του Cambridge και μέλος της Βασιλικής Εταιρίας, που εκ πεποιθήσεως δεν συμμετέχει στον πόλεμο, λαμβάνει γνώση για την νέα ανατρεπτική θεωρία του άσημου ακόμη Einstein. Η θεωρία αυτή του κινεί το ενδιαφέρον, πολύ περισσότερο όταν διαπιστώνει ότι τα αποτελέσματα που παρέχει ο Einstein για τη μετατόπιση του Περιηλίου του Ερμή (την οποία αδυνατεί να ερμηνεύσει η Νευτώνεια Θεωρία), βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με την παρατήρηση.

Ο Eddington, παρ’ όλη τη δυσπιστία της επιστημονικής κοινότητας απέναντι στη νέα θεωρία και την εχθρότητα που γεννά στο πρόσωπό του η συμπάθειά του προς τον Γερμανό Einstein, αποφασίζει το 1917 να τον υποστηρίξει έμπρακτα χρησιμοποιώντας το επιστημονικό του κύρος. Στην προσπάθειά του αυτή συναντά πολλές δυσκολίες καθώς ο 1ος Παγκόσμιος Πόλεμος εξακολουθεί να κοστίζει στα αντιμαχόμενα μέρη τόσο σε υλικό όσο και σε ανθρώπινο δυναμικό. Η βρετανική επιστημονική κοινότητα αποφασίζει να συνδράμει το εγχείρημά του ερχόμενη σε σύγκρουση με τον βρετανικό στρατό αλλά και με ένα τμήμα της κοινής γνώμης που θεωρεί την απόπειρα των Άγγλων να αποδείξουν την ορθότητα του έργου του Einstein ως προδοσία.

Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας η βαρύτητα καμπυλώνει το φως ήτοι όταν μία δέσμη φωτός διέρχεται πλησίον από κάποιον Αστέρα ή Πλανήτη με μεγάλη μάζα αποκλίνει ελαφρά από την αρχική πορεία του. Ο ίδιος ο Einstein, έχει προτείνει έναν τρόπο επαλήθευσης της πρόβλεψης αυτής, υπολογίζοντας το 1915 την εκτροπή μιας φωτεινής δέσμης που περνά κοντά από την επιφάνεια του ήλιου. Η τιμή που δίνουν οι υπολογισμοί του είναι 1,75 δευτερόλεπτα του τόξου. Ο Eddington χρησιμοποιεί την Νευτώνεια Θεωρία και υπολογίζει πως σύμφωνα με αυτήν το μέγεθος της εκτροπής είναι 0,87 δευτερόλεπτα του τόξου. Εκείνο που πρέπει να πράξει για να διαπιστώσει ποια από τις δύο Θεωρίες δίνει τη σωστή πρόβλεψη, είναι να μετρήσει αυτή την εκτροπή. Καθώς όμως το φως του ήλιου καλύπτει το φως των άστρων κατά τη διάρκεια της ημέρας, ένας μόνο τρόπος υπάρχει για να τα καταφέρει: να αναζητήσει αστρικές μετατοπίσεις κατά τη διάρκεια μιας ολικής ηλιακής έκλειψης.

Οι μετρήσεις βασίζονται στην παρατήρηση δύο φωτογραφιών. Στην πρώτη θα πρέπει να γίνει λήψη του αστρικού πεδίου κοντά στον ήλιο κατά τη διάρκεια της σκοτεινής φάσης της ολικής έκλειψης και στη δεύτερη η λήψη του ίδιου πεδίου κατά τη διάρκεια της νύχτας πριν ή μετά την έκλειψη. Τα ενδεχόμενα είναι τρία:

  • Η βαρύτητα του ήλιου δεν καμπυλώνει το φως των άστρων οπότε οι θέσεις τους είναι ταυτόσημες στις δυο φωτογραφίες.
  • Η βαρύτητα καμπυλώνει το φως σύμφωνα με τον Newton οπότε η μετρούμενη εκτροπή του είναι 0,87 δευτερόλεπτα του τόξου.
  • Η βαρύτητα καμπυλώνει το φως σύμφωνα με τον Einstein οπότε η μετρούμενη εκτροπή του είναι 1,75 δευτερόλεπτα του τόξου.

Σύμφωνα με τις προβλέψεις των αστρονόμων η κοντινότερη ημερομηνία ολικής έκλειψης, ορατής στο Νότιο ημισφαίριο, είναι η 29η Μαίου του 1919. Ο Εddington προτείνει στο αστεροσκοπείο του Greenwich να οργανωθούν δύο αποστολές για την ταυτόχρονη παρατήρηση της έκλειψης, καταφέρνει να εξασφαλίσει μια διόλου ευκαταφρόνητη οικονομική στήριξη για το εγχείρημα και τον Μάρτιο του 1919 οι δύο αποστολές αποπλέουν από τη Μεγάλη Βρετανία , η πρώτη για τη Βραζιλία και η δεύτερη για το Principe της Δυτικής Αφρικής , επικεφαλής της οποίας ορίζεται ο Arthur Eddington και φθάνει στον προορισμό της στις 23 Απριλίου του 1919.

Τα όργανα παρατήρησης της ηλιακής έκλειψης στο
Sobral της Βραζιλίας (Science Museum Group Collection).

Η εκτροπή του φωτός που τελικά καταφέρνει να μετρήσει ο Eddington είναι 1,61 δευτερόλεπτα του τόξου, αρκετά κοντά στη θεωρητική πρόβλεψη του Einstein. Ο Eddington ισχυρίζεται πως η παρατήρηση επιβεβαιώνει τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Τη θέση του ενισχύει η απόκλιση που δίνουν οι παρατηρήσεις της ομάδας της Βραζιλίας. Ο Joseph Thomson , Πρόεδρος της Royal Society, 220 χρόνια μετά από τον ίδιο τον Newton , δηλώνει: «Πρόκειται για το σημαντικότερο αποτέλεσμα για τη θεωρία της Βαρύτητας το οποίο εμφανίστηκε από την εποχή του Νεύτωνα και του αξίζει να το ανακοινώσουμε σε μια συνεδρίαση της Royal Society που συνδέεται στενά με αυτόν».

Φωτογραφία του Ηλιακού Στέμματος κατά τη διάρκεια της ηλιακής έκλειψης στις 29 Μαΐου 1919 στο Sobral της Βραζιλίας (Science Museum Group Collection) .

Στις 7 Νοεμβρίου του 1919 δημοσιεύεται στους Times του Λονδίνου ένα άρθρο με τίτλο «Επανάσταση στην επιστήμη. Νέα θεωρία του Σύμπαντος. Ανατροπή των νευτώνειων ιδεών». Δύο μέρες αργότερα, στις 9 Νοεμβρίου του 1919, η επιστημονική αυτή είδηση γίνεται πρωτοσέλιδο στους Νew York Times. O Einstein χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να δικαιωθεί από τους συμπατριώτες του. Η πρώτη φωτογραφία του δημοσιεύεται στο Γερμανικό περιοδικό Berliner Illustrate Zeitung, στο τεύχος της 14ης Δεκεμβρίου 1919.

Times Λονδίνου, 7 Νοεμβρίου 1919, σελίδα 12, στήλη 6.

Πολύ αργότερα, προς το τέλος της ζωής του, ο Albert Einstein έχοντας πλήρη συνείδηση του ρήγματος που προκάλεσε στα θεμέλια της Νευτώνειας Φυσικής, τόσο με την κατάργηση της απολυτότητας του Χώρου και του Χρόνου και της σταθερότητας της μάζας όσο και με την πλήρη ανατροπή της έννοιας της Παγκόσμιας Βαρύτητας , έγραψε το περίφημο «Newton, verzeih’ mir» (Νεύτωνα, συγχώρεσέ με).

Einstein – Lorentz – Eddington

Εκπαιδευτικές ταινίες από μιαν άλλη εποχή

Εκπαιδευτικές ταινίες επίδειξης πειραμάτων, χωρίς ήχο, από τη μακρινή δεκαετία του 1920.

Εκπαιδευτικές ταινίες επίδειξης πειραμάτων, δυστυχώς χωρίς ήχο, από τη δεκαετία του 1920.

Το συγκεκριμένο οπτικό υλικό περιλαμβάνεται σε μια μεγάλη σειρά εκπαιδευτικών ταινιών που δημιουργήθηκαν από τα BRAY STUDIOS στη Νέα Υόρκη. Έχει ανακτηθεί και δημοσιευθεί από τον μη κερδοσκοπικό οργανισμό Internet Archive.

1. Πώς λειτουργεί το τηλέφωνο, 1920


2. Πειράματα αγωγής θερμότητας


3. Ηχητικά κύματα, 1920


4. Πειράματα με ακτίνες φωτός, 1925


Η Βιογραφία της πιο διάσημης εξίσωσης στον κόσμο.

Η ταινία – ντοκιμαντέρ που παρουσιάζεται εδώ, βασίζεται στο βιβλίο του David Bodanis «Ε=mc2: A Biography of the World’s Most Famous Equation».

Οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν ότι η περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν που συνδέει τη μάζα με την ενέργεια είναι σημαντική αλλά συνήθως δεν γνωρίζουν το λόγο. Το βιβλίο επιχειρεί μια προσέγγιση της εξίσωσης αυτής που επικεντρώνεται όχι στη βιογραφία του εμπνευστή της αλλά στη βιογραφία της ίδιας της εξίσωσης.

Ο David Bodanis παρακολουθεί τους «προγόνους» της εξίσωσης, τα τρία συστατικά της στοιχεία – Ε, m και c – πριν να καταλήξουν μαζί, στην εξίσωση του Albert Einstein στη Βέρνη το 1905. Από εκείνο το σημείο και μετά ακολουθεί την πορεία της εξίσωσης στον 20o αιώνα, εστιάζοντας στους ανθρώπους που συνέχισαν το έργο του Einstein, διερευνώντας τις συνέπειες που απορρέουν από αυτό. Δίχως την εξίσωση αυτή, για παράδειγμα, δεν θα είχε κατασκευαστεί η ατομική βόμβα, το λέιζερ, το ίντερνετ και δεν θα είχε αναπτυχθεί η επιστήμη των μελανών οπών.

Στην ιστορική διαδρομή που μας παρασύρει το βιβλίο βρίσκουμε – μαζί με τον Albert – τους γνωστούς και άγνωστους σκαπανείς των σημαντικών φυσικών εννοιών της Ενέργειας, της μάζας και της ταχύτητας, σε μια αλληλουχία ιστοριών που περιέχουν πάθος, αγάπη, εκδίκηση και επιστημονικές ανακαλύψεις. Συναντάμε τον Michael Faraday, ένα φτωχό αγόρι που αναζητούσε απελπισμένα έναν μέντορα να τον οδηγήσει σε μια καλύτερη ζωή και την Emilie du Châtelet, μία γυναίκα παγιδευμένη σε λάθος αιώνα, στην προσπάθειά της να περιχαράξει έναν προσωπικό χώρο στον οποίο δεν θα τη λοιδορούσαν επειδή χρησιμοποιούσε το μυαλό της. Τον Antoine-Laurent de Lavoisier, έναν μισητό φοροεισπράκτορα στο Παρίσι των τελών του 17ου αιώνα, που αφιέρωνε τον ελεύθερο χρόνο του στην επιστημονική έρευνα με αξιοζήλευτη προσήλωση στην ακρίβεια των πειραματικών διαδικασιών και των μετρήσεων. Τον James Clerk Maxwell, άρχοντα του Ηλεκτρομαγνητισμού, που έδωσε πνοή στο διαισθητικό όραμα του Faraday δημιουργώντας το απαραίτητο μαθηματικό πλαίσιο. Την ντροπαλή Elise Meitner που στα εικοσιοκτώ της χρόνια πήγε στο Βερολίνο να εργαστεί στον νεογέννητο τότε τομέα της φυσικής, τη ραδιενέργεια, παρόλο που τα γερμανικά Πανεπιστήμια δεν προσλάμβαναν γυναίκες. Επίσης τον Knut Haukelid και μια ομάδα νεαρών Νορβηγών συναδέλφων του που αναγκάστηκαν να στραφούν εναντίον των συμπατριωτών τους για να αποτρέψουν τη ναζιστική απειλή. Τη Cecilia Payne, μια αγγλίδα που είδε την καριέρα της να καταστρέφεται επειδή τόλμησε να ρίξει μια τολμηρή ματιά στη μοίρα του ήλιου έπειτα από 6 δισεκατομμύρια χρόνια. Τον Subrahmanyan Chandrasekhar, έναν νεαρό Βραχμάνο, που ανακάλυψε κάτι ακόμα πιο φοβερό, στην αποπνικτική ζέστη της Αραβικής Θάλασσας στα μέσα του καλοκαιριού. Μέσα από όλες τις ιστορίες των ανθρώπων αυτών – καθώς και τα επιτεύγματα των Newton, τον Heisenberg και άλλων ερευνητών που παρουσιάζονται – γίνεται σαφής η σημασία κάθε μέρους της εξίσωσης.

(Το υλικό της ανάρτησης αντλήθηκε από τον ιστότοπο του συγγραφέα.)

Οι Νόμοι του Νεύτωνα

Οι τρεις διάσημοι νόμοι της κίνησης όπως τους κατέγραψε ο Newton, στο Principia Mathematica.

Οι τρεις νόμοι του Νεύτωνα, όπως τους κατέγραψε ο ίδιος, στο Principia Mathematica. 

Newton Laws

NEWTON’S PRINCIPIA.
THE MATHEMATICAL PRINCIPLES
OF NATURAL PHILOSOPHY,
BY SIR ISAAC NEWTON;
TRANSLATED INTO ENGLISH BY ANDREW MOTTE.
ΝEW YORK, 1846.

Louis de Broglie – Ένα συνηθισμένο πρωινό ενός ασυνήθιστου ανθρώπου!

Η ιστορία που γράφεται στις γραμμές που ακολουθούν είναι φανταστική. Ωστόσο τα βιογραφικά στοιχεία του Louis de Broglie, στον οποίο αναφέρεται, είναι ακριβή.

Η ιστορία που γράφεται στις γραμμές που ακολουθούν είναι φανταστική. Ωστόσο τα βιογραφικά στοιχεία του Louis de Broglie, στον οποίο αναφέρεται, είναι ακριβή.

Ασφαλώς πρόκειται για ένα είδος… αυθαιρεσίας» σκέφτηκε κοιτώντας συνοφρυωμένος το είδωλο που σχηματιζόταν αχνά στο τζάμι του πολυτελούς δωματίου του καθώς κούμπωνε με αργές, επιδέξιες κινήσεις το λευκό του πουκάμισο. Είχε σχεδόν καταφέρει να δώσει σχήμα στην πιο τρελή ιδέα που είχε σχηματιστεί στο παρορμητικό, νεανικό του μυαλό. «Κι όμως, το να θέσει κάποιος στη βάση της υπόθεσης ένα σωματίδιο που είναι και κύμα κι ένα κύμα που είναι και σωματίδιο είναι απολύτως λογικό κι αναμενόμενο!»

Γέλασε στη σκέψη της αντίδρασης που θα προκαλούσε μια τέτοια ιδέα στα μεγάλα μυαλά της Σορβόνης. Μα διάολε, θα τον άκουγαν, ό,τι παλαβό κι αν τους έλεγε. Ασφαλώς θα τους έφερνε σε πολύ δύσκολη θέση. Ποιος θα μπορούσε, ελαφρά τη καρδία, να προβάλει σοβαρή αντίδραση σε έναν πρίγκηπα! Του φαινόταν ιδιαίτερα διασκεδαστικό να προκαλεί νοητικά τους συνομιλητές του και να τους παρακολουθεί να δυσανασχετούν ανάμεσα στα όρια της έκπληξης και της ευπρέπειας, προσπαθώντας να βρουν ασφαλή διέξοδο από τη σπαζοκεφαλιά. Ο Maurice πάντα τον μάλωνε για αυτή του τη συνήθεια. «Πάψε να κάνεις σαν κακομαθημένο παιδί, Louis! Η αριστοκρατική σου καταγωγή δεν είναι απαραίτητο να σε κάνει ξιπασμένο! Ένας καλός επιστήμονας πρέπει να είναι σεμνός!»

Ο ίδιος βέβαια είχε σοβαρές επιφυλάξεις για τις αντιλήψεις αυτές του αδελφού του. Μα πώς είναι δυνατόν να συμβαδίσει η οξυδέρκεια με τη σεμνότητα, στο βαθμό που επιθυμούσε ο Maurice;

Maurice de Broglie (1875-1960)

Δεν συμφωνούσαν πάντα οι δυο τους, πράγμα που ήταν απολύτως λογικό αφού τους χώριζαν δεκαεπτά ολόκληρα χρόνια. Μετά τον θάνατο των γονιών τους, ο Maurice του είχε σταθεί καλύτερα κι από πατέρας. Η εργασία του πάνω στις ακτίνες Χ, η ελεύθερη πρόσβαση που του παραχωρούσε στο εργαστήριο του, μέσα στο παλάτι της οδού Μπάιρον, οι συζητήσεις του για τη φύση του φωτός, την ακτινοβολία και τα κβάντα και οι συναρπαστικές του ιστορίες σχετικά με τα συνέδρια Solvay, στα οποία διατελούσε γραμματέας, είχαν κεντρίσει το ενδιαφέρον του Louis για τη σύγχρονη φυσική. Του είχαν αρνηθεί, πριν από δύο χρόνια, μια πρόσκληση για το τρίτο Συνέδριο Solvay κι αυτό τον πείσμωσε. Είχε υποσχεθεί στον εαυτό του πως κάποτε θα ήταν υποχρεωμένοι να τον προσκαλέσουν λόγω των ανακαλύψεων που θα έκανε.

Έλεγξε το ντύσιμό του στον μεγάλο καθρέπτη με την σκαλιστή κορνίζα, διόρθωσε με το χέρι μια ατίθαση τούφα που υπέσκαπτε την εμφανισιακή του αρμονία κι αφού υποκλίθηκε ευχαριστημένος στο είδωλό του, στράφηκε απότομα προς την πόρτα.

Στις όχθες του Σηκουάνα, Παρίσι 1923

Εκείνο το φωτεινό, Κυριακάτικο μεσημέρι του 1923 ο Zach έπινε αμέριμνα τον καφέ του σε ένα γαλλικό μπιστρό στις όχθες του Σηκουάνα όταν είδε να έρχεται προς το μέρος του ο καλός του φίλος Louis. Του προσέφερε μια θέση στο τραπέζι που καθόταν, παρήγγειλε καφέ και ζεστά στρούντελς μήλου και τον ρώτησε τα νέα του. Κι ενώ η συζήτηση κυλούσε όμορφα, δίχως δυσάρεστες εκπλήξεις, αίφνης ο Louis άρπαξε το φλιτζάνι του καφέ με μια απότομη κίνηση αταίριαστη με την φυσική του ευγένεια και κρατώντας το μετέωρο λίγο κάτω από τη μύτη του, κοίταξε τον Zach έντονα στα μάτια.

-Φίλε μου, το ξέρεις πως θα μπορούσες να έχεις και κυματικές ιδιότητες;

Ο Zach κοίταξε υποψιασμένα προς το μπαρ. «Ίσως κάτι να του έριξαν στον καφέ», σκέφτηκε.

-Μη με κοιτάς έτσι, σοβαρολογώ, συνέχισε ο Louis απτόητος. Αλλά εντάξει, ας αφήσουμε εσένα, που μας πέφτεις κομματάκι μεγάλος, κι ας πάμε σε ένα «πλάσμα» μικρότερο και βέβαια απλούστερο από σένα, το άτομο του υδρογόνου. Αυτό αποτελείται από ένα πρωτόνιο γύρω από το οποίο κινείται ένα ηλεκτρόνιο σε -ας πούμε- κάποιες καθορισμένες τροχιές. Ε, λοιπόν, εγώ σου λέω πως αυτό το ηλεκτρόνιο μπορεί να συμπεριφέρεται όπως ένα κύμα! Και μάλιστα το μήκος του κύματος που συναρτάται σε αυτό είναι ίσο με το λόγο της σταθεράς του Planck προς την ορμή του.

-Ω, δυστυχία μου, Louis τι είναι αυτά που λες; Αισθάνεσαι καλά; Θες λίγο νερό; Αναφώνησε ο Zach ενώ προσπαθούσε να υπολογίσει την ταχύτητα με την οποία θα έπρεπε να πιάσει το τασάκι και να του το φέρει στο κεφάλι, στην περίπτωση που του επετίθετο.

-Αχ, έλα τώρα, μην κάνεις σαν τους σκουριασμένους της Σορβόνης…! Ξέρω πολύ καλά τι σου λέω και δεν έχω τρελαθεί. Ακόμη κι ο Albert, παρόλο που στην αρχή βρήκε τις ιδέες μου τρελές, παραδέχτηκε πως έχουν μια κάποια στέρεα βάση, αλλά τι να το κάνεις, δεν αρκεί.

-Ναι, ναι, δεν αρκεί, παρατήρησε ο Zach μουδιασμένα.

-Κι όμως, όλα κολλάνε τόσο ωραία, συνέχισε κοιτώντας με βλέμμα απλανές απέναντι, τον βαρύ, υδάτινο όγκο του ποταμού που αργοκυλούσε. Αν έχω δίκιο, τότε οι τροχιές του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα είναι αυτές για τις οποίες το οδηγόν κύμα του ηλεκτρονίου σχηματίζει στάσιμο κύμα.

Ο Zach τον κοίταξε έντρομος, σαν να τον είχε χτυπήσει κεραυνός. Αλλά δε έβγαλε τσιμουδιά.

-Στο κάτω-κάτω σάμπως ο Niels πιάστηκε από κάπου για να διατυπώσει τις συνθήκες κβάντωσης; Πουθενά, σε διαβεβαιώ!! Έτσι του κατέβηκαν στο κεφάλι, αυθαίρετα εντελώς. Σε μια στιγμή τρέλας. Δημιουργικής τρέλας, έστω…

-Τώρα που το λες Louis… όχι, δεν πιάστηκε… κάτι αποχρώσες ενδείξεις είχε μόνο… ισχυρές ναι μεν… αλλά…

-Βλέπεις λοιπόν; Μάλιστα η εμπλοκή του Niels σε όλα αυτά αποκτά ιδιαίτερη βαρύτητα αν σκεφτεί κανείς πόσο ξεψαχνίζει κάθε λέξη που γράφει στο χαρτί! Κι όμως, παρόλη την εμμονή του με την επιστημονική αρτιότητα που πρέπει να έχουν τα γραπτά του, τελικά δε δίστασε να δημοσιεύσει τις τολμηρές ιδέες του. Ευτυχώς! Αλλά πες μου, εφόσον ένα τόσο κυματικό πράγμα, όπως το φως, είναι ταυτόχρονα και σωματίδιο, γιατί ένα τόσο σωματιδιακό αντικείμενο, όπως το ηλεκτρόνιο, να μην είναι και κύμα; Δεν είναι λογικό αυτό που λέω;

-Λογικό, προσωπικά, δεν θα το έλεγα… αλλά εάν επιμένεις…

-Φυσικά κι επιμένω! και μάλιστα ισχυρίζομαι πως αυτό δεν αποτελεί κάποια ιδιοτροπία του ηλεκτρονίου αλλά ότι κάθε αντικείμενο του Σύμπαντος είναι σωματίδιο-κύμα, ανεξάρτητα από το γεγονός ότι η κυματικότητά του σε συνήθη αντικείμενα δεν είναι άμεσα ανιχνεύσιμη! Μου φαίνεται εντελώς σίγουρο ότι η κίνηση ενός οποιουδήποτε σωματιδίου συνοδεύεται και από τη διάδοση ενός κύματος!

-Ε, λοιπόν, εσείς οι σύγχρονοι φυσικοί δεν υποφέρεστε! Αναφώνησε απαυδισμένος ο Zach. Η σύγχρονη τάση κατευθύνει την φυσική σε δρόμους υπερβατικούς και δύσβατους. Φρονείτε, αυθαίρετα, πως οι ρηξικέλευθες ιδέες σας αποτελούν μίαν καινοτόμο οντότητα της οποίας η έκφραση έχει σώνει και ντε αντίστοιχο σε ό,τι αποκαλούμε πραγματικότητα! Αποδείξτε τους εξωφρενικούς ισχυρισμούς σας, αν μπορείτε. Εξ αποκαλύψεως αλήθειες δεν γίνονται δεκτές μέχρι αποδείξεως του εναντίου!

Ο Louis χαμογέλασε συγκαταβατικά. Ο Zach ήταν τόσο ταραγμένος όσο θα επιτρεπόταν σε έναν παραδοσιακό καθηγητή φυσικής ενός συντηρητικού Παριζιάνικου σχολείου για ευκατάστατους μεγαλοαστούς. Στα σαράντα πέντε του χρόνια ο Zach, μολονότι ήταν απόλυτα αφοσιωμένος στους μοχλούς και τα υπομόχλια της κλασικής φυσικής, παρακολουθούσε τις εξελίξεις της επιστήμης του ζώντας ευτυχισμένος και ασφαλής στο ντετερμινιστικό, χρονικά συμμετρικό Νευτώνειο σύμπαν του. Κάτι τριγμούς που προέκυπταν από τις εξισώσεις του Maxwell και τη στατιστική του Boltzmann είχε καταφέρει να τους απορροφήσει η αισιόδοξη ψυχή του, μέχρι εκείνο το φοβερό πρωινό του 1905 που άρχισαν να διαδίδονται φήμες για έναν ασήμαντο Γερμανοεβραίο υπαλληλάκο της Ελβετικής Υπηρεσίας Ευρεσυτεχνιών που κλόνιζε τα θεμέλια της φυσικής. Έκτοτε τα σύνορα του ασφαλούς του κόσμου σα να ξεθώριασαν κάπως. Δεν ήταν άνθρωπος στενόμυαλος αλλά αισθανόταν πως εκείνες οι «τρελές» ιδέες που αναδύονταν στα εργαστήρια και στα επιστημονικά συνέδρια απειλούσαν να καταβαραθρώσουν την ασφαλή βεβαιότητα πως ο άνθρωπος κατέχει την απόλυτη γνώση. Έβλεπε πως ακόμη κι αυτό το χωροχρονικό υφαντό που είχε τόσο πασχίσει να εξιχνιάσει στο μικρό του γραφείο, κινδύνευε όταν ο ανθρώπινος νους κατρακυλούσε στον υποατομικό κόσμο. Είχαν περάσει κιόλας δέκα χρόνια από τη μεγάλη εργασία του Niels Bohr και την αναστάτωση που είχε προκαλέσει.

-Μα σκέψου λίγο! Τον παρότρυνε επίμονα ο Louis μισοκλείνοντας τα μάτια. Η κβαντική θεωρία του φωτός δεν μπορεί να θεωρηθεί ικανοποιητική αφού καθορίζει την ενέργεια ενός σωματιδίου φωτός από το γινόμενο της συχνότητας επί τη σταθερά του Planck. Μια καθαρά σωματιδιακή θεωρία δεν περιέχει τίποτε που να μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε κάποια συχνότητα! Και μόνο γι’ αυτό το λόγο, είμαστε υποχρεωμένοι, στην περίπτωση του φωτός, να εισάγουμε την ιδέα ενός σωματίου και συγχρόνως εκείνη της περιοδικότητας. Επιπλέον ο προσδιορισμός της σταθερής κίνησης των ηλεκτρονίων στο άτομο εισάγει ακέραιους αριθμούς. Και μέχρι το σημείο αυτό τα μόνα φαινόμενα στα οποία εμφανίζονται ακέραιοι αριθμοί είναι εκείνα της συμβολής και των κανονικών τρόπων ταλάντωσης! Ακριβώς αυτό το γεγονός μου «υπέβαλε» την ιδέα ότι και τα ηλεκτρόνια δεν θα μπορούσαν να θεωρηθούν απλώς ως σωματίδια, αλλά πως θα έπρεπε να θεωρηθεί ότι έχουν κάποια περιοδικότητα!

Σε αυτό το σημείο της συζήτησης ο Zach ένιωσε πως είχε υπερβεί τα όριά του. Επιτέλους καταλάβαινε τι του έλεγε αυτός ο ανόητος νέος; Ένιωθε καθόλου τις αναταράξεις που προκαλούσαν στον χώρο ετούτοι οι αλλοπρόσαλλοι ισχυρισμοί του; Και τι ήταν αυτό που είχε υπονοήσει πως ο Albert τις ενέκρινε; «Ως εδώ, λοιπόν! Ως εδώ! Δε θα αναστατωθείς περισσότερο!» Διέταξε τον εαυτό του. Σηκώθηκε, πήρε βιαστικά από το τραπέζι το καπέλο του, άφησε το αντίτιμο του καφέ του, χαιρέτησε τον Louis με μια ελαφρά, βεβιασμένη υπόκλιση κι απομακρύνθηκε σχεδόν τρέχοντας.

-Στο καλό, φίλε μου, άκουσε πίσω του την πρόσχαρη φωνή του Louis. Αλλά να θυμάσαι, με λένε Louis-Victor-Pierre-Raymond de Broglie και δηλώνω υπεύθυνα, έχοντας γνώση των συνεπειών του νόμου, πως η αιτία της σταθερότητας των ατόμων είναι η κβάντωση και η αιτία της κβάντωσης είναι ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός! Και εις άλλα με υγεία… χαίρε!

Ασφαλώς ο Zach είχε δίκιο να αντιμετωπίζει σκεπτικά μια ανεπιβεβαίωτη υπόθεση. Ασφαλώς δίκιο είχε κι ο Louis να τολμά να βαθαίνει τις ιδέες που περιγράφουν τον κόσμο. Αλλά η ιστορία, αυτή τη φορά, δικαίωσε τον δεύτερο.

Μήνες αργότερα, όπως αναφέρει ο Felix Bloch, στο τέλος μιας διάλεξης, ο Debye ζήτησε από τον Schrödinger να παρουσιάσει τις θέσεις του Louis de Broglie. Σε μία από τις επόμενες διαλέξεις, ο Schrödinger, με τον γνωστό σαφή και διαυγή του τρόπο, έκανε μια αναλυτική παρουσίαση του πώς ο de Broglie συνέδεσε ένα κύμα με ένα σωμάτιο και πώς μπόρεσε να βγάλει τις συνθήκες κβάντωσης του Bohr, απαιτώντας να ταιριάζει ένας ακέραιος αριθμός κυμάτων πάνω σε μια στάσιμη τροχιά. Ο τρόπος αυτός περιγραφής φάνηκε παιδιάστικος στον Debye, αφού επρόκειτο για αναφορά σε κύματα χωρίς την εμπλοκή κάποιας κυματικής εξίσωσης. Έπειτα από μερικές εβδομάδες ο Schrödinger έδωσε μία ακόμη διάλεξη την οποία άρχισε ως εξής:

«Ο συνάδελφος Debye είπε ότι πρέπει να έχει κανείς μια κυματική εξίσωση. Ε λοιπόν βρήκα μία.»

Radiation – Waves & Quanta – Note of Louis de Broglie, presented by Jean Perrin. (Translated from Comptes rendus, Vol. 177, 1923, pp. 507-510)

Συνέντευξη με τον Louis de Broglie, 1967

(με αγγλικούς υπότιτλους)

Ένα μικρό χρονικό μιας μεγάλης έκρηξης

Μία σύντομη «αστρονομική» ιστορία για νοητικό ταξίδι του ανθρώπου προς τις απαρχές της δημιουργίας του Σύμπαντος.

Πώς φτάσαμε στην Μεγάλη Έκρηξη; Ας πάρουμε τα πράγματα με τη σειρά…

  1. Το πρώτο τηλεσκόπιο κατασκευάζεται το 1608 στην Ολλανδική κωμόπολη Μίλντελμπρουχ από δύο οπτικούς: τον Χανς Λιπερσέι και στον Ζακαρίας Γιάνσεν.

    Το 1609 δύο άνθρωποι, σε διαφορετικά σημεία της Ευρώπης, χρησιμοποιούν το τηλεσκόπιο για αστρονομικές παρατηρήσεις:ο Άγγλος Αστρονόμος Τόμας Χάριοτ και ο Ιταλός Γαλιλαίος.

  2. Στα χρόνια που ακολουθούν οι αστρονόμοι κατασκευάζουν μεγαλύτερα και καλύτερα τηλεσκόπια. Εξερευνούν τον ουρανό και μετρούν τις αποστάσεις των αστέρων.

  3. Στα τέλη του 18ου αιώνα ο Χέρσελ δείχνει ότι ο ήλιος ανήκει σε μια ομάδα αστέρων – τον Γαλαξία μας, ίσως τον μοναδικό γαλαξία στο Σύμπαν.

  4. Το 1781 ο Μεσιέ ταξινομεί τα νεφελώματα που φαίνονται ως αμυδροί άμορφοι σχηματισμοί και μοιάζουν να μην είναι αστέρες (έντονα φωτεινά σημεία). Στους κόλπους της αστρονομίας ξεκινά μια μεγάλη διαμάχη για τη φύση αυτών των νεφελωμάτων.
    Οι αστρονόμοι διχάζονται.
    – Ανήκουν τα νεφελώματα στον Γαλαξία μας ή είναι ξεχωριστοί γαλαξίες;
    – Είναι ο Γαλαξίας μας ο μοναδικός γαλαξίας ή το Σύμπαν είναι γεμάτο γαλαξίες;

  5. Το 1912 οι αστρονόμοι αποκτούν έναν κανόνα για τη μέτρηση των αποστάσεων στο Σύμπαν: η Χενριέτα Λίβιτ μελετώντας τους Κηφείδες μεταβλητούς αστέρες διαπιστώνει ότι η περίοδος μεταβλητότητάς της μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της πραγματικής τους λαμπρότητας και της απόστασής τους.

  6. Το 1923 ο Έντουιν Χαμπλ αναγνωρίζει έναν Κηφείδη σε ένα νεφέλωμα και μετρώντας την απόστασή του αποδεικνύει ότι βρίσκεται πολύ πέρα από τον Γαλαξία μας! Συμπεραίνει, λοιπόν, πως τα περισσότερα νεφελώματα είναι ξεχωριστοί γαλαξίες, καθένας τους αποτελούμενος από δισεκατομμύρια αστέρες, όπως ακριβώς και ο Γαλαξίας μας.

  7. Το Σύμπαν που μας φιλοξενεί είναι γεμάτο γαλαξίες!

  8. Η φασματοσκοπία προμηθεύει τους επιστήμονες με ένα ακόμη σημαντικό εργαλείο: διαφορετικά άτομα εκπέμπουν/απορροφούν συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός. Οι αστρονόμοι μελετούν το αστρικό φως για να δουν από ποια στοιχεία αποτελούνται οι αστέρες. Παρατηρούν ότι τα μήκη κύματος στο αστρικό φως είναι ελαφρώς μετατοπισμένα.

    -Το φως ενός αστέρα που πλησιάζει προς τη γη είναι μετατοπισμένο προς μικρότερα μήκη κύματος, δηλαδή προς το μπλε χρώμα του φάσματος.
    -Το φως ενός αστέρα που απομακρύνεται από τη γη είναι μετατοπισμένο προς μεγαλύτερα μήκη κύματος, δηλαδή προς το ερυθρό χρώμα του φάσματος.

    Διαπιστώνεται πως η πλειονότητα των γαλαξιών στέλνουν φως μετατοπισμένο προς το ερυθρό. Συνεπώς απομακρύνονται με μεγάλη ταχύτητα από τον Γαλαξία μας.

  9. Το 1929 ο Χαμπλ δείχνει ότι υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της αποστασης ενός Γαλαξία και της ταχύτητάς του. Αυτό είναι γνωστό ως Νόμος του Χαμπλ: Αν οι γαλαξίες απομακρύνονται τότε:

    -Αύριο θα απέχουν περισσότερο από εμάς.
    -Χτες ήταν πιο κοντά μας.
    -Και πέρυσι ήταν ακόμη πιο κοντά μας.
    -Κάποια στιγμή στο παρελθόν όλοι οι γαλαξίες πρέπει να συνέπιπταν με μας.

    Οι μετρήσεις του Χαμπλ υποδεικνύουν ότι το Σύμπαν ξεκίνησε από μια μικρή συμπυκνωμένη κατάσταση και κατόπιν διεστάλη. Συνεχίζει να διαστέλλεται μέχρι σήμερα.

ΕΙΝΑΙ ΑΥΤΟ ΕΝΔΕΙΞΗ ΜΙΑΣ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΡΗΞΗΣ;

Η συνέχεια επί της οθόνης…

H Αλίκη στη χώρα των quarks

Aπό το μακρόκοσμο στο μικρόκοσμο… κι αντίστροφα. Ένα ταξίδι στην ιστορία της ανακάλυψης του υποατομικού κόσμου.

Ξεκινώντας την περιπλάνηση στον κόσμο της επιστήμης, διάλεξα να μιλήσω για το θαυμαστό εκείνο ταξίδι της Αλίκης (ALICE) που την οδήγησε στη χώρα των κυρκονίων (quarks). Ένα ταξίδι στα πλαίσια της ατομικής, της πυρηνικής και της σωματιδιακής φυσικής. Ένα ταξίδι αναζήτησης των συστατικών του κόσμου. Αν και… όχι όλων ακριβώς των συστατικών. Εδώ θα περιοριστώ στα σωματίδια.

Τι είναι όμως αυτά τα θαυμαστά quarks ή αλλιώς κυρκόνια, όπως αποδίδονται από κάποιους στα ελληνικά;

Ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή. Έχω παρκάρει τη χρονομηχανή έξω από το σπίτι μου. Φύγαμε!

Από την αρχαιότητα ακόμη οι άνθρωποι εντόπισαν ότι ο κόσμος συγκροτείται από στοιχειώδη, αδιάσπαστα σωμάτια. Συγκεκριμένα ο Λεύκιππος και ο μαθητής του ο Δημόκριτος ονόμασαν τον στοιχειώδη δομικό λίθο της ύλης ά-τομο, λέξη που σημαίνει κάτι το οποίο δεν επιδέχεται τομή. Ο Δημόκριτος διατύπωσε τη θεωρία ότι το άτομο αποτελείται από ένα μικρό σωματίδιο στο κέντρο του, τον πυρήνα, γύρω από το οποίο περιφέρονται κάποια σωματίδια.

Η ατομική θεωρία του Δημόκριτου ήταν αυτή που υπερίσχυσε κατά το μεσαίωνα. Κατά την περίοδο της Αναγέννησης (15ος-16ος αι.) μεγάλοι στοχαστές όπως ο Κοπέρνικος, ο Κέπλερ, ο Γαλιλαίος αρχίζουν να απορρίπτουν τις ιδέες των Αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων, χρησιμοποιώντας την παρατήρηση και το πείραμα και εισάγοντας την διαδικασία της Επιστημονικής Μεθόδου. Η ατομική θεωρία επανέρχεται στο προσκήνιο από τον John Dalton ο οποίος την χρησιμοποιεί για να ερμηνεύσει τις χημικές αντιδράσεις.

Peter Zeeman

Κατά τη διάρκεια του 19ου αι. η μακροχρόνια μελέτη της φύσης των ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σωλήνες κενού οδηγεί τους φυσικούς στο ηλεκτρόνιο. Συγκεκριμένα το 1895 στο Παρίσι, ο Γάλλος φυσικός Jean Baptiste Perrin αποδεικνύει ότι οι καθοδικές ακτίνες είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, ανοίγοντας το δρόμο για την ανακάλυψή του. Την πρόταση του όρου «ηλεκτρόνιο» είχε ήδη κάνει ο Ιρλανδός νομπελίστας φυσικός George Johnstone Stoney το 1894. Το 1895 ο Wilhelm Roentgen ανακαλύπτει τις ακτίνες Χ.

Hendrik Lorentz

Το 1896, ο Hendrik Lorentz, προσπαθώντας να εξηγήσει το φαινόμενο Zeeman, διατυπώνει την ιδέα ότι τα ηλεκτρόνια βρίσκονται μέσα στο άτομο. Το επόμενο έτος (1897) γίνεται η ανακάλυψη της ύπαρξης ελεύθερων ηλεκτρονίων υπό μορφή καθοδικών ακτίνων από τον σερ J.J. Thomson και αποδεικνύεται ότι τα ηλεκτρόνια του Lorentz, αλλά κι εκείνα που παρατηρούνται σε άλλα φαινόμενα, όπως το φωτοηλεκτρικό, είναι ίδια με τα ηλεκτρόνια του Thomson. Το 1898 Οι Marie και Pierre Curie ξεχωρίζουν τα ραδιενεργά στοιχεία.

J. J. Thomson

Το μοντέλο του ατόμου εξελίσσεται από τον σερ J.J. Thomson ο οποίος το Μάρτιο του 1904 προτείνει το μοντέλο του σταφιδόψωμου. Σύμφωνα με αυτό, το άτομο είναι ένα σωματίδιο φορτισμένο θετικά μέσα στο οποίο κυκλοφορούν ελεύθερα μικρότερα ηλεκτρικά αρνητικά φορτία, τα ηλεκτρόνια, όπως οι σταφίδες στο σταφιδόψωμο. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι τέτοιος ώστε το συνολικό φορτίο του ατόμου να είναι μηδέν.

Μοντέλο σταφιδόψωμου

Ο Thomson κατάφερε να μετρήσει το λόγο του φορτίου προς τη μάζα του ηλεκτρονίου με αρκετά καλή ακρίβεια. Το 1906 πήρε το Νόμπελ Φυσικής.

Λίγο αργότερα (1911) ο Ernest Rutherford, καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, πραγματοποιώντας σε συνεργασία με τον Geiger πειράματα σκέδασης σωματιδίων α σε λεπτά μεταλλικά φύλλα χρυσού (πείραμα Geiger-Marsden ή κατά άλλους πείραμα Rutherford), οδηγείται στην υπόθεση ότι το άτομο δεν είναι αδιαίρετο αλλά αποτελείται από δύο περιοχές, εκείνη του πυρήνα και εκείνη των ηλεκτρονίων, παρομοιάζοντάς το με το ηλιακό σύστημα. Το μοντέλο του, που χαρακτηρίζεται ως «πλανητικό», προτείνει το άτομο να συγκροτείται από έναν πυρήνα με θετικό φορτίο στο κέντρο, γύρω από τον οποίο περιφέρονται τα ηλεκτρόνια του Thomson, τα οποία φέρουν αρνητικό φορτίο και έχουν μάζα πάρα πολύ μικρή σε σχέση με εκείνη του πυρήνα.

Ernest Rutherford

Τις προηγούμενες μέρες ερευνούσαμε τη σκέδαση σωματιδίων άλφα και ο δόκτωρ Geiger, στο μικρό μας εργαστήριο, είχε μελετήσει το ζήτημα λεπτομερώς. Είχε διαπιστώσει ότι ο σκεδασμός σωματιδίων σε λεπτά φύλλα από βαρύ μέταλλο ήταν κατά κανόνα ελάχιστος, συνήθως της τάξεως της μιας μοίρας. Μια μέρα ο Geiger ήρθε και μου είπε: «Ο νεαρός Marsden, στον οποίο αυτή την εποχή έχω αναθέσει την έρευνα φαινομένων ραδιενέργειας θα μπορούσε να αρχίσει μία πιο διεξοδική έρευνα πάνω στη σκέδαση των σωματιδίων άλφα». Ποια είναι η γνώμη σας;» Είχα την ίδια γνώμη, γι αυτό του απάντησα «Να του ζητήσουμε να ερευνήσει μήπως ορισμένα σωματίδια άλφα σκεδάζονται υπό μεγάλες γωνίες» Ομολογώ πάντως ότι δεν πίστευα πως κάτι τέτοιο θα μπορούσε να συμβεί. Ξέραμε ότι τα σωματίδια άλφα ήταν βαριά σωματίδια πολύ μεγάλης ταχύτητας και η πιθανότητα να σκεδαστούν από κάποια υποτιθέμενη συσσωρευμένη ύλη ήταν από ελάχιστη έως ανύπαρκτη. Θυμάμαι ωστόσο ότι δύο ή τρεις μέρες αργότερα ήρθε ο Γκάιγκερ φανερά συγκινημένος και μου είπε: «Καταφέραμε τελικά και διαπιστώσαμε ότι ορισμένα σωματίδια άλφα κυριολεκτικά επιστρέφουν πίσω.


Ήταν το πιο απίστευτο πράγμα που είχε ποτέ συμβεί μέσα σε εργαστήριο. Ήταν το ίδιο απίστευτο ΣΑΝ ΝΑ ΠΥΡΟΒΟΛΟΥΣΕΣ ΕΝΑ ΦΥΛΛΟ ΧΑΡΤΙ ΜΕ ΕΝΑ ΒΛΗΜΑ 15 ΙΝΤΣΩΝ ΚΑΙ ΤΟ ΒΛΗΜΑ ΝΑ ΕΚΑΝΕ ΓΚΕΛ ΣΤΟ ΧΑΡΤΙ ΚΑΙ ΝΑ ΓΥΡΙΖΕ ΠΙΣΩ ΝΑ ΣΕ ΣΚΟΤΩΣΕΙ. Στοχαζόμενος πάνω σ’ αυτό κατέληξα στο ότι η επιστροφή του σωματιδίου δεν μπορεί παρά να είναι η συνέπεια μιας μοναδικής σύγκρουσης. Κάνοντας,. Στη συνέχεια, τους υπολογισμούς κατέληξα στο συμπέρασμα ότι ήταν αδύνατον να θεωρήσουμε οτιδήποτε άλλο εκτός από το ότι ΣΤΟ ΚΕΝΤΡΟ ΚΑΘΕ ΑΤΟΜΟΥ, σε κάποιον πυρήνα, ΗΤΑΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΜΕΝΟ ΤΟ ΜΕΓΙΣΤΟ ΠΟΣΟΣΤΟ ΤΗΣ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ. Ήταν τότε που συγκρότησα την ιδέα ενός ατόμου με μικροσκοπικό πυρήνα με ηλεκτρικό θετικό φορτίο.»

Ernest Rutherford , 25 χρόνια μετά.
«Πλανητικό» μοντέλο ατόμου