Κυριακή, 13 Δεκεμβρίου 2015

1915-2015: τα εκατό χρόνια της γενικής σχετικότητας

Ποιες ήταν οι επιστημονικές αναγκαιότητες και οι θεωρητικές ανησυχίες που οδήγησαν, πριν από ακριβώς έναν αιώνα, έναν ιδιοφυή αλλά όχι ακόμη παγκοσμίως γνωστό Γερμανοεβραίο θεωρητικό φυσικό, τον Αλβέρτο Αϊνστάιν, να εισηγηθεί τη γενική θεωρία της σχετικότητας, να προτείνει δηλαδή μια ανοίκεια και ιδιαιτέρως ανατρεπτική εικόνα της φυσικής πραγματικότητας;
Ποια εμπειρικά, πειραματικά δεδομένα στηρίζουν αυτήν την καινοφανή θεώρηση του Σύμπαντος και σε ποιες νέες θεμελιώδεις ανακαλύψεις οδήγησε τη σύγχρονη φυσική η αποδοχή της;
Πόσο έγκυρη και κυρίως γόνιμη θεωρείται σήμερα, έναν αιώνα μετά τη διατύπωσή της, αυτή η φυσική θεωρία;
Τέλος, πώς η αντισυμβατική εικόνα αυτής της δήθεν «αλλοπαρμένης» μεγαλοφυΐας ανέτρεψε -στο συλλογικό φαντασιακό της εποχής μας- το πρότυπο του δημιουργικού επιστήμονα;
Με την ευκαιρία της συμπλήρωσης εκατό χρόνων από την πρώτη επίσημη ανακοίνωση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας σκεφτήκαμε να διερευνήσουμε τα παραπάνω ερωτήματα και με αυτό το μικρό αφιέρωμα να τιμήσουμε τη σκέψη και την προσωπικότητα ενός από τους μεγαλύτερους φυσικούς όλων των εποχών.



Hταν 25 Νοεμβρίου του 1915 όταν ο Αϊνστάιν παρουσίασε στην πρωσική Ακαδημία Επιστημών του Βερολίνου την οριστική λύση για το πώς η ύλη καμπυλώνει τον χωροχρόνο και προέβλεψε ότι, αν η νέα θεωρία του για τη βαρύτητα ήταν σωστή, τότε το αστρικό φως θα έπρεπε να αποκλίνει από τη γραμμική του πορεία όποτε περνούσε κοντά από ένα υλικό σώμα με μεγάλη μάζα.
Μπορεί σήμερα αυτές οι ιδέες να φαίνονται προφανείς ή και κοινότοπες, όταν όμως διατυπώθηκαν, πριν από έναν αιώνα, δημιούργησαν μεγάλη αναταραχή διότι συνεπάγονταν την πλήρη ανατροπή όλων όσα γνώριζε ή μάλλον νόμιζε ότι γνώριζε η επιστήμη της Φυσικής σχετικά με τον χώρο και τον χρόνο.
Ούτε λίγο ούτε πολύ, σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, αυτές οι δύο σαφώς διακεκριμένες στην ανθρώπινη αντίληψη διαστάσεις, οι οποίες περιγράφονταν από την κλασική Φυσική ως ο απόλυτος «χώρος» και «χρόνος», δεν ήταν τίποτα περισσότερο από επίμονες ψευδαισθήσεις. Για τη γενική σχετικότητα μόνο ο ενιαίος «χωροχρόνος» υπάρχει πραγματικά!
Επιπλέον, αυτός ο τετραδιάστατος χωροχρόνος μπορεί να καμπυλώνεται ή να στρεβλώνεται σύμφωνα με μια μη ευκλείδεια γεωμετρία, η οποία καθορίζει τις σχετικές θέσεις και τις επιτρεπτές κινήσεις όχι μόνο των άστρων και των πλανητών αλλά κάθε υλικού αντικειμένου στο Σύμπαν.
Από την ειδική στην καθολική σχετικότητα
Διάστημα, Σύμπαν
Ωστόσο, η μεγάλη πνευματική περιπέτεια της διατύπωσης της σχετικιστικής φυσικής από τον Αϊνστάιν είχε ξεκινήσει δέκα χρόνια νωρίτερα, το 1905.
Εκείνη τη μαγική ή θαυμαστή χρονιά (annus mirabilis), ένας παντελώς άσημος νεαρός φυσικός άρχισε να οικοδομεί τον μύθο του ολοκληρώνοντας μέσα σε λίγους μήνες τρεις συγκλονιστικές, αμιγώς θεωρητικές, μελέτες που δημοσιεύτηκαν στο περίφημο γερμανικό περιοδικό «Χρονικά της Φυσικής» (Annalen der Physik).
Tον Μάρτιο του 1905 έδωσε μια πρωτότυπη σωματιδιακή περιγραφή του φωτός, το οποίο μέχρι τότε περιγραφόταν μόνο ως κύμα.
Εισάγοντας την έννοια του φωτονίου ή κβάντου φωτός ο Αϊνστάιν κατάφερε να ανακαλύψει μια ικανοποιητική φυσική εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.
Δύο μήνες μετά, τον Μάιο, διατύπωσε μια ατομική εξήγηση της λεγόμενης «κίνησης Μπράουν»- σημειωτέον ότι εκείνη την εποχή έβλεπαν με μεγάλη δυσπιστία τις ατομικές εξηγήσεις των ορατών φαινομένων.
Τέλος, από τον Ιούνιο μέχρι τον Σεπτέμβριο του 1905 ολοκλήρωσε την τρίτη και ακόμη πιο σημαντική μελέτη του που έμεινε στην Ιστορία της Φυσικής ως «ειδική σχετικότητα».
Πρόκειται για μια μεγαλειώδη αλλά αξιοπερίεργη, για τα επιστημονικά ήθη, θεωρητική μελέτη: χωρίς βιβλιογραφικές παραπομπές ή αναφορές σε νέα πειραματικά δεδομένα.
Σε αυτήν απεδείκνυε με πολύ σοβαρά μαθηματικά και κυρίως φυσικά επιχειρήματα ότι οι θεμελιώδεις έννοιες της νευτώνειας φυσικής, όπως ο απόλυτος χρόνος, ο απόλυτος χώρος, δεν έχουν καμιά ανεξάρτητη φυσική υπόσταση ενώ ο αιθέρας ως το απόλυτο σύστημα αναφοράς είναι περιττός!
Αλβέρτος Αϊνστάιν


Ούτε ο απόλυτος χρόνος ούτε ο απόλυτος χώρος του Νεύτωνα υπάρχουν ως ανεξάρτητες οντότητες, δεν μπορούν δηλαδή να είναι ανεξάρτητες από την παρουσία και την κίνηση των φυσικών αντικειμένων και συνεπώς δεν υπάρχουν «αφ’ εαυτών και εκ φύσεως», όπως υποστήριζε ο Νεύτωνας!
Ακόμη και η μάζα ενός αντικειμένου μεταβάλλεται ανάλογα με την ταχύτητα με την οποία κινείται. Μόνο η ταχύτητα του φωτός είναι ένα απόλυτο φυσικό μέγεθος, αφού τίποτα δεν κινείται ταχύτερα από το φως (299.792 χλμ. το δευτερόλεπτο).
Μια άλλη όμως σημαντική συνέπεια της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας είναι ότι η ενέργεια ισούται με τη μάζα επί την ταχύτητα του φωτός -πρόκειται για την περίφημη εξίσωση Ε = mc2.
Η ανακάλυψη της ισοδυναμίας μάζας-ενέργειας θα οδηγήσει μερικές δεκαετίες αργότερα στην εκμετάλλευση της σχάσης των ατόμων, αρχικά για τη δημιουργία ατομικών όπλων και κατόπιν για την παραγωγή ατομικής ενέργειας.
Πάντως, η επιστημονική γνώση αναπτύσσεται συνήθως σωρευτικά, με πολλά μικρά βήματα αλλά και πολλά πισωγυρίσματα.
Σπανίως σε μια θετική επιστήμη πραγματοποιούνται τόσες πολλές και θεμελιώδεις ανακαλύψεις σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα (μέσα σε έναν χρόνο) και ακόμη πιο σπάνια από ένα και μοναδικό πρόσωπο!
Δικαιολογημένα λοιπόν ο Αϊνστάιν θεωρείται ο μεγαλύτερος θεωρητικός φυσικός όλων των εποχών.
Ωστόσο, αυτός ο απίστευτα δημιουργικός νους δεν αρκέστηκε στις δάφνες της «ειδικής σχετικότητας» αλλά, τα επόμενα δέκα χρόνια, εργάστηκε σκληρά διευρύνοντας τη σχετικιστική θεωρία ώστε να συμπεριλάβει και τη δύναμη της βαρύτητας.
Το αποτέλεσμα αυτής της δεκαετούς μοναχικής προσπάθειας ήταν η διατύπωση, τον Νοέμβριο του 1915, της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, μιας ολοκληρωμένης φυσικής θεωρίας που όχι μόνο κατάφερε να ενοποιήσει στις αρχές της σχεδόν όλες τις μέχρι τότε κατακτήσεις της Φυσικής, αλλά ακόμη και σήμερα, έναν αιώνα μετά, εξακολουθεί να δρομολογεί και να επηρεάζει τις εξελίξεις στους βασικούς τομείς έρευνας αυτής της επιστήμης.
Τι ακριβώς πέτυχε ο Αϊνστάιν με τη διατύπωση της «γενικής σχετικότητας»; Η ειδική σχετικότητα επικεντρώνεται στα λεγόμενα αδρανειακά συστήματα, δηλαδή στα συστήματα που κινούνται με σταθερές ταχύτητες και δεν επιταχύνονται, αφού καμία φυσική δύναμη δεν τα αναγκάζει να το κάνουν. Τι γίνεται όμως με την πανταχού παρούσα και θεμελιώδη βαρυτική δύναμη;
Το μεγάλο πρόβλημα με την κλασική ή νευτώνεια βαρυτική δύναμη ήταν ότι αυτή ασκούνταν ακαριαία, με έναν τρόπο σχεδόν μαγικό. Ουσιαστικά, η γενική σχετικότητα προσέφερε την πρώτη εύλογη και μαθηματικά τεκμηριωμένη απάντηση στα βασανιστικά ερωτήματα: πώς ασκούνται οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις και με τι ταχύτητα ασκεί τη δράση της η βαρύτητα;
Οπως προκύπτει από τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η βαρύτητα δεν είναι ελκτική δύναμη αλλά μπορεί να επηρεάζει τα φυσικά φαινόμενα χάρη στην εγγενή ικανότητα του χωροχρόνου να καμπυλώνεται, δηλαδή να στρεβλώνεται από την παρουσία της ύλης.
Με άλλα λόγια, δεν είναι το βαρυτικό πεδίο της Γης που αναγκάζει τα μήλα να πέφτουν προς το κέντρο του πλανήτη αλλά, αντίθετα, η μάζα της Γης καμπυλώνει τοπικά τον χωροχρόνο προδιαγράφοντας την πορεία πτώσης του μήλου. Και αυτές οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις δεν είναι ακαριαίες, όπως μέχρι τότε πίστευαν, αλλά ασκούνται με την πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός!
Ακόμη και τα λάθη του ήταν δημιουργικά για την επιστήμη
Αλβέρτος Αϊνστάιν
Οταν ο Αϊνστάιν διατύπωσε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας ήταν απολύτως βέβαιος ότι το Σύμπαν στο σύνολό του είναι στατικό αφού πρέπει να διέπεται από αιώνιους και αμετάβλητους φυσικούς νόμους.
Η άκρως δελεαστική ιδέα ενός στατικού και αμετάβλητου στον χρόνο φυσικού κόσμου αντιμετωπίζει ωστόσο ένα σοβαρό πρόβλημα: κάποια χρονική στιγμή αυτό το στατικό Σύμπαν θα κατέρρεε υπό το ίδιο του το βάρος! Για να λύσει αυτόν τον γρίφο ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι η ελκτική δύναμη της βαρύτητας αντισταθμίζεται από την απωθητική δύναμη της αντιβαρύτητας.
Για να εκφράσει αυτήν την απωθητική δράση της αντιβαρύτητας εισήγαγε -αυθαίρετα ή από μεγαλοφυή διαίσθηση;- την περίφημη «κοσμολογική σταθερά», η οποία διασφάλιζε και επιβεβαίωνε την προκατάληψή του περί ενός στατικού Σύμπαντος.
Ομως, λίγα χρόνια αργότερα, όταν έμαθε για τις αστρονομικές παρατηρήσεις του Εντγουιν Χαμπλ, που υποδείκνυαν σαφώς ότι το Σύμπαν διαστέλλεται, ομολόγησε ότι η κοσμολογική σταθερά ήταν «η μεγαλύτερη γκάφα της ζωής του».
Και όλα έδειχναν ότι αυτή η αυτοκριτική ήταν σωστή! Ωστόσο, από το 1998 και μετά, οι αστρονομικές παρατηρήσεις των σουπερνόβα (υπερκαινοφανών αστέρων) στους πιο απομακρυσμένους γαλαξίες υποδήλωναν ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται.
Αλβέρτος Αϊνστάιν
Γι’ αυτόν τον λόγο οι φυσικοί εισήγαγαν την έννοια της «σκοτεινής ενέργειας», η οποία ουσιαστικά δεν είναι παρά η σύγχρονη εκδοχή της κοσμολογικής σταθεράς του Αϊνστάιν!
Ομως, εκτός από την επίμονη άρνησή του να αποδεχτεί την καθιερωμένη κβαντική ερμηνεία των μικροφυσικών φαινομένων, μολονότι, όπως είδαμε, ο ίδιος συνέβαλε στη διαμόρφωση της κβαντικής Φυσικής, ίσως το μεγαλύτερο σφάλμα του να ήταν η συστηματική υποβάθμιση της σημασίας του χρόνου στη Φυσική αλλά και την ανθρώπινη πραγματικότητα.
Πράγματι, ο αντικειμενικός φυσικός χρόνος, σε αντίθεση με τον υποκειμενικό ανθρώπινο χρόνο, δεν κυλάει προς κάποια κατεύθυνση και δεν παράγει ποτέ τίποτα νέο.
Οπως το έθεσε ο Νεύτων στην εισαγωγή του περίφημου βιβλίου του «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» (Μαθηματικές Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας): «Ο απόλυτος, αληθινός και μαθηματικός χρόνος, αφεαυτού και από την ίδια του τη φύση, ρέει ομοιόμορφα χωρίς να εξαρτάται από τίποτα το εξωτερικό…». Μια μεταφυσική άποψη την οποία, παραδόξως, συμμερίζεται και ο Αϊνστάιν, ο βασικός υπαίτιος της «δολοφονίας» του απόλυτου χρόνου στη σύγχρονη Φυσική.
Αν όμως, όπως υποστηρίζει ο Αϊνστάιν, ο χρόνος είναι απλώς «μια επίμονη ψευδαίσθηση», μια μαθηματική συντεταγμένη που αυξάνεται ή μειώνεται από το άπειρο παρελθόν στο άπειρο μέλλον (και αντιστρόφως!), τότε γιατί το ορατό Σύμπαν δεν είναι στατικό αλλά διαρκώς αλλάζει και εξελίσσεται; Πώς εξηγείται ότι ο χρόνος στην Κοσμολογία, στη Βιολογία και στην ανθρώπινη Ιστορία φαίνεται να ρέει αποκλειστικά από το παρελθόν προς το μέλλον;
Στο βασανιστικό αίνιγμα της δημιουργικής παρουσίας του χρόνου στο Σύμπαν όσο και στη ζωή μας δεν υπάρχουν ακόμη σαφείς επιστημονικές απαντήσεις. Ας ελπίσουμε ότι, συν τω χρόνω, θα εμφανιστούν εξίσου δημιουργικά μυαλά με αυτό του Αϊνστάιν για να το «λύσουν».
Ο νεαρός Αϊνστάιν: οι αντιξοότητες ενός αντισυμβατικού νου
Αλβέρτος Αϊνστάιν
Ο Albert Einstein γεννήθηκε στις 14 Μαρτίου 1879 στο Ουλμ, πόλη του πρώην γερμανικού κράτους της Βιρτεμβέργης, όμως μεγάλωσε στο Μόναχο.
Οι γονείς του ήταν μεσοαστοί εβραϊκής καταγωγής, αλλά διόλου προσκολλημένοι στις εβραϊκές παραδόσεις.
Ο πατέρας του, Χέρμαν Αϊνστάιν, είχε ένα μικρό ηλεκτροτεχνικό εργοστάσιο ενώ η μητέρα του, Παουλίνε Κοχ, ήταν ιδιαίτερα φιλότεχνη και αξιόλογη πιανίστρια. Χάρη στην επιμονή της ο μικρός Αλβέρτος σε ηλικία 5 ετών άρχισε μαθήματα βιολιού.
Στην αρχή βαριόταν τα μαθήματα μουσικής, ευτυχώς όμως το ξεπέρασε -όταν συνειδητοποίησε τη μαθηματική δομή της μουσικής!- οπότε μετατράπηκε σε πραγματικό πάθος που το διατήρησε μέχρι το τέλος της ζωής του. Ενα άλλο πρώιμο πάθος του ήταν η αγάπη του για τη γεωμετρία και τις πυξίδες.
Ωστόσο τίποτε δεν φανέρωνε την ιδιοφυΐα του όσο ήταν μικρός, αντίθετα οι γονείς του, επηρεασμένοι από τις χείριστες σχολικές επιδόσεις του και την ανικανότητα να πειθαρχήσει στο αυστηρό γερμανικό εκπαιδευτικό σύστημα, ανησυχούσαν μήπως το «προβληματικό» παιδί τους ήταν καθυστερημένο!
Αλβέρτος Αϊνστάιν

Τελικά, ο απείθαρχος νεαρός Αϊνστάιν τελείωσε με μέτριες επιδόσεις το Λύκειο Ααραου της Ελβετίας και κατάφερε να εγγραφεί στην περίφημη Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή της Ζυρίχης, απ’ όπου και αποφοίτησε το 1900.
Εκεί γνώρισε και ερωτεύτηκε τη σερβικής καταγωγής συμφοιτήτριά του Μιλέβα Μάρτις. Μια γυναίκα έξυπνη με την οποία μοιραζόταν το πάθος του για τη Φυσική.
Εναν χρόνο μετά την αποφοίτησή τους παντρεύτηκαν και απέκτησαν τρία παιδιά, δύο αγόρια και ένα κοριτσάκι που γεννήθηκε με αναπηρία και πέθανε σε ηλικία δύο ετών.
Το 1902 ο νεαρός, αλλά κάθε άλλο παρά ελπιδοφόρος επιστήμονας, κατάφερε -με πολλές δυσκολίες- να προσληφθεί ως ελεγκτής στο Ελβετικό Γραφείο Ευρεσιτεχνιών ενώ παράλληλα ολοκλήρωνε το διδακτορικό του.
Παρά τις αντιξοότητες (επαγγελματικές, οικονομικές, οικογενειακές), αυτήν την αξιοθαύμαστα δημιουργική περίοδο θα καταφέρει να ολοκληρώσει τις πρώτες έρευνές του οι οποίες, όπως είδαμε, δημοσιεύτηκαν το 1905 εξασφαλίζοντάς του σταδιακά τη διεθνή αναγνώριση.
Πηγή: Εφημερίδα των Συντακτών του Σ. Μανουσέλη

Άλλα θέματα

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...