Δευτέρα, 14 Δεκεμβρίου 2015

1915-2015: ένας αιώνας αδιάλειπτης διεύρυνσης των ιδεών του Αϊνστάιν

Με την ευκαιρία των εκατό χρόνων (1915-2015) από την ανακοίνωση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας παρουσιάσαμε στο προηγούμενο άρθρο μας μια ιστορική ανασκόπηση των πρωτοποριακών ιδεών του Αϊνστάιν που, όπως είδαμε, έπαιξαν αποφασιστικό ρόλο στη διαμόρφωση της σύγχρονης φυσικής.
Ομως, αυτό το μικρό αφιέρωμα θα παρέμενε ελλιπές αν δεν εξετάζαμε πόσο γόνιμη επιστημονικά αλλά και έγκυρη ιστορικά-γνωσιολογικά θεωρείται σήμερα, έναν αιώνα μετά τη διατύπωσή της, η θεωρία της σχετικότητας.
Αναζητώντας μια σαφή, κατά το δυνατόν, απάντηση σ’ αυτά τα κάθε άλλο παρά αυτονόητα ερωτήματα απευθυνθήκαμε σε δύο αξιόλογους Ελληνες ερευνητές-πανεπιστημιακούς, τον φιλόσοφο της Επιστήμης Αριστείδη Αραγεώργη και τον ιστορικό της Επιστήμης Θόδωρο Αραμπατζή.
Στο σημερινό άρθρο ο Αρ. Αραγεώργης θα μας παρουσιάσει τις επιστημονικές και φιλοσοφικές εξελίξεις που δρομολογήθηκαν μετά τη διατύπωση της θεωρίας της σχετικότητας, ενώ τις ιστορικές και γνωσιολογικές προκείμενες αυτών των εντυπωσιακών εξελίξεων θα τις διερευνήσουμε στο επόμενο άρθρο με τη βοήθεια του Θόδωρου Αραμπατζή.
Οι δύο κεντρικές φωτογραφίες είναι μια δική μας φωτογραφική σύνθεση που επιθυμεί να αναδείξει τις εντυπωσιακές θεωρητικές συνέπειες της θεωρίας της σχετικότητας: τις κοσμικές μαύρες οπές και την καμπυλότητα του χωρόχρονου

• Ποιες, κατά τη γνώμη σας, επιστημονικές εξελίξεις δρομολόγησε η αποδοχή από τη σύγχρονη φυσική της γενικής θεωρίας της σχετικότητας ως κυρίαρχου εξηγητικού μοντέλου για την κατανόηση του μακρόκοσμου;
Η γενική θεωρία της σχετικότητας (ΓΘΣ), που πρωτοδιατυπώθηκε από τον Αϊνστάιν το 1915, εξακολουθεί να είναι η καλύτερη θεωρία που διαθέτουμε για τον χωροχρόνο και τη βαρύτητα.
Συμφωνεί με εμπειρικά δεδομένα, βρίσκει αυστηρή μαθηματική θεμελίωση στη διαφορική γεωμετρία, αναμορφώνει με ρηξικέλευθο τρόπο τις διαισθήσεις μας για τον χώρο και τον χρόνο και δικαίως θεωρείται μια θεωρία εκπληκτικής ομορφιάς.
Ηδη από την πρώτη δεκαετία της ιστορίας της, η ΓΘΣ άρχισε να παράγει ένα πλήθος κοσμολογικών μοντέλων με εξόχως ενδιαφέρουσες πτυχές.
Μερικά από αυτά τα μοντέλα φιλοδοξούν να περιγράψουν και να εξηγήσουν χαρακτηριστικά του δικού μας Σύμπαντος (όπως είναι η διαστολή και, στην κλασική προσέγγιση, η Μεγάλη Εκρηξη), ενώ άλλα φαίνεται να διανοίγουν πιο «εξωτικές» δυνατότητες, όπως ταξίδια στον χρόνο (μοντέλα με κλειστές χρονοειδείς καμπύλες, όπως το σύμπαν Γκέντελ).
Παρ’ όλα αυτά, για ένα μεγάλο διάστημα η κοινότητα των φυσικών θεωρούσε ότι η ΓΘΣ στερούνταν στενής συνάφειας προς την υπόλοιπη φυσική. Το ενδιαφέρον για τη ΓΘΣ αναθερμάνθηκε κατά την περίοδο 1960-1975. Διάφορες εξελίξεις φαίνεται να συνέβαλαν σε αυτήν τη στροφή.
Πρώτη ήταν η αστρονομική ανακάλυψη αντικειμένων, όπως οι κβάζαρ και οι συμπαγείς πηγές ακτίνων Χ, στον σχηματισμό και τη συμπεριφορά των οποίων φαίνεται να παίζουν ρόλο ιδιαίτερα ισχυρά βαρυτικά πεδία.
Η ανάπτυξη της σύγχρονης θεωρίας της βαρυτικής κατάρρευσης, των ανωμαλιών και των μελανών οπών αναπτύχθηκε από τα μέσα της δεκαετίας του 1960 εν πολλοίς ως απόκριση της θεωρίας σε τέτοια παρατηρησιακά δεδομένα.
Ενας άλλος παράγοντας που συνέβαλε στην τόνωση του ενδιαφέροντος των φυσικών για τη ΓΘΣ ήταν η σταδιακή συνειδητοποίηση του γεγονότος ότι, μολονότι η βαρύτητα είναι πολύ ασθενής για να παίζει σημαντικό ρόλο στα πειράματα της σωματιδιακής φυσικής, η ανάπτυξη μιας θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας έχει μεγάλη αξία για την κατανόηση των νόμων της φύσης.
Στο πλαίσιο αυτό συνέβαλε ιδιαίτερα το γεγονός ότι οι κβαντικές θεωρίες πεδίων, που άρχισαν να επικρατούν από τα μέσα της δεκαετίας του 1950 για την περιγραφή των τριών άλλων αλληλεπιδράσεων (ηλεκτρομαγνητική, ασθενής, ισχυρή), χαρακτηρίζονταν από ένα είδος συμμετρίας («συμμετρία βαθμίδας») που μπορεί να συγκριθεί με το είδος συμμετρίας που επιβάλλει μια θεμελιακή αρχή της ΓΘΣ, η αρχή του γενικού συναλλοίωτου.
Εξέχουσας σημασίας ήταν και η πρόβλεψη που έκανε ο Χόκινγκ (S. Hawking) το 1974 ότι μια μελανή οπή που σχηματίστηκε από βαρυτική κατάρρευση θα ακτινοβολεί κβάντα με φάσμα μέλανος σώματος σε θερμοκρασία ανάλογη προς την επιφανειακή της βαρύτητα.
Αυτό το «φαινόμενο», που έκτοτε φέρει το όνομα «ακτινοβολία Χόκινγκ», συγκέντρωσε την προσοχή των φυσικών σε μια περιοχή όπου συναντιούνται σχετικιστικά, βαρυτικά, θερμικά και κβαντικά φαινόμενα.
Η αρχική πραγμάτευση έγινε στο πλαίσιο της κβαντικής θεωρίας πεδίων σε καμπύλο χωροχρόνο, αλλά ο θεωρητικός προσανατολισμός ήταν προς μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.




• Σε ποιο σημείο βρίσκονται σήμερα οι έρευνες για την κβαντική βαρύτητα, οι προσπάθειες δηλαδή ενοποίησης της σχετικιστικής με την κβαντική φυσική;
Είναι δύσκολο να το πει κανείς. Στην έρευνα προς μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας εμπλέκονται διάφορα ερευνητικά προγράμματα, καθένα με τις δικές του οντολογικές και μεθοδολογικές προκείμενες, τους δικούς του στόχους και τα δικά του ανοιχτά προβλήματα.
Το «πρόβλημα της κβαντικής βαρύτητας» σημαίνει διαφορετικά πράγματα σε διαφορετικούς ερευνητές και αυτό που συνιστά δυνατή λύση για έναν ερευνητή μπορεί να μη συνιστά δυνατή λύση για έναν άλλο.
Η πλειονότητα των ερευνητών εργάζεται σε μια ερευνητική παράδοση που έλκει την καταγωγή της από τις σχετικιστικές κβαντικές θεωρίες πεδίων και έχει οδηγήσει στις διάφορες θεωρίες χορδών.
Βασική υπόθεση είναι ότι οι θεμελιώδεις οντότητες στον κόσμο είναι μονοδιάστατα αντικείμενα («χορδές») των οποίων οι διάφοροι τρόποι ταλάντωσης αντιστοιχούν σε σωματίδια.
Στόχος αυτής της ερευνητικής παράδοσης είναι μια ενιαία θεωρία για τον κόσμο που θα συμπεριλαμβάνει και τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις (ηλεκτρομαγνητική, ασθενής, ισχυρή και βαρυτική).
Ομως, παρά τις εργώδεις προσπάθειες και τα κατά περιόδους ενθαρρυντικά αποτελέσματα, παραμένει μια πληθώρα τεχνικών και εννοιολογικών προβλημάτων.
Ενα σημαντικό πρόβλημα είναι ότι οι θεωρίες χορδών «δουλεύουν» σε 10, το λιγότερο, χωροχρονικές διαστάσεις και η αναγωγή σε 4 διαστάσεις μπορεί να γίνει με διαφορετικούς τρόπους, καθένας από τους οποίους δίνει διαφορετικές φυσικές προβλέψεις. Επιπλέον οι θεωρίες χορδών φαλκιδεύουν βασικές αρχές της ΓΘΣ, όπως η αρχή του γενικού συναλλοίωτου.
Το δεύτερο πιο δημοφιλές ερευνητικό πρόγραμμα στην κβαντική βαρύτητα, η «κβαντική βαρύτητα βρόχων», αντίθετα, σέβεται τις θεμελιακές αρχές της ΓΘΣ, θυσιάζοντας όμως κάποιες βασικές αρχές των σχετικιστικών κβαντικών θεωριών πεδίων, όπως το αναλλοίωτο Πουανκαρέ.
Στόχος αυτού του προγράμματος δεν είναι μια θεωρία που να συμπεριλαμβάνει και τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις, αλλά μια κβαντική θεωρία του χωροχρόνου.
Και εδώ υπάρχουν θετικά αποτελέσματα που υπόσχονται, μάλιστα, συγκεκριμένες προβλέψεις, αλλά και πάλι τα ανοιχτά προβλήματα είναι πολλά.
Τα κυριότερα από αυτά αφορούν την αδυναμία περιγραφής φαινομένων σε χαμηλές ενέργειες και την κατανόηση της έννοιας –ή, μάλλον, της απουσίας– της δυναμικής χρονικής εξέλιξης.
Με ριζοσπαστικό τρόπο, η κβαντική βαρύτητα βρόχων φαίνεται να απαιτεί να αποποιηθούμε την ίδια την ιδέα ότι τα φυσικά αντικείμενα είναι εντοπισμένα στον χώρο και μεταβάλλονται στον χρόνο!
Ομως, υπάρχουν πολλά άλλα ερευνητικά προγράμματα στην κβαντική βαρύτητα που συγκεντρώνουν μικρότερους αριθμούς ερευνητών. Ωστόσο, όλα συναντούν ακανθώδεις τεχνικές και εννοιολογικές δυσκολίες.
Οι κυριότερες από αυτές φαίνεται να πηγάζουν από τον διπλό ρόλο της μετρικής του χωροχρόνου.
Από τη μια μεριά, η μετρική διαμορφώνει τη γεωμετρία και την αιτιακή δομή του χωροχρόνου –έννοιες ή μορφές που προϋποτίθενται από τις διαθέσιμες κβαντικές θεωρίες (π.χ., για τον ορισμό της δυναμικής χρονικής εξέλιξης) αλλά και από τους παραδοσιακούς τρόπους περιγραφής φυσικών συστημάτων (π.χ., ένα πεδίο θεωρείται ως απόδοση ιδιοτήτων σε χωροχρονικά σημεία).
Από την άλλη, η μετρική είναι η ίδια μια δυναμική οντότητα, η οποία στις περισσότερες προσεγγίσεις υπόκειται επίσης σε κβάντωση.
Για να χρησιμοποιήσω μια γνωστή μεταφορά, η κατάσταση θυμίζει τη δυσκολία τού να αρμενίζει κανείς στη θάλασσα με ένα ιστιοφόρο ενόσω κατασκευάζει αυτό το ίδιο το ιστιοφόρο!
Τέλος, σε αυτήν την περιοχή έρευνας δεν μπορεί κανείς να αναζητήσει καθοδήγηση από την εμπειρία –τουλάχιστον όχι με την «ευκολία» που συμβαίνει σε άλλες περιοχές έρευνας στη φυσική ή συνέβαινε σε άλλες περιόδους εξέλιξης της φυσικής.
Οι διάφορες πρωτο-θεωρίες κβαντικής βαρύτητας αναμένεται να διαφέρουν στις προβλέψεις τους, αλλά και από εκείνες της ΓΘΣ, μόνο σε τόσο ψηλές ενέργειες που ενδέχεται να υπερβαίνουν τις πειραματικές ή παρατηρησιακές μας δυνατότητες.
Είναι χαρακτηριστικό ότι ερευνητές που ανήκουν σε διαφορετικά προγράμματα επικαλούνται για τη στήριξη της θεωρίας που προτιμούν το ότι προσφέρει την ικανοποιητικότερη εξήγηση του «φαινομένου» της ακτινοβολίας Χόκινγκ, που όμως δεν είναι «φαινόμενο» με την αυστηρή σημασία του όρου, δεδομένου ότι ουδέποτε έχει παρατηρηθεί.
Τέτοια μεθοδολογικά προβλήματα έχουν αποτελέσει κίνητρο για την απόδοση του χαρακτηρισμού «μεταμοντέρνα φυσική» στην έρευνα προς μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.
Πάντως, υπάρχουν ισχυρά επιχειρήματα που συνηγορούν υπέρ της άποψης ότι ο χαρακτηρισμός είναι άδικος και ότι η επίκληση του «φαινομένου» Χόκινγκ σε αυτό το πλαίσιο είναι νόμιμη.



• Ο Αϊνστάιν διέθετε αναμφίβολα μια αξιόλογη φιλοσοφική παιδεία. Ποιες ήταν οι φιλοσοφικές προκείμενες που διευκόλυναν (ή μήπως τροφοδότησαν;) την ανάδυση των ανατρεπτικών σχετικιστικών ιδεών; Σε ποιο βαθμό οι γνωσιολογικές-επιστημολογικές ανησυχίες της εποχής του επηρέασαν τις θεωρητικές αναζητήσεις του;
Πράγματι, ο Αϊνστάιν σε όλη του τη ζωή διατήρησε αμείωτο το ενδιαφέρον του για τη φιλοσοφία και πίστευε στη γόνιμη αλληλεπίδραση επιστημολογίας και φυσικής. Αντλησε στοιχεία από ποικίλες φιλοσοφικές πηγές όπως η συμβασιοκρατία του Ντιέμ (P. Duhem), ο θετικισμός του Μαχ (E. Mach), νεo-καντιανές επιδράσεις και προκλήσεις κ.ά.
Επίσης διάφορες φιλοσοφικές θεματικές, όπως η απλότητα ως κριτήριο επιλογής θεωριών και η άποψη ότι κάθε επιστημονική θεωρία πρέπει να στοχεύει σε μια μονοσήμαντη αναπαράσταση του φυσικού κόσμου, έπαιξαν κυρίαρχο ρόλο στη σκέψη του.
Το φιλοσοφικό του προφίλ ήταν μια πρωτότυπη σύνθεση τέτοιων διαφορετικών, συχνά αντιθετικών, επιδράσεων και οι μελετητές του έργου του δεν συμφωνούν ως προς το ποιο ακριβώς ήταν αυτό το προφίλ και ως προς το κατά πόσο μεταβλήθηκε με την πάροδο των χρόνων.
Αν δει κανείς την πραγματική εξέλιξη της θεωρίας της σχετικότητας, μπορεί να ανιχνεύσει τις φιλοσοφικές της προκείμενες.
Για παράδειγμα, στην εργασία «Περί της ηλεκτροδυναμικής των κινουμένων σωμάτων» του 1905, με την οποία θεμελιώνει την ειδική θεωρία της σχετικότητας (ΕΘΣ), ο Αϊνστάιν ασκεί κριτική στον κλασικό ηλεκτρομαγνητισμό γιατί εξηγεί με διαφορετικό τρόπο το ρεύμα που επάγεται σε έναν κυκλικό αγωγό που κινείται ως προς ένα μαγνήτη, ανάλογα με το εάν ο αγωγός ή ο μαγνήτης θεωρείται ότι βρίσκεται σε ηρεμία.
Για τον Αϊνστάιν αυτή η ασυμμετρία ανάμεσα στις δύο εξηγήσεις του ίδιου παρατηρήσιμου φαινομένου είναι αδικαιολόγητη.
Στην ίδια εργασία επισημαίνει μια διπλή «αυθαιρεσία» στον ορισμό της ταυτοχρονίας απομακρυσμένων συμβάντων: η πρώτη αφορά τη σχετικότητα ως προς την επιλογή αδρανειακού συστήματος αναφοράς ενώ η δεύτερη αφορά τη σύμβαση ως προς τον λόγο του χρόνου που απαιτείται για να ταξιδέψει το φως από ένα σημείο Α σε ένα σημείο Β προς τον χρόνο που απαιτείται για να ταξιδέψει από το Β στο Α, με τα Α και Β στάσιμα στο ίδιο αδρανειακό σύστημα αναφοράς.
Επίσης στην εργασία του 1916, στην οποία εκθέτει αναλυτικά τα θεμέλια της ΓΘΣ, ο Αϊνστάιν απορρίπτει την απόλυτη διάκριση μεταξύ αδρανειακών και επιταχυνόμενων συστημάτων αναφοράς που είχε διατηρήσει στην ΕΘΣ επικαλούμενος το γεγονός ότι αυτή η διάκριση δεν εδράζεται σε παρατηρήσιμες διαφορές.
Ωστόσο, η αποκάλυψη των φιλοσοφικών προδιαθέσεων που διαμόρφωσαν τα επιστημονικά επιχειρήματα του Αϊνστάιν και κατηύθυναν τις θεωρητικές του αναζητήσεις δεν είναι καθόλου εύκολη υπόθεση.
Και ένας λόγος γι’ αυτό είναι ο ενίοτε αντιθετικός χαρακτήρας αυτών των προδιαθέσεων που επισήμανα παραπάνω. Λόγου χάριν, ο Αϊνστάιν φαίνεται να ασπαζόταν έναν ιδιότυπο συνδυασμό συμβασιοκρατικών και ρεαλιστικών απόψεων.

• Ωστόσο, η διάδοση και η επικράτηση της θεωρίας της σχετικότητας επηρέασε βαθύτατα τις εξελίξεις όχι μόνο στην επιστήμη αλλά και στη φιλοσοφία. Πώς αντέδρασε η σύγχρονη φιλοσοφική σκέψη στη θεωρία της σχετικότητας και σε ποιο βαθμό επηρεάστηκε από αυτήν;
Πράγματι, τόσο η ΕΘΣ όσο και η ΓΘΣ επηρέασαν τη σύγχρονη φιλοσοφική σκέψη, που τις εξέλαβε ως υποδείγματα έγκυρων επιστημονικών θεωριών.
Ισως το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η έντονη επίδραση αυτών των θεωριών στην ανάπτυξη του φιλοσοφικού ρεύματος του λογικού θετικισμού/εμπειρισμού, και ειδικά στη σκέψη σημαντικών εκπροσώπων του, όπως ο Σλικ (M. Schlick) και ο Ράιχενμπαχ (H. Reichenbach).
Η καντιανής προέλευσης ιδέα ότι η γνώση του φυσικού κόσμου έχει δύο ειδών συστατικά στοιχεία: τα «μορφικά στοιχεία», που εξαρτώνται από τον νου, και τα «εμπειρικά στοιχεία» που συνεισφέρει ο φυσικός κόσμος, αποτελεί μια κεντρική διάκριση στα έργα αυτών των φιλοσόφων.
Το λάθος του Καντ ήταν να θεωρήσει ότι αυτά τα αναγκαία μορφικά στοιχεία περιγράφονται από μη αναθεωρήσιμες συνθετικές a priori αλήθειες.
Οι πρωτεργάτες του λογικού θετικισμού/εμπειρισμού θεώρησαν, αντίθετα, ότι τα μορφικά αυτά στοιχεία περιγράφονται μάλλον από «συμβάσεις» ή «αυθαίρετους ορισμούς».
Και άντλησαν επιχειρήματα υπέρ αυτής της άποψης από το γεγονός ότι διάφοροι θεωρητικοί ισχυρισμοί στην ΕΘΣ και τη ΓΘΣ αποκτούν εμπειρικό περιεχόμενο μόνο σε σχέση με τον έναν ή τον άλλον αυθαίρετα επιλεγμένο «τρόπο περιγραφής».
Ωστόσο, η φιλοσοφική επίδραση της ειδικής και της γενικής θεωρίας της σχετικότητας δεν περιορίζεται στο ρεύμα του λογικού θετικισμού/εμπειρισμού.
Οι θεωρίες αυτές εξακολουθούν να τροφοδοτούν τον φιλοσοφικό στοχασμό παρέχοντας το επιστημονικό υπόβαθρο για τη διερεύνηση φιλοσοφικών ερωτημάτων όπως το εάν ο χωροχρόνος έχει υπόσταση και δομή ανεξάρτητη από τα υλικά του περιεχόμενα, εάν είναι βιώσιμη μια δυναμική σύλληψη του κόσμου σύμφωνα με την οποία μόνο το παρελθόν και το παρόν υπάρχουν ως συντελεσμένα ενώ το μέλλον παραμένει «ανοιχτό» κ.ά.

Πηγή: Εφημερίδα των Συντακτών του Σ. Μανουσέλη
Δημοσίευση σχολίου

Άλλα θέματα

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...