Χ. Βάρβογλης: Είναι δυνατόν το Σύμπαν να "γεννάει" παιδιά; Το επιστημονικο έργο του Stephen Hawking
Το άρθρο γράφτηκε το 1998.
Ευχαριστώ θερμά τον κ. Βάρβογλη που μου έστειλε το άρθρο για να δημοσιευθεί στο Πειράματα Φυσικής με Απλά Υλικά (με αφορμή μια συνομιλια μας για το έργο του Hawking).
Η πρόσφατη επίσκεψη του Καθηγητή Stephen Hawking στην Ελλάδα, με την ευκαιρία του συνεδρίου Κοσμολογίας που έγινε την περασμένη εβδομάδα στη Σάμο, δημιούργησε ένα ενδιαφέρον γύρω από τον εξειδικευμένο αυτόν κλάδο της Αστρονομίας. Μιας και τα περισσότερα δημοσιεύματα επικεντρώθηκαν στη φυσική αναπηρία του Hawking, προέκυψε το εύλογο ερώτημα: Ποιές θεωρίες έχει αναπτύξει ο Hawking για την ιστορία και το μέλλον του κόσμου που ζούμε; Σε δύο γραμμές η απάντηση είναι: Το Σύμπαν που ζούμε “γεννάει” παιδιά, δηλαδή μικρότερα “Σύμπαντα-μωρά”, κάθε φορά που δημιουργείται μία μελανή οπή! Το “Σύμπαν-μωρό” ενώνεται πάλι με το μητρικό Σύμπαν, μέσω της εμφάνισης μιας άλλης μελανής οπής. Αν η ιδέα σας φαίνεται ότι κινείται στα όρια της επιστημονικής φαντασίας μην ανησυχείτε, το ίδιο πιστεύουν και αρκετοί από τους συναδέλφους του. Πώς όμως έφτασε σε αυτό το, πραγματικά εντυπωσιακό, συμπέρασμα;
Ο Hawking ευτύχησε να έχει ως δάσκαλό του έναν από τους μεγαλύτερους σύγχρονους κοσμολόγους, τον Dennis Sciama. Κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της Διδακτορικής Διατριβής του απέδειξε, μαζί με τον μαθηματικό Roger Penrose, ένα θεώρημα της Γενικής Θεωρίας Σχετικότητας που έχει την εξής σπουδαία εφαρμογή στην Κοσμολογία: εξασφαλίζει ότι στο Σύμπαν υπάρχουν “ανωμαλίες”, δηλαδή σημεία όπου “τελειώνουν” και ο χώρος και ο χρόνος! ‘Ετσι απέδειξε θεωρητικά την ορθότητα της θεωρίας της Μεγάλης ‘Εκρηξης, που αποτέλεσε, όπως πιστεύουμε σήμερα, την αρχή του κόσμου που ζούμε.
Όταν ξεκίνησε την επιστημονική του καριέρα, μετα το Διδακτορικό του Δίπλωμα, συνειδητοποίησε ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein δεν θα έπρεπε να είναι ακριβής “κοντά” σε μία ανωμαλία ή σε μια μελανή οπή, επειδή εκεί θα έπρεπε να παίζει σπουδαίο ρόλο και η Κβαντομηχανική. Αυτό είναι ένα σοβαρό πρόβλημα, που σήμερα έχει γίνει αντιληπτό από το σύνολο του επιστημονικού κόσμου αλλά, δυστυχώς, δεν έχει βρει ακόμη την οριστική του λύση. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1960 ο Hawking προσπάθησε να συνδέσει αυτές τις δύο θεωρίες με ένα “φαινομενολογικό” τρόπο, όχι δηλαδή αυστηρά μαθηματικά. Το αποτέλεσμα της δουλειάς του ήταν πραγματικά εντυπωσιακό, αφού έδειξε ότι οι μελανές οπές δεν είναι μελανές! Μέχρι την εποχή εκείνη εθεωρείτο ότι κάθε υλικό σώμα και κάθε ακτινοβολία που πέφτει σε μια μελανή οπή εξαφανίζεται στο εσωτερικό της. Ο Hawking έδειξε ότι οι μελανές οπές έχουν κάποια θερμοκρασία, που εξαρτάται από τη μάζα που περιέχουν στο εσωτερικό τους, και επομένως ακτινοβολούν όπως ακριβώς ένα ζεστό αντικείμενο! Το φαινόμενο αυτό έχει γίνει σήμερα γενικά αποδεκτό και ονομάζεται ακτινοβολία Hawking.
Κατά τη διάρκεια της επιστημονικής ζωής του, ο Hawking έβρισκε όλο και πιο δύσκολο να δουλεύει χρησιμοποιώντας μαθηματικές εξισώσεις, λόγω της εξέλιξης της αρρώστιας του. ‘Αρχισε λοιπόν να προτιμάει προβλήματα που είχαν σχέση με την ποιοτική αντιμετώπιση της φύσης και όχι την ποσοτική. Θα μπορούσε να πει κανείς ότι, σ’ αυτόν τον τομέα, άρχισε να πλησιάζει τον τρόπο σκέψης των αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων της Ιωνίας, που προσπαθούσαν να κατανοήσουν τον κόσμο μόνο με τη λογική. ‘Ετσι, μετά τη δουλειά του για την ακτινοβολία Hawking, ξεκίνησε ένα φιλόδοξο πρόγραμμα σύνδεσης της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας με την Κβαντομηχανική, το οποίο θα μπορούσε να εφαρμοστεί στο Σύμπαν ως σύνολο και όχι μόνο στη γειτονιά μιας μελανής οπής. Για το σκοπό αυτό χρειάστηκε να εισαγάγει στη μαθηματική διατύπωση της Σχετικότητας στοιχεία από την Κβαντομηχανική, όπως για παράδειγμα την έννοια του φανταστικού χρόνου. Είμαι σίγουρος ότι η έννοια αυτή είναι σχεδόν αδύνατο να γίνει κατανοητή στην πράξη από οποιονδήποτε μη ειδικό, αφού φοβάμαι ότι το ίδιο ισχύει και για την πλειοψηφία των Φυσικών ή των Αστρονόμων. Αν παρακάμψει όμως κανείς αυτήν τη “λεπτομέρεια”, μπορεί μάλλον εύκολα να αντιληφθεί τα πραγματικά εντυπωσιακά συμπεράσματα στα οποία οδηγεί αυτή η θεωρία.
Ο Hawking ξεκινάει από την υπόθεση ότι στον πραγματικό χρόνο το Σύμπαν μπορεί να φαίνεται ότι έχει κάποια αρχή τη στιγμή της Μεγάλης ‘Εκρηξης, στον φανταστικό χρόνο, όμως, δεν έχει αρχή και τέλος. ‘Ετσι παρακάμπτει το δύσκολο να απαντηθεί ερώτημα πώς και γιατί δημιουργήθηκε το Σύμπαν. Με βάση αυτήν την υπόθεση ο Hawking φτάνει στο εκπληκτικό συμπέρασμα ότι κάθε φορά που δημιουργείται μια μελανή οπή, το Σύμπαν μας “γεννάει” ένα Σύμπαν-μωρό. Τα δύο Σύμπαντα είναι ενωμένα με ένα είδος “ομφάλιου λώρου”, που ονομάζεται σκουληκότρυπα. Στη συνέχεια το Σύμπαν-μωρό μπορεί να ενωθεί με το μητρικό σε ένα άλλο σημείο, ερμηνεύοντας έτσι το ερώτημα τι απογίνεται η ύλη που πέφτει σε μια μελανή οπή: εμφανίζεται ως ύλη από μιαν άλλη μελανή οπή, στο σημείο όπου αυτή “προσκολλάται” το Σύμπαν-μωρό. Οι θεατές της ταινίας Επαφή ίσως να θυμούνται ότι το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιήθηκε από το σεναριογράφο, Carl Sagan, για να δικαιολογήσει μετακινήσεις στο Σύμπαν με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Hawking πιστεύει πως τέτοιου είδους “ταξίδια” είναι αδύνατα, αφού η ύλη που πέφτει στην πρώτη μελανή οπή διαλύεται εντελώς και χάνει την ταυτότητά της, πριν επανεμφανιστεί στη δεύτερη.
Το τελευταίο αυτό κομμάτι της δουλειάς του Hawking δεν έχει αναγνωριστεί ακόμη συλλογικά από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα. Πολλοί συνάδελφοί του που θεωρούν ότι η εισαγωγή των μεθόδων της Κβαντομηχανικής στη Γενική Θεωρία Σχετικότητας με τον τρόπο που ακολούθησε ο Hawking είναι αδόκιμη και ότι η υπόθεσή του για τη μορφή του Σύμπαντος στο φανταστικό χρόνο (πεπερασμένο χωρίς πέρατα) δεν είναι τεκμηριωμένη. Ο ίδιος έχει προτείνει πειράματα που θα μπορούσαν να επιβεβαιώσουν ή να απορρίψουν τις ιδέες του, έτσι ώστε ίσως στο μέλλον να ξεκαθαρίσει αν έχει εργαστεί προς τη σωστή κατεύθυνση ή αν τα αποτελέσματά του δεν έχουν σχέση με την πραγματικότητα.
Η πρόσφατη επίσκεψη του Καθηγητή Stephen Hawking στην Ελλάδα, με την ευκαιρία του συνεδρίου Κοσμολογίας που έγινε την περασμένη εβδομάδα στη Σάμο, δημιούργησε ένα ενδιαφέρον γύρω από τον εξειδικευμένο αυτόν κλάδο της Αστρονομίας. Μιας και τα περισσότερα δημοσιεύματα επικεντρώθηκαν στη φυσική αναπηρία του Hawking, προέκυψε το εύλογο ερώτημα: Ποιές θεωρίες έχει αναπτύξει ο Hawking για την ιστορία και το μέλλον του κόσμου που ζούμε; Σε δύο γραμμές η απάντηση είναι: Το Σύμπαν που ζούμε “γεννάει” παιδιά, δηλαδή μικρότερα “Σύμπαντα-μωρά”, κάθε φορά που δημιουργείται μία μελανή οπή! Το “Σύμπαν-μωρό” ενώνεται πάλι με το μητρικό Σύμπαν, μέσω της εμφάνισης μιας άλλης μελανής οπής. Αν η ιδέα σας φαίνεται ότι κινείται στα όρια της επιστημονικής φαντασίας μην ανησυχείτε, το ίδιο πιστεύουν και αρκετοί από τους συναδέλφους του. Πώς όμως έφτασε σε αυτό το, πραγματικά εντυπωσιακό, συμπέρασμα;
Ο Hawking ευτύχησε να έχει ως δάσκαλό του έναν από τους μεγαλύτερους σύγχρονους κοσμολόγους, τον Dennis Sciama. Κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της Διδακτορικής Διατριβής του απέδειξε, μαζί με τον μαθηματικό Roger Penrose, ένα θεώρημα της Γενικής Θεωρίας Σχετικότητας που έχει την εξής σπουδαία εφαρμογή στην Κοσμολογία: εξασφαλίζει ότι στο Σύμπαν υπάρχουν “ανωμαλίες”, δηλαδή σημεία όπου “τελειώνουν” και ο χώρος και ο χρόνος! ‘Ετσι απέδειξε θεωρητικά την ορθότητα της θεωρίας της Μεγάλης ‘Εκρηξης, που αποτέλεσε, όπως πιστεύουμε σήμερα, την αρχή του κόσμου που ζούμε.
Όταν ξεκίνησε την επιστημονική του καριέρα, μετα το Διδακτορικό του Δίπλωμα, συνειδητοποίησε ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein δεν θα έπρεπε να είναι ακριβής “κοντά” σε μία ανωμαλία ή σε μια μελανή οπή, επειδή εκεί θα έπρεπε να παίζει σπουδαίο ρόλο και η Κβαντομηχανική. Αυτό είναι ένα σοβαρό πρόβλημα, που σήμερα έχει γίνει αντιληπτό από το σύνολο του επιστημονικού κόσμου αλλά, δυστυχώς, δεν έχει βρει ακόμη την οριστική του λύση. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1960 ο Hawking προσπάθησε να συνδέσει αυτές τις δύο θεωρίες με ένα “φαινομενολογικό” τρόπο, όχι δηλαδή αυστηρά μαθηματικά. Το αποτέλεσμα της δουλειάς του ήταν πραγματικά εντυπωσιακό, αφού έδειξε ότι οι μελανές οπές δεν είναι μελανές! Μέχρι την εποχή εκείνη εθεωρείτο ότι κάθε υλικό σώμα και κάθε ακτινοβολία που πέφτει σε μια μελανή οπή εξαφανίζεται στο εσωτερικό της. Ο Hawking έδειξε ότι οι μελανές οπές έχουν κάποια θερμοκρασία, που εξαρτάται από τη μάζα που περιέχουν στο εσωτερικό τους, και επομένως ακτινοβολούν όπως ακριβώς ένα ζεστό αντικείμενο! Το φαινόμενο αυτό έχει γίνει σήμερα γενικά αποδεκτό και ονομάζεται ακτινοβολία Hawking.
Κατά τη διάρκεια της επιστημονικής ζωής του, ο Hawking έβρισκε όλο και πιο δύσκολο να δουλεύει χρησιμοποιώντας μαθηματικές εξισώσεις, λόγω της εξέλιξης της αρρώστιας του. ‘Αρχισε λοιπόν να προτιμάει προβλήματα που είχαν σχέση με την ποιοτική αντιμετώπιση της φύσης και όχι την ποσοτική. Θα μπορούσε να πει κανείς ότι, σ’ αυτόν τον τομέα, άρχισε να πλησιάζει τον τρόπο σκέψης των αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων της Ιωνίας, που προσπαθούσαν να κατανοήσουν τον κόσμο μόνο με τη λογική. ‘Ετσι, μετά τη δουλειά του για την ακτινοβολία Hawking, ξεκίνησε ένα φιλόδοξο πρόγραμμα σύνδεσης της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας με την Κβαντομηχανική, το οποίο θα μπορούσε να εφαρμοστεί στο Σύμπαν ως σύνολο και όχι μόνο στη γειτονιά μιας μελανής οπής. Για το σκοπό αυτό χρειάστηκε να εισαγάγει στη μαθηματική διατύπωση της Σχετικότητας στοιχεία από την Κβαντομηχανική, όπως για παράδειγμα την έννοια του φανταστικού χρόνου. Είμαι σίγουρος ότι η έννοια αυτή είναι σχεδόν αδύνατο να γίνει κατανοητή στην πράξη από οποιονδήποτε μη ειδικό, αφού φοβάμαι ότι το ίδιο ισχύει και για την πλειοψηφία των Φυσικών ή των Αστρονόμων. Αν παρακάμψει όμως κανείς αυτήν τη “λεπτομέρεια”, μπορεί μάλλον εύκολα να αντιληφθεί τα πραγματικά εντυπωσιακά συμπεράσματα στα οποία οδηγεί αυτή η θεωρία.
Ο Hawking ξεκινάει από την υπόθεση ότι στον πραγματικό χρόνο το Σύμπαν μπορεί να φαίνεται ότι έχει κάποια αρχή τη στιγμή της Μεγάλης ‘Εκρηξης, στον φανταστικό χρόνο, όμως, δεν έχει αρχή και τέλος. ‘Ετσι παρακάμπτει το δύσκολο να απαντηθεί ερώτημα πώς και γιατί δημιουργήθηκε το Σύμπαν. Με βάση αυτήν την υπόθεση ο Hawking φτάνει στο εκπληκτικό συμπέρασμα ότι κάθε φορά που δημιουργείται μια μελανή οπή, το Σύμπαν μας “γεννάει” ένα Σύμπαν-μωρό. Τα δύο Σύμπαντα είναι ενωμένα με ένα είδος “ομφάλιου λώρου”, που ονομάζεται σκουληκότρυπα. Στη συνέχεια το Σύμπαν-μωρό μπορεί να ενωθεί με το μητρικό σε ένα άλλο σημείο, ερμηνεύοντας έτσι το ερώτημα τι απογίνεται η ύλη που πέφτει σε μια μελανή οπή: εμφανίζεται ως ύλη από μιαν άλλη μελανή οπή, στο σημείο όπου αυτή “προσκολλάται” το Σύμπαν-μωρό. Οι θεατές της ταινίας Επαφή ίσως να θυμούνται ότι το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιήθηκε από το σεναριογράφο, Carl Sagan, για να δικαιολογήσει μετακινήσεις στο Σύμπαν με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Hawking πιστεύει πως τέτοιου είδους “ταξίδια” είναι αδύνατα, αφού η ύλη που πέφτει στην πρώτη μελανή οπή διαλύεται εντελώς και χάνει την ταυτότητά της, πριν επανεμφανιστεί στη δεύτερη.
Το τελευταίο αυτό κομμάτι της δουλειάς του Hawking δεν έχει αναγνωριστεί ακόμη συλλογικά από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα. Πολλοί συνάδελφοί του που θεωρούν ότι η εισαγωγή των μεθόδων της Κβαντομηχανικής στη Γενική Θεωρία Σχετικότητας με τον τρόπο που ακολούθησε ο Hawking είναι αδόκιμη και ότι η υπόθεσή του για τη μορφή του Σύμπαντος στο φανταστικό χρόνο (πεπερασμένο χωρίς πέρατα) δεν είναι τεκμηριωμένη. Ο ίδιος έχει προτείνει πειράματα που θα μπορούσαν να επιβεβαιώσουν ή να απορρίψουν τις ιδέες του, έτσι ώστε ίσως στο μέλλον να ξεκαθαρίσει αν έχει εργαστεί προς τη σωστή κατεύθυνση ή αν τα αποτελέσματά του δεν έχουν σχέση με την πραγματικότητα.
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου