Σ. Τραχανάς. Μεγάλη επιστήμη ενδιαφέρουσες ζωές
Με αφορμή τη συμπλήρωση 30 χρόνων από την ίδρυσή τους, οι Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης προσφέρουν ως δώρο στους αναγνώστες τους ένα «βιβλιαράκι» που ο συγγραφέας του το έκανε δώρο στον εαυτό του πρώτ’ απ’ όλα.
Βιογραφούνται οι: Planck · Einstein · Rutherford · Bohr · Compton · de Broglie · Schroedinger · Born · Heisenberg · Pauli · Dirac · Fermi
Ένα βιβλίο που κουβαλώ σχεδόν πάντα μαζί μου γιατί μου δίνει έμπνευση. Το έχω σε hard-copy αλλα μπορείτε να το κατεβάσετε και από εδώ.
Albert Einstein (1879-1955)
Αναμφίβολα ο μεγαλύτερος επιστήμονας του εικοστού αιώνα και ένας από τους μεγαλύτερους όλων των εποχών. Μέσα σ' ένα και μόνο θαυματουργό έτος –το 1905– έκανε τρεις ανακαλύψεις που κάθε μία από μόνη της θα αρκούσε για να τον ανεβάσει στον... Όλυμπο. Και έκανε τρεις. Διατύπωσε τη θεωρία της σχετικότητας –μια επαναστατική ρήξη με την κλασική φυσική– έδωσε την κβαντομηχανική εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου –εδραιώνοντας έτσι την ιδέα του φωτεινού κβάντου που είχε σχεδόν ξεχαστεί μετά την αρχική δουλειά του Planck– και, τέλος, περιέγραψε θεωρητικά την λεγόμενη κίνηση Braun μέσω της οποίας έγινε για πρώτη φορά δυνατή η άμεση παρατήρηση της άτακτης θερμικής κίνησης των μορίων ενός υγρού μέσου – άρα και των μορίων των ίδιων. Η δεύτερη μεγάλη χρονιά για τον Einstein ήταν το 1916 όταν διατύπωσε τη γενική θεωρία της σχετικότητας –δηλαδή μια σχετικιστική θεωρία της βαρύτητας βασισμένη στην ιδέα ότι το βαρυτικό πεδίο εκδηλώνεται ως «παραμόρφωση» της γεωμετρίας του χωρόχρονου– και έθεσε τις βάσεις της σύγχρονης κοσμολογίας.
Ο Einstein ήταν επίσης εκείνος που έθεσε –το 1924– τις βάσεις της στατιστικής μηχανικής των ταυτόσημων μποζονίων –με το φωτονικό αέριο ως πιο αντιπροσωπευτικό παράδειγμα– απ' όπου και οι ονομασίες στατιστική Bose-Einstein και συμπύκνωμα Bose-Einstein. Προς τιμήν, βεβαίως, και του Ινδού φυσικού S. Bose που είχε πρώτος τη βασική ιδέα.
Στον κατάλογο των θεμελιωδών συμβολών του Einstein στην επιστήμη, θα πρέπει να συμπεριλάβουμε και το περίφημο παράδοξο EPR (Einstein-Podolsky-Rosen paradox) το οποίο διατυπώθηκε το 1935 για να καταδείξει –και σχεδόν τα κατάφερε– ότι η «επίσημη κβαντομηχανική» είναι εγγενώς αντιφατική και επομένως δεν μπορεί να θεωρείται ως μια θεμελιώδης θεωρία της φύσης. Αργά ή γρήγορα θα αντικατασταθεί από μια αληθώς θεμελιώδη θεωρία στο πλαίσιο της οποίας οι κβαντικές πιθανότητες δεν θα έχουν θέση. Η τελική θεωρία της φύσης –αυτό πίστευε ο Einstein– θα είναι απολύτως αιτιοκρατική. Ο Θεός δεν μπορεί να παίζει ζάρια με τον κόσμο. Αν και τελικά αποδείχτηκε (με το πείραμα του Aspect το 1982) ότι ο Einstein δεν είχε δίκιο –ο Θεός πράγματι παίζει ζάρια με τον κόσμο– εν τούτοις το παράδοξο EPR που επινόησε, και οι κβαντικές καταστάσεις που το πραγματώνουν, αποδείχτηκαν θεμελιώδους σημασίας για την κβαντική μηχανική. Αποτελούν πρότυπη περίπτωση της λεγόμενης κβαντικής σύμπλεξης (quantum entanglement) και βρίσκονται σήμερα στο επίκεντρο μιας σφύζουσας ερευνητικής δραστηριότητας πάνω στα θεμέλια της κβαντομηχανικής και το ζήτημα των κβαντικών υπολογιστών. Η αδιαφιλονίκητη πλέον ερμηνεία της κβαντομηχανικής –η περίφημη σχολή της Κοπεγχάγης– βρήκε στο πρόσωπο του Einstein τον ιδανικό αντίπαλο. Έναν άνθρωπο που η οξυδέρκεια και το βάθος της κριτικής του έπαιξε κρίσιμο ρόλο στην τελική της διαμόρφωση αλλά και στις σημερινές ερευνητικές αναζητήσεις. Ο Einstein ήταν πραγματικά μεγάλος ακόμα κι εκεί που είχε άδικο!
Στο ίδιο πνεύμα, δεν μπορούμε να μην αναφέρουμε δύο άλλες «αποτυχίες» του Einstein που επίσης αποδείχτηκαν ...μεγαλειώδεις! Η μία είναι η προσπάθεια ενοποίησης του ηλεκτρομαγνητισμού με τη βαρύτητα –που δεν αποδείχτηκε τότε εφικτή, βρίσκεται όμως στο επίκεντρο των σημερινών αναζητήσεων για μια ενοποιημένη θεωρία όλων των δυνάμεων– και η δεύτερη η εισαγωγή της περίφημης κοσμολογικής σταθεράς –αυτής που ο ίδιος ο Einstein θα χαρακτηρίσει αργότερα ως τη μεγαλύτερη γκάφα της ζωής του– και η οποία αποδεικνύεται σήμερα ως ο βασικός πρωταγωνιστής της εξέλιξης του τωρινού «ώριμου» σύμπαντος. Και ίσως αποδειχθεί ως η τρίτη θεμελιώδης σταθερά του σύμπαντος δίπλα στην σταθερά του Planck και την ταχύτητα του φωτός.
Περνώντας στο ολισθηρό έδαφος της... ψυχολογίας, δεν μπορούμε να μην σημειώσουμε ένα θεμελιώδες γεγονός της επιστημονικής ζωής του Einstein που δεν έχει όμοιό του στην ιστορία. Είναι ο ίδιος άνθρωπος που μέσα στον ίδιο χρόνο –το 1905– κυριολεκτικά «λύτρωσε» την κλασική φυσική από τις εσωτερικές της αντιφάσεις –ενοποιώντας μηχανική και ηλεκτρομαγνητισμό μέσω της σχετικότητας– και ταυτόχρονα τίναξε όλο το οικοδόμημα στον αέρα με την κβαντική ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου που αποκάλυψε με τον πιο αναμφίβολο τρόπο την ύπαρξη του φωτεινού κβάντου. Ότι δηλαδή η κλασική θεωρία του ΗΜ πεδίου –όπως μας την παρέδωσε ο Maxwell και την εδραίωσε σχετικιστικά ο Einstein– πρέπει να «στηθεί» εκ νέου πάνω σε κβαντομηχανικές βάσεις. Η ιστορία θυμίζει λίγο τη... γέφυρα του ποταμού Κβάι. Μόνο που εδώ ο αρχιτέκτονας κι ο σαμποτέρ είναι το ίδιο πρόσωπο! Ο Αλβέρτος Αϊνστάιν. Η κριτική στάση του Einstein απέναντι στην κβαντική θεωρία είναι ευεξήγητη σ' αυτό το πλαίσιο. Απ' όλους τους φυσικούς της γενιάς του ήταν ο μόνος που μπορούσε να εκτιμήσει πλήρως την απαράμιλλη εσωτερική συνοχή και ομορφιά που έδωσε στην κλασική φυσική η σχετικιστική της αναδόμηση. Εκ των υστέρων είναι φανερό ότι την κβαντική επανάσταση θα μπορούσε να τη φέρει σε πέρας μόνο μια νεώτερη γενιά φυσικών που θα έμπαιναν στο «παιγνίδι» χωρίς τη συναισθηματική πρόσδεση στο κλασικό οικοδόμημα που βάραινε τον Einstein. Και πράγματι η κβαντομηχανική ήταν τελικά έργο των «πιτσιρικάδων». Του Niels Bohr (δημοσίευσε την κβαντική θεωρία του ατόμου του υδρογόνου στα 28 του) του Werner Heisenberg (ανακάλυψε τη μηχανική των μητρών στα 25 του και την αρχή της αβεβαιότητας στα 26) του Wolfgang Pauli (πρότεινε τους δύο βαθμούς ελευθερίας του σπιν στα 24 του και την απαγορευτική αρχή στα 25 του) και του Paul Dirac που ανακάλυψε τον γενικό φορμαλισμό της κβαντομηχανικής στα 24 και την εξίσωση Dirac στα 26 του! Κι ας μην ξεχνάμε βέβαια ότι το «θαυματουργό έτος» 1905 ο ίδιος ο Einstein ήταν 26 χρονών!
Εξίσου ενδιαφέρουσα με την επιστημονική είναι και η λοιπή ζωή του Einstein. Γεννήθηκε στο Ulm της Γερμανίας από μια –μάλλον άτυπη– εβραϊκή οικογένεια. Ο πατέρας του –μαζί με τον θείο του– λειτουργούσε ένα μικρό εργοστάσιο ηλεκτρικών συσκευών συνεχούς ρεύματος το οποίο όμως έκλεισε το 1894 λόγω της επικράτησης του εναλλασσόμενου ρεύματος και η οικογένεια μετακόμισε στην Ιταλία. Μη όντας οι ίδιοι θρησκευόμενοι εβραίοι, οι γονείς του Einstein μεγάλωσαν τον νεαρό Αλβέρτο σ' ένα πνεύμα ανεξιθρησκείας –με στοιχεία αγνωστικισμού– τα οποία χαρακτήριζαν τελικά και τον ίδιο τον Einstein στην ενήλικη ζωή του.
Τέλειωσε το πολυτεχνείο της Ζυρίχης το 1901 και ύστερα από δύο χρόνια μάταιης αναζήτησης βρήκε δουλειά στο γραφείο ευρεσιτεχνιών της Ζυρίχης με αντικείμενο εργασίας, μεταξύ άλλων, την εξέταση ηλεκτρομηχανικών μεθόδων συγχρονισμού ρολογιών σε απομακρυσμένες πόλεις. Ένα πρόβλημα που έθεταν τότε επιτακτικά οι εταιρείες σιδηροδρόμων προκειμένου να ρυθμίζουν με ... ελβετική ακρίβεια τα δρομολόγια των τραίνων. Και οι ιστορικοί της επιστήμης συμφωνούν σήμερα ότι η ενασχόληση μ' αυτό το πρόβλημα «έσπρωξε» το μυαλό του νεαρού υπαλλήλου προς το κατ' εξοχήν ερώτημα της ειδικής σχετικότητας. Το πρόβλημα του συγχρονισμού των ρολογιών. Με τη γνωστή απροσδόκητη απάντηση· ο συγχρονισμός των ρολογιών είναι σχετικός. Δυο ρολόγια συγχρονισμένα ως προς έναν παρατηρητή παύουν να φαίνονται συγχρονισμένα από κάποιον άλλο που κινείται ως προς τον πρώτο.
Η άνοδος του Χίτλερ στην εξουσία το 1933 θα βρει τον Einstein –καθηγητή πλέον στο Βερολίνο– σε επιστημονικό ταξίδι στο εξωτερικό απ' όπου και αποφασίζει να μην επιστρέψει. Εγκαθίσταται στο Princeton –στο Ινστιτούτο Προχωρημένων Σπουδών– και γίνεται αμερικανός πολίτης το 1940. Κατά τη διάρκεια του πολέμου, χρησιμοποίησε το κύρος του για να πείσει τον πρόεδρο Ρούσβελτ για την αναγκαιότητα ενός αμερικανικού πυρηνικού προγράμματος, θεωρώντας βέβαιο ότι η γερμανική πλευρά το είχε ήδη ξεκινήσει. Όμως μετά τον πόλεμο μεταστράφηκε σε μαχητικό ειρηνιστή και πολέμιο των πυρηνικών εξοπλισμών, υπογράφοντας ένα σχετικό μανιφέστο μαζί με τον φιλόσοφο Bertrand Russel. Το 1952 ο ισραηλινός πρωθυπουργός Μπεν Γκουριόν πρόσφερε στον Einstein τη θέση του προέδρου της χώρας του την οποία όμως ο Einstein αρνήθηκε. Στις Ηνωμένες Πολιτείες έγινε μέλος της Εθνικής οργάνωσης για τα δικαιώματα των εγχρώμων και διατηρούσε αλληλογραφία με ηγετικά στελέχη του κινήματος. Σε αντίθεση με τους περισσότερους φυσικούς της εποχής του, που δεν εκδήλωναν δημόσια τις πολιτικές ή θρησκευτικές τους πεποιθήσεις, ο Einstein δεν έκρυβε την προτίμησή του προς τις σοσιαλιστικές ιδέες –το σοσιαλιστικό κίνημα ήταν τότε πολύ ισχυρό και μέσα στο Ισραήλ– ενώ τα θρησκευτικά του πιστεύω κυμαίνονταν μεταξύ αγνωστικισμού και μιας απρόσωπης θεϊκής οντότητας χωρίς παρεμβατικό ρόλο στα ανθρώπινα.
Μια κορυφαία στιγμή στη ζωή του Einstein ήταν το 1919 όταν –στη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης ηλίου– μια βρετανική επιστημονική ομάδα υπό τον Arthur Eddington επιβεβαίωσε τη σχετικιστική πρόβλεψη ότι οι φωτεινές ακτίνες που φτάνουν σε μας από μακρινά άστρα θα πρέπει να κάμπτονται περνώντας δίπλα από τον ήλιο υπό την επίδραση του βαρυτικού του πεδίου. Ο κύριος τίτλος των Times του Λονδίνου της 7/11/1919 ήταν χαρακτηριστικός: «Επανάσταση στην επιστήμη – Νέα θεωρία για το Σύμπαν – Οι νευτώνειες ιδέες ανατρέπονται». Εν τούτοις το βραβείο Nobel το 1921 δόθηκε στον Einstein όχι για τη θεωρία της σχετικότητας αλλά για το ... φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
Πέθανε από ανεύρυσμα της αορτής, το 1955, και –σύμφωνα με την επιθυμία του– το σώμα του κάηκε και οι στάχτες σκορπίστηκαν στον άνεμο. Gone with the wind.
ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ
Ο Στέφανος Τραχανάς διδάσκει, μεταξύ άλλων, κβαντική φυσική και διαφορικές εξισώσεις στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης από το 1983 έως σήμερα. Από το 1986 και μετά είναι μέλος του επιστημονικού προσωπικού του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας και η διδασκαλία του στο τμήμα Φυσικής προσφέρεται δωρεάν.
Είναι συγγραφέας έντεκα πανεπιστημιακών συγγραμμάτων στα παραπάνω πεδία καθώς και των βιβλίων Το φάντασμα της όπερας: Η επιστήμη στον πολιτισμό μας και Το αμάρτημα της Εύας: Φυσική κάτω από τ’ άστρα και δημιουργική μάθηση, τα οποία απευθύνονται στο ευρύτερο μορφωμένο κοινό. Το βιβλίο του An Introduction to Quantum Physics κυκλοφόρησε πρόσφατα από τον εκδοτικό οίκο Wiley.
Το 2003 ανακηρύχτηκε σε επίτιμο διδάκτορα του Πανεπιστημίου Κρήτης ενώ το 2012 του απονεμήθηκε το Εθνικό βραβείο εξαίρετης πανεπιστημιακής διδασκαλίας Ξανθόπουλου - Πνευματικού. Για το σύνολο της προσφοράς του τιμήθηκε το 2015 με τον Ανώτερο Ταξιάρχη του Φοίνικα της Ελληνικής Δημοκρατίας.
Ως ιδρυτικό μέλος και διευθυντής των Πανεπιστημιακών Εκδόσεων Κρήτης του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας μέχρι το 2013, είχε τη βασική ευθύνη για τη δημιουργία του πρώτου πανεπιστημιακού εκδοτικού οίκου της χώρας. Τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον του στράφηκε στα ανοικτά διαδικτυακά μαθήματα και τους νέους δρόμους που αυτά ανοίγουν για την εξίσωση των ευκαιριών στην ποιοτική εκπαίδευση. Πιστεύει ότι η χώρα μας δεν μπορεί να μείνει έξω από τις επαναστατικές αλλαγές που συντελούνται αλλού σε αυτό το θέμα και γι’ αυτόν το σκοπό πήρε την πρωτοβουλία για την ίδρυση του Mathesis –ενός αυτόνομου και αυτοχρηματοδοτούμενου τμήματος των ΠΕΚ– στο οποίο και προσφέρει εθελοντικά την εργασία του τόσο ως διευθυντής του (πλήρους και αποκλειστικής απασχόλησης) όσο και ως δάσκαλος ή συγγραφέας. Η επιτυχία του «πειράματος» είναι το προσωπικό του στοίχημα για τα επόμενα χρόνια.
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου