Φανταστείτε έναν σουρεαλιστικό τρόπο σύνδεσης μιας ηλεκτρικής πηγής με έναν λαμπτήρα διαμέσου καλωδίων (μηδενικής αντίστασης) συνολικού μήκους 600.000 χιλιομέτρων, ενώ η πηγή και ο λαμπτήρας απέχουν μόνο 1 μέτρο!
Τίθεται το ερώτημα: μετά από πόσο χρόνο από το κλείσιμο του διακόπτη θα ανάψει ο λαμπτήρας;
Tο βράδυ της Παρασκευής 19 Νοεμβρίου πρόκειται να υπάρξει και μια μερική έκλειψη Σελήνης, η οποία όμως δεν θα είναι ορατή από την Ελλάδα. Το «μονοπάτι» της έκλειψης θα περάσει από την ανατολική Ρωσία, την Ιαπωνία, τον Ειρηνικό Ωκεανό, την Αμερική και τη Δυτική Ευρώπη.
Η μερική έκλειψη συμβαίνει 1,7 μέρες προτού το φεγγάρι φθάσει στο απόγειό του, δηλαδή στο πιο μακρινό σημείο της τροχιάς του από τη Γη, κάτι που αυξάνει τη διάρκεια της έκλειψης. Η ιδιαιτερότητά της είναι ότι θα πρόκειται όχι μόνο για τη μεγαλύτερης διάρκειας μερική σεληνιακή έκλειψη του αιώνα μας, αλλά για αυτήν με τη μεγαλύτερη διάρκεια έως το 2669, σύμφωνα με το Αστεροσκοπείο Holcomb της Ιντιάνα των ΗΠΑ.
Σύμφωνα με την Αμερικανική Διαστημική Υπηρεσία (NASA), η σχεδόν ολική έκλειψη – που θα καλύψει το 97% της πανσελήνου – θα διαρκέσει περίπου 3,5 ώρες, ενώ το συνολικό φαινόμενο – μαζί με την παρασκιά – θα διαρκέσει έξι ώρες. Η μακρύτερη ολική σεληνιακή έκλειψη του 21ού αιώνα έως τώρα είχε συμβεί το 2018 και είχε διαρκέσει μία ώρα και 43 λεπτά.
Καλλιτεχνική άποψη της έκλειψης όπως θα φαινόταν από την Σελήνη. Ο Ήλιος κρύβεται από τη Γη, αλλά η λάμψη του στέμματος του είναι ορατή.
Είχε προηγηθεί μια ολική έκλειψη Σελήνης στις 26 Μαΐου φέτος, ενώ θα ακολουθήσει μια ολική έκλειψη Σελήνης στις 15 Μαΐου 2022 και άλλη μία στις 7 Νοεμβρίου 2022. Οι σεληνιακές εκλείψεις συμβαίνουν, όταν ο Ήλιος, η Γη και η Σελήνη σχεδόν ευθυγραμμίζονται (συζυγία), με αποτέλεσμα το φεγγάρι να περνάει μέσα από τη σκιά της Γης και να παίρνει έτσι μια κοκκινωπή απόχρωση.
… χρησιμοποιώντας ένα μπαλάκι, μια μετροταινία και ένα χρονόμετρο.
Αφήνουμε ένα μπαλάκι να πέσει ελεύθερα από ύψος . Αν είναι το ύψος που φτάνει το μπαλάκι μετά την πρώτη αναπήδηση και το χρονικό διάστημα αναπηδήσεων, τότε να δείξετε ότι η επιτάχυνση της βαρύτητας υπολογίζεται από την σχέση:
όπου . (Υπόδειξη: )
Σύμφωνα με το παρακάτω βίντεο …
… αν κανείς βασιστεί στις αναπηδήσεις που κάνει το μπαλάκι του τένις (για το οποίο ισχύει λ≈0,5) θα μπορούσε να καταλήξει στην τιμή g=9,32 m/s2 με ένα σφάλμα περίπου 17%. Αν χρησιμοποιούσε αργή κίνηση στο βίντεο θα μπορούσε να πάρει την τιμή g=9,80m/s2 με σφάλμα περίπου 4%.
Και μια σχετική άσκηση που τέθηκε σε μαθητές Α’ Λυκείου την σχολική χρονιά 1972-73 (!): Ένα μπαλάκι αφήνεται να πέσει από ύψος 1,8 m. Μετά την πρώτη αναπήδηση ανεβαίνει σε ύψος 0,45 m. Θεωρήσατε ότι σε κάθε κρούση χάνει το ίδιο ποσοστό της μηχανικής του ενέργειας και ότι g=10 m/s2 και υπολογίσατε σε πόσο χρόνο από την στιγμή της πρώτης κρούσης θα ακινητοποιηθεί.
Tα νετρόνια είναι ασταθή σωματίδια όταν βρίσκονται έξω από τον πυρήνα των ατόμων. Όταν ένα νετρόνιο διασπάται, μεταπίπτει σε πρωτόνιο εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντι-νετρίνο:
Ο ακριβής προσδιορισμός του χρόνου ζωής των νετρονίων είναι μια από τις δυσκολότερες μετρήσεις στην πυρηνική φυσική.
Πριν από λίγες μέρες, η συνεργασία UCNτ από το εργαστήριο του Los Alamos δημοσίευσε την ακριβέστερη μέτρηση του χρόνου ζωής των νετρονίων που έγινε μέχρι σήμερα:
τn = 877,75 ± 0,36 s
Παραδόξως, δεν συγκρίνουν το αποτέλεσμα με προηγούμενες μετρήσεις, οπότε το έκανε αντ’ αυτών ο Martín González Alonso, δημοσιεύοντας το παρακάτω διάγραμμα στο Twitter:
Η γκρίζα ζώνη εκφράζει το εύρος του νέου μέσου όρου (878,64) που προκύπτει λαμβάνοντας υπόψιν όλες τις μετρήσεις και τα σφάλματά τους.
Tα μπλε σημεία προέρχονται από μετρήσεις με την ‘μέθοδο της φιάλης’, ενώ τα πράσινα από μετρήσεις με την ‘μέθοδο της δέσμης’. Οι πρώτη μετράει «ζωντανά νετρόνια», η δεύτερη «νεκρά».
Στην μέθοδο της φιάλης, υπερ-ψυχρά νετρόνια (UCN) με ενέργειες της τάξης των νανο-ηλεκτρονιοβόλτ, περιορίζονται σε μια παγίδα ή φιάλη που σχηματίζεται από συνδυασμούς μαγνητικών πεδίων, βαρύτητας και τοιχωμάτων. Ο χρόνος ζωής των νετρονίων προκύπτει μετρώντας τον αριθμό των σωματιδίων που επιβιώνουν στην παγίδα μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Με την μέθοδο της δέσμης, μια δέσμη νετρονίων γνωστής έντασης οδηγείται μέσα σε ηλεκτρομαγνητική παγίδα και μετρώνται τα πρωτόνια που προκύπτουν σε δεδομένο χρονικό διάστημα από την διάσπαση των νετρονίων.
«Ο μοναδικός λόγος για τον οποίο το κράτος μπορεί να περιορίσει την ελευθερία ενός μέλους μιας πολιτισμένης κοινότητας ενάντια στη θέλησή του είναι για να μην προκαλέσει βλάβη σε άλλους. Δεν αποτελεί, όμως, επαρκή νομιμοποίηση ο περιορισμός της ελευθερίας του ατόμου για το δικό του καλό, σωματικό ή ηθικό».
Το απόσπασμα προέρχεται από το πρώτο κεφάλαιο του σπουδαίου έργου του John Stuart Mill, OnLiberty (Περί ελευθερίας), το οποίο εκδόθηκε το 1859 και στο οποίο ο φιλόσοφος, σταθερά καχύποπτος έναντι του κράτους, προσπαθεί να προσδιορίσει τη φύση και τα όρια της εξουσίας που το τελευταίο νομιμοποιείται να ασκεί πάνω στα άτομα. Η αρχή την οποία εισηγείται ο Mill, γνωστή ως «αρχή της βλάβης» (harmprinciple), προκύπτει από την «αρχή της ωφέλειας» και υποστηρίζει ότι τα άτομα είναι ελεύθερα να ενεργούν σύμφωνα με τις επιθυμίες τους εφόσον οι ενέργειές τους δεν βλάπτουν τους άλλους, εγκαινιάζοντας έτσι μια νέα εποχή στις σχέσεις κράτους-ατόμου: η ατομική ελευθερία παύει να αποτελεί ευγενική παραχώρηση της κρατικής εξουσίας και, επίσης, παύει να αποτελεί πεδίο διαπραγμάτευσης στην περίπτωση έκτακτων συνθηκών. Η ελευθερία γίνεται πλέον η προτεραιότητα της οργανωμένης κοινωνίας.
Αυτή η θεμελιώδης –όσο και εύλογη- θέση έχει, ωστόσο, γεννήσει ευρύ προβληματισμό με αφετηρία το ίδιο το περιεχόμενο της λέξης «βλάβη». Εξηγώντας με κάποια σχηματικότητα τη θέση του Mill, φαίνεται ότι μιλώντας για βλάβη αναφέρεται: α) στην απτή βλάβη, όταν δηλαδή με τις πράξεις μας υποβάλλουμε κάποιον σε παράλογο κίνδυνο και β) στην ακραία «προσβολή» προς ένα πρόσωπο δια των ενεργειών ή των απόψεών μας και υπό την προϋπόθεση ότι οι ενέργειες ή οι απόψεις μας δεν μπορούν απλούστατα να ταξινομηθούν σε ό,τι αποδεχόμαστε ως ελευθερίας έκφρασης.
Σημαντικό είναι επίσης το γεγονός ότι ο Mill, θεωρώντας πως τα άτομα είναι ορθολογικά και, άρα, καταλληλότερα από κάθε άλλον να λάβουν αποφάσεις και να ρυθμίσουν τη ζωή τους, δεν υποστηρίζει καμία παρέμβαση στην περίπτωση που κάποιος αποφασίζει να βλάψει σοβαρά τον εαυτό του, απορρίπτοντας έτσι κάθε πατερναλιστική προσέγγιση του ζητήματος. Ως γνήσιος φιλελεύθερος, ο Mill υποστηρίζει ότι η ελευθερία έχει αυτόνομη αξία παρά τη διακινδύνευση που κάποιος αναλαμβάνει διαθέτοντάς την, αλλά και παρά τη διακινδύνευση που αναλαμβάνει η κοινωνία (δεδομένου ότι ο Mill δεν μπορεί παρά να αποδεχθεί ότι η πράξη ενός ατόμου επηρεάζει τη ζωή και όσων συνδέονται με αυτό). Τέλος, ο φιλόσοφος αντιτίθεται στον ηθικισμό, ισχυριζόμενος ότι η κοινωνία δεν δικαιούται να περιορίσει την ελευθερία ενός ατόμου με το επιχείρημα ότι της προκαλείται γενικότερη βλάβη από ορισμένες ηθικές ή αξιακές επιλογές του.
«Το άτομο είναι κυρίαρχο πάνω στον εαυτό του, πάνω στο σώμα του και στο μυαλό του», είναι η ρητή διατύπωση του Mill.
Τρεις επιστήμονες μοιράστηκαν το Νόμπελ Φυσικής 2021 για τις πρωτοποριακές μελέτες τους στην κατανόηση περίπλοκων φυσικών συστημάτων. Το μισό βραβείο μοιράστηκαν οι Syukuro Manabe(1/4) και ο Klaus Hasselmann(1/4) διότι έθεσαν τα θεμέλια της γνώσης μας για το κλίμα της Γης. Μπορείτε να διαβάσετε σχετικά ΕΔΩ: ‘Βραβείο Νόμπελ Φυσικής στα μοντέλα που προβλέπουν την κλιματική αλλαγή‘.
Ο Giorgio Parisi βραβεύθηκε με το ήμισυ του βραβείου Νόμπελ για την επαναστατική συμβολή του στη θεωρία των χαοτικών και τυχαίων φαινομένων.
Μέθοδοι για αδιάτακτα συστήματα
Γύρω στο 1980, ο Giorgio Parisi παρουσίασε τις ανακαλύψεις του για το πώς τα τυχαία φαινόμενα διέπονται από κρυμμένους κανόνες. H εργασία του θεωρείται σήμερα ως μια από τις σημαντικότερες συνεισφορές στη θεωρία πολύπλοκων συστημάτων.
Οι σύγχρονες μελέτες τέτοιων συστημάτων έχουν τις ρίζες τους στη στατιστική μηχανική που αναπτύχθηκε στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα από τους James C. Maxwell, Ludwig Boltzmann και J. Willard Gibbs. Η στατιστική μηχανική χρησιμοποίησε νέες μεθόδους για να περιγράψει συστήματα, όπως αέρια ή υγρά, που αποτελούνται από μεγάλο αριθμό σωματιδίων. Παίρνοντας υπόψιν τις τυχαίες κινήσεις των σωματιδίων η βασική ιδέα ήταν να υπολογιστούν οι μέσες τιμές των μεγεθών που περιγράφουν την συμπεριφορά των σωματιδίων αντί να μελετηθεί κάθε σωματίδιο ξεχωριστά. Για παράδειγμα, η θερμοκρασία σε ένα αέριο είναι ένα μέτρο της μέσης τιμής της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων του αερίου. Η στατιστική μηχανική είχε μεγάλη επιτυχία, επειδή μας έδωσε την μικροσκοπική ερμηνεία για τις μακροσκοπικές ιδιότητες σε αέρια και υγρά, όπως η θερμοκρασία και η πίεση.
Τα μόρια ενός αερίου μπορούν να θεωρηθούν ως μικροσκοπικές ελαστικές μπάλες, που κινούνται με ταχύτητες που αυξάνονται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Όταν μειώνεται η θερμοκρασία ή αυξηθεί η πίεση, τα μόρια συμπυκνώνονται πρώτα σε υγρή και στη συνέχεια σε στερεή μορφή. Η στερεά μορφή συνήθως είναι ένας κρύσταλλος, όπου τα σωματίδια είναι διατεταγμένα με μια συμμετρική δομή. Ωστόσο, αν αυτή η μεταβολή συμβεί γρήγορα, τα σωματίδια μπορεί να σχηματίσουν μια ακανόνιστη δομή, η οποία δεν αλλάζει ακόμη και όταν το υγρό ψυχθεί ή συμπιεστεί. Εάν το πείραμα επαναληφθεί, τα σωματίδια θα σχηματίσουν ένα νέο μοτίβο, παρά το γεγονός ότι η μεταβολή πραγματοποιήθηκε με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Γιατί τα αποτελέσματα είναι διαφορετικά;
Τα μαθηματικά πολύπλοκων και αδιάτακτων συστημάτων: Κάθε φορά που πολλοί πανομοιότυποι δίσκοι συμπιέζονται, σχηματίζεται ένα νέο ακανόνιστο μοτίβο παρά το ότι συμπιέζονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Τι είναι αυτό που καθορίζει το αποτέλεσμα; Ο Giorgio Parisi ανακάλυψε μια κρυφή δομή σ’ αυτά τα περίπλοκα άτακτα συστήματα που αντιπροσωπεύουν οι δίσκοι και βρήκε έναν τρόπο να τα περιγράψει μαθηματικά
Κατανοώντας την πολυπλοκότητα
Αυτά τα συμπιεσμένα σφαιρίδια είναι ένα απλό μοντέλο για το συνηθισμένο γυαλί και για κοκκώδη υλικά, όπως η άμμος ή το χαλίκι. Ωστόσο, το θέμα της αρχικής εργασίας του Parisi ήταν ένα διαφορετικό είδος συστήματος που ονομάζεται spin glass – στα ελληνικά συναντάται ως ‘ύαλος σπιν‘. Το όνομα αυτό δόθηκε λόγω του ότι τα σπιν των ατόμων του συστήματος έχουν συμπεριφορά ανάλογη των ”κανονικών” υάλων τα οποία είναι άμορφα και χωρικά παγωμένα. Πρόκειται για έναν ειδικό τύπο κράματος μετάλλου στο οποίο άτομα σιδήρου, για παράδειγμα, αναμιγνύονται τυχαία σε ένα πλέγμα ατόμων χαλκού. Παρόλο που υπάρχουν μόνο λίγα άτομα σιδήρου, αλλάζουν τις μαγνητικές ιδιότητες του υλικού με έναν ριζικό και πολύ μυστηριώδη τρόπο. Κάθε άτομο σιδήρου συμπεριφέρεται σαν ένας μικρός μαγνήτης, που επηρεάζεται από τα άλλα άτομα σιδήρου στην γειτονιά του. Σε έναν συνηθισμένο μαγνήτη, όλες οι ιδιο-περιστροφές (σπιν) δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση, αλλά σε ένα σύστημα υάλου σπιν αυτό αποτυγχάνει. Ορισμένα ζεύγη σπιν προσανατολίζονται προς την ίδια κατεύθυνση και άλλα προς την αντίθετη κατεύθυνση – πώς προκύπτει λοιπόν ένας βέλτιστος προσανατολισμός;
Η ύπαρξη σύγχυσης (frustration) συνεπάγεται την αδυναμία ταυτόχρονης ικανοποίησης: Όταν το ένα σπιν δείχνει προς τα πάνω και το άλλο προς τα κάτω, το τρίτο δεν μπορεί να τα ικανοποιήσει και τα δύο ταυτόχρονα, επειδή τα γειτονικά σπιν έχουν διαφορετικές κατευθύνσεις. Πώς βρίσκουν τα σπιν τον βέλτιστο προσανατολισμό; Ο Giorgio Parisi απάντησε σε αυτές τις ερωτήσεις για πολλά διαφορετικά υλικά και φαινόμενα.
Στην εισαγωγή του βιβλίου του για τα υαλώδη πρότυπα σπιν, ο Parisi γράφει ότι η μελέτη του είναι σαν να παρακολουθούμε τις ανθρώπινες τραγωδίες των έργων του Σαίξπηρ. Αν θέλετε να κάνετε ταυτόχρονα φίλους δύο άτομα τα οποία αντιπαθούνται μεταξύ τους, μπορεί να συγχυστείτε. Αυτό συμβαίνει εντονότερα σε μια κλασική τραγωδία, όπου φίλοι και εχθροί συναισθηματικά φορτισμένοι συναντώνται στη σκηνή. Πώς μπορεί να ελαχιστοποιηθεί η ένταση στην σκηνή;
Οι ύαλοι σπιν και οι εξωτικές τους ιδιότητες μας δείχνουν ένα μοντέλο για τα πολύπλοκα συστήματα. Στη δεκαετία του 1970, πολλοί φυσικοί, συμπεριλαμβανομένων αρκετών βραβευμένων με Νόμπελ, αναζήτησαν τρόπους για να περιγράψουν τις μυστηριώδεις υάλους σπιν. Μια μέθοδος που χρησιμοποίησαν ήταν το τέχνασμα των αντιγράφων. Στην μέθοδο αντιγράφων εξετάζεται η θερμοδυναμική συμπεριφορά πολλών ανεξάρτητων αντιγράφων του συστήματος. Αποδείχθηκε ότι υπάρχει υαλώδης φάση κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία Tc. Ωστόσο, όσον αφορά τη φυσική, τα αποτελέσματα των αρχικών υπολογισμών έδειξαν την αδυναμία αυτής της προσέγγισης εξαιτίας της ύπαρξης αρνητικής εντροπίας σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Το 1979, ο Parisi έκανε μια αποφασιστική ανακάλυψη όταν απέδειξε πώς εισάγοντας την έννοια της ”ρήξης συμμετρίας αντιγράφων”, το τέχνασμα των αντιγράφων θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί έξυπνα για την επίλυση του προβλήματος των υάλων σπιν. Ανακάλυψε μια κρυφή δομή στα αντίγραφα και βρήκε έναν τρόπο να την περιγράψει μαθηματικά. Χρειάστηκαν πολλά χρόνια για να αποδειχθεί η σωστή μαθηματική λύση του Parisi. Έκτοτε, η μέθοδος του χρησιμοποιήθηκε σε πολλά αδιάτακτα συστήματα και έγινε ακρογωνιαίος λίθος της θεωρίας περίπλοκων συστημάτων.
Η ύαλος σπιν είναι ένα κράμα μετάλλου όπου άτομα σιδήρου, για παράδειγμα, αναμιγνύονται τυχαία σε ένα πλέγμα ατόμων χαλκού. Κάθε άτομο σιδήρου συμπεριφέρεται σαν ένας μικρός μαγνήτης, ο οποίος επηρεάζεται από τους άλλους μαγνήτες γύρω του. Ωστόσο, σε ένα σύστημα υάλου σπιν ‘συγχύζονται’ και δυσκολεύονται να επιλέξουν προς ποια κατεύθυνση θα προσανατολιστούν. Εκδήλωση της σύγχυσης (frustration) είναι το πάγωμα των σπιν και η εκθετική αύξηση του χρόνου αποκατάστασης. Ο Parisi ανέπτυξε μια θεωρία που ερμηνεύει το φαινόμενο και εφαρμόζεται σε πολλά άλλα πολύπλοκα συστήματα.
Οι καρποί της σύγχυσης είναι πολλοί και ποικίλοι
Τόσο τα υαλώδη συστήματα σπιν όσο και τα κοκκώδη υλικά είναι παραδείγματα συστημάτων στα οποία εκδηλώνεται σύγχυση (frustration), όπου διάφορα συστατικά πρέπει να τακτοποιηθούν με τρόπο που να συμβιβάζει τις δυνάμεις που δρουν αντίθετα. Το ερώτημα είναι πώς συμπεριφέρονται και ποια είναι τα αποτελέσματα. Ο Parisi απάντησε σε αυτές τις ερωτήσεις για πολλά διαφορετικά υλικά και φαινόμενα. Οι θεμελιώδεις ανακαλύψεις του για την δομή των υάλων σπιν ήταν τόσο βαθιές που δεν επηρέασαν μόνο την φυσική, αλλά και τα μαθηματικά, τη βιολογία, τη νευροεπιστήμη και την μηχανική μάθηση, επειδή όλα αυτά τα πεδία περιλαμβάνουν προβλήματα που σχετίζονται άμεσα με την σύγχυση (frustration). Σε μια ομιλία του ο νομπελίστας φυσικός Philip Anderson είχε πει: ‘Οι ύαλοι σπιν αποτελούν την γέφυρα μεταξύ βιολογίας, στατιστικής μηχανικής και επιστήμης υπολογιστών’.
Ο Parisi μελέτησε επίσης και πολλά άλλα φαινόμενα στα οποία οι τυχαίες διαδικασίες παίζουν καθοριστικό ρόλο στο πώς δημιουργούνται και πώς αναπτύσσονται οι δομές, και εξετάζει ερωτήματα όπως: Γιατί έχουμε περιοδικά επαναλαμβανόμενες εποχές των παγετώνων; Υπάρχει γενικότερη μαθηματική περιγραφή του χάους και της τυρβώδους ροής; Ή – πώς προκύπτουν τα μοτίβα σε σμήνη πουλιών (ψαρόνια); Αυτή η ερώτηση μπορεί να φαίνεται εντελώς άσχετη με τα υαλώδη σπιν. Όμως, ο Parisi μας έδειξε το πώς οι απλές συμπεριφορές δημιουργούν πολύπλοκες συλλογικές συμπεριφορές και αυτό ισχύει και για τα υαλώδη σπιν και για τα ψαρόνια.
Οι φυσικοί του Πανεπιστημίου της Βρέμης, στη Γερμανία έφτασαν στην χαμηλότερη θερμοκρασία που έχει καταγραφεί ποτέ σε εργαστήριο. Το πέτυχαν ως μέρος ενός πειράματος που περιλάμβανε την ελεύθερη πτώση κβαντικού αερίου (συμπύκνωμα Bose-Einstein) και επιβράδυνση της κίνησής του με μαγνητικά πεδία.
Το απόλυτο μηδέν, Τ=0 Κ ή θ=-273,15°C είναι η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία σύμφωνα με την θερμοδυναμική. Αν κάποιο σώμα μπορούσε να φτάσει σ’ αυτή τη θερμοκρασία, τότε τα άτομα που το αποτελούν θα έπρεπε να είναι ακίνητα. Όμως κάτι τέτοιο είναι αδύνατο να συμβεί σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας της κβαντική φυσικής, επομένως είναι αδύνατη η επίτευξη του απολύτου μηδενός. Μπορούμε όμως να το πλησιάσουμε. Πειράματα όπως αυτά που διεξήχθησαν στο Cold Atom Lab του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού έφτασαν στην θερμοκρασία των 50 picokelvins, ή 50∙10-12Κ.
Ρεκόρ χαμηλότερης θερμοκρασίας σε εργαστήριο
Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου της Βρέμης έχει καταρρίψει τα προηγούμενα ρεκόρ, καταγράφοντας στα πειράματά της θερμοκρασία Τ=38 picoKelvin, ή 38∙10-12Κ. Καθώς μελετούσαν τις κυματικές ιδιότητες των ατόμων, δημιουργήθηκε για λίγα δευτερόλεπτα ένα από τα «ψυχρότερα μέρη του σύμπαντος» στο Κέντρο Εφαρμοσμένης Διαστημικής Τεχνολογίας και Μικροβαρύτητας (ZARM) στο Πανεπιστήμιο της Βρέμης.
Για τα πειράματά της, η ομάδα παγίδευσε σε θάλαμο κενού με μαγνητικό πεδίο ένα νέφος αερίου αποτελούμενο από 100.000 άτομα ρουβιδίου. Στη συνέχεια ψύχθηκε για να μετατραπεί σε ένα κβαντικό αέριο που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein. Καθώς τα άτομα στα συμπυκνώματα Bose-Einstein κινούνται συλλογικά, οι επιστήμονες τα χρησιμοποιούν σε πειράματα για να παρατηρήσουν ασυνήθιστες κβαντικές επιδράσεις στη μακροκλίμακα, διευρύνοντας έτσι τις γνώσεις τους για την κβαντική στατιστική φυσική.
Προκειμένου να επιτευχθεί η χαμηλότερη θερμοκρασία-ρεκόρ, οι ερευνητές άφησαν το συμπύκνωμα Bose-Einstein να πέσει από ύψος 120 μέτρων στην ερευνητική εγκατάσταση του Bremen Drop Tower. Ταυτόχρονα ενεργοποίησαν έναν συλλογικό τρόπο ταλάντωσης στο συμπύκνωμα Bose-Einstein χρησιμοποιώντας μαγνητικούς φακούς, επιτυγχάνοντας τελικά, σχεδόν την πλήρη ακινητοποίηση των ατόμων ρουβιδίου. Στην ουσία μείωσαν δραστικά την θερμοκρασία τους λόγω της ελάχιστης ταχύτητας των ατόμων.
Οι ερευνητές μπόρεσαν να διατηρήσουν τη χαμηλή θερμοκρασία ρεκόρ για 2 δευτερόλεπτα, αν και πραγματοποίησαν προσομοιώσεις που δείχνουν ότι θα μπορούσε να διατηρηθεί για περίπου 17 δευτερόλεπτα σε ένα περιβάλλον χωρίς βαρύτητα, όπως ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός. Αυτό σημαίνει ότι ενδεχομένως να διεξαχθεί περαιτέρω έρευνα στο εργαστήριο του Διαστημικού Σταθμού Cold Atom Lab (CAL).
Μεγάλο μέρος της αστροβιολογίας επικεντρώνεται στην αναζήτηση εξωγήινων οργανισμών των οποίων η χημεία είναι παρόμοια με τη δική μας – κάτι το οποίο θα μπορούσε κάλλιστα να μην ισχύει.
Το προηγούμενο εξάμηνο, στο σεμινάριο των πρωτοετών φοιτητών μου στο Harvard, ανέφερα ότι το πλησιέστερο άστρο στον ήλιο, ο Εγγύτατος του Κενταύρου, εκπέμπει κυρίως υπέρυθρη ακτινοβολία και ότι στην λεγόμενη κατοικίσιμη ζώνη του διαθέτει έναν πλανήτη, τον Εγγύτατο b. Έκανα την εξής ερώτηση στους φοιτητές: «Αν υποθέσουμε ότι υπάρχουν πλάσματα που βρίσκονται στην επιφάνεια του Proxima b, πώς θα ήταν τα μάτια τους που είναι ευαίσθητα στο υπέρυθρο; » Ο πιο γρήγορος φοιτητής στην τάξη απάντησε μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα με μια εικόνα της γαρίδας μάντης, η οποία διαθέτει υπέρυθρη όραση. Τα μάτια της γαρίδας είναι σαν δυο μπαλάκια του πινγκ-πονγκ που εξέχουν στο κεφάλι της. «Μοιάζει με εξωγήινο», ψιθύρισε.
Γαρίδα μάντης. Τα μάτια της είναι πολύ ανεπτυγμένα καθώς μπορούν να δουν ένα μεγάλο μέρος του ηλιακού φάσματος διότι έχει δώδεκα φωτοευαίσθητους υποδοχείς, ενώ ο άνθρωπος έχει μόνο τρεις
Όταν προσπαθούμε να φανταστούμε κάτι που δεν έχουμε δει ποτέ, συχνά επιλέγουμε κάτι που έχουμε ήδη δει. Για το λόγο αυτό, στην αναζήτησή μας για εξωγήινη ζωή συνήθως ψάχνουμε τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε. Όμως, υπάρχει τρόπος για να προεκτείνουμε τη φαντασία μας όσον αφορά την άγνωστης μορφής εξωγήινη ζωή;
Στη φυσική, ένας τέτοιος τρόπος είχε ήδη καθιερωθεί πριν από έναν αιώνα και αποδείχθηκε επιτυχής. Περιλαμβάνει τη διεξαγωγή εργαστηριακών πειραμάτων που αποκαλύπτουν τους νόμους της φυσικής, οι οποίοι με τη σειρά τους ισχύουν για ολόκληρο το σύμπαν. Για παράδειγμα, περίπου την ίδια εποχή που ο James Chadwick το 1932 ανακάλυψε το νετρόνιο στο εργαστήριο του, ο Lev Landau ισχυρίστηκε ότι μπορεί να υπάρχουν άστρα φτιαγμένα από νετρόνια. Οι αστρονόμοι στη συνέχεια συνειδητοποίησαν ότι τελικά υπάρχουν περίπου 100 εκατομμύρια άστρα νετρονίων μόνο στον γαλαξία μας – και ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερο στο παρατηρήσιμο σύμπαν. Πρόσφατα, το πείραμα LIGO ανίχνευσε σήματα βαρυτικών κυμάτων από συγκρούσεις μεταξύ άστρων νετρονίων σε κοσμολογικές αποστάσεις. Μάλιστα, θεωρείται ότι σε τέτοιες συγκρούσεις παράγονται πολλά βαριά στοιχεία όπως ο πολύτιμος χρυσός. Το μήνυμα αυτής της ιστορίας είναι ότι οι φυσικοί μπόρεσαν να φανταστούν κάτι νέο στο σύμπαν και να το αναζητήσουν στον ουρανό, ακολουθώντας τις γνώσεις που αποκτήθηκαν από εργαστηριακά πειράματα στη Γη.
Η αναζήτηση εξωγήινης ζωής μπορεί να ακολουθήσει παρόμοια προσέγγιση. Δημιουργώντας συνθετική ζωή με διάφορους τρόπους από μια σούπα χημικών στοιχείων στο εργαστήριο, θα μπορούσαμε να φανταστούμε νέα περιβάλλοντα όπου η ζωή θα μπορούσε να υπάρξει διαφορετικά από ότι στη Γη. Η κατάσταση είναι παρόμοια με το γράψιμο ενός βιβλίου συνταγών με συνταγές για το ψήσιμο διαφορετικών τύπων κέικ. Για να γράψουμε ένα τέτοιο ‘βιβλίο συνταγών’, πρέπει να πειραματιστούμε με πολλά είδη χημικών στοιχείων. Και επίσης, όπως αναφέρω σε μια εργασία με τον Manasvi Lingam, αυτός ο πειραματισμός μπορεί να χρησιμοποιήσει κι άλλα υγρά εκτός από το νερό, το οποίο θεωρείται απαραίτητο για τη ζωή που γνωρίζουμε.
Ένας από τους συναδέλφους μου στο Harvard, ο νομπελίστας Jack Szostak, βρίσκεται πολύ κοντά στην δημιουργία συνθετικής ζωής στο εργαστήριό του. Οποιαδήποτε επιτυχία με μια μόνο συνταγή μπορεί να προτείνει παραλλαγές που θα παρήγαγαν μια ποικιλία αποτελεσμάτων, για να ενταχθούν στο βιβλίο συνταγών μας για συνθετική ζωή. Με τον προσδιορισμό των κατάλληλων περιβαλλοντικών συνθηκών από τα εργαστηριακά μας πειράματα, μπορούμε αργότερα να αναζητήσουμε πραγματικά συστήματα όπου πραγματοποιούνται στο διάστημα, όπως στην περίπτωση των άστρων νετρονίων.
Ακολουθώντας αυτήν την προσέγγιση, θα πρέπει να είμαστε τόσο προσεκτικοί όσο και στην χρήση της πυρηνικής ενέργειας. Η δημιουργία τεχνητών παραλλαγών ζωής στα εργαστήριά μας φέρνει τον κίνδυνο πρόκλησης καταστροφής, όπως στην ιστορία του Φρανκενστάιν. Τέτοιοι πειραματισμοί πρέπει να εκτελούνται σε απομονωμένα εργαστήρια, έτσι ώστε τα ατυχήματα με τις μορφές ζωής που δεν γνωρίζουμε να μην θέτουν σε κίνδυνο την μορφή της ζωή που γνωρίζουμε.
Παρότι οι επιφάνειες των πλανητών και των αστεροειδών μπορούν να εξερευνηθούν εξ αποστάσεως για βιολογικές υπογραφές, η εξωγήινη ζωή μπορεί να είναι πιο άφθονη κάτω από την επιφάνειά τους. Θα μπορούσαν να υπάρχουν συνθήκες που ευνοούν την ανάπτυξη ζωής στους ωκεανούς που βρίσκονται κάτω από παγωμένες επιφάνειες, όχι μόνο σε δορυφόρους όπως ο Εγκέλαδος του Κρόνου ή η Ευρώπη του Δία, αλλά και μέσα σε αντικείμενα που κινούνται ελεύθερα στον διαστρικό χώρο. Σε άλλη έρευνα με τον Lingam, δείξαμε ότι ο αριθμός των αντικειμένων που φέρουν ζωή θα μπορούσε να υπερβαίνει τον αριθμό των πλανητών στην κατοικήσιμη ζώνη γύρω από άστρα κατά πολλές τάξεις μεγέθους.
Η προσαρμογή της ζωής σε ακραία περιβάλλοντα θα μπορούσε να λάβει εξωτικές μορφές, όπως για παράδειγμα τα ακραιόφιλα στη Γη. Πρόσφατα ανακαλύφθηκε κατεψυγμένη μικροσκοπική μορφή ζωής που επιβίωσε 24.000 χρόνια στον μόνιμο παγετό της Σιβηρίας και βρέθηκε ότι η μικροβιακή ζωή επιμένει 100 εκατομμύρια χρόνια κάτω από τον θαλάσσιο βυθό. Αυτά τα μικρόβια γεννήθηκαν κατά τη διάρκεια της θερμής Κρητιδικής περιόδου, όταν οι δεινόσαυροι κυριαρχούσαν στη Γη.
Στο ηλιακό σύστημα, οι συνθήκες παρόμοιες με την Γη πραγματοποιήθηκαν στους πλησιέστερους γείτονές της, την Αφροδίτη και τον Άρη. Η NASA επέλεξε πρόσφατα δύο νέες αποστολές για τη μελέτη της Αφροδίτης και το διαστημικό όχημα Perseverance ψάχνει ίχνη ζωής στον Άρη. Αν βρεθεί εξωγήινη ζωή, το επόμενο ερώτημα θα είναι αν πρόκειται για «ζωή όπως τη γνωρίζουμε». Αν όχι, θα συνειδητοποιήσουμε ότι υπάρχουν πολλαπλά χημικά μονοπάτια προς την φυσική ζωή. Αλλά αν βρούμε στοιχεία για τη ζωή του Άρη ή της Αφροδίτης που μοιάζουν με τη γήινη ζωή, τότε αυτό μπορεί να υποδηλώνει μια ιδιαίτερη προτίμηση για τη «ζωή όπως τη γνωρίζουμε». Εναλλακτικά, η ζωή θα μπορούσε να έχει μεταφερθεί από αστεροειδείς που ταξίδευαν μεταξύ των πλανητών μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται πανσπερμία. Ο μαθητής μου Amir Siraj και εγώ γράψαμε μια εργασία στην οποία δείχνουμε ότι η μεταφορά της ζωής θα μπορούσε να έχει μεταφερθεί από αστεροειδείς που διέρχονται πολύ κοντά, μέσα από την ατμόσφαιρα των πλανητών. Θα πρέπει επίσης να έχουμε στο μυαλό μας και την πολύ μικρή πιθανότητα η ζωή να φυτεύτηκε στο εσωτερικό ηλιακό σύστημα από έναν «εξωηλιακό κηπουρό», δηλαδή μέσω «κατευθυνόμενης πανσπερμίας».
Η πιο ζωντανή ανάμνηση της παιδικής μου ηλικίας είναι οι συζητήσεις στις οποίες οι μεγάλοι προσποιούνταν ότι γνώριζαν πολύ περισσότερα από ό,τι στην πραγματικότητα. Και αν διατύπωνα μια ερώτηση για την οποία δεν είχαν έτοιμη απάντηση, θα την απέρριπταν ως άσχετη. Η εμπειρία μου ως επιστήμονας δεν διαφέρει, ειδικά όταν θέτω την ερώτηση: «Are We Really the Smartest Kid on the Cosmic Block?;«
Η επιστήμη μας προσφέρει το προνόμιο να διατηρήσουμε την παιδική μας περιέργεια. Η πρόοδος της επιστημονικής γνώσης μέσω πειραματισμού δεν μπορεί να σταματήσει. Εδώ ελπίζουμε ότι θα βρούμε μια συνταγή για τεχνητή ζωή που θα μας επιτρέψει να φανταστούμε κάτι πολύ πιο έξυπνο από τη φυσική ζωή που συναντήσαμε μέχρι τώρα. Κι αυτό θα είναι μια ταπεινωτική εμπειρία. Αλλά ακόμα κι αν δεν ανακαλύψουμε αυτήν την υπέρτατη νοημοσύνη στα εργαστήριά μας, τα υποπροϊόντα της μπορεί να εμφανιστούν στον ουρανό μας ως αλληλογραφία που αποστέλλεται από τις μακρινές γειτονιές του Γαλαξία μας. Και θα τα ψάξουμε μέσα από τα τηλεσκόπια του προγράμματος Galileo. που ανακοινώθηκε προσφάτως.
Παλαιότερα το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble είχε παρατηρήσει την συρρίκνωση της μεγάλης ερυθράς κηλίδας του Δία. Τώρα διαπιστώνει ότι αυξάνεται και η ταχύτητα περιστροφής της.
Αναλύοντας τις εικόνες που έλαβε το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble από το 2009 έως το 2020, οι αστρονόμοι διαπίστωσαν ότι η μέση ταχύτητα της θύελλας ακριβώς εντός των ορίων της μεγάλης κόκκινης κηλίδας, που ξεκινά από το εξωτερικό του πράσινου κύκλου (βλέπε παραπάνω σχήμα), αυξήθηκε έως και 8% από το 2009 έως το 2020 και ξεπερνά τα 400 μίλια την ώρα. Αντίθετα, οι άνεμοι κοντά στην εσωτερική περιοχή της καταιγίδας, που ξεκινούν από τον μικρότερο πράσινο δακτύλιο, κινούνται πολύ πιο αργά. Και οι δύο κινούνται αριστερόστροφα.
Υπενθυμίζεται ότι η η μεγάλη ερυθρά κηλίδα είναι μια επίμονη περιοχή υψηλών πιέσεων («βαρομετρικό υψηλό σύστημα») στην ατμόσφαιρα του πλανήτη Δία, που συντηρεί μια αντικυκλωνική θύελλα, την μεγαλύτερη σε ολόκληρο το ηλιακό σύστημα, 22ο νοτίως του ισημερινού του Δία. Παρατηρείται συνεχώς από το έτος 1830 και μετά. Υπάρχουν ιστορικές αναφορές για μία «μόνιμη κηλίδα» στην επιφάνεια του Δία, οι οποίες ξεκινούν ήδη από το 1665 έως το 1713, αν και οι σημερινοί αστρονόμοι διαφωνούν κατά πόσο όντως επρόκειτο από τότε για την ίδια «μεγάλη ερυθρά κηλίδα». Αν αυτό αληθεύει, τότε η κηλίδα υπάρχει εδώ και τουλάχιστον 360 έτη.
Δείτε το σχετικό βίντεο της ΝΑSA:
Αφού οι παλαιότερες παρατηρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου έδειξαν ότι η ερυθρά κηλίδα του Δία συρρικνώνεται, μήπως λοιπόν η παρατηρούμενη αύξηση της ταχύτητας οφείλεται στην αρχή διατήρησης της στροφορμής; (όπως ακριβώς συμβαίνει στο βίντεο που ακολουθεί)
Το Διάστημα είναι εν γένει σιωπηλό. Συνήθως, τα δεδομένα που συλλέγονται από τηλεσκόπια μετατρέπονται σε αθόρυβους χάρτες, γραφήματα και εικόνες. Όμως, οι αστρονόμοι του Παρατηρητηρίου Ακτίνων Χ Chandra και ερευνητές της NASA έχουν ξεκινήσει ένα πρόγραμμα ‘ηχοποίησης’ που σκοπό έχει να μετατρέπει δεδομένα από τα πιο ισχυρά τηλεσκόπια του κόσμου σε ήχο. Αυτή η προσπάθεια καθιστά δυνατή την εμπειρία δεδομένων από κοσμικές πηγές με μια διαφορετική αίσθηση: την ακοή. Αυτή η προσπάθεια μας επιτρέπει να «ακούσουμε» κοσμικές πηγές, όπως φαίνονται μέσα από τις ακτίνες Χ, ορατό και υπέρυθρο φως.
Η τελευταία έκδοση αυτού του προγράμματος ηχοποιεί τρεις περιοχές, όπου σε κάθε περίπτωση εφαρμόζεται διαφορετική τεχνική για να μεταφράσει τα αστρονομικά δεδομένα σε ήχους που μπορούν να ακούσουν οι άνθρωποι:
1. Μια περιοχή του διαστήματος όπου γεννιούνται άστρα (Westerlund 2):
2. Τα υπολείμματα από την έκρηξη του σουπερνόβα Tycho:
3. Την περιοχή γύρω από την πιο γνωστή μαύρη τρύπα Messier 87:
. Αν 
είναι το ύψος που φτάνει το μπαλάκι μετά την πρώτη αναπήδηση και 
το χρονικό διάστημα 
αναπηδήσεων, τότε να δείξετε ότι η επιτάχυνση της βαρύτητας υπολογίζεται από την σχέση:
. (Υπόδειξη: 
)
