Φυσική & Φιλοσοφία (266 άρθρα)

Το σύμπαν μέσα μας

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Το σύμπαν μέσα μας

Σε σύγκριση με την απεραντοσύνη του σύμπαντος, ένας άνθρωπος φαίνεται ασήμαντος. Όμως, ένα ολόκληρο σύμπαν κρύβεται μέσα στον καθένα μας.

Επτά εντυπωσιακές συγκρίσεις ανάμεσα στο σύμπαν και το ανθρώπινο σώμα

Η Γη περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο και ο Ήλιος μας γύρω από το κέντρο ενός τεράστιου Γαλαξία. Όμως ο ίδιος ο Γαλαξίας μας δεν είναι παρά μια σταγόνα στον κοσμικό ωκεανό που αποτελεί το αχανές σύμπαν, ηλικίας 13,8 δισεκατομμυρίων ετών.
Ένας άνθρωπος μπορεί να φαίνεται απειροελάχιστος σε σύγκριση με την κλίμακα του κόσμου, αλλά μέσα στον καθένα μας υπάρχει ένα ολόκληρο σύμπαν αποτελούμενο από όργανα, κύτταρα, μόρια, άτομα και πολλά άλλα.
Συγκρίνοντας όσα υπάρχουν μέσα μας με τα μεγέθη του παρατηρήσιμου σύμπαντος, μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα την σχέση ανάμεσα στο απίστευτα μεγάλο και το απίστευτα μικρό.

Στον παραπάνω περιοδικό πίνακα στοιχείων αποτυπώνονται αναλυτικά όλα τα χημικά στοιχεία και η κοσμική τους προέλευση.

Το παρατηρήσιμο σύμπαν είναι κολοσσιαίο σε σύγκριση με έναν άνθρωπο: είναι πάνω από 1026 φορές μεγαλύτερο. Οι επτά συγκρίσεις που ακολουθούν αναδεικνύουν το μέγεθος αυτών των ασύλληπτα διαφορετικών κόσμων:

1. Τα ανθρώπινα κύτταρα είναι συγκρίσιμα σε αριθμό με τα σφαιρικά ουράνια σώματα του Γαλαξία μας

Κάθε ανθρώπινο σώμα διαθέτει περίπου 80 τρισεκατομμύρια κύτταρα. Υπάρχουν περίπου 30–40 τρισεκατομμύρια ερυθρά αιμοσφαίρια στο ανθρώπινο σώμα — μακράν ο πιο κοινός τύπος κυττάρων που παράγονται από τον άνθρωπο.
Αντίστοιχα, ο Γαλαξίας μας φιλοξενεί περίπου 400 δισεκατομμύρια άστρα. Αν γύρω από καθένα από αυτά υπάρχουν κατά μέσο όρο δεκάδες μεγάλα σφαιρικά σώματα, όπως πλανήτες, πλανήτες-νάνοι και μεγάλοι δορυφόροι, τότε ο συνολικός αριθμός τους φτάνει τα δεκάδες τρισεκατομμύρια, δηλαδή βρίσκεται στην ίδια τάξη μεγέθους με τον συνολικό αριθμό των κυττάρων ενός ανθρώπινου σώματος.

2. Περισσότερα κύτταρα από το σύνολο των γαλαξιών

Ο αριθμός των κυττάρων στο σώμα μας ξεπερνά κατά πολύ τον αριθμό των γαλαξιών στο παρατηρήσιμο σύμπαν, ο οποίος εκτιμάται στα 2 τρισεκατομμύρια (ή έως 20 τρισεκατομμύρια σύμφωνα με κάποιες άλλες εκτιμήσεις).
Ένα ανθρώπινο σώμα διαθέτει πολλαπλάσια κύτταρα από όλους τους γαλαξίες που υπάρχουν σε ολόκληρο το ορατό κοσμικό μας περιβάλλον.

3. Ο καθημερινός κυτταρικός θάνατος ισοδυναμεί με έναν ολόκληρο γαλαξία αστέρων

Κάθε μέρα πεθαίνουν 50–70 δισεκατομμύρια κύτταρα μέσα στο σώμα μας: ένας αριθμός συγκρίσιμος με τον συνολικό αριθμό των νευρώνων του εγκεφάλου μας, αλλά και με το σύνολο των άστρων σε έναν μεσαίο γαλαξία.
Για παράδειγμα, ο σπειροειδής γαλαξίας του Τριγώνου (Messier 33), ο τρίτος μεγαλύτερος της Τοπικής Ομάδας, περιέχει περίπου 40–50 δισεκατομμύρια άστρα. Ο αριθμός των κυττάρων που ανακυκλώνονται καθημερινά στον οργανισμό μας μέσω της συνεχούς ανανέωσης και απομάκρυνσης κυττάρων αντιστοιχεί στον αφανισμό και την αναγέννηση ενός ολόκληρου τέτοιου γαλαξία.

4. Οι γαλαξίες ενός σμήνους είναι σαν τα όργανα, τους μυς και τα οστά μας

Τα περισσότερα γαλαξιακά σμήνη μπορούν να περιέχουν περίπου χίλιους ή και περισσότερους γαλαξίες.
Αντίστοιχα, το ανθρώπινο σώμα διαθέτει 79 όργανα, 206 οστά και περίπου 700 σκελετικούς μυς, συνολικά γύρω στα 1.000 διακριτά δομικά στοιχεία. Αυτά τα τρία συστήματα συνδυαστικά αποτελούν τη συντριπτική πλειονότητα της μάζας του ανθρώπινου σώματος, με τον ίδιο τρόπο που τα μέλη ενός γαλαξιακού σμήνους συγκροτούν τη δομή του.

5. Το νερό είναι η «σκοτεινή ύλη» του σώματος

Οι άνθρωποι αποτελούνται κατά κύριο λόγο (50–80%, ανάλογα με την ηλικία) από νερό, ενώ το σύμπαν κυριαρχείται κατά 80–85% από σκοτεινή ύλη ως προς την συνολική μάζα της ύλης του.
Όπως η σκοτεινή ύλη αποτελεί το αόρατο αλλά κυρίαρχο συστατικό μάζας που συγκρατεί τους γαλαξίες και τα κοσμικά νήματα, έτσι και το νερό αποτελεί το απαραίτητο, κυρίαρχο υγρό υπόστρωμα που διαποτίζει και συγκρατεί τη λειτουργία όλων των ιστών μας.

6. Το κυκλοφορικό μας σύστημα ως προς το σώμα μας είναι ό,τι ο Γαλαξίας για το Ηλιακό Σύστημα

Η αναλογία του συνολικού μήκους των αγγείων του κυκλοφορικού μας συστήματος (αν απλωθούν όλα τα τριχοειδή αγγεία) ως προς το ύψος μας είναι περίπου 60.000.000 προς 1.
Αυτή η ακραία αναλογία ισούται με την αναλογία της διαμέτρου της Ζώνης του Kuiper (της άκρης του πλανητικού μας «σπιτιού») προς τη διάμετρο ολόκληρου του Γαλαξία μας.

7. Εκατομμύρια άτομα στο σώμα μας για κάθε άστρο του σύμπαντος

Υπάρχουν περίπου 1028 άτομα μέσα σε ένα μόνο ανθρώπινο σώμα, αριθμός που επισκιάζει κατά πολύ τα περίπου 2 \times 10^{21} άστρα που υπάρχουν σήμερα στο παρατηρήσιμο σύμπαν.
Για κάθε μεμονωμένο άστρο που λάμπει στον νυχτερινό ουρανό ολόκληρου του παρατηρήσιμου κόσμου, το σώμα μας περιέχει αρκετά εκατομμύρια άτομα.

ΠΗΓΗ

Κατηγορίες:
Και κάτι άλλο..., Φυσική & Φιλοσοφία

Το διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman καταγράφει τα πρώτα φωτόνια αστρικού φωτός

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Η πρώτη ματιά του διαστημικού τηλεσκοπίου Nancy Grace Roman στο κοσμικό φως

Οι επιστήμονες του Διαστημικού Τηλεσκοπίου Nancy Grace Roman της NASA ενεργοποίησαν με επιτυχία τα βασικά επιστημονικά όργανά του, εκτελώντας μια σειρά κρίσιμων δοκιμών καθώς το τηλεσκόπιο ταξιδεύει προς τον τελικό του προορισμό στο σημείο Lagrange 2 (L2). Διαπίστωσαν ότι όλα τα συστήματα λειτουργούν άψογα.
Η υπέρυθρη κάμερα 300 megapixel Wide Field Instrument (WFI) ενεργοποιήθηκε στις 11 Σεπτεμβρίου, μετά από μια 10ήμερη διαδικασία αποβολής υγρασίας. Η θερμοκρασία του οργάνου μειώθηκε σταδιακά στους -183°C, επιτρέποντας στους μηχανικούς να ελέγξουν επιτυχώς τους 18 ανιχνευτές, το σύστημα βαθμονόμησης, τους φακούς/πρίσματα και τον μηχανισμό εστίασης. Το WFI κατέγραψε ήδη τα πρώτα του φωτόνια (μια δοκιμαστική, εκτός εστίασης εικόνα) και θα χρησιμοποιηθεί για την σάρωση τεράστιων τμημάτων του ουρανού με σκοπό τη μελέτη εξωπλανητών, της σκοτεινής ενέργειας και της κοσμικής δομής:

Αυτή είναι η πρώτη δοκιμαστική εικόνα που συνέλαβε το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman της NASA.

Σύμφωνα με τον ερευνητή Josh Schlieder: «Μετά από χρόνια προσπαθειών για την κατασκευή και δοκιμή του οργάνου WFI στο έδαφος, διαπιστώσαμε ότι είναι λειτουργικό στο διάστημα». Μαζί με το WFI, οι μηχανικοί της NASA δοκίμασαν τις επικοινωνίες με τον στεμματογράφο (coronagraph) του τηλεσκοπίου – μια πολύπλοκη διάταξη από καθρέφτες, αισθητήρες και άλλα όργανα που θα χρησιμοποιηθούν για την απευθείας απεικόνιση εξωπλανητών που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από μακρινά άστρα.
Όλα τα συστήματα λειτουργούν όπως αναμενόταν κι αυτά είναι τα καλά νέα καθώς περιμένουμε το Nancy Grace Roman να τεθεί σε πλήρη λειτουργία. Οι πρώτες εικόνες υψηλής ανάλυσης αναμένονται στις αρχές του 2027.

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Η θετική και αρνητική ενέργεια στο σύμπαν μας

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Πολλές φορές λέμε ότι κάποιοι άνθρωποι εμπεριέχουν και διαχέουν γύρω τους «αρνητική ενέργεια». Είναι οι επονομαζόμενοι «τοξικοί» άνθρωποι που κυκλοφορούν ως φυσιολογικοί ανάμεσά μας. Προφανώς αυτή η «αρνητική ενέργεια» δεν πρέπει να συγχέεται με το φυσικό μέγεθος της ενέργειας. Χρησιμοποιείται μεταφορικά για να περιγράψει το γεγονός ότι η παρουσία και η συμπεριφορά των τοξικών ανθρώπων (που αφθονούν στο διαδίκτυο και στους χώρους εργασίας), προκαλεί δυσφορία και αηδία στους γύρω τους.

Η ενέργεια που αντιστοιχεί στην μάζα ενός ανθρώπου, από φυσική άποψη, είναι απόλυτα θετική. Για παράδειγμα, θεωρώντας έναν άνθρωπο μάζας 80 kg, από την δημοφιλέστερη εξίσωση της φυσικής: E= mc^2 , αντικαθιστώντας το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός (c^2 = 9 \cdot 10^{16} \text{ m}^2/\text{s}^2), παίρνουμε: E = 7,2 \cdot 10^{18} \text{ Joules}.

Βέβαια, για να έχει ένας άνθρωπος θετική ενέργεια πρέπει να θεωρηθεί ως απομονωμένο σώμα. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται έργο για να δημιουργηθεί ένα τέτοιο σώμα. Αν η ενέργειά του ήταν αρνητική, τότε θα μπορούσε να εμφανιστεί αυθόρμητα, αποκτώντας θετική κινητική ενέργεια, έτσι ώστε η ολική του ενέργεια να παραμένει μηδέν και η ενέργεια να διατηρείται. Αλλά τότε θα εμφανίζονταν σώματα εδώ κι εκεί, χωρίς κόστος ενέργειας. Με άλλα λόγια, ο κενός χώρος θα ήταν ασταθής. Επομένως, για να υπάρχει τοπική ευστάθεια στο σύμπαν, ένα απομονωμένο σώμα στο κενό πρέπει να έχει θετική ενέργεια.

Τότε όμως πώς συμβιβάζεται αυτό με την κοσμολογική θεωρία, ότι δηλαδή ολόκληρο το σύμπαν μπορεί να δημιουργήθηκε από το «τίποτα»; Κι εδώ μπαίνει στο παιχνίδι μια αλληλεπίδραση με ένα μοναδικό χαρακτηριστικό: η βαρύτητα. Η βαρύτητα είναι ελκτική και η βαρυτική δυναμική ενέργεια είναι αρνητική. Θυμάστε στο λύκειο που ο φυσικός σάς μάλωνε αν ξεχνούσατε το αρνητικό πρόσημο στη βαρυτική δυναμική ενέργεια; Χρειάζεται να καταναλώσουμε ενέργεια για να απομακρύνουμε έναν πλανήτη από το άστρο του ή έναν άνθρωπο από το βαρυτικό πεδίο της Γης. Άρα, από την μία έχουμε αρνητική βαρυτική ενέργεια και από την άλλη, θετική ενέργεια για να δημιουργηθεί ένα απομονωμένο σώμα. Θα μπορούσαμε λοιπόν, κατ’ αρχήν, να έχουμε ολική ενέργεια μηδέν. Καλό ακούγεται· αλλά ας δούμε λίγο αν δουλεύουν οι αριθμοί.

Θα υπολογίσουμε την αρνητική βαρυτική δυναμική ενέργεια που έχει ο άνθρωπος λόγω της έλξης του από τη Γη και θα την προσθέσουμε στην θετική του ενέργεια που υπολογίσαμε προηγουμένως: E = mc^2 - G \dfrac{m \cdot M_{\Gamma}}{R_{\Gamma}}. Χρησιμοποιώντας την μάζα της Γης 6 \cdot 10^{24} \text{ kg} και την ακτίνα της 6,4 \cdot 10^6 \text{ m}, παίρνουμε: E = (7,2 \cdot 10^{18}) - (0,000000005 \cdot 10^{18}) \approx 7,2 \cdot 10^{18} \text{ Joules}. Bλέπουμε ότι η βαρύτητα της Γης είναι πολύ μικρή για να φτάσει την ενέργεια ενός ανθρώπου. Γι’ αυτό καμία μάζα, ούτε άνθρωπος (έστω και τοξικός), δεν μπορεί να εμφανιστεί αυθόρμητα δίπλα μας. Το κενό τοπικά είναι ευσταθές.

Τώρα, ας εξετάσουμε τον ίδιο ακριβώς άνθρωπο, αλλά σε κοσμολογική κλίμακα, δηλαδή να υπολογίσουμε την αρνητική βαρυτική του ενέργεια εξαιτίας της αλληλεπίδρασής του με ολόκληρο το παρατηρήσιμο σύμπαν συν την θετική του ενέργεια: E = mc^2 - G \dfrac{m \cdot M_{\Sigma}}{R_{\Sigma}}. Χρησιμοποιώντας τις τιμές για την μάζα του σύμπαντος M_{\Sigma} \approx 1,67 \cdot 10^{53} \text{ kg} και την ακτίνα του R_{\Sigma} = c/H \approx 1,3 \cdot 10^{26} \text{ m}(*), προκύπτει: E \approx 0.

Εδώ συμβαίνει κάτι εντυπωσιακό. Σε αντίθεση με το βαρυτικό πεδίο της Γης, οι δύο ενέργειες έχουν την ίδια τάξη μεγέθους, ώστε το άθροισμά τους να είναι μηδέν. Δηλαδή, η βαρύτητα του σύμπαντος είναι ικανή να καλύψει την απαιτούμενη ενέργεια για την δημιουργία μιας μάζας m (ακόμα και ενός ανθρώπου).

Και στην κλίμακα ολόκληρου του σύμπαντος, η θετική ενέργεια της ύλης μπορεί να εξισορροπηθεί από την αρνητική βαρυτική ενέργεια, έτσι ώστε να μην έχουμε καμία προφανή παραβίαση του νόμου διατήρησης της ενέργειας, που θα απαγόρευε την δημιουργία του σύμπαντος από το τίποτα. Αν και οι παραπάνω υπολογισμοί είναι μόνο ενδεικτικοί, υποστηρίζουν την ιδέα της κοσμολογίας: ότι η συνολική ενέργεια του σύμπαντος ίσως είναι μηδενική.

Μπορεί δηλαδή να ισχύει αυτό που είχε πει ο Edward Tryon, ότι «το σύμπαν μας είναι απλά ένα από εκείνα τα πράγματα που συμβαίνουν πού και πού«.

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:

ΠΗΓΕΣ

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Η Εξίσωση του Σύμπαντος

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

«Τα πάντα μπορούν να συμβούν, όλα είναι δυνατά και πιθανά. Χρόνος και χώρος δεν υπάρχουν. Πάνω σε μια ασήμαντη βάση πραγματικότητας η φαντασία απλώνεται και υφαίνει νέα πρότυπα.»(*)

Η εξίσωση Wheeler–DeWitt: η πιο μυστηριώδης εξίσωση της θεωρητικής φυσικής

Η εξίσωση της Κβαντικής Βαρύτητας των Wheeler–DeWitt, με φόντο την καλλιτεχνική αναπαράσταση του κβαντικού αφρού.

Οι πρώτες συστηματικές προσπάθειες για την ενοποίηση μιας κβαντικής περιγραφής της πραγματικότητας με τον τετραδιάστατο χωροχρόνο της γενικής σχετικότητας, οδήγησαν το 1967 τον John Archibald Wheeler και τον Bryce DeWitt στην εξίσωση Wheeler-DeWitt που μπορεί να γραφεί συνοπτικά ως \hat{H}\,\Psi = 0.

Στην κβαντομηχανική η κυματοσυνάρτηση περιγράφει ένα σωματίδιο ή ένα σύστημα. Στην εξίσωση Wheeler–DeWitt όμως, η κυματοσυνάρτηση δεν περιγράφει σωματίδια, αλλά όλες τις δυνατές γεωμετρίες του ίδιου του σύμπαντος. Κι αυτό οδηγεί στην έννοια της κυματοσυνάρτησης του σύμπαντος, η οποία ορίζεται στον λεγόμενο υπερχώρο, τον χώρο όλων των δυνατών τρισδιάστατων γεωμετριών.

Η διαφορά με την κλασική εξίσωση του Schrödinger i\hbar\frac{\partial \Psi}{\partial t}=\hat{H}\Psi, είναι ότι η εξίσωση Wheeler-DeWitt δεν περιέχει μεταβλητή χρόνου. Η απουσία της χρονικής μεταβλητής μας δείχνει ότι το σύμπαν δεν εξελίσσεται ως προς κάποιον εξωτερικό χρόνο, δημιουργώντας το «πρόβλημα του χρόνου» στην κβαντική βαρύτητα. Αυτό έχει οδηγήσει ορισμένους φυσικούς και φιλοσόφους στην ιδέα ότι ο χρόνος δεν είναι θεμελιώδες συστατικό της πραγματικότητας, μια άποψη που θυμίζει τον Παρμενίδη πριν από δυόμισι χιλιάδες χρόνια.

Μια ερμηνεία στο πρόβλημα του χρόνου που προκύπτει από την εξίσωση Wheeler-DeWitt, προτάθηκε το 1983 από τους φυσικούς Don Page και William Wootters. Σύμφωνα με τον μηχανισμό Page-Wootters, ο χρόνος δεν είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα του σύμπαντος, αλλά ένα «αναδυόμενο» χαρακτηριστικό που αντιλαμβανόμαστε εμείς ως όντα που ζούμε μέσα στο σύμπαν εξαιτίας της κβαντικής σύμπλεξης. Αλλά αυτή είναι μια άλλη ιστορία.

(*) από το εισαγωγικό σημείωμα του Αυγούστου Στρίντμπεργκ στο θεατρικό του έργο «Ονειρόδραμα»

ΠΗΓΗ

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Μια αρχή της αβεβαιότητας για την διαστολή του σύμπαντος

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Τα τελευταία χρόνια έχουμε δει μια πολύ ενδιαφέρουσα ανακάλυψη: το σύμπαν δεν διαστέλλεται όπως νομίζαμε. Νέες παρατηρήσεις έδειξαν ότι η επιτάχυνση της διαστολής του μειώνεται, πράγμα που σημαίνει ότι αν αυτό συνεχιστεί και επιβεβαιωθεί, το σύμπαν θα μπορούσε στο πολύ μακρινό μέλλον να πάψει να επιταχύνεται και ενδεχομένως να αρχίσει να συρρικνώνεται. Σύμφωνα με την δημοσίευση «A Cosmological Uncertainty Relation and Late-Universe Acceleration» του Σάββα Μ. Κουσιάππα, αυτό θα μπορούσε να συμβαίνει επειδή το ίδιο το σύμπαν ίσως να υπακούει σε μια κοσμολογική αρχή της αβεβαιότητας. Με άλλα λόγια, η βαρύτητα ενδέχεται να διέπεται από κβαντικές αρχές ακόμη και σε κοσμολογικές κλίμακες.

Η σκοτεινή ενέργεια είναι η αιτία στην οποία οι φυσικοί αποδίδουν την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Η απλούστερη μορφή σκοτεινής ενέργειας θεωρείται ανεξάρτητη του χρόνου και ονομάζεται επίσης κοσμολογική σταθερά Λ, την οποία είχε εισαγάγει ο ίδιος ο Αϊνστάιν το 1917 με θετικό πρόσημο, ως μια απωστική δύναμη, προκειμένου να εξισορροπήσει την ελκτική βαρύτητα της ύλης και να αποτρέψει την κατάρρευση του σύμπαντος. Όταν αργότερα αποδείχθηκε ότι το σύμπαν διαστέλλεται, η κοσμολογική σταθερά θεωρήθηκε περιττή και ο Αϊνστάιν αναφέρθηκε σε αυτήν ως το μεγαλύτερο λάθος της ζωής του.

Προς το τέλος της δεκαετίας του 1990, αστρονομικές παρατηρήσεις αποκάλυψαν ότι το σύμπαν δεν διαστέλλεται απλώς, αλλά ότι η διαστολή του είναι επιταχυνόμενη. Κι αυτό επανέφερε την κοσμολογική σταθερά στο προσκήνιο η οποία συνδέθηκε με την σκοτεινή ενέργεια. Όμως οι αστρονομικές παρατηρήσεις βελτιώθηκαν πολύ και τα τελευταία χρόνια υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι η σκοτεινή ενέργεια ίσως δεν είναι στην πραγματικότητα σταθερή. Αντιθέτως, η τιμή της φαίνεται να μειώνεται – δηλαδή, η επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος μειώνεται. Η τάση αυτή υποστηρίζεται πλέον από αρκετές ανεξάρτητες παρατηρήσεις, χωρίς όμως να θεωρείται ακόμη οριστικά επιβεβαιωμένη, όπως του DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) το 2024.

Ο κοσμολογικός ορίζοντας είναι το απόλυτο όριο του παρατηρήσιμου σύμπαντος. Είναι η μέγιστη απόσταση πέρα από την οποία το φως δεν έχει προλάβει να φτάσει σε εμάς και, σύμφωνα με το καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο, λόγω της επιταχυνόμενης διαστολής του χώρου, κανένα σήμα από εκεί δεν πρόκειται ποτέ να μας προσεγγίσει στο μέλλον. Θα μπορούσε ο κοσμολογικός ορίζοντας να λειτουργεί ως ένα όριο όπου ο χωροχρόνος παράγει μακροσκοπικά κβαντικά φαινόμενα;(*)
Στην δημοσίευσή του ο Σάββας Κουσιάππας υποστηρίζει ότι η μείωση στην επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος είναι ένα τέτοιο κβαντικό φαινόμενο – συνέπεια μιας αρχής αβεβαιότητας που εφαρμόζεται σε ολόκληρο το σύμπαν.

Η αρχή της αβεβαιότητας στην κβαντομηχανική μας λέει ότι ορισμένα ζεύγη μεγεθών δεν μπορούν να μετρηθούν και τα δύο με αυθαίρετη ακρίβεια. Το πιο γνωστό παράδειγμα είναι η θέση ενός σωματιδίου και η ταχύτητά του. Σύμφωνα με την εξίσωση αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ \Delta x \Delta p \geq \hbar/2, δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ταυτόχρονα με ακρίβεια και την θέση και την ορμή ενός σωματιδίου,

Μια παρόμοια εξίσωση αβεβαιότητας μπορεί να εφαρμοστεί και για το σύμπαν: \Delta a \Delta \dot{a} \geq f(a)/2  , που σημαίνει ότι δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ταυτόχρονα με ακρίβεια το μέγεθος του σύμπαντος και την ταχύτητα διαστολής του.

Συγκρίνοντας με την γνωστή εξίσωση του Χάιζενμπεργκ: η αβεβαιότητα στην θέση Δx αντιστοιχεί στην αβεβαιότητα \Delta a του παράγοντα κλίμακας(**) που αφορά το μέγεθος του σύμπαντος, ενώ η αβεβαιότητα στην ορμή Δp (ή της ταχύτητας mΔυ), αντιστοιχεί στην αβεβαιότητα της ταχύτητας διαστολής του σύμπαντος \Delta \dot{a}.

Υπάρχει όμως μια κρίσιμη διαφορά. Στην εξίσωση αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ, το δεξί μέλος (\hbar/2) είναι μια απόλυτη σταθερά. Στην εξίσωση της αβεβαιότητας του σύμπαντος, στο δεξί μέλος δεν βρίσκεται μια σταθερά αλλά μια έκφραση f(a)/2 που εξαρτάται από το ίδιο το μέγεθος του σύμπαντος a. Κι αυτό κάνει τις αβεβαιότητες εξαρτώμενες από το εκάστοτε μέγεθος του σύμπαντος.

Από την προτεινόμενη εξίσωση αβεβαιότητας προκύπτει ότι, καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η σκοτεινή ενέργεια που προκαλεί την επιτάχυνσή του εξασθενεί σταδιακά.

Αν ισχύει αυτό το θεωρητικό μοντέλο τότε δεν χρειάζονται νέα εξωτικά σωματίδια, σκοτεινά πεδία ή άλλες πολύπλοκες αυθαίρετες προσθήκες στη φυσική για να εξηγηθεί η σκοτεινή ενέργεια. Η επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος δεν είναι μια μυστηριώδης δύναμη, αλλά ένα μακροσκοπικό ορατό αποτύπωμα της κβαντικής βαρύτητας στον κοσμολογικό ορίζοντα του σύμπαντος.

(*) Αν και εντελώς διαφορετικές περιπτώσεις, αξίζει να σημειωθεί ότι μακροσκοπικά κβαντικά φαινόμενα παράγει και ο ορίζοντας των γεγονότων μιας μαύρης τρύπας.
(**) Υπενθυμίζεται ότι ο παράγοντας κλίμακας a, περιγράφει την χρονική εξάρτηση κάθε τυπικού μήκους, όπως για παράδειγμα την απόσταση μεταξύ δυο γαλαξιών.

ΠΗΓΗ

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Οι εξισώσεις Navier-Stokes και η λύση της OpenAI στο πρόβλημα της χιλιετίας

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

«Mελετώντας τους νόμους οι οποίοι διέπουν ένα ρευστό, ο Euler αναγνώρισε ότι οι ποσότητες που προσδιορίζουν την τοπική κατάσταση του ρευστού εξαρτώνται όχι μόνο από το χρόνο αλλά και από τη θέση στο χώρο. Οπότε είναι ανάγκη να εξετάζονται αλλαγές των ποσοτήτων ως προς τέσσερις μεταβλητές: τρεις που προσδιορίζουν τη θέση στον τρισδιάστατο χώρο και μια που αντιστοιχεί στον χρόνο. Έτσι γεννήθηκε η έννοια του συστήματος μερικών διαφορικών εξισώσεων – το επίθετο «μερικές» αντί του «συνήθεις» δηλώνει ότι οι ποσότητες είναι συναρτήσεις πολλών και όχι μίας μεταβλητής. Στην περίπτωση των εξισώσεων Euler (οι εξισώσεις Navier-Stokes για ρευστά χωρίς ιξώδες), οι οποίες διατυπώθηκαν τον 18ο αιώνα, ελάχιστα κατανοούμε σήμερα. Το δε μεγάλο πρόβλημα του στροβιλισμού – μια συνήθης εμπειρία όποιου παρατηρεί χαώδεις δίνες πίσω από κάποιο εμπόδιο, ένα βράχο λόγου χάρη, στην ήρεμη ροή ενός ποταμού, καλύπτεται ακόμα από σκοτάδι» . [Δημήτρης Χριστοδούλου: Ο χαρακτήρας των φυσικών νόμων και η μελέτη των διαφορικών εξισώσεων]

Η εξίσωση Navier-Stokes. Μπορούμε να πούμε ότι αυτή η εξίσωση ισοδυναμεί με τον 2ο Νόμο του Νεύτωνα (F = mα), που εφαρμόζεται όχι σε ένα μεμονωμένο σωματίδιο, αλλά σε κάθε απειροστό στοιχείο ενός συνεχούς ρευστού. Το αριστερό μέρος είναι η «μάζα» επί την «επιτάχυνση» και το δεξί είναι η «δύναμη»

Στο σχολείο μαθαίναμε για το νόμο του Bernoulli, που προκύπτει από την διατήρηση της ενέργειας για ένα ιδανικό ρευστό με αστρόβιλη και μόνιμη ροή: P + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh =σταθερό. Αυτή η εξίσωση είναι η απλούστερη εκδοχή της πιο περίπλοκης εξίσωσης ορμής, της εξίσωσης Navier-Stokes που περιγράφει ένα Νευτώνειο ασυμπίεστο ρευστό σταθερής πυκνότητας και ισοδυναμεί με τον 2ο Νόμο του Νεύτωνα: \rho\left(\frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + (\mathbf{u} \cdot \nabla)\mathbf{u}\right) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{u} + \rho\mathbf{g} \, \, \, \mathbf{(1)}
Στην παραπάνω εξίσωση u(x,t) είναι το διανυσματικό πεδίο ταχύτητας του ρευστού, ρ η πυκνότητα του ρευστού, μ το μέτρο της εσωτερικής τριβής του ρευστού και g η επιτάχυνση εξαιτίας της εξωτερικής δύναμης (π.χ. της βαρύτητας).
Εκτός από το νόμο Bernoulli, στο σχολείο μαθαίναμε και την εξίσωση της συνέχειας που εκφράζει την διατήρηση της μάζας: A_1 v_1 = A_2 v_2, που σημαίνει ότι όταν ένας σωλήνας στενεύει, τότε η ταχύτητα του ασυμπίεστου ρευστού που ρέει στον σωλήνα αυξάνεται. Σε γενική μορφή η εξίσωση συνέχειας γράφεται \frac{\partial\rho}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho\mathbf u)=0 \, \, \, \mathbf{(2)} , ενώ για ασυμπίεστο ρευστό σταθερής πυκνότητας γράφεται ως: \nabla \cdot \mathbf{u} = 0 .
Η εξίσωση ορμής (1) και η εξίσωση συνέχειας (2) είναι οι επονομαζόμενες εξισώσεις Navier-Stokes. Οι εξισώσεις Euler προκύπτουν από τις Navier–Stokes όταν μηδενίσουμε το ιξώδες, αν και ιστορικά οι εξισώσεις Euler προηγήθηκαν.

Απειρισμοί στις εξισώσεις Euler και Navier–Stokes

Ο Δημήτριος Χριστοδούλου είχε αναφερθεί στην απόδειξή του σχετικά με τις εξισώσεις Euler για συμπιεστά ρευστά ως εξής: αν σε ένα ρευστό, που αρχικά είναι απόλυτα ήρεμο και ομαλό, προκαλέσουμε μια μικρή διαταραχή οι ίδιες οι εξισώσεις της φύσης θα το οδηγήσουν αναπόφευκτα, σε πεπερασμένο χρόνο, σε μια κατάσταση όπου ο ρυθµός αλλαγής της θερµοκρασίας, της πίεσης και της ταχύτητας του ρευστού απειρίζονται. Όταν αυτοί οι ρυθμοί απειρίζονται, σχηματίζονται «κύματα κρούσεως».
Σε εκείνο το σημείο οι εξισώσεις δεν περιγράφουν πλέον μια συνεχή, ομαλή κατάσταση. Μόλις περάσει αυτό το κύμα κρούσεως, ο Χριστοδούλου έδειξε ότι το ρευστό αποκτά ακαριαία στροβιλισμό. Στο πρόβλημα του Χριστοδούλου των εξισώσεων Euler για συμπιεστά ρευστά, η απόδειξη σχηματισμού ανωμαλιών είναι ένα μνημειώδες μαθηματικό επίτευγμα διότι απαιτεί βαθιά κατανόηση της γεωμετρίας του χωροχρόνου, αλλά η φύση των εξισώσεων «επιτρέπει» πιο εύκολα τις ασυνέχειες.

Το Ινστιτούτο Clay είχε διατυπώσει ως εξής ένα από τα επτά «Προβλήματα της Χιλιετίας»: Στις εξισώσεις Navier-Stokes που περιγράφουν την κίνηση ασυμπίεστου ρευστού με εσωτερική τριβή (ιξώδες), αν ξεκινήσουμε από ομαλές αρχικές συνθήκες, παραμένει η λύση ομαλή για πάντα ή μπορεί κάποια στιγμή να εμφανιστεί μια ιδιομορφία, δηλαδή μια ποσότητα όπως η ταχύτητα ή οι παράγωγοί της να γίνει άπειρη; [Στην πραγματικότητα έχουν διατυπώσει τέσσερις παραλλαγές αυτού του ερωτήματος (A, B, C, D): δύο αφορούν το ρευστό χωρίς καμία εξωτερική δύναμη και δύο το επιτρέπουν να δρα πάνω του μια δεδομένη ομαλή εξωτερική δύναμη. Η διάκριση αυτή αποδεικνύεται κρίσιμη].
Συμβαίνει το ίδιο με το συμπιεστό ρευστό του Χριστοδούλου; Ή το διασώζει από τους απειρισμούς η εσωτερική τριβή; «Αυτό το πρόβλημα, το οποίο εµφανίζεται και στην απλουστευµένη περίπτωση που το ρευστό µπορεί να θεωρηθεί ασυµπίεστο, […] παραµένει απλησίαστο 260 χρόνια», είχε πει ο Χριστοδούλου.

Η λύση της Τεχνητής Νοημοσύνης

Πριν από μερικές ημέρες εμφανίστηκε μια δημοσίευση της OpenAI, η οποία ισχυρίζεται ότι κατασκεύασε λύση όπου, υπό την επίδραση μιας ομαλής (αλλά μη μηδενικής) εξωτερικής δύναμης, το ιξώδες δεν εμποδίζει την εμφάνιση μιας ιδιομορφίας σε πεπερασμένο χρόνο σε ασυμπίεστο ρευστό. Πρόκειται, σύμφωνα με την ανακοίνωση της OpenAI, για τις δύο από τις τέσσερις επίσημες εκδοχές του προβλήματος του Clay, τις C και D, οι οποίες επιτρέπουν ομαλή εξωτερική δύναμη. Οι εκδοχές A και B, χωρίς εξωτερική δύναμη, παραμένουν ανοιχτές.

Και ποιός μας βεβαιώνει ότι η απόδειξη της Τεχνητής Νοημοσύνης δεν παρασύρθηκε από τις συνήθεις «παραισθήσεις» της; Ως γνωστόν τα μεγάλα γλωσσικά μοντέλα μπορούν να παράγουν άνετα μαθηματικά «σεντόνια» που φαίνονται «σωστά», αλλά κρύβουν μοιραία λογικά άλματα, χαμένα πρόσημα ή κυκλικούς συλλογισμούς. Εδώ όμως μπαίνει το πρόγραμμα Lean 4 που δεν είναι πρόγραμμα τεχνητής νοημοσύνης. Το Lean μπορεί να ελέγξει τις «παραισθήσεις», να δει αν κάτι είναι είτε αληθές είτε ψευδές. Ελέγχει αν μια τυπικά διατυπωμένη απόδειξη ακολουθεί αυστηρά τους κανόνες του τυπικού συστήματος. Διαβάζει τα μαθηματικά αυστηρά ως κώδικα.

Λένε ότι το Lean 4 επαλήθευσε την απόδειξη της OpenAI: η ενέργεια μπορεί να συγκεντρωθεί σε έναν συγκεκριμένο στρόβιλο, ο οποίος αρχίζει να περιστρέφεται και να λεπταίνει τόσο πολύ και τόσο γρήγορα που τελικά η ταχύτητά του στο κέντρο απειρίζεται σε πεπερασμένο χρόνο, αλλά η συνολική κινητική ενέργεια παραμένει πεπερασμένη. Δημιουργείται, με άλλα λόγια, μια ανωμαλία (singularity), κάτι αντίστοιχο αλλά όχι όμως ταυτόσημο φαινόμενο με τα κύματα κρούσεως που είχε βρει ο Χριστοδούλου στα συμπιεστά ρευστά.

Η απόδειξη (ή διάψευση) της ομαλότητας των εξισώσεων Navier-Stokes βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στη συναρτησιακή ανάλυση. Απαιτεί τον συνδυασμό αμέτρητων εκτιμήσεων, ανισοτήτων και οριακών συνθηκών. Είναι μια εξαιρετικά πολύπλοκη, αλλά ως έναν βαθμό «μηχανική» διαδικασία. Ένα πλήθος 10.000 πρακτόρων ΤΝ μπορεί να εξερευνήσει ένα τέτοιο πρόβλημα σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Σύμφωνα με την ΟpenAI χρειάστηκαν μόνο 88 ώρες!

Όμως υπάρχουν κάποια άλλα μαθηματικά προβλήματα, όπως π.χ. η Υπόθεση Riemann (που αφορά την κατανομή των πρώτων αριθμών) από την θεωρία αριθμών και την μιγαδική ανάλυση στα οποία προς το παρόν τα σημερινά συστήματα Τεχνητής Νοημοσύνης δεν έχουν ακόμη δώσει κάποια λύση. Αυτά τα προβλήματα δεν λύνονται με μηχανικές διαδικασίες, αλλά απαιτούν την δημιουργία νέων μαθηματικών δομών και θεωριών, όπως έκανε ο Andrew Wiles για το Τελευταίο Θεώρημα του Fermat). Τα σημερινά γλωσσικά μοντέλα είναι εξαιρετικά στο να συνθέτουν υπάρχουσα γνώση, αλλά το ερώτημα αν μπορούν να παράγουν πραγματικά πρωτότυπες μαθηματικές ιδέες παραμένει ανοιχτό (προς το παρόν).

νεώτερη ενημέρωση: Στον ιστότοπο του Clay Mathematics Institute η κατάσταση του προβλήματος Navier-Stokes έχει αλλάξει από Unsolved σε Active. Άραγε αναγνωρίζει ότι το πρόβλημα βρίσκεται σε φάση πιθανής επίλυσης; Σύμφωνα με τους κανόνες του ινστιτούτου, για να δοθεί το βραβείο του ενός εκατομμυρίου δολαρίων, η προτεινόμενη λύση πρέπει να δημοσιευθεί σε έγκριτο μαθηματικό περιοδικό και να περάσουν δύο χρόνια χωρίς να βρεθεί κάποιο λάθος στην απόδειξη.
ΠΗΓΗ
Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Το φωτόνιο με την μεγαλύτερη ενέργεια που ανιχνεύθηκε μέχρι σήμερα

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

… από έκρηξη ακτίνων γάμμα

Το 2022 ανιχνεύθηκε ένα πολύ παράξενο φωτόνιο από μια ισχυρή έκρηξη ακτίνων γάμμα, το οποίο θα έπρεπε να είχε καταστραφεί στην διαδρομή του προς τη Γη

Ο ανανάς στην πίτσα και η βροχή τα Σαββατοκύριακα δεν θα έπρεπε να υπάρχουν στη Γη, κι όμως κατά περίεργο τρόπο υπάρχουν. Και ένα μυστηριώδες κοσμικό σωματίδιο που εντοπίστηκε το 2022 δεν θα έπρεπε επίσης να έχει φτάσει στον πλανήτη μας, αλλά τα κατάφερε. Σε αντίθεση με τα δύο πρώτα, ίσως τελικά να υπάρχει μια ικανοποιητική εξήγηση για το πώς αυτό το σωματίδιο έφτασε εδώ.

Το μικροσκοπικό σωματίδιο προήλθε από μια τεράστια έκρηξη ακτίνων γάμμα, δύο δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη. Η έκρηξη ήταν τόσο φωτεινή που οι ερευνητές την ονόμασαν «BOAT» (Brightest Of All Time), η πιο φωτεινή έκρηξη ακτίνων γάμμα όλων των εποχών.

Όταν τα φωτόνια από την BOAT έφτασαν στη Γη στις 9 Οκτωβρίου 2022, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι ένα από αυτά τα φωτόνια δεν ήταν σαν τα άλλα.

To εν λόγω φωτόνιο εντοπίστηκε από τον Carpet, έναν ρωσικό ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας, και είχε ενέργεια περίπου 300 TeV, δηλαδή 300 τρισεκατομμύρια ηλεκτρόνιο-βολτ ή 0,00005 Joules. Πρόκειται για το φωτόνιο με την υψηλότερη ενέργεια που έχει παρατηρηθεί ποτέ από έκρηξη ακτίνων γάμμα, ξεπερνώντας κατά πολύ οτιδήποτε παράγεται από επίγειους επιταχυντές σωματιδίων, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC). Η ενέργεια του εν λόγω φωτονίου ισοδυναμεί περίπου με την κινητική ενέργεια μιας μύγας που πετάει στο δωμάτιό μας, με την εντυπωσιακή διαφορά ότι η μύγα συνίσταται από περίπου 1022 στοιχειώδη σωματίδια.

Σύμφωνα με την καθιερωμένη φυσική, το φωτόνιο αναμενόταν να αλληλεπιδράσει με φωτόνια του Κοσμικού Μικροκυματικού Υποβάθρου (CMB), παράγοντας ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου. Πώς λοιπόν επιβίωσε; Σε μια πρόσφατη δημοσίευσή τους στο περιοδικό Physical Review Letters, οι φυσικοί Giorgio Galanti και Marco Roncadelli υποστηρίζουν πως ίσως έχουν βρει την απάντηση.

Προτείνουν ότι υποθετικά, εξαιρετικά ελαφρά σωματίδια, όπως τα επονομαζόμενα αξιόνια, ενδέχεται να συνέβαλαν στη διάδοση του φωτονίου, αλλά δεν φαίνεται να αρκούν από μόνα τους για να εξηγήσουν την ακραία ενέργειά του. Οι συγγραφείς εξετάζουν επίσης σενάρια στα οποία η διάδοση των φωτονίων τροποποιείται σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, όπως προβλέπεται από ορισμένα μοντέλα κβαντικής βαρύτητας και παραβίασης της αναλλοιωτότητας Lorentz. Ουσιαστικά, υποστηρίζουν ότι σε ακραίες ενέργειες τα φωτόνια ενδέχεται να αλληλεπιδρούν διαφορετικά με τα φωτόνια του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου, γεγονός που θα μπορούσε να αυξήσει σημαντικά την πιθανότητα να φτάσουν στη Γη αφού διανύσουν τεράστιες κοσμολογικές αποστάσεις.

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, το φωτόνιο θα έπρεπε να είχε φτάσει στη Γη περίπου μία ώρα αργότερα από τα λιγότερο ενεργητικά αντίστοιχά του από την έκρηξη ακτίνων γάμμα. Και αποδεικνύεται ότι το κινεζικό παρατηρητήριο κοσμικών ακτίνων LHAASO, πράγματι, εντόπισε λιγότερο ενεργητικά φωτόνια μία ώρα νωρίτερα από αυτό που καταγράφηκε στη Ρωσία.

«Η πιο ενδιαφέρουσα πτυχή της εργασίας μας είναι ότι, για πρώτη φορά, φέρνει κοντά δύο ιδέες που μέχρι τώρα είχαν αναπτυχθεί ξεχωριστά», δήλωσε ο Marco Roncadelli, αστρονόμος στο Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Ιταλίας και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Αν μελλοντικές παρατηρήσεις επιβεβαίωναν αυτό το σενάριο, το σύμπαν θα μετατρεπόταν σε ένα φυσικό εργαστήριο για την μελέτη της κβαντικής βαρύτητας σε ενέργειες ασύγκριτα υψηλότερες από αυτές που μπορεί να επιτύχει οποιοσδήποτε επιταχυντής κατασκευασμένος στη Γη».

ΠΗΓΗ

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Γιατί υπάρχει κάτι αντί για το τίποτε

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Αν ρωτήσουμε έναν φιλόσοφο «γιατί υπάρχει κάτι αντί για τίποτε» τότε θα υποστούμε μια ατελείωτη ανάλυση για το τι σημαίνει «υπάρχει», τι σημαίνει «κάτι», τι σημαίνει «τίποτε», τι σημαίνει «γιατί» και μέχρι να φτάσει στον συσχετισμό όλων αυτών των αναλύσεων θα έχουμε ξεχάσει τι τον ρωτήσαμε.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιας φιλοσοφικής ανάλυσης βρίσκουμε στο έργο του Γερμανού ναζιστή φιλοσόφου Μάρτιν Χάιντεγκερ, σύμφωνα με τον οποίο, αυτό δεν είναι ένα ερώτημα που μπορεί να απαντήσει η φυσική ή η κοσμολογία, ούτε καν η θεολογία. Γι αυτόν ήταν ξεκάθαρα ένα οντολογικό ερώτημα – το «θεμελιώδες ερώτημα της μεταφυσικής». Χρειάζεται μεγάλη υπομονή ώστε να διαπεράσουμε τις δυσνόητες έννοιες που χρησιμοποιεί στα γραπτά του: «Sein», «dasein», «Angst», «das Nichts», «das Nichts nichtet», «Lichtung», «Sieg Heil» …,
κι αν το καταφέρουμε, θα δούμε ότι μας λέει πως αν δώσουμε μια οποιαδήποτε απάντηση στο οντολογικό μυστήριο της ύπαρξης υποστηρίζοντας ότι η κβαντική διακύμανση ή ο θεός έφτιαξαν τα πάντα – τότε το περιορίζουμε σε ένα στενό πλαίσιο και το μετατρέπουμε σε ένα ακόμα ον. Όμως το ίδιο κάνει και ο ίδιος: δημιουργεί χρησιμοποιώντας μια νέα φιλοσοφική ορολογία, ένα επίσης στενό πλαίσιο, για να μας πει τελικά ότι το «Είναι» δεν μπορεί να εγκλωβιστεί σε έννοιες και θεωρίες.

Αν και το «τίποτε», για την φιλοσοφία του Χάιντεγκερ (ως το οντολογικό μηδέν), δεν έχει σχέση με το «τίποτε» της φυσικής (ως το κβαντικό κενό), και στις δύο θεωρήσεις το «τίποτα» είναι η προϋπόθεση για το «κάτι». Ο φυσικός θεωρεί το κενό ως μία δυναμική κατάσταση από την οποία αναδύεται η ύλη, ενώ ο Χάιντεγκερ θεωρεί το οντολογικό μηδέν ως την αναγκαιότητα μέσα από την οποία αναδύεται το νόημα της ύπαρξης.

Αφήνοντας κατά μέρος την δυσνόητη και σκοτεινή φιλοσοφία του Χάιντεγκερ(*), η φυσική, αν και δεν έχει βρει ακόμη μια οριστική απάντηση στο ερώτημα πώς προέκυψε το δικό της «κάτι» από το δικό της «τίποτε», βρίσκεται σε πολύ καλό δρόμο. Αυτό που είναι ξεκάθαρο είναι ότι η Μεγάλη Έκρηξη παρήγαγε απειροελάχιστα περισσότερη βαρυονική ύλη – τα πρωτόνια και τα νετρόνια που ενώνονται για να σχηματίσουν τους ατομικούς πυρήνες – από ό,τι αντιύλη. Κι αυτό είναι περίεργο επειδή η ύλη και η αντιύλη αλληλοεξουδετερώνονται όταν συγκρούονται. Επιπλέον, κάθε φορά που στα εργαστήρια οι φυσικοί μετατρέπουν την ενέργεια σε σωματίδια, τότε προκύπτουν σωματίδια και αντισωματίδια σε ίσους αριθμούς. Επομένως, η ύλη και η αντιύλη στο θερμό, πυκνό αρχέγονο σύμπαν θα έπρεπε να είχαν αντιδράσει μεταξύ τους και απλώς να είχαν εξαφανιστεί. Η ολική εξαύλωση θα έπρεπε να είναι ο κανόνας και εμείς δεν θα έπρεπε να βρισκόμαστε εδώ. Όμως, με κάποιον τρόπο αυτή η διαδικασία άφησε πίσω της μια ελάχιστη περίσσεια ύλης στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου του χρόνου, η οποία αποτέλεσε την προέλευση της ύλης του σύμπαντος.

Οι φυσικοί στα ίχνη της προέλευσης του «κάτι»(**)

Σε μια πρόσφατη έρευνα οι ερευνητές προσδιόρισαν με ακρίβεια μια δύσκολα ανιχνεύσιμη ποσότητα που ονομάζεται βαρυονικός αριθμός, η οποία ίσως ευθύνεται για την κοσμική αναντιστοιχία μεταξύ ύλης και αντιύλης. Η απάντηση στο γιατί υπάρχει κάτι αντί για το τίποτα εξακολουθεί να μας διαφεύγει, αλλά οι επιστήμονες γνωρίζουν πλέον ότι τα γλοιόνια πιθανότατα παίζουν βασικό ρόλο σε αυτό το μεγαλύτερο από τα κοσμικά μυστήρια.

Οι φυσικοί βρήκαν τώρα ένα νέο στοιχείο για την πηγή αυτής της αναντιστοιχίας, μελετώντας τα κουάρκ και τα γλοιόνια, τα δομικά στοιχεία της βαρυονικής ύλης. Η φύση, όπως φαίνεται, δεν αποκλίνει μέσω των κουάρκ ή των γλοιονίων από μόνα τους, αλλά μέσω της ανάμειξής τους. Η έρευνα η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science, χρησιμοποίησε τον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC) στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στη Νέα Υόρκη. Αυτό είναι ένα από τα πιο σημαντικά αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν από το πρόγραμμα RHIC, διότι αναδιαμορφώνει την κατανόησή μας για τη δομή των βαρυονίων και το πώς προέκυψε η βαρυονική ύλη.

Οι φυσικοί δημιουργούν βαρυονική ύλη συγκρούοντας στους επιταχυντές σωματίδια μεταξύ τους με όλη τη δύναμη που μπορεί να συγκεντρώσει ο εξοπλισμός τους. Και κάθε φορά που το κάνουν, αναδύεται επίσης η ίδια αντίστοιχη ποσότητα αντιύλης. Ο καθαρός «βαρυονικός αριθμός», ο συνολικός αριθμός των βαρυονικών σωματιδίων (όπως τα πρωτόνια) που δημιουργούνται μείον τον αριθμό των αντισωματιδίων, είναι πάντα μηδέν.

Αν το αρχέγονο σύμπαν υπάκουε σε αυτόν τον κανόνα, το σύγχρονο σύμπαν μας θα ήταν στερημένο από ουσία, αποτελούμενο απλώς από ενεργειακά πεδία που θα διατηρούνταν αιώνια μέσα στο κενό. Αλλά όσο κι αν προσπαθούν, οι φυσικοί δεν φαίνεται να μπορούν να σπάσουν την συμμετρία. Κανένα πείραμα δεν έχει παρατηρήσει ποτέ παραβίασή της.

Όταν δύο πρωτόνια συγκρούονται, ο βαρυονικός αριθμός (σωματίδια μείον αντισωματίδια) είναι δύο. Τα πρωτόνια μεταπίπτουν σε νέα σωματίδια που δημιουργούνται και καταστρέφονται ταχύτατα, αλλά η διαφορά παραμένει δύο μέχρι το τέλος. Πώς μεταβιβάζεται ο βαρυονικός αριθμός σε όλα αυτά τα ενδιάμεσα σωματίδια; Τι ακριβώς πρέπει να παρακολουθήσουμε για να μάθουμε πού πηγαίνει;

Πολλοί φυσικοί πίστευαν ότι ο βαρυονικός αριθμός ενός πρωτονίου θα βρισκόταν στα δύο πάνω (up) και σε ένα κάτω (down) κουάρκ που αποτελούν το σωματίδιο. Όμως τα δεδομένα του RHIC έδειξαν ότι προέρχεται στην πραγματικότητα από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κουάρκ του πρωτονίου και των γλοιονίων του. (Τα γλοιόνια είναι σωματίδια με ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο που παίρνουν το όνομά τους από την ελληνική λέξη «γλοιός» (κολλώδης ουσία-κόλλα), επειδή είναι αυτά που συνδέουν τα κουάρκ μεταξύ τους).

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα πείραμα στο RHIC που ονομάζεται STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) για να εντοπίσουν τη μεταφορά του βαρυονικού αριθμού μεταξύ των σωματιδίων, εξετάζοντας τις συγκρούσεις δύο βαρέων πυρήνων: του ρουθηνίου ^{96}_{44}\mathrm{Ru} και του ζιρκονίου ^{96}_{40}\mathrm{Zr}. Αυτά τα στοιχεία έχουν το ίδιο άθροισμα πρωτονίων και νετρονίων, όμως το ρουθήνιο διαθέτει τέσσερα περισσότερα πρωτόνια και τέσσερα λιγότερα νετρόνια, με αποτέλεσμα ο πυρήνας του να έχει μεγαλύτερο ηλεκτρικό φορτίο.

Αυτή η διαφορά επιτρέπει στους φυσικούς να διαχωρίσουν την ανταλλαγή ηλεκτρικού φορτίου που συμβαίνει καθώς εκτυλίσσεται μια σύγκρουση ρουθηνίου-ζιρκονίου, παρακολουθώντας την διάδοσή της μέσα από τα πολυάριθμα νέα σωματίδια που παράγονται. Αφού το έκαναν αυτό, η ομάδα του STAR μπόρεσε να διακρίνει ότι το ηλεκτρικό φορτίο από μόνο του δεν μπορεί να εξηγήσει τη μεταφορά του βαρυονικού αριθμού. Κάτι άλλο παίζει ρόλο, κάτι ουδέτερο: το γλοιόνιο.

Η διασυνδεδεμένη γλοιονική δομή φαίνεται να παρέχει τον καλύτερο δυναμικό ιχνηλάτη του πού πηγαίνει ο βαρυονικός αριθμός. Το εύρημα του RHIC, μια από τις τελευταίες συνεισφορές του στη φυσική, δυστυχώς δεν απαντά στο θεμελιώδες ερώτημα «γιατί υπάρχει κάτι αντί για το τίποτε». Επιτρέπει όμως στους φυσικούς να ιχνηλατίσουν τον βαρυονικό αριθμό σε θεμελιώδες επίπεδο και να παρατηρήσουν πώς αυτός διατηρείται με τόσο μυστηριώδη τρόπο. Ελπίζεται πως αυτό θα μας φέρει πιο κοντά στην αρχέγονη εκείνη στιγμή που δεν διατηρήθηκε, σε εκείνο το μοιραίο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Έκτοτε, ο βαρυονικός αριθμός παραμένει σταθερός, γι’ αυτό και είναι ζωτικής σημασίας να κατανοήσουμε πώς κωδικοποιείται και μεταφέρεται.

Η απάντηση στο θεμελιώδες εξακολουθεί να μας διαφεύγει, αλλά οι φυσικοί γνωρίζουν πλέον ότι τα γλοιόνια πιθανότατα παίζουν βασικό ρόλο σ’ αυτό το μεγαλύτερο από τα κοσμικά μυστήρια.

ΠΗΓΗ

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Είμαστε το Σύμπαν που κοιτάει τον εαυτό του

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

«Η πραγματικότητα είναι δομημένη ενέργεια, όχι «σκληρή» ύλη. Η υποστήριξη της καρέκλας που κάθομαι επιτυγχάνεται μέσω της απώθησης των συννέφων πιθανότητας των ηλεκτρονίων μου από αυτά της καρέκλας, όπως επίσης το έδαφος κάτω από τα πόδια μου είναι μια αλληλεπίδραση πεδίων, όχι ένα φυσικό εμπόδιο…
Αυτό το μοτίβο επαναλαμβάνεται σε όλες τις κλίμακες από τον μικρόκοσμο των ατόμων στον μακρόκοσμο των γαλαξιών… Με άλλα λόγια μπορούμε να πούμε ότι η ύλη είναι η διακόσμηση της Φύσης στον καμβά του τίποτα. Πρέπει να τονιστεί ότι τα απίστευτα «άδεια» άτομα καθιστούν την ύπαρξη της Χημείας δυνατή. Εάν η ύλη ήταν στερεά πακεταρισμένη, τότε τα ηλεκτρόνια δεν θα μπορούσαν να μετακινηθούν, δεσμοί δεν θα σχηματίζονταν, DNA δεν θα μπορούσε να φτιαχτεί, δηλαδή ζωή δεν θα υπήρχε. Ο «κενός χώρος» των ατόμων, το «τίποτα» που φαινομενικά είναι ξεκάθαρα χωρίς νόημα, είναι ακριβώς ο λόγος που η ύλη συμπεριφέρεται κατά τρόπο που επιτρέπει την πολυπλοκότητα (complexity).
Η εσωτερική μας «κενότητα» είναι αυτή που μας δίνει μορφή. Δεν είναι ένα ψεγάδι στον σχεδιασμό της Φύσης, είναι το «κλειδί» σ’ αυτόν! Ζούμε σε ένα Σύμπαν χτισμένο στο «τίποτα», αλλά αυτό το «τίποτα» δημιουργεί οτιδήποτε ξέρουμε. Η ύλη, η στερεότητα, η αφή… όλα είναι ψευδαισθήσεις, «εκ κενότητος υφαντές»… Μέσα σ’ αυτό το «κενό» το Σύμπαν βρήκε τον τρόπο του να δημιουργήσει αστέρια, πλανήτες, ζωή και σκέψη. Τελικά μετά από χιλιάδες χρόνια προσπαθειών, χάρη στην επιστήμη, είμαστε πια σε θέση να κατανοήσουμε τη θέση μας στο Σύμπαν. Είμαστε, όλοι ανεξαιρέτως, προσωρινές διευθετήσεις ολοσχερώς, σχεδόν, κενών ατόμων, που όμως συνειδητοποιούμε την ύπαρξή μας! Είμαστε το Σύμπαν που κοιτάει τον εαυτό του, το «κενό» που στοχάζεται το «κενό». Το «κενό» δεν υπάρχει απλά, αλλά ξέρει ότι υπάρχει…
Το βρίσκω συνταρακτικό ότι το κβαντικό κενό δεν είναι μόνο η γενεσιουργός πηγή του (πολυ)Σύμπαντός μας, αλλά και το ότι ο μακρόκοσμος με τις μεγάλες δομές του δεν θα μπορούσε να αυτοδημιουργηθεί και να επιζήσει χωρίς την ύπαρξη του τεράστιου ενδοατομικού κβαντικού κενού. Δηλαδή Παράλογο!»

Απόσπασμα από το βιβλίο του Δημήτρη Νανόπουλου «Ο Κβαντικός Μύθος του Σισύφου», εκδόσεις Πατάκη

ΠΗΓΗ

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

François Englert (1932 – 2026)

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Ο βέλγος φυσικός François Englert βραβευμένος με το Νόμπελ Φυσικής το 2013 για το έργο του σχετικά με το μποζόνιο  Higgs, πέθανε σε ηλικία 93 ετών, ανακοίνωσε χθες Παρασκευή το Ελεύθερο Πανεπιστήμιο των Βρυξελλών (ULB), όπου είχε εργαστεί στο παρελθόν (ΕΔΩ: L’ULB rend hommage à François Englert, prix Nobel de physique και η ανακοίνωση του CERN ΕΔΩ: https://home.cern/francois-englert-1932-2026)

O Βρετανός φυσικός Peter Higgs μιλάει με τον Βέλγο φυσικό Francois Englert στις 4 Ιουλίου, 2012 στο CERN

Oι Peter Higgs και François Englert μοιράστηκαν το βραβείο Nobel Φυσικής 2013, για τις θεωρίες που ανέπτυξαν ξεχωριστά σχετικά με το πεδίο Higgs και το μποζόνιο Higgs.

Το πεδίο Higgs ευθύνεται για την μάζα των quarks, από τα οποία αποτελούνται τα πρωτόνια και τα νετρόνια, που με τη σειρά τους σχηματίζουν τους πυρήνες των ατόμων.
Η μάζα των quarks αντιπροσωπεύει μόνο το 1% της μάζας ενός πρωτονίου ή νετρονίου. Το υπόλοιπο 99% προέρχεται από την ενέργεια σύνδεσης των πρωτονίων και νετρονίων, μέσω της οποίας τα συστατικά τους (τα quarks) διατηρούνται συνδεδεμένα μεταξύ τους.
Μπορεί να φαίνεται μικρό το ποσοστό της ύλης, η μάζα της οποίας καθορίζεται από το πεδίο Higgs, πρόκειται όμως για την μάζα των θεμελιωδών συστατικών του σύμπαντος. Το πεδίο Higgs έχει απίστευτες συνέπειες στη δομή των ατόμων και των μορίων. Χωρίς αυτό η μάζα των ηλεκτρονίων για παράδειγμα θα ήταν μηδενική και τα άτομα και εμείς μαζί θα είχαμε διαλυθεί.
Πέραν της γνωστής ύλης, υπάρχει και η σκοτεινή ύλη που αλληλεπιδρά ελάχιστα με την γνωστή μας ύλη, και αποτελεί το 80% της συνολικής ύλης του σύμπαντος. Επειδή έχει σημαντική μάζα πρέπει να αλληλεπιδρά με το πεδίο Higgs και αυτό είναι ένα σημαντικό ζήτημα στην σημερινή έρευνα των υψηλών ενεργειών.

Μετά από αποτυχημένες προσπάθειες σχεδόν μισού αιώνα, στις 4 Ιουλίου του 2012, το CERN ανακοίνωσε ότι ανακαλύφθηκε το σωματίδιο Higgs (το οποίο είναι μια συνέπεια του πεδίου Higgs), χάρη στα πειράματα που έγιναν στο μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο.

Στο βίντεο που ακολουθεί ο François Englert εξηγεί τις εξισώσεις του μηχανισμού Brout-Englert-Higgs:

Διαβάστε επίσης τον πρόλογο του Englert στο βιβλίο του Γιάννη Ηλιόπουλου, «Η Προέλευση της Μάζας»  ΕΔΩ: cup.gr/wp-content/uploads/2019/12/maza_eisag_ch-01.pdf

ΠΗΓΗ

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία
web design by