Οι Alain Aspect, John F. Clauser και Anton Zeilinger βραβεύθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής 2022 «για τα πειράματα με συν-πλεκόμενα (entangled) φωτόνια, που επιβεβαιώνουν την παραβίαση των ανισοτήτων Bell και την πρωτοποριακή επιστήμη της κβαντικής πληροφορικής».
Οι διαλέξεις των Aspect, Clauser και Zeilinger, που δόθηκαν σήμερα, στο πλαίσιο της βράβευσής τους στην Σουηδική Βασιλική Ακαδημία Επιστημών, είχαν τους παρακάτω τίτλους:
‘Από τουςEinstein και Bell στις κβαντικές τεχνολογίες: η μη τοπικότητα μια γόνιμη απεικόνιση‘, Alain Aspect, Institut d’Optique Graduate School – Université Paris-Saclay and École Polytechnique, Palaiseau, France
‘Πειραματική απόδειξη ότι η μη τοπική κβαντική σύμπελξη είναι πραγματική‘, John F. Clauser, J.F. Clauser & Assoc., Walnut Creek, CA, USA
‘Ταξίδι στην Κβαντική Χώρα των Θαυμάτων’, Anton Zeilinger, University of Vienna and Austrian Academy of Sciences, Austria
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.
«Το πρώτο πράγμα που πρέπει να ξέρουμε για το επιστημονικό μου αντικείμενο είναι ότι η ονομασία του, η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang), δεν είναι σωστή», λέει ο βραβευμένος με το Νόμπελ Φυσικής 2019 James Peebles.
Ο όρος Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Fred Hoyle σε μια ραδιοφωνική εκπομπή του BBC, το κείμενο της οποίας δημοσιεύθηκε το 1950. Ο Hoyle με τους συνεργάτες του Hermann Bondi και Thomas Gold, είχαν διατυπώσει το 1948 την Θεωρία της Σταθερής Κατάστασης για το σύμπαν και χρησιμοποίησε τον όρο Μεγάλη Έκρηξη για να ειρωνευτεί την αντίπαλη θεωρία. Παρ’ όλα αυτά τελικά ο όρος αυτός επικράτησε, αποβάλλοντας το ειρωνικό του περιεχόμενο.
Ο James Peebles που κέρδισε το φετινό βραβείο Νόμπελ στη Φυσική είχε μεγάλη συνεισφορά, στις αρχές της δεκαετίας του 1960, στην εδραίωση της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης. Όμως, όπως δήλωσε σε μια πρόσφατη ομιλία του στην Σουηδική Πρεσβεία στην Ουάσινγκτον απεχθάνεται το όνομα «θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης». Το θεωρεί εντελώς ακατάλληλο. Και τούτο, διότι το όνομα αυτό υπαινίσσεται την έννοια ενός γεγονότος και μιας θέσης, κάτι που είναι λάθος, γιατί στην πραγματικότητα δεν υπάρχουν σαφή δεδομένα για μια γιγαντιαία έκρηξη.
Ο James Peebles είναι προσεκτικός στις διατυπώσεις του και δηλώνει πως δεν γνωρίζει τίποτε για την «αρχή». Είναι πολύ ατυχές το γεγονός ότι κάποιος (ακούγοντας τον όρο «Μεγάλη Έκρηξη») σκέφτεται την αρχή, ενώ στην πραγματικότητα δεν έχουμε μια καλή θεωρία για κάτι τέτοιο.
Αντίθετα, έχουμε μια «καλά δοκιμασμένη θεωρία της εξέλιξης από μια αρχέγονη κατάσταση» στην σημερινή κατάσταση, ξεκινώντας από «τα πρώτα δευτερόλεπτα της διαστολής» – κυριολεκτικά τα πρώτα δευτερόλεπτα του χρόνου, τα οποία έχουν αφήσει τις κοσμολογικές υπογραφές που αναφέρονται ως «απολιθώματα».
Τα απολιθώματα στην παλαιοντολογία σημαίνουν τα διατηρημένα υπολείμματα των ζωντανών οργανισμών από τις πρώιμες γεωλογικές ηλικίες. Τα παλαιότερα κοσμολογικά απολιθώματα είναι ο σχηματισμός του στοιχείου ηλίου και άλλων ελαφρών στοιχείων ως αποτέλεσμα της πυρηνοσύνθεσης που πραγματοποιήθηκε όταν το σύμπαν ήταν πολύ θερμό και πολύ πυκνό.
Αυτές οι θεωρίες υποστηρίζονται με πολύ μεγάλη ακρίβεια από θεωρητικά και παρατηρησιακά δεδομένα, σε αντίθεση με τις θεωρίες που επιχειρούν να περιγράψουν την προηγούμενη μυστηριώδη φάση της «αρχικής χρονικής στιγμής». Δεν έχουμε μια ισχυρή απόδειξη για το τι συνέβη νωρίτερα. Έχουμε θεωρίες, αλλά δεν επιβεβαιώνονται πειραματικά.
Οι θεωρίες είναι υπέροχες, αλλά για μένα, γίνονται αποδεκτές μόνο όταν επιβεβαιωθούν πειραματικά. Κάθε έξυπνος φυσικός μπορεί να δημιουργήσει θεωρίες. Δεν θα μπορούσαν όμως να έχουν καμία σχέση με την πραγματικότητα. Ανακαλύπτετε ποιες θεωρίες είναι κοντά στην πραγματικότητα, συγκρίνοντας τες με τα πειράματα. Δεν έχουμε πειραματικά στοιχεία ώστε να επιβεβαιώσουν κάποια θεωρία που περιγράφει αυτό που συνέβη νωρίτερα.
Μια από αυτές τις θεωρίες είναι γνωστή ως το «μοντέλο πληθωρισμού», το οποίο θεωρεί ότι το πρώιμο σύμπαν επεκτάθηκε εκθετικά γρήγορα μεταξύ 10-33 και 10-32 δευτερόλεπτων της ύπαρξης του σύμπαντος.
«Είναι μια όμορφη θεωρία», δήλωσε ο Peebles. «Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι επειδή είναι τόσο όμορφη, είναι σίγουρα σωστή. Αλλά τα αποδεικτικά στοιχεία είναι ισχνά».
Στην ερώτηση, «με ποιόν όρο θα αντικαθιστούσε το όνομα «Μεγάλη Έκρηξη», απάντησε: Έχω εγκαταλείψει την προσπάθεια, χρησιμοποιώ και εγώ τον όρο «Μεγάλη Έκρηξη» και δεν μου αρέσει. Εδώ και χρόνια, ορισμένοι από εμάς προσπάθησαν να πείσουν την επιστημονική κοινότητα να βρει έναν καλύτερο όρο χωρίς επιτυχία. Έτσι, έμεινε ο όρος «Μεγάλη Έκρηξη». Είναι αποτυχημένος όρος, αλλά όλοι ξέρουν αυτό το όνομα. Γι αυτό και εγκατέλειψα (τις προσπάθειες αντικατάστασής του).
: Γιατί το όνομα «Big Bang» είναι λανθασμένο... "Pin It")