InScience Magazine

Category: ΦΥΣΙΚΗ

  • ΤΑ ΑΝΟΙΧΤΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

    ΤΑ ΑΝΟΙΧΤΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

    Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος

    Στο άρθρο αυτό παρουσιάζουμε τα μεγάλα ανοικτά ερωτήματα στο μεταίχμιο μεταξύ σωματιδιακής φυσικής και κοσμολογίας. Συζητάμε τον τρόπο με τον οποίο προέκυψαν, πώς προσπαθούμε να τα εξηγήσουμε και τι μας επιφυλάσσει το μέλλον.  Από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος και ποια είναι η προέλευση και το μέλλον του Σύμπαντος; Τα ερωτήματα αυτά ανέκαθεν κατείχαν κεντρικό ρόλο στην κοσμοθεωρία όλων των πολιτισμών.

    Παρόλο που σε επίπεδο φιλοσοφίας η ενασχόληση με τα ερωτήματα αυτά άρχισε απ’ την περίοδο των προσωκρατικών φιλοσόφων, η φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, η επιστήμη που μελετά τη δομή της ύλης στο πιο θεμελιώδες επίπεδο, πήρε μορφή μόλις πριν εκατό περίπου χρόνια με την ανακάλυψη των πρώτων στοιχειωδών σωματιδίων. Το ηλεκτρόνιο ήταν το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο που ανακαλύφθηκε (το 1897 απ’ τον J.J. Thomson), με την ανακάλυψη του πρωτονίου και του νετρονίου να ακολουθούν το 1919 (Rutherford) και το 1932 (Chadwick) αντίστοιχα. Από τότε και μέχρι σήμερα νέα θεμελιώδη σωματίδια ανακαλύπτονταν κατά μέσο όρο κάθε 5 χρόνια, όπως φαίνεται στον πίνακα στην Εικ. 1.

    Εικ. 1

    Εικόνα 1: Χρονολογικός πίνακας με σημαντικές ανακαλύψεις νέων σωματιδίων ή θεωριών στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων.Αξίζει να τονίσουμε ότι:

    1. Μετά τα θεμελιώδη συστατικά των ατόμων της συνηθισμένης ύλης (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια) και το μιόνιο (που αποτέλεσε την πρώτη ένδειξη για την ύπαρξη περισσοτέρων γενεών φερμιονίων, δηλ. σωματιδίων με ημιακέραιο σπιν που συγκροτούν την ύλη), τα επόμενα σωματίδια (με σχεδόν απόλυτη πλειοψηφία) είχαν προβλεφθεί από τη θεωρία αρκετά χρόνια πριν ανακαλυφθούν. Σε μια πρώτη ανάγνωση κάποιος μπορεί να θεωρήσει ότι το πείραμα απλά επιβεβαίωνε τη θεωρία, παρόλα αυτά στον παραπάνω πίνακα έχουν παραληφθεί όλες οι μη επιβεβαιωμένες θεωρίες που ήταν πολλαπλάσιες των επιβεβαιωμένων! Το πείραμα, λοιπόν, ήταν πάντα ο τελικός κριτής.
    2. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, όλες οι ανακαλύψεις νέων σωματιδίων χρειάστηκαν περισσότερο διάστημα απ΄ ότι προηγούμενα. Πέραν της όποιας εγγενούς δυσκολίας παρουσίαζε η ανίχνευση, αυτό οφείλεται και στο γεγονός ότι οι ανακαλύψεις αυτές έγιναν σε μεγάλες πειραματικές κοινοπραξίες, χρησιμοποιώντας μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων οι οποίοι χρειάστηκαν δεκαετίες για να σχεδιαστούν και να λειτουργήσουν.

    Στο επίπεδο της θεωρίας, τα θεμέλια της σωματιδιακής φυσικής τέθηκαν με την ανάπτυξη της σχετικότητας και της κβαντομηχανικής στις αρχές του 20ού αιώνα. Απ’ τη σύνθεσή τους προέκυψε η Κβαντική Θεωρία Πεδίου (Quantum Field Theory), η οποία αναπτύχθηκε το 1940-1950. Ιδιαίτεροι σταθμοί αποτέλεσαν η ενοποίηση των ασθενών με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις το 1959 κι η ανακάλυψη του μηχανισμού Higgs (Higgs mechanism), ο οποίος ήταν απαραίτητος για μια μαθηματικά συνεπή περιγραφή των αλληλεπιδράσεων. Το 1967 ο Weinberg συνέθεσε το μοντέλο ηλεκτρασθενούς ενοποίησης με το μηχανισμό Higgs παρουσιάζοντας για πρώτη φορά αυτό που σήμερα ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων, δηλαδή τη θεωρία που περιγράφει σχεδόν1 όλα τα μικροσκοπικά φαινόμενα που έχουν σχέση με ηλεκτρομαγνητικές, ασθενείς και ισχυρές αλληλεπιδράσεις.

    Εικ. 2

    Εικόνα 2: Τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου. [Πηγή: wikipedia]Μετά τις αρχές τις δεκαετίας του 1970, οι πιο σημαντικές καινοτομίες στο επίπεδο της θεωρίας αφορούν στην πρόταση της ύπαρξης της υπερσυμμετρίας (supersymmetry), στη θεωρία χορδών (string theory) και πληθώρα μοντέλων πέραν του καθιερωμένου προτύπου με εκτεταμένες συμμετρίες που αντιστοιχούν σε νέες αλληλεπιδράσεις, περισσότερες γενεές φερμιονίων κλπ, καμία απ’ τις οποίες δεν έχει ακόμα επαληθευτεί πειραματικά. Παράλληλα, στο πειραματικό κομμάτι απ’ τη δεκαετία του 1980 και μετά πραγματοποιούνται συνεχείς μετρήσεις ακριβείας σε μεγάλα πειράματα επιταχυντών, οι οποίες στη συντριπτική πλειοψηφία τους συμφωνούν με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου με εκπληκτική ακρίβεια, όπως φαίνεται στην Εικ. 3.

    Εικ. 3

    Εικόνα 3: Μετρήσεις των ενεργών διατομών2 διαφόρων διαδικασιών (πιθανότητας για την παραγωγή μιας συγκεκριμένης τελικής κατάστασης στη σύγκρουση πρωτονίου-πρωτονίου) σε διάφορες ενέργειες του LHC. Τα σημεία αναπαριστούν τις πειραματικές μετρήσεις ενώ τα χρωματιστά κουτιά τις θεωρητικές προβλέψεις. [Πηγή: ATL-PHYS-PUB-2024-011]Παρόλη την παντοκρατορία του Καθιερωμένου Προτύπου υπάρχουν αρκετές παρατηρήσεις  οι οποίες δε μπορούν να εξηγηθούν από αυτό (Navas et al, 2024). Ποια λοιπόν είναι τα μεγάλα ανοιχτά ερωτήματα και πώς μπορούμε να προχωρήσουμε προς μια πιθανή εξήγησή τους;

    ΠΩΣ ΑΠΟΚΤΟΥΝ ΜΑΖΑ ΤΑ ΝΕΤΡΙΝΑ;

    Τα νετρίνα είναι σωματίδια τα οποία λαμβάνουν μέρος μόνο σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις (επομένως αλληλεπιδρούν πολύ σπάνια με τη συνήθη ύλη). Ο Wolfgang Pauli πρότεινε για πρώτη φορά την ύπαρξή τους το 1930, για να εξηγήσει τη φαινόμενη παραβίαση διατήρησης της ενέργειας στη διάσπαση-β (beta decay). Η διάσπαση-β είναι μια διαδικασία που γίνεται μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης, κατά την οποία ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε ένα πρωτόνιο. Για τη διατήρηση του φορτίου επιβάλλεται μαζί με το πρωτόνιο να παράγεται ένα αρνητικά φορτισμένο σωμάτιο, ένα ηλεκτρόνιο σε μια αντίδραση της μορφής

        \[ (A,Z)\rightarrow(A,Z+1)+e^-, \]

    όπου (Α, Ζ) ένας πυρήνας με Α πρωτόνια και νετρόνια και Ζ πρωτόνια. Λόγω διατήρησης της ορμής και της ενέργειας, η ενέργεια του ηλεκτρονίου στην παραπάνω αντίδραση θα έπρεπε να παίρνει μία συγκεκριμένη τιμή (περίπου ίση με τη διαφορά μαζών). Παρόλα αυτά, μετρήσεις του ενεργειακού φάσματος του ηλεκτρονίου (από τη Lise Meitner και τον Otto Hahn) έδειξαν ότι η ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου αντιστοιχεί σε ένα συνεχές φάσμα. Για να εξηγήσει το φαινόμενο αυτό, ο Pauli πρότεινε ότι στην αντίδραση αυτή παράγεται μαζί με το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο ένα νέο αφόρτιστο σωματίδιο, το οποίο πήρε το όνομα νετρίνο.

    Όπως και τα φορτισμένα λεπτόνια (ηλεκτρόνιο, μιόνιο, λεπτόνιο ταυ), έτσι και τα νετρίνα έχουν τρεις λεπτονικές γεύσεις, διαχωριζόμενα σε νετρίνα ηλεκτρονίου, μιονίου και ταυ. Αρχικά τα νετρίνα θεωρούνταν ως μη έχοντα μάζα, όπως τα φωτόνια. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990 όμως τα πειράματα στο Sudbury Neutrino Observatory στον Καναδά και στο Super-Kamiokande στην Ιαπωνία παρατήρησαν ότι νετρίνα μιας γεύσης καθώς διαδίδονταν στο χώρο άλλαζαν γεύση με μία συγκεκριμένη περιοδικότητα. Αυτή η «ταλάντωση» των νετρίνων απέδειξε ότι τα νετρίνα πρέπει να «αισθάνονται» το πέρασμα του χρόνου και συνεπώς θα πρέπει να έχουν μη μηδενική μάζα (σύμφωνα με την ειδική σχετικότητα ένα σωματίδιο χωρίς μάζα κινείται συνεχώς με την ταχύτητα του φωτός και συνεπώς δεν μπορεί να αντιληφθεί το πέρασμα του χρόνου)3.

    Το ερώτημα που γεννάται τώρα είναι τι προσδίδει στα νετρίνα τη μάζα τους; Είναι εύλογο να θεωρήσει κανείς ότι τα νετρίνα αποκτούν τη μάζα τους αλληλεπιδρώντας με το μποζόνιο Higgs, όπως τα υπόλοιπα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου. Ξέρουμε όμως ότι κατά την αλληλεπίδρασή τους με το μποζόνιο Higgs, η ιδιοστροφορμή των σωματιδίων αλλάζει φορά σε σχέση με την κατεύθυνση της κίνησής τους. Αυτό αποτελεί πρόβλημα, καθώς για όλα τα νετρίνα (αντι-νετρίνα) που έχουν παρατηρηθεί η κατεύθυνση της ιδιοστροφορμής τους είναι πάντα αντίθετη (ίδια) με τη φορά της κίνησης (δηλαδή τα νετρίνα είναι πάντα “αριστερόστροφα” ενώ τα αντι-νετρίνα πάντα “δεξιόστροφα”). Επομένως τα νετρίνα δεν μπορούν να αποκτούν μάζα όπως τα υπόλοιπα σωματίδια στο Καθιερωμένο Πρότυπο.

    Μια άλλη δυνατότητα που υπάρχει είναι εφόσον τα νετρίνα είναι αριστερόστροφα και τα αντι-νετρίνα δεξιόστροφα, αν το νετρίνο είναι αντισωματίδιο του εαυτού του (είναι όπως λέμε σωματίδιο τύπου Majorana) θα μπορούσε να αποκτά μάζα μέσω του μηχανισμού Higgs. Σε αυτή την περίπτωση, περιμένουμε να δούμε αντιδράσεις όπως η διπλή διάσπαση-β χωρίς εκπομπή νετρίνων 2n → 2p + 2e–, όπως φαίνεται στην Εικ. 4, η οποία παραβιάζει όμως τη διατήρηση του λεπτονικού αριθμού. Παρότι διάφορα πειράματα ψάχνουν γι’ αυτού του είδους τη διάσπαση, δεν έχει βρεθεί μέχρι σήμερα καμία ένδειξη για την ύπαρξή της.

    Εικ. 4

    Εικόνα 4: Διάγραμμα που αναπαριστά τη διπλή διάσπαση-β χωρίς εκπομπή νετρίνων. Στην τελική κατάσταση έχουμε δύο λεπτόνια (ηλεκτρόνια) ενώ στην αρχική κατάσταση δεν έχουμε λεπτόνια, με συνέπεια να παραβιάζεται ο λεπτονικός αριθμός. [Πηγή: wikipedia]Επομένως υπάρχουν τρεις δυνατότητες για να εξηγήσουμε το πώς τα νετρίνα αποκτούν μάζα (De Gouvea, 2016), (1) η ύπαρξη δεξιόστροφων νετρίνων, τα οποία δε λαμβάνουν μέρος σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις, (2) η υπόθεση ότι τα νετρίνα είναι αντισωματίδια του εαυτού τους, η οποία οδηγεί στην παραβίαση του λεπτονικού αριθμού ή (3) η ύπαρξη ενός νέου μηχανισμού παραγωγής μάζας.

    Διάφορα πειράματα που προσπαθούν να ανιχνεύσουν την ύπαρξη δεξιόστροφων νετρίνων ή τη διπλή διάσπαση-β χωρίς εκπομπή νετρίνων βρίσκονται σε εξέλιξη, αλλά μέχρι στιγμής δεν υπάρχει καμία σαφής ένδειξη για την ύπαρξή τους. Σε κάθε περίπτωση η επίλυση του ερωτήματος για τον τρόπο που τα νετρίνα αποκτούν μάζα απαιτεί την εισαγωγή νέας φυσικής πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

    ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΠΑΡΑΤΗΡΟΥΜΕ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΙΣ ΑΝΤΙΥΛΗΣ ΣΤΟ ΟΡΑΤΟ ΣΥΜΠΑΝ;

    Αν παρατηρήσουμε το ορατό Σύμπαν βλέπουμε γαλαξίες και νέφη από υδρογόνο και ήλιο, δηλαδή αντικείμενα που αποτελούνται απ’ τα σωματίδια ύλης, πρωτόνια νετρόνια και ηλεκτρόνια. Πουθενά δεν έχει παρατηρηθεί μεγάλη συγκέντρωση αντιύλης, δηλαδή αντικειμένων που να αποτελούνται από αντιπρωτόνια, αντινετρόνια και ποζιτρόνια. Αυτή η παρατήρηση είναι γνωστή με το όνομα ασυμμετρία ύλης-αντιύλης (ή βαρυονική ασυμμετρία).

    Πώς μπορεί να προέκυψε αυτή η ασυμμετρία; Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της κοσμολογίας, τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), το Σύμπαν περιήλθε σε μια περίοδο εκθετικής διαστολής, που ονομάζεται εποχή του πληθωρισμού (inflationary epoch), κατά την οποία ο όγκος του αυξήθηκε τουλάχιστον κατά ένα παράγοντα της τάξης του 1078. Η τεράστια αύξηση του όγκου του Σύμπαντος είχε ως αποτέλεσμα την εξάλειψη οποιασδήποτε ασυμμετρίας μεταξύ ύλης κι αντιύλης, η οποία ενδεχομένως να υπήρχε μέχρι τότε. Επομένως η ασυμμετρία που παρατηρούμε σήμερα θα πρέπει να δημιουργήθηκε είτε στο τέλος του πληθωρισμού είτε μετά το τέλος του. Η πρώτη υπόθεση (πληθωριστική βαρυογένεση) είναι δύσκολο να ελεγχθεί πειραματικά, καθώς οι ενέργειες που επικρατούσαν κατά τον πληθωρισμό είναι 1013 φορές μεγαλύτερες απ’ την ενέργεια των σημερινών επιταχυντών αλλά κι επειδή ο ίδιος ο πληθωρισμός δεν έχει ακόμα εξακριβωθεί πειραματικά. Απομένει επομένως το ενδεχόμενο να δημιουργήθηκε η ασυμμετρία μετά το τέλος του πληθωρισμού από αλληλεπιδράσεις που παράγουν περισσότερη ύλη απ’ ότι αντιύλη.

    Οι απαραίτητες συνθήκες για να παράγει μια αλληλεπίδραση περισσότερη ύλη από αντιύλη είναι οι αποκαλούμενες τρείς συνθήκες Sakharov: (1) να παραβιάζει το βαρυονικό αριθμό, (2) να παραβιάζει τη συμμετρία μεταξύ σωματιδίων κι αντισωματιδίων (συμμετρίες C και CP) και (3) να συμβαίνει εκτός θερμικής ισορροπίας. Στο Καθιερωμένο Πρότυπο οι μόνες αλληλεπιδράσεις που ικανοποιούν τις συνθήκες αυτές είναι οι ασθενείς, παρόλα αυτά έχει αποδειχθεί ότι η ασυμμετρία μεταξύ σωματιδίων κι αντισωματιδίων στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις είναι πολύ μικρότερη απ’ ότι χρειάζεται για να εξηγηθεί η παρατηρούμενη ασυμμετρία ύλης-αντιύλης στο Σύμπαν4. Τα παραπάνω καταδεικνύουν ότι η εξήγηση της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης απαιτεί νέα φυσική πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

    Δεκάδες θεωρίες έχουν προταθεί για να εξηγήσουν την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης (Riotto, 1998; Barbieri et al, 2000). Οι περισσότερες απ’ αυτές προβλέπουν την ύπαρξη νέων αλληλεπιδράσεων που συμβαίνουν σε πολύ υψηλές ενέργειες και συνεπώς είναι αδύνατον να ελεγχθούν πειραματικά με τις σημερινές τεχνικές. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν θεωρίες που είναι ελέγξιμες στους σημερινούς επιταχυντές. Για παράδειγμα η θεωρία της ηλεκτρασθενούς βαρυογένεσης προβλέπει ότι η συνθήκη μη ισορροπίας που χρειάζεται για τη βαρυογένεση δημιουργείται μέσω του μηχανισμού Higgs. Αυτές οι θεωρίες προβλέπουν την ύπαρξη περισσοτέρων μποζονίων Higgs εντός της εμβέλειας του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (Large Hadron Collider, LHC). Παρά τις έρευνες κανένα απ’ αυτά τα μποζόνια δεν έχει ακόμα ανακαλυφθεί.

    Τέλος εφόσον χρειάζονται τρεις συνθήκες για την πραγματοποίηση της βαρυογένεσης, η εξήγηση του φαινομένου μπορεί να αποδειχθεί πολύ πιο σύνθετη απ’ ότι φανταζόμαστε, απαιτώντας τρία διαφορετικά μοντέλα νέας φυσικής για την πραγματοποίηση κάθε μιας από τις τρεις συνθήκες του Sakharov.

    ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ;

    Στις αρχές της δεκαετίας του 1930, ο Σουηδός αστρονόμος Knut Lundmark κι ο Ελβετός φυσικός Fritz Zwicky υπολόγισαν από μετρήσεις της φωτεινότητας και της περιστροφικής ταχύτητας γαλαξιών και γαλαξιακών σμηνών το λόγο της φωτοβολούσας μάζας προς την ολική (βαρυτική) μάζα τους και απεφάνθησαν ότι η ολική μάζα είναι δεκάδες φορές μεγαλύτερη απ’ τη φαινόμενη. Το έλλειμα μάζας το απέδωσαν σε ένα νέο τύπο ύλης που ονόμασαν σκοτεινή ύλη (dark matter),  εικάζοντας ότι επρόκειτο για σκοτεινά νέφη, μετεωρίτες, σβησμένα άστρα κλπ.

    Οι φαινομενικά παράδοξες αυτές παρατηρήσεις ξεχάστηκαν απ’ την επιστημονική κοινότητα για πάνω από σαράντα χρόνια, μέχρι που νέες μετρήσεις των ταχυτήτων περιστροφής του γαλαξία της Ανδρομέδας απ’ τη Vera Rubin και τον Kent Ford επιβεβαίωσαν ότι οι εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών περιστρέφονται πολύ πιο γρήγορα απ’ ότι προβλέπει η Νευτώνεια φυσική, δεδομένης της φωτοβολούσας μάζας τους. Αργότερα, μετρήσεις ακριβείας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου (δηλ. του διάχυτου φωτός που παρατηρούμε απ’ την εποχή που τα ηλεκτρόνια δεσμεύτηκαν σε άτομα και το Σύμπαν έγινε ηλεκτρικά ουδέτερο), μετρήσεις του βαρυτικού πεδίου συγκρουόμενων γαλαξιακών σμηνών και πολλές άλλες αστρονομικές παρατηρήσεις απέδειξαν αδιάσειστα ότι η συνήθης βαρυονική ύλη που παρατηρούμε και απ’ την οποία είναι φτιαγμένα τα άστρα και οι γαλαξίες δεν αποτελεί παρά το 1/5 της συνολικής ύλης του Σύμπαντος (βλ. Εικ. 5).

    Εικ. 5

    Εικόνα 5: (Αριστερά) Σύγκριση των πειραματικών μετρήσεων περιστροφικών ταχυτήτων ενός γαλαξία (σημεία) με την ταχύτητα που προβλέπεται απ’ τη θεωρία βάσει της φαινόμενης μάζας (διακεκομμένη γραμμή) [Πηγή: wikipedia]. (Δεξιά) Σύγκριση των πειραματικών μετρήσεων του φάσματος της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου (κόκκινα σημεία) με τις προβλεπόμενες τιμές (γραμμές) για διάφορες τιμές της σχετικής πυκνότητας βαρυονικής ύλης. [Πηγή: https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March10/Garrett/Garrett3.html]Το ερώτημα που γεννάται είναι από τι αποτελούνται τα υπόλοιπα 4/5, δηλαδή ποια είναι η μικροσκοπική σύσταση της σκοτεινής ύλης; Το ερώτημα αυτό παραμένει μέχρι σήμερα αναπάντητο, παρόλα αυτά από διάφορες παρατηρήσεις μπορούμε να εξάγουμε κάποιες απ’ τις ιδιότητές της. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη πρέπει να

    • είναι σταθερή, με χρόνο ημιζωής πάνω από 10 φορές μεγαλύτερο απ’ την ηλικία του Σύμπαντος
    • είναι ηλεκτρικά ουδέτερη (το μέγιστο ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί να έχει είναι δέκα χιλιάδες φορές μικρότερο απ’ το φορτίο του ηλεκτρονίου)
    • κινείται αργά (έχει αποδειχτεί ότι αν η σκοτεινή ύλη κινείται γρήγορα, εμποδίζει τη δημιουργία γαλαξιών)
    • είναι μη βαρυονική, δηλαδή δεν αποτελείται απ’ τα συνήθη σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου
    • μην αποτελείται πλήρως από μαζικά αστρονομικά αντικείμενα (MACHO) όπως αστροφυσικές μαύρες τρύπες, αστέρες νετρονίων, καφέ νάνοι, πλανήτες κλπ)

    Καθώς οι πρώτες μετρήσεις απ’ τις οποίες εξήχθει η υπόθεση της σκοτεινής ύλης βασίζονταν στην εφαρμογή της βαρυτικής θεωρίας του Einstein (που ανάγεται στη συνήθη Νευτώνεια βαρύτητα για το συγκεκριμένο πρόβλημα) κάποιοι υποστήριξαν ότι οι αποκλίσεις που παρατηρήθηκαν σε μεγάλες αποστάσεις απ’ το κέντρο των γαλαξιών υποδεικνύουν την ανεπάρκεια της Νευτώνειας βαρύτητας, προτείνοντας μια τροποποιημένη θεωρία βαρύτητας. Παρόλα αυτά οι θεωρίες αυτές δεν μπορούσαν να περιγράψουν ικανοποιητικά όλες τις παρατηρήσεις και συνεπώς η ιδέα της περιγραφής των αστρονομικών παρατηρήσεων που διαθέτουμε αποκλειστικά και μόνο βάσει μιας τροποποιημένης βαρύτητας χωρίς την εισαγωγή της σκοτεινής ύλης (MoND) έχει πρακτικά εγκαταληφθεί.

    Οι θεωρίες που απομένουν ως πιθανή εξήγηση της σκοτεινής ύλης αρκούν για να γεμίσουν αρκετούς τόμους βιβλίων. Το εύρος των πιθανών μαζών σωματιδίων σκοτεινής ύλης καλύπτει πάνω από 80 τάξεις μεγέθους, από 10-58 μέχρι 1030 kg, επομένως απαιτούνται πολλές παρατηρήσεις με διαφορετικές τεχνικές σε πληθώρα πειραμάτων για την κατανόηση της φύσης της.

    Στην περιοχή μεγάλων μαζών όπου περιμένουμε η σκοτεινή ύλη να αποτελείται από αρχέγονες μαύρες τρύπες που δημιουργήθηκαν πολύ πριν τα πρώτα άστρα (Arbey, 2024; Escriva et al., 2024), οι κύριες μέθοδοι ανίχνευσης βασίζονται κυρίως σε αστρονομικές μετρήσεις όπως βαρυτικά κύματα, βαρυτικούς φακούς και στη μελέτη του αντίκτυπου της ακτινοβολίας Hawking στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Στις υπόλοιπες περιοχές υπάρχουν τρία είδη πειραμάτων: (1) άμεσης ανίχνευσης (Billard et al, 2022), (2) έμμεσης ανίχνευσης (Gaskins, 2016) και (3) παραγωγής σκοτεινής ύλης σε επιταχυντές (Boveia and Doglioni, 2018; Argyropoulos et al., 2011). Στα πειράματα άμεσης ανίχνευσης, τεράστια δοχεία γεμισμένα με ευγενή υγρά (πχ. υγρό ξένο) τοποθετούνται σε ορυχεία, για να προστατευθούν απ’ την επήρεια της κοσμικής ακτινοβολίας, και στοχεύουν στην ανίχνευση της ανάκρουσης ενός ατόμου του ευγενούς υγρού το οποίο θα συγκρουστεί με ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης στο γαλαξία. Στα πειράματα έμμεσης ανίχνευσης, επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια ακτίνων-γ, νετρίνων και κοσμικών ακτίνων προσπαθούν να ανιχνεύσουν τα προϊόντα απ’ την εξαΰλωση ενός ζεύγους σωματιδίου-αντισωματιδίου σκοτεινής ύλης. Τέλος στους επιταχυντές προσπαθούμε να ανιχνεύσουμε σήματα ελλείματος ενέργειας που αναμένονται να δημιουργηθούν απ’ τα σωματίδια σκοτεινής ύλης αν αυτά παραχθούν στις συγκρούσεις πρωτονίων.

    Παρά τις πολύχρονες έρευνες δεν υπάρχει ακόμα καμία ένδειξη για την ανίχνευση ενός σωματιδίου που να έχει τις κατάλληλες ιδιότητες για να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη, πολλές απ’ τις προταθείσες θεωρίες έχουν ωστόσο αποκλειστεί. Το σίγουρο είναι ότι η διαλεύκανση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης θα αποτελέσει μια απ’ τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις της φυσικής.

    ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 

    Στα τέλη της δεκαετίας του 1920 με μια σειρά από αστρονομικές μετρήσεις και θεωρητικές ερμηνείες οι Knut Lundmark, Georges Lemaitre και Edwin Hubble απέδειξαν ότι το ορατό μέρος του Σύμπαντος διαστέλεται. Θα περίμενε κανείς λόγω της βαρυτικής έλξης των γαλαξιών η διαστολή αυτή να επιβραδύνεται. Παρόλα αυτά, προς έκπληξη όλων, το 1998 δύο ερευνητικές ομάδες, το Supernova Cosmology Project με επικεφαλής τον Saul Perlmutter, και το High-Z Supernova Search Team, με επικεφαλής τους Brian Schmidt και Adam Riess, ανακάλυψαν ότι η διαστολή επιταχύνεται. Εφόσον σε κοσμικές αποστάσεις η μόνη δύναμη που έχει σημασία είναι η βαρυτική, τι μπορεί να είναι αυτό που σα μια δύναμη αντιβαρύτητας οδηγεί στην επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος; Ο λόγος δεν έχει ακόμα αποσαφηνιστεί αλλά του έχει αποδοθεί ο όρος σκοτεινή ενέργεια (dark energy).

    Ο αριθμός των θεωριών που προσπαθούν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ενέργεια είναι τεράστιος (Brax, 2018). Για να εξηγήσει κάποιος τη σκοτεινή ενέργεια μπορεί να εισάγει νέα πεδία (βαθμωτά όπως το πεδίο Higgs, διανυσματικά όπως το φωτόνιο ή τανυστικά όπως το βαρυτικό πεδίο) ή νέες χωρικές διαστάσεις, να τροποποιήσει τη μορφή των εξισώσεων πεδίου Einstein κλπ. Καθώς οι τροποποιήσεις αυτές έχουν επιπτώσεις κυρίως στη βαρύτητα και συνεπώς στην κοσμολογία (εξέλιξη του Σύμπαντος), κυριαρχεί η αντίληψη ότι το πρόβλημα της σκοτεινής ενέργειας δεν έχει σχέση με τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων. Παρόλα αυτά δε μπορεί κανείς να παραβλέψει ότι κβαντικές διακυμάνσεις των πεδίων που δημιουργούν τα στοιχειώδη σωματίδια συμβάλουν στη δημιουργία μιας ενεργούς κοσμολογικής σταθεράς, η οποία μπορεί να παίξει το ρόλο της σκοτεινής ενέργειας (μάλιστα είναι η επικρατέστερη θεωρία για την εξήγηση της σκοτεινής ενέργειας). Και το πρόβλημα εδώ έγκειται στο γεγονός ότι ο υπολογισμός της κοσμολογικής σταθεράς βάσει κβαντικής θεωρίας πεδίου δίνει ένα νούμερο 50 με 120 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο απ’ το παρατηρούμενο! Αυτό είναι γνωστό ως πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς (Weinberg, 1989), το οποίο θα πρέπει να επιλυθεί.

    Πέραν αυτού, είναι γνωστό ότι διάφορες θεωρίες που προβλέπουν νέα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με το βαρυτικό πεδίο, νέες διαστάσεις ή τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας θα μπορούσαν να ανιχνευτούν στους επιταχυντές (Brax et al, 2009; Brax et al, 2016) είτε άμεσα (ως νέα σωματίδια) είτε έμμεσα μέσω της επίπτωσής τους στις μετρούμενες ιδιότητες των σωματιδίων του Καθιερωμένου Προτύπου (Burrage et al 2018; Argyropoulos et al., 2024). Επομένως, η σωματιδιακή φυσική μπορεί να παρέχει επιπλέον πληροφορία στην εξιχνίαση αυτού του εξαιρετικά δύσκολου προβλήματος.

    ΑΛΛΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ

    Πέραν των παραπάνω ερωτημάτων που προέκυψαν από πειραματικές παρατηρήσεις που δεν μπορούν να εξηγηθούν βάσει των θεωριών που διαθέτουμε, υπάρχει μια σειρά από άλλα προβλήματα που αναδύονται στο κομμάτι της θεωρητικής ερμηνείας του Καθιερωμένου Προτύπου.

    Το πιο γνωστό είναι το λεγόμενο πρόβλημα της ιεραρχίας (hierarchy problem), σύμφωνα με το οποίο κβαντικές διορθώσεις που επηρεάζουν τη μάζα των σωματιδίων οδηγούν τη μάζα του Higgs σε μια τιμή πολλές τάξεις μεγέθους υψηλότερη απ’ ότι η μετρούμενη. Η πιο διάσημη προτεινόμενη λύση του προβλήματος εισάγει την υπόθεση της υπερσυμμετρίας, μιας συμμετρίας που σε κάθε γνωστό φερμιόνιο/μποζόνιο αντιστοιχεί ένα νέο μποζόνιο/φερμιόνιο, διπλασιάζοντας έτσι τον αριθμό των σωματιδίων του Καθιερωμένου Προτύπου. Παρά τις έρευνες για υπερσυμμετρία σε επιταχυντές, καμία ένδειξη δεν έχει προκύψει μέχρι σήμερα.

    ΑΝΤΙ ΕΠΙΛΟΓΟΥ: ΠΩΣ ΜΠΟΡΟΥΜΕ ΝΑ ΑΝΑΚΑΛΥΨΟΥΜΕ ΝΕΑ ΦΥΣΙΚΗ;

    Η ιστορία μας δείχνει ότι μεγάλες ανακαλύψεις στη σωματιδιακή φυσική προέκυψαν είτε δοκιμάζοντας τα όρια εφαρμογής των ισχυουσών θεωριών (π.χ. ανακάλυψη παραβίασης ομοτιμίας στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις), είτε από την προσπάθεια πειραματικής επιβεβαίωσης των προβλέψεων νέων θεωριών (π.χ. ποζιτρόνιο, μποζόνιο Higgs) είτε από μετρήσεις ακριβείας που αποκάλυψαν την ανάγκη επέκτασης της θεωρίας (π.χ. διάσπαση καονίων που οδήγησε στην πρόβλεψη του χαριτωμένου κουαρκ).

    Είδαμε ότι πολλές φορές στην ιστορία της φυσικής χρειάστηκαν δεκαετίες για να παρουσιαστεί μια αναπάντεχη παρατήρηση ή να επιβεβαιωθεί μια θεωρία. Μάλιστα τις τελευταίες δεκαετίες, οι μεγάλες ανακαλύψεις όχι μόνο στη σωματιδιακή φυσική αλλά και σε άλλους κλάδους όπως η αστρονομία/κοσμολογία, τείνουν να γίνονται όχι από μεμονωμένους ερευνητές αλλά από μεγάλες πειραματικές κοινοπραξίες, οι οποίες χρειάζονται τους κατάλληλους υλικούς και ανθρώπινους πόρους για να λειτουργήσουν.  Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σωματίδια που δεν έχουν ακόμα ανακαλυφθεί είναι είτε πολύ βαριά είτε αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς επομένως για την παρατήρησή τους χρειάζονται πολύ μεγάλες ενέργειες ή δέσμες μεγάλης έντασης που απαιτούν την κατασκευή πολύπλοκων πειραματικών εγκαταστάσεων.

    Πολλά νέα πειράματα νετρίνων, μελλοντικοί επιταχυντές και διαστημικές αποστολές που μπορεί να λύσουν κάποια απ’ τα παραπάνω μυστήρια βρίσκονται ήδη υπό σχεδίαση. Μέσα από αυτή την αέναη ερευνητική δραστηριότητα παράγεται όχι μόνο νέα γνώση που προάγει την επιστήμη και ικανοποιεί τις πηγαίες φιλοσοφικές αναζητήσεις τις ανθρωπότητας, αλλά και πλείστες εφαρμογές που βελτιώνουν την καθημερινή μας ζωή (παγκόσμιος ιστός, τομογραφία ποζιτρονίων, οθόνες αφής κ.ά.).

    Δε μπορούμε να πούμε πώς και πότε θα εμφανιστεί η επόμενη ανακάλυψη. Ακολουθώντας τον Hubble απλά «εξοπλιζόμαστε με τις πέντε αισθήσεις μας και παρατηρούμε τον κόσμο γύρω μας, ονομάζοντας αυτή την περιπέτεια Επιστήμη».

    ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] Το “σχεδόν” εδώ αναφέρεται σε φαινόμενα τα οποία συμβαίνουν σε ενέργειες στις οποίες δεν έχουν ανακαλυφθεί ακριβείς μαθηματικές τεχνικές για τον υπολογισμό παρατηρήσιμων μεγεθών. Για παράδειγμα η σταθερά σύζευξης της ισχυρής αλληλεπίδρασης σε μικρές ενέργειες γίνεται τόσο μεγάλη που καθιστά αδύνατους τους θεωρητικούς υπολογισμούς στην κβαντική θεωρία πεδίου.

    [2] Η ενεργός διατομή είναι ανάλογη της πιθανότητας παραγωγής μιας συγκεκριμένης τελικής κατάστασης κατά τη σύγκρουση δύο σωματιδίων (στην προκειμένη περίπτωση πρωτονίων).

    [3] Η ανακάλυψη αυτή τιμήθηκε με βραβείο Νομπέλ (2015), το πρώτο μάλιστα που απονεμήθηκε σε εκπροσώπους πειραματικών κοινοπραξιών.

    [4] Αυτό αναφέρεται στον τομέα των κουαρκς, για τον οποίον υπάρχουν ακριβείς μετρήσεις της παραβίασης της συμμετρίας CP. Ένα ενδεχόμενο που αποτελεί αντικείμενο εντατικής έρευνας είναι να παραβιάζεται αρκετά η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης στις αλληλεπιδράσεις νετρίνων ώστε να δημιουργεί στο πρώιμο Σύμπαν περίσσεια λεπτονίων (λεπτογέννεση).

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Ευχαριστούμε τον Καθηγητή Σπύρο Τζαμαρία (ΑΠΘ) και τον Δρ. Νίκο Ρομποτή (Πανεπιστήμιο Liverpool) που με τις υποδείξεις τους βοήθησαν στη βελτίωση του άρθρου. Τυχόν λάθη βαραίνουν τον συγγραφέα.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    ΕΛΛΗΝΟΓΛΩΣΣΗ

    Bartusiak, M., 2022. Η μέρα που ανακαλύψαμε το Σύμπαν. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    Gagnon, P., 2022. Ποιος κυνηγάει το Higgs. Μια οδύσσεια του μικρόκοσμου. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    Weinberg, S., 2017. Τα τρία πρώτα λεπτά. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    Weinberg, S., 2019. Σκέψεις με θέα τη λίμνη, Ο κόσμος μας και το Σύμπαν. Θεσσαλονίκη: ΡΟΠΗ.

    ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ

    Arbey, A., 2024. Primordial black holes: a small review. https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.08624

    Argyropoulos, S., Brandt, O., Haisch, U., Collider Searches for Dark Matter through the Higgs Lens, 2011. Symmetry 13(12), 2406. https://doi.org/10.3390/sym13122406

    Argyropoulos, S., Burrage, C., Englert, C., 2024. Density dependent displaced vertex signatures as a novel probe of light dark sector scalars at the LHC. JCAP 2024(06), 046. https://doi.org/10.1088/1475-7516/2024/06/046

    Barbieri, R., et al, 2000. Baryogenesis through Leptogenesis, Nucl.Phys.B 575, 61-77. https://doi.org/10.1016/S0550-3213(00)00011-0

    Billard, J. et al, 2022. Direct detection of dark matter—APPEC committee report, Rept.Prog.Phys. 85(5), 056201. https://doi.org/10.1088/1361-6633/ac5754

    Boveia, A., Doglioni, C., 2018. Dark Matter searches at Colliders, Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. 68, 429-459. https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-101917-021008

    Brax, P., et al, 2009. Collider constraints on interactions of dark energy with the Standard Model. JHEP 09 (2009) 128. https://doi.org/10.1088/1126-6708/2009/09/128

    Brax, P., et al, 2016. LHC Signatures Of Scalar Dark Energy, Phys.Rev.D 94(8), 084054, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.94.084054

    Brax, P., 2018. What makes the Universe accelerate? A review on what dark energy could be and how to test it. Rep. Prog. Phys. 81 016902. https://doi.org/10.1088/1361-6633/aa8e64

    Burrage, C., et al, 2018. Fifth forces, Higgs portals and broken scale invariance. JCAP, 2018(11), 036. https://doi.org/10.1088/1475-7516/2018/11/036

    De Gouvea, A., 2016. Neutrino mass models, Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. 66, 197-217. https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-102115-044600

    Escriva, A., Kuhnel, F., Tada, Y., 2024. Primordial Black Holes in Black Holes in the Era of Graviataitonal-Wave Astronomy, 261-377.  https://doi.org/10.1016/B978-0-32-395636-9.00012-8

    Gaskins, J., M., 2016. A review of indirect searches for particle dark matter. Contemp.Phys. 57(4), 496-525. https://doi.org/10.1080/00107514.2016.1175160

    Panek, R., 2011. The 4% Universe, Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality. Boston: Mariner Books.

    Riotto, A., 1998. Theories of baryogenesis, CERN-TH-98-204. https://doi.org/10.48550/arXiv.hep-ph/9807454

    Weinberg, S., 1989. The Cosmological Constant Problem. Rev.Mod.Phys. 61, 1-23. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.61.1

  • ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑΣ

    ΜΙΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑΣ

    Η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου. Credit: ESA and the Planck CollaborationΝίκος Αλεξίου

    Εκπαιδευτικός, Φυσικός, Υποψήφιος Διδάκτωρας ΕΚΠΑ

    Στο άρθρο αυτό παρουσιάζουμε μια σύντομη ιστορία της Κοσμολογίας, όπως αυτή διαμορφώθηκε τα τελευταία εκατό χρόνια και οδήγησε στην ανάδειξη της ως αιχμή του δόρατος στην ανάπτυξη της σύγχρονης έρευνας στη Φυσική. Από τη δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, μέχρι την ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος και από τα πρώτα μεγάλα τηλεσκόπια μέχρι τα σχέδια για διαστημικά συμβολόμετρα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων, το ταξίδι ήταν μεγάλο και όμορφο αλλά συνεχίζεται ακόμα. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

    Κοιτάζοντας κανείς τον ανέφελο νυχτερινό ουρανό από κάποια ερημική παραλία ή κάποιο βουνό, κατά προτίμηση μια νύχτα χωρίς φεγγάρι, δεν μπορεί να μην γοητευτεί από το θέαμα των αστρικών σχηματισμών και της γαλαξιακής ζώνης. Χιλιάδες χρόνια τώρα οι άνθρωποι σε όλο τον κόσμο παρατηρούν αυτόν τον ίδιο ουρανό και πλάθουν ιστορίες και μύθους για τον σχηματισμό του Κόσμου. Και όμως! Τα μερικές χιλιάδες αστέρια που βλέπουμε με γυμνό μάτι αποτελούν μόνο ένα ασήμαντο μέρος του Σύμπαντος, όλα τους μέρη του δικού μας Γαλαξία που απαριθμεί περισσότερα από 200 δισεκατομμύρια αστέρια και είναι απλά, ένας από τους τρισεκατομμύρια γαλαξίες του Σύμπαντος.

    Η Κοσμολογία, o λόγος περί του Κόσμου, αποτελεί ένα διαρκώς διευρυνόμενο πεδίο έρευνας στη φυσική και αποτελεί κοινή παραδοχή πως κυοφορεί τις μελλοντικές επιστημονικές εξελίξεις στον τομέα. Παρόλα αυτά, μόλις έναν αιώνα πριν, η Κοσμολογία θεωρούνταν αντικείμενο που προσέγγιζε περισσότερο τη Φιλοσοφία ή και την Θεολογία. Για να φτάσουμε στο σημείο να έχουμε θεωρίες εξήγησης της δομής και της ιστορίας του Σύμπαντος ως ολότητας, έπρεπε να προηγηθεί η ανάπτυξη τηλεσκοπίων ολοένα αυξανόμενων δυνατοτήτων. Ορόσημο στην ιστορία της Κοσμολογίας αποτελεί η ανακάλυψη από τον Αμερικανό αστρονόμο Edwin Hubble, αρχικά της ύπαρξης άλλων γαλαξιών και στη συνέχεια της σχετικής απομάκρυνσης των γαλαξιών, της διαστολής δηλαδή του Σύμπαντος. Από τότε, ένα συναρπαστικό ταξίδι καινούργιων ανακαλύψεων αλλά και διατύπωσης θεωριών, για τις ιδιότητες και την εξέλιξη του Σύμπαντος, ξεκίνησε.

    ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΒΗΜΑΤΑ

    Ένα σημαντικό εργαλείο για τους ιστορικούς, αλλά και τους ιστορικούς της επιστήμης ειδικότερα, είναι η περιοδολόγηση της ιστορίας με βάση σημαντικά γεγονότα, που συνήθως αποτελούν σημεία τομής με την προηγούμενη κατάσταση. Η διάκριση περιόδων πάντα εμπεριέχει απλουστεύσεις και προσεγγίσεις αλλά ταυτόχρονα βοηθά στο να μελετηθεί πιο εύκολα και πιο αποτελεσματικά η ιστορία.

    Αν θέλαμε λοιπόν να ορίσουμε ένα σημείο ορόσημο για την ιστορία της Κοσμολογίας και την ανάδυση της ως επιστημονικού αντικειμένου, αυτό θα ήταν σίγουρα η δημοσίευση τον Νοέμβριο του 1915 της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) από τον Albert Einstein. Η εφαρμογή των εξισώσεων πεδίου του Einstein δυο χρόνια αργότερα οδήγησε και στα πρώτα μοντέλα για το Σύμπαν. Ο ίδιος ο Einstein ήταν από τους πρώτους που χρησιμοποίησαν τις εξισώσεις πεδίου της νέας του θεωρίας για τη βαρύτητα για να παρουσιάσει το δικό του μοντέλο. Το Σύμπαν του Einstein ήταν χωρικά κλειστό, στατικό και χρονικά άπειρο. Με την πρώτη ιδιότητα εξέλιπε και η ανάγκη για συνοριακές συνθήκες. Για να είναι ωστόσο στατικό, θα έπρεπε να υπάρχει ένας παράγοντας που να αναιρεί την τάση των σωμάτων που το απαρτίζουν να έλκονται μεταξύ τους. Ο παράγοντας αυτός είναι η περίφημη σταθερά λ, η κοσμολογική σταθερά (cosmological constant), στις εξισώσεις πεδίου του Einstein.

        \[ R_\mu_\nu-1/2\ g_\mu_\nu\ R-\lambda g_\mu_\nu=-8\pi GT_\mu_\nu \]

    με, λ=8ρπG, όπου ρ είναι η πυκνότητα της μάζας του Σύμπαντος, G η παγκόσμια βαρυτική σταθερά και Τμν , ο τανυστής ορμής – ενέργειας (Weinberg, 1989). Η κοσμολογική σταθερά, μπορούσε να θεωρηθεί ένας όρος που δρούσε ως αρνητική πίεση εξισορρόπησης της βαρύτητας. Το μοντέλο του Einstein βασιζόταν στην πίστη του πως σε μια συνεπή θεωρία σχετικότητας, η αδράνεια ενός σώματος δεν θα έπρεπε να σχετίζεται με τον χώρο αλλά με τη σχετική του θέση ως προς άλλα σώματα[1]. Επίσης, για να αποφύγει προβλήματα συνοριακών συνθηκών, πρότεινε ένα μοντέλο για ένα Σύμπαν χωρικά πεπερασμένο και κλειστό, με ομογενή κατανομή των μαζών σε αυτό (Einstein, 1917).

    Την ίδια εποχή, με τον Einstein, ο Willem de Sitter βασιζόμενος στις εξισώσεις πεδίου του πρώτου, παρουσίασε το δικό του μοντέλο για το Σύμπαν. Το μοντέλο του de Sitter ήταν μια μαθηματική κατασκευή χωρίς ύλη και αφορούσε ένα Σύμπαν επίσης στατικό στο οποίο η ύλη μπορούσε να προστεθεί αργότερα (Realdi, 2019).

    Και τα δύο αυτά μοντέλα βασισμένα, στην καινούργια θεωρία, δεν έτυχαν ευρείας αποδοχής από την, εξαιρετικά μικρή, κοινότητα των φυσικών που καταπιάνονταν με αυτά τα προβλήματα. Ο Arthur Eddington μάλιστα, έδειξε πως το στατικό Σύμπαν του Einstein ήταν εξαιρετικά ασταθές, και, έστω και μια μικρή διαταραχή στην πυκνότητά του, θα οδηγούσε στη διαστολή ή την κατάρρευση του.Εικόνα 1: Όρθιοι από αριστερά· Albert Einstein, Paul Ehrenfest, και Willem de Sitter. Στην πρώτη σειρά Arthur Eddington (αριστ.) και Hendrik Lorentz (δεξ.) Credits: H. van Batenburg – Credit: Leiden Archives.Στις αρχές τις δεκαετίας του 1920, ήταν ο Georges Lemaitre και ο Alexander Friedmann που διατύπωσαν τα πρώτα εξελικτικά μοντέλα για το Σύμπαν βασιζόμενοι στη ΓΘΣ. Και οι δύο θεωρούν πως το Σύμπαν έχει εξελιχθεί από ένα αρχικό στάδιο, το πρωταρχικό άτομο κατά Lemaitre, στο οποίο οι συνθήκες ήταν πολύ διαφορετικές από τις σημερινές.Εικόνα 2: Alexander Friedmann (1988 – 1925). Από τους πρωτοπόρους της μελέτης του Σύμπαντος. Η σημασία του έργου του, αναγνωρίστηκε εν πολλοίς μετά τον πρόωρο θάνατό του το 1925 από τύφο.Όλα τα παραπάνω μοντέλα στηρίζονταν σε διαφορετικές λύσεις των εξισώσεων πεδίου του Einstein και βασικές παραδοχές όπως η Κοσμολογική Αρχή[2] (Cosmological Principle). Την εποχή εκείνη το Σύμπαν ήταν ουσιαστικά ο Γαλαξίας μας ο οποίος από τις παρατηρήσεις δεν φαινόταν να εκτείνεται ή να συρρικνώνεται. Κι όμως, λίγα χρόνια αργότερα η κοσμοεικόνα μας άλλαξε δραστικά. Το 1925 ο Edwin Hubble έδειξε πως τα σπειροειδή νεφελώματα που παρατηρούσαν στον ουρανό, ανάμεσά τους και αυτό της Ανδρομέδας, βρίσκονται εξαιρετικά μακριά για να αποτελούν μέρος του Γαλαξία μας και πως πρόκειται στην πραγματικότητα για έξω-γαλαξιακά αστρικά συστήματα, παρόμοια με τον δικό μας Γαλαξία.

    Δεν πέρασαν, παρά μόνο λίγα χρόνια, ώστε ο Hubble να δημοσιεύσει το 1929 την επόμενη εντυπωσιακή του ανακάλυψη. Παρατηρώντας τα φάσματα εκπομπής 24 γαλαξιών έδειξε πως αυτά είναι μετατοπισμένα προς το ερυθρό, άρα απομακρύνονται από εμάς (τον Γαλαξία μας), και μάλιστα η ταχύτητα απομάκρυνσης είναι ανάλογη της απόστασης από τη Γη (Hubble, 1929). «Υπέροχα!» θα αναφωνούσαν κάποιοι. Αν όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς, έστω και έτσι επαναφέρουμε τον Γαλαξία μας στο κέντρο του Κόσμου. Η πραγματικότητα είναι βέβαια διαφορετική. Όλο το Σύμπαν διαστέλλεται και για αυτό όλοι οι γαλαξίες που το απαρτίζουν απομακρύνονται μεταξύ τους.Εικόνα 3: Το διάγραμμα ταχύτητας απομάκρυνσης – απόστασης για τους 24 γαλαξίες που μελέτησε αρχικά ο Edwin Hubble (μαύρα σημεία). (Hubble, 1929)Το ερώτημα της συσχέτισης της ταχύτητας κίνησης των έξω-γαλαξιακών νεφελωμάτων με την απόστασή τους από τη θέση της Γης είχε ερευνηθεί και τα προηγούμενα χρόνια από άλλους ερευνητές όπως ο Gustaf Stromberg, αλλά δεν είχαν δείξει κάποια συγκεκριμένη συσχέτιση (Stromberg, 1925). Και όπως αναφέραμε παραπάνω, η περίπτωση του διαστελλόμενου Σύμπαντος είχε ήδη περιγραφεί θεωρητικά, σε  ανεξάρτητες εργασίες, από τους Lemaitre και Friedman και επίσης είχε προβλεφθεί η μετατόπιση προς το ερυθρό των φασμάτων των μακρινών νεφελωμάτων (των μετέπειτα γαλαξιών) (Friedmann, 1999 και Lemaitre, 1927). Ωστόσο, η επιβεβαίωση μέσω των παρατηρήσεων αυτής της υπόθεσης υπήρξε ένα καθοριστικό, όσο και επαναστατικό βήμα, στην εξέλιξη της σύγχρονης Κοσμολογίας. Η μετάβαση από ένα αιώνιο και στατικό Σύμπαν, σε ένα, που εξελίσσεται και μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, βρήκε αρκετές αντιδράσεις, μεταξύ των οποίων και του ίδιου του Edwin Hubble, ο οποίος προσπάθησε να αποδώσει τη μετατόπιση προς το ερυθρό, σε άλλα αίτια (Smith, 2019).

    ΤΟ ΠΡΩΤΑΡΧΙΚΟ ΑΤΟΜΟ ΚΑΙ ΤΟ BIG BANG

    Αν και οι συζητήσεις για το τέλος και την αρχή του κόσμου είχαν απασχολήσει και στο παρελθόν τους επιστήμονες, αυτό γινόταν κυρίως, αντιμετωπίζοντας το Σύμπαν, ως ένα θερμοδυναμικό σύστημα. Η ΓΘΣ όμως εμφάνισε νέες δυνατότητες στην διατύπωση θεωριών κυρίως για τα αρχικά στάδια του Σύμπαντος. Η πρώτη αναφορά σε μια αρχική κατάσταση του Σύμπαντος ανήκει στον Friedmann, ο οποίος με δύο εργασίες το 1922 και το 1924, περιγράφοντας ένα ομογενώς διαστελλόμενο Σύμπαν, με μηδενική αρχική ακτίνα και σημερινή τιμή R=R0 σημειώνει:Ο χρόνος από τη δημιουργία του σύμπαντος, είναι το χρονικό διάστημα ανάμεσα στις στιγμές που το σύμπαν είχε ακτίνα R=0 και R=R0 · και ο χρόνος αυτός μπορεί να είναι άπειρος (Friedmann, 1999).Οι εργασίες του Friedmann, δημοσιευμένες στη Γερμανία, ενώ ο ίδιος ζούσε και εργαζόταν στη Σοβιετική Ένωση, δεν έγιναν άμεσα, ευρέως, γνωστές στην κοινότητα των φυσικών της εποχής. Ο Einstein πάντως ήταν γνώστης της ιδέας του για το διαστελλόμενο Σύμπαν και διαφωνούσε με αυτή.

    Ανεξάρτητα από τον Friedmann, ο Georges Lemaitre δημοσιεύει το 1927 τη δική του εκδοχή για ένα διαρκώς εκτεινόμενο Σύμπαν, βασιζόμενος και στα πρώτα αποτελέσματα για τις ταχύτητες των υπέρ-γαλαξιακών νεφελωμάτων από τους Hubble και Stromberg (Lemaitre, 1927). Ο Lemaitre περιγράφει ένα Σύμπαν με σταθερή μάζα, μη μηδενική κοσμολογική σταθερά και με διαρκώς αυξανόμενη ακτίνα. Η τελευταία αυξάνεται διαρκώς από μια αρχική τιμή, αλλά ο χρόνος που διαρκεί αυτή η αύξηση, όπως και στο μοντέλο του Friedmann, μπορεί να είναι άπειρος. Με την ιδέα του Lemaitre διαφωνούσε τόσο ο Einstein όσο και ο Arthur Eddington, ο οποίος αν και είχε δείξει την αστάθεια του στατικού Σύμπαντος του Einstein, θεωρούσε αποκρουστική την έννοια της αρχής του Σύμπαντος. Η άποψη του Lemaitre διατυπώνεται σε ένα σύντομο και περιγραφικό γράμμα στο περιοδικό Nature το 1931. Εκεί, εκκινώντας από τις ιδέες πως, πρώτον η ενέργεια του Σύμπαντος κατανέμεται σε διακριτά κβάντα και δεύτερον τα κβάντα ενέργειας διαρκώς αυξάνονται, καταλήγει στο συμπέρασμα πως σε προηγούμενο χρόνο, η ενέργεια θα ήταν κατανεμημένη σε πολύ λιγότερα, ακόμα και σε ένα κβάντο. Σε αυτό το πρωταρχικό άτομο οι έννοιες του χώρου και του χρόνου θα στερούνται νοήματος.Αν η έρευνα στη κβαντική θεωρία μελλοντικά στραφεί σε αυτή την κατεύθυνση, θα μπορούσαμε να συλλάβουμε την αρχή του Σύμπαντος στη μορφή ενός μόνο ατόμου, η ατομική μάζα του οποίου θα ήταν η ολική μάζα του Σύμπαντος. […] Η ιστορία του κόσμου δεν είναι κατ’ ανάγκη γραμμένη στο πρώτο άτομο όπως η φωνή σε ένα δίσκο φωνογράφου. Ολόκληρη η μάζα του Σύμπαντος μπορεί να είναι εκεί από την αρχή, αλλά η ιστορία του ίσως να γράφεται βήμα βήμα (Lemaitre, 1931).Τα μοντέλα εξέλιξης του Σύμπαντος υπό το φως της ανακάλυψης του διαστελλόμενου  σύμπαντος συνέχισαν να απασχολούν την κοινότητα των φυσικών. Ο επόμενος σημαντικός σταθμός, όμως, έρχεται μετά τον Β! Παγκόσμιο Πόλεμο από τον George Gamow. Ο Gamow προτείνει μια θεωρία εξέλιξης του Σύμπαντος που προέρχεται από μια αρχική κατάσταση εξαιρετικά υψηλής ενέργειας και πυκνότητας. Συνδυάζοντας τις γνώσεις του στην ΓΘΣ αλλά και την πυρηνική φυσική ο Gamow περιγράφει τα στάδια δημιουργίας των διάφορων στοιχείων από ένα τέτοιο αρχικό στάδιο και μάλιστα προβλέπει την αφθονία των νετρονίων και των πρωτονίων σε συνάρτηση με τον χρόνο (Gamow, 1948). Μερικά χρόνια αργότερα, το 1953, ο Gamow προβλέπει και την ύπαρξη μιας ακτινοβολίας υποβάθρου, απομεινάρι της εποχής που στο σύμπαν κυριαρχούσε ακόμα η ακτινοβολία, την οποία προσδιορίζει στους 7 βαθμούς Kelvin στην εποχή μας, λόγω της διαστολής του Σύμπαντος.Εικόνα 4: George Gamow (1904 – 1968). Από τους σημαντικότερους φυσικούς του 20ου αιώνα που διακρίθηκε σε πολλά και διαφορετικά πεδία. Υπήρξε ο πατέρας του Big Bang Theory.Η ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΥΠΟΒΑΘΡΟΥ

    H θεωρία για την εξέλιξη του Σύμπαντος από τον Gamow έγινε ιδιαίτερα δημοφιλής μετά τη δεκαετία του 1960 ως Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης[3](Big Bang Theory, ΘΜΕ) όρος που χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα. Την ίδια χρονιά βέβαια, το 1948, παρουσιάστηκε από τους Fred Hoyle, Hermann Bondi και Thomas Gold μία εναλλακτική θεωρία για το Σύμπαν, αυτή της Σταθερής Κατάστασης (Steady State Theory, ΘΣΚ). Βασική αρχή αυτής της θεωρίας ήταν πως το Σύμπαν δεν είναι ομογενές και ισότροπο μόνο χωρικά, αλλά και χρονικά, δηλαδή φαίνεται το ίδιο όχι μόνο από οποιοδήποτε σημείο του, αλλά και οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Για να ισχύει αυτή η διευρυμένη κοσμολογική αρχή και η πυκνότητα του Σύμπαντος να παραμένει σταθερή, συνεπάγεται πως υπάρχει κάποιος μηχανισμός δημιουργίας καινούργιας ύλης (Kragh, 2019). Η παραπάνω θεωρία παραβιάζει προφανώς την αρχή διατήρησης της ενέργειας αλλά, οι δημιουργοί της, το θεωρούσαν ένα μικρό τίμημα ώστε να αποκτήσουμε μια καλή κοσμολογική θεωρία.

    Η ΘΣΚ είχε αρκετή απήχηση για κάποια χρόνια και αυτό οφείλεται και στο γεγονός πως το πρώτο σύγγραμμα με τον όρο Κοσμολογία, γράφτηκε από τον Bondi το 1952 και αποτέλεσε οδηγό για τις σπουδές σε αυτό το πεδίο για περίπου δύο δεκαετίες. Στο βιβλίο δεν παρουσιαζόταν μόνο η ΘΣΚ αλλά ωστόσο κατείχε σημαντική θέση. Τονίζουμε την σημασία του πρώτου συγγράμματος Κοσμολογίας, καθώς, διαχρονικά, η δημιουργία των επιστημονικών κοινοτήτων συνδέεται με την ύπαρξη κοινών σημείων αναφοράς, όπως είναι η δημιουργία πανεπιστημιακών τμημάτων και η διδασκαλία με κοινά συγγράμματα.

    Αν και οι υποστηρικτές της ΘΣΚ ήταν αρκετοί και ένθερμοι, και υποστήριζαν πως η θεωρία εξηγεί καλύτερα τα παρατηρησιακά δεδομένα, μια τυχαία ανακάλυψη το 1965 θα έβαζε τέλος στην πορεία της. Στα εργαστήρια της εταιρείας Bell, οι Arno Penzias και Robert Wilson, πειραματίζονταν σε μια καινούργια κεραία μικροκυμάτων, η οποία λάμβανε σήματα μήκους κύματος εφτά εκατοστών, για να μπορέσουν να εγκαταστήσουν μια σύνδεση με επικοινωνιακούς δορυφόρους της εταιρείας. Ωστόσο, στις μετρήσεις τους έβρισκαν πάντα και προς όλες τις κατευθύνσεις μια ακτινοβολία μικροκυμάτων που δεν μπορούσε να προέρχεται από δορυφόρους. Οι Penzias και Wilson απομόνωσαν την ακτινοβολία αυτή και αναγνώρισαν το φάσμα της ως αντίστοιχο, όπως ενός μέλανος σώματος, με θερμοκρασία 3.5±1 Κ.

    H σημασία της ανακάλυψης αυτής δεν αναγνωρίστηκε αμέσως από τους Penzias και Wilson, οι οποίοι αν και προσδιόρισαν πως η ακτινοβολία δεν μπορεί να προέρχεται από τον γαλαξία μας, αδυνατούσαν να ερμηνεύσουν την προέλευσή της. Ωστόσο την ίδια περίοδο, λίγα χιλιόμετρα δυτικότερα, στο Πανεπιστήμιο του Princeton, μια άλλη ομάδα, υπό τον Robert Dicke, ανέπτυσσε ένα μοντέλο Μεγάλης Έκρηξης στο οποίο προβλεπόταν η ύπαρξη μιας Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου (Cosmic Microwave Background Radiation). Η γνωστοποίηση της ανακάλυψης των Penzias και Wilson ήρθε να επιβεβαιώσει αυτή την πρόβλεψη και να καθορίσει τον νικητή στη διαμάχη για το επικρατέστερο κοσμολογικό μοντέλο. Η ΘΣΚ δέχτηκε ένα ισχυρό πλήγμα από τις αστρονομικές παρατηρήσεις και από τότε ουσιαστικά εξαφανίστηκε. Η μορφή του φάσματος της ακτινοβολίας δεν συμφωνούσε πλήρως ούτε με τις προβλέψεις του Gamow μια δεκαετία νωρίτερα, ούτε με αυτές των Dicke, Peebles κ.α., ωστόσο αυτές οι διαφορές καλύφθηκαν στην πορεία με νέες παρατηρήσεις αλλά και την εισαγωγή της σκοτεινής ύλης (dark matter) ως σημαντικού συστατικού του Σύμπαντος.

    Η ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου αποτελεί σταθμό στην ανάπτυξη της κοσμολογίας διότι πρώτον, αποτέλεσε μια επιβεβαίωση των θεωριών εξέλιξης του Σύμπαντος που είχαν διατυπωθεί ήδη, λειτουργώντας όπως ακριβώς η εύρεση απολιθωμάτων εξαφανισμένων οργανισμών για τη Θεωρία της Εξέλιξης (Evolution Theory). Δεύτερον, η μελέτη του φάσματός της έδωσε και εξακολουθεί και δίνει και σήμερα, σημαντικά δεδομένα για τη δομή και την εξέλιξη του Σύμπαντος και, επίσης, τρίτον, υπήρξε η αρχή και η βάση αυτού που ονομάζουμε σήμερα Κοσμολογία Ακριβείας (Precision Cosmology).

    «ΣΩΖΕΙΝ ΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ;»– ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ – ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ – ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

    Η ΘΜΕ είχε σημαντικές επιτυχίες στην εξήγηση των παρατηρησιακών δεδομένων όπως, της διαστολής του Σύμπαντος, του τρόπου δημιουργίας των διάφορων στοιχείων και των συγκεντρώσεών τους, και φυσικά της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Όπως συμβαίνει όμως συχνά με διάφορες όμορφες και μαθηματικά άρτιες θεωρίες, υπάρχουν κάποια δεδομένα που λένε όχι, κάποιες παρατηρήσεις που δεν ταιριάζουν με τις θεωρητικά αναμενόμενες τιμές.

    Στο πεδίο της μελέτης της δομής του Σύμπαντος τα πρώτα τέτοια στοιχεία ήρθαν πολύ νωρίς, μερικά μόλις χρόνια από την ανακάλυψη άλλων γαλαξιών εκτός από τον δικό μας. Το 1933, ο αυστριακός αστρονόμος Fritz Zwicky, μελετώντας ομάδες γαλαξιών παρατήρησε πως οι γαλαξίες περιστρέφονται γύρω από το κέντρο μάζας της ομάδας τους με ταχύτητες μεγαλύτερες από αυτές που θα αναμενόταν εξ’ αιτίας της ορατής τους μάζας, σαν να υπήρχε μια ποσότητα ύλης αόρατης σε εμάς (Bertone & Hooper, 2018). Ο Zwicky υπολόγισε την ποσότητα αυτής της σκοτεινής ύλης[4], που χρειαζόταν ώστε να ερμηνευθεί η κίνηση των γαλαξιών και είδε πως υπερτερούσε κατά πολύ της φωτεινής ύλης των Γαλαξιών. Το αποτέλεσμα αυτό ήταν οπωσδήποτε εντυπωσιακό. Όσο για τη φύση αυτής της σκοτεινής ύλης, ο ίδιος εξηγεί σε δημοσίευση του 1937:[…] θα πρέπει να ξέρουμε το ποσό της σκοτεινής ύλης που είναι ενσωματωμένο στα νεφελώματα, με τη μορφή ψυχρών αστέρων, μικροσκοπικών αλλά και μακροσκοπικών σωμάτων και αερίων (Bertone & Hooper, 2018)Οι επόμενες σημαντικές ενδείξεις για την ύπαρξη άγνωστης ύλης στους γαλαξίες ήταν η μελέτη των καμπυλών των ταχυτήτων περιστροφής των αστέρων σε ένα γαλαξία. Μεταξύ άλλων, η Vera Rubin και ο Kent Ford μελετώντας τις ταχύτητες των αστέρων του γαλαξία της Ανδρομέδας, παρατήρησαν πως αυτές δεν μειώνονται καθώς αυξάνεται η απόσταση από το κέντρο του γαλαξία, όπου είναι συγκεντρωμένο και το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του. Η παρατήρηση αυτή ερχόταν σε αντίθεση με τις βασικές αντιλήψεις μας για το βαρυτικό πεδίο. Θα χρειαζόταν μια αύξηση στη μάζα του γαλαξία, όχι όμως κατανεμημένη στην κεντρική του περιοχή, για να εξηγηθούν οι επίπεδες καμπύλες της ταχύτητας περιστροφής. Οι Rubin και Ford[5] δεν προχώρησαν στο επόμενο βήμα, να υιοθετήσουν δηλαδή την ανάγκη ύπαρξης κάποιας μορφής σκοτεινής ύλης (de Swart, et al., 2017).Εικόνα 5: Οι ταχύτητες περιστροφής στον γαλαξία Μ31, ως συνάρτηση της απόστασής τους από το κέντρο. Η συνεχής γραμμή είναι η βέλτιστη προσαρμοσμένη καμπύλη. (Rubin & Ford, 1970).Για να μπορέσει να εισαχθεί όρος της σκοτεινής ύλης στα αστρονομικά και κοσμολογικά μοντέλα, έπρεπε να προηγηθεί ένα ακόμα στάδιο. Στη δεκαετία του 1970 η κοσμολογία, ως το αντικείμενο μελέτης του Σύμπαντος στην ολότητά του, κέρδιζε το ενδιαφέρον αρκετών επιστημόνων. Ένα από τα κύρια κοσμολογικά προβλήματα της εποχής ήταν ο καθορισμός της πυκνότητας της ύλης στο Σύμπαν. Αυτό με τη σειρά του θα καθόριζε αν ζούμε σε ένα κλειστό, ανοιχτό, ή επίπεδο Σύμπαν. Για αισθητικούς ή φιλοσοφικούς λόγους οι περισσότεροι επιστήμονες ήταν υπέρ ενός κλειστού Σύμπαντος. Η μετρούμενη πυκνότητα ύλης όμως, υπολειπόταν κατά περίπου 2 τάξεις μεγέθους από την κρίσιμη πυκνότητα, ώστε το Σύμπαν να χαρακτηριστεί ως κλειστό. Ήταν αυτή η ανάγκη που φώτισε τις ξεχασμένες εργασίες του Zwicky και τις πιο πρόσφατες των Rubin, Ford, κ.α.  και οδήγησε τους κοσμολόγους στην υιοθέτηση μιας σκοτεινής ύλης η οποία αυξάνει κατά πολύ τη μάζα των γαλαξιών άρα και τη μέση πυκνότητα ύλης του Σύμπαντος (de Swart, et al., 2017).Εικόνα 6: Η Vera Rubin, το 1974 μελετώντας ένα φάσμα στο Carnegie Institution,  Washington, D.C.Credit: NOIRLab/NSF/AURA.Η φύση της σκοτεινής ύλης, κάποιας μορφής ύλης δηλαδή, που αλληλεπιδρά μονάχα βαρυτικά με τη γνωστή μας ύλη, παραμένει μέχρι και σήμερα άγνωστη. Πολλά υποψήφια σωματίδια έχουν προταθεί ή και άλλες λύσεις, όπως η ύπαρξη αρχέγονων μαύρων τρυπών. Σε θεωρητικό επίπεδο, σωματίδια σκοτεινής ύλης έχουν προβλεφθεί μέσω του καθιερωμένου μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, ωστόσο κανένα δεν έχει ανιχνευθεί ακόμα πειραματικά. Επίσης, είναι πολύ πιθανό η σκοτεινή ύλη, όπως και η γνωστή μας βαρυονική ύλη, να μην αποτελείται από ένα μόνο είδος σωματιδίων αλλά από πολλά. Η ύπαρξή της πάντως, βεβαιώνεται πια με διάφορους τρόπους, όπως η ύπαρξη φαινομένων βαρυτικών φακών και οι ανισοτροπίες στο φάσμα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Ακόμα και αν στο μέλλον δεχτούμε νέες ή τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας, φαίνεται πως η σκοτεινή ύλη έχει έρθει για να μείνει.

    Επόμενη σημαντική ιδέα για την εξέλιξη της σύγχρονης μελέτης του Σύμπαντος αποτέλεσε η εισαγωγή στη δεκαετία του 1980 ενός πληθωριστικού σταδίου (inflationary epoch) στην εξέλιξη του Σύμπαντος. Ένα από τα μεγάλα προβλήματα που αντιμετώπιζε η κοσμολογία της εποχής ήταν η εξαιρετική ομοιομορφία του Σύμπαντος. Ακόμα και περιοχές οι οποίες βρίσκονται τόσο μακριά μεταξύ τους που με βάση την ηλικία του Σύμπαντος δεν θα έπρεπε να έχουν προλάβει να αλληλεπιδράσουν αιτιακά μεταξύ τους παρουσιάζουν ακριβώς την ίδια εικόνα. Το παράδοξο αυτό, το επονομαζόμενο και πρόβλημα του ορίζοντα[6] (horizon problem) μπορεί να λυθεί με την εισαγωγή ενός σταδίου εξαιρετικά βίαιης, εκθετικής διαστολής του Σύμπαντος κατά τις πρώτες του στιγμές. Το στάδιο αυτό, που ονομάστηκε πληθωρισμός, προτάθηκε το 1981 από τον Alan Guth, αν και προηγούμενη συνεισφορά σε παρόμοιες ιδέες είχαν και άλλοι επιστήμονες τόσο από τις ΗΠΑ όσο και από την ΕΣΣΔ.[7] Το πληθωριστικό στάδιο, όπως αναφέρει ο Guth, λύνει δύο βασικά προβλήματα. Τόσο το πρόβλημα του ορίζοντα, στο οποίο αναφερθήκαμε παραπάνω, όσο και το πρόβλημα του επίπεδου Σύμπαντος που θα απαιτούσε μια καλά συντονισμένη (fine tuned) τιμή της σταθεράς του Hubble για να επιτευχθεί (Guth, 1981).

    Η εισαγωγή αυτού του σταδίου, στη διάρκεια του οποίου το νεαρό Σύμπαν υπόκειται σε μια διαδικασία ανάλογη μιας μετάβασης φάσης, έχει και άλλα παράπλευρα οφέλη όπως τη σύνδεση με τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων και τις ενοποιητικές θεωρίες. Επίσης, εξηγεί την μη ύπαρξη μαγνητικών μονόπολων στο Σύμπαν. Ίσως το μεγαλύτερο όμως όφελος από τη θεωρία του Guth, είναι πως έφερε την κοσμολογία πιο κοντά στα ενδιαφέροντα των φυσικών στοιχειωδών σωματιδίων και υψηλών ενεργειών. Με αυτό τον τρόπο η κοινότητα της κοσμολογίας ανανεώθηκε τόσο σε ιδέες όσο και σε ανθρώπινο δυναμικό (Longair & Smeenk, 2019).

    Το μεγάλο πρόβλημα όμως παραμένει, πως είναι άγνωστο ποιο ήταν εκείνο το πεδίο που οδήγησε το πρώιμο Σύμπαν στο πληθωριστικό του στάδιο. Το συγκεκριμένο θέμα είναι αμφιλεγόμενο στους κόλπους της κοινότητας των φυσικών, αλλά η μελέτη του ξεφεύγει από τους στόχους αυτού του άρθρου[8].

    Ο τελευταίος, μέχρι τώρα, σημαντικός σταθμός στην εξέλιξη της κοσμολογίας είναι δίχως αμφιβολία η ανακάλυψη το 1998, την ίδια περίοδο από δύο ανεξάρτητες μεταξύ τους ομάδες, της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος. Το γεγονός αυτό ήρθε να βάλει τέλος στο ερώτημα για την ύπαρξη, ή μη, της περίφημης κοσμολογικής σταθεράς του Einstein. Η κοσμολογική σταθερά, όπως προκύπτει από τις εξισώσεις πεδίου της ΓΘΣ, είναι μη μηδενική και έχει μια θετική τιμή. Ο επιταχυνόμενος ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος μας κάνει να υποθέτουμε πως υπάρχει κάτι στο Σύμπαν που λειτουργεί ως αρνητική πίεση, ως αντιβαρύτητα και κάνει το Σύμπαν να μην επιβραδύνει τη διαστολή του, παρά την ύπαρξη βαρυτικών δυνάμεων. Δυστυχώς, η φύση της σκοτεινής ενέργειας παραμένει πιο αμφίβολη ακόμα και από αυτή της σκοτεινής ύλης. Παραμένει άγνωστο αν οφείλεται σε κάποιο πεδίο, αν σχετίζεται με την ενέργεια κενού της κβαντικής θεωρίας πεδίου ή αν είναι απλά μια σταθερά της γεωμετρίας του Σύμπαντος, μια εγγενής ιδιότητά της (Longair & Smeenk, 2019).Εικόνα 7: Η κατανομή της ολικής ύλης-ενέργειας του Σύμπαντος σε σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή ύλη και βαρυονική ύλη. Credit: Astronomy: Roen Kelly, after NIST.Η ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ ΣΤΟΝ 21Ο ΑΙΩΝΑ – ΜΙΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ

    Ήδη από την ανακάλυψη της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου η κοσμολογία μπορεί να θεωρηθεί μια επιστήμη που βασίζεται στα παρατηρησιακά δεδομένα και όχι απλά σε θεωρητικά μοντέλα βασισμένα στις γνωστές και καλά εδραιωμένες θεωρίας της φυσικής. Στα χρόνια που πέρασαν από την ανακοίνωση της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος (Turner, 1999) όμως έχει συντελεστεί μια σπουδαία αύξηση του όγκου των δεδομένων και των μεθόδων παρατήρησης στην κοσμολογία. Η μελέτη του φάσματος της κοσμικής ακτινοβολίας από το πρόγραμμα COBE της NASA και του αντίστοιχου προγράμματος Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος, τα δεδομένα από τα επίγεια αλλά και τα δορυφορικά τηλεσκόπια αλλά και οι καταγραφές του πρώτου συμβολόμετρου βαρυτικών κυμάτων (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO), έχουν οδηγήσει σε αυτό που ονομάζεται κοσμολογία ακριβείας (Turner, 2022).

    Όλα τα παραπάνω έχουν οδηγήσει στην ευρεία αποδοχή ενός Καθιερωμένου Προτύπου για την Κοσμολογία, του Λ-CDM, δηλαδή ενός μοντέλου που βασίζεται στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και τη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων, με τις προσθήκες της σκοτεινής ύλης (Cold Dark Matter) και της σκοτεινής ενέργειας (με τη μορφή της κοσμολογικής σταθεράς – Λ). Το μοντέλο ΛCDM υποστηρίζεται πια από ένα τεράστιο πλήθος και διαφορετικού είδους παρατηρήσεων. Ορισμένα προβλήματα φυσικά παραμένουν, όπως η απόκλιση στις μετρήσεις της σταθεράς του Hubble καθώς και το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς. Τα ερωτήματα για τη φύση της σκοτεινής ύλης και, κυρίως, της σκοτεινής ενέργειας επίσης παραμένουν με τους επιστήμονες να ελπίζουν πως η έρευνα, τουλάχιστον για τη σκοτεινή ύλη, να αποδώσει σύντομα καρπούς.

    Μία άλλη μεγάλη μεταβολή που έχει συντελεστεί στην κοσμολογία τον 21ο αιώνα είναι η αύξηση του κύρους της και της θέσης της ανάμεσα στην κοινότητα των φυσικών. Αυτό αποτυπώνεται στον αριθμό των δημοσιεύσεων, στο πλήθος των επιστημόνων που ασχολούνται στον τομέα αλλά και στη χρηματοδότηση της έρευνας. Μόλις το 2022 μπήκε σε λειτουργία το James Webb Space Telescope, με κόστος κατασκευής και λειτουργίας δέκα δισεκατομμύρια δολάρια, που ήδη στέλνει παρατηρήσεις και δεδομένα για τις απόμακρες περιοχές του Σύμπαντος. Υπάρχουν επίσης σχέδια για την κατασκευή ενός διαστημικού συμβολόμετρου ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων. Η παρατήρηση του Σύμπαντος μέσω των βαρυτικών κυμάτων, που επιτεύχθηκε στο LIGO το 2015, άνοιξε για πρώτη φορά ένα νέο παράθυρο θέασης του κόσμου, που οι επιστήμονες ευελπιστούν πως θα φωτίσει πολλές σκοτεινές περιοχές της γνώσης μας για τον κόσμο.

    ΕΠΙΛΟΓΟΣ

    Η πορεία της κοσμολογίας κατά τη διάρκεια των τελευταίων εκατό χρόνων άλλαξε δραστικά την εικόνα που έχουμε για τον Κόσμο. Παρά τις αναμφίβολες επιτυχίες της όμως, καθώς και την εξέλιξη της σε μια επιστήμη ακριβείας, δεν στερείται προβλημάτων και ανοιχτών ερωτημάτων που περιμένουν απάντηση. Ίσως, η επόμενη μεγάλη αλλαγή στη φυσική να κυοφορείται ήδη στους κόλπους της Κοσμολογίας και στις προσπάθειες ερμηνείας της δομής του Σύμπαντος.

    Ανάμεσα στις απαντήσεις που προτείνονται στο πλαίσιο της κοσμολογίας ανήκουν πολλές, όπως η θεωρία για το πολύ-Σύμπαν (Multiverse), που εγείρουν ερωτηματικά για τηνΕικόνα 8: Η θέση και η τροχιά του Διαστημικού Τηλεσκοπίου James Webb Credits: NASA, ESA, CSA, STScI. Η εικόνα δεν είναι υπό κλίμακα.επιστημονικότητά τους. Τέτοιου είδους θεωρίες μας κάνουν να αναρωτιόμαστε για τα όρια της επιστήμης και αν μπορεί να περιλαμβάνει θεωρίες που μπορούν να ερμηνεύσουν τα πάντα και για τον λόγο αυτόν, δεν μπορούν να διαψευστούν. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει λοιπόν η Κοσμολογία και από την πλευρά της Φιλοσοφίας της Επιστήμης. Αλλά αυτό είναι ένα ζήτημα που θα πρέπει να το προσεγγίσουμε σε επόμενο άρθρο.

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Θόδωρο Αραμπατζή και Αντώνη Αντωνίου για τις χρήσιμες και εύστοχες παρατηρήσεις τους.

    ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] Οι ιδέες του Einstein για τη σχετικότητα του χώρου, του χρόνου αλλά και της αδράνειας ήταν επηρεασμένες από τις αντίστοιχες θέσεις του Ernst Mach.

    [2] Η Κοσμολογική Αρχή υποστηρίζει πως το Σύμπαν, σε μεγάλη κλίμακα, είναι ομογενές και ισότροπο. Είναι δηλαδή το ίδιο, και έχει τις ίδιες ιδιότητες από οποιοδήποτε σημείο, ή προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, το παρατηρούμε. Η κοσμολογική αρχή έχει τις ρίζες της στον Κοπέρνικο, για τον λόγο αυτόν συχνά εμφανίζεται και ως Κοπερνίκεια Αρχή, ο οποίος διατύπωσε την άποψη πως η Γη δεν κατέχει κάποια ξεχωριστή θέση στον Κόσμο. Η Κοσμολογική Αρχή επιβεβαιώνεται ισχυρά από τις σύγχρονες παρατηρήσεις.

    [3] Όπως αναπτύχθηκε και από τους Dicke, Peebles κ.α.

    [4] Έναν όρο που δεν χρησιμοποιεί πρώτος, αλλά έχει σε μεγάλο βαθμό πιστωθεί σε αυτόν.  Επίσης, ο λόγος της “σκοτεινής” προς την “φωτεινή” ύλη που υπολόγισε ο Zwicky, ήταν ιδιαίτερα αυξημένος εξ’ αιτίας λάθος παραμέτρων της εποχής, ωστόσο το πρόβλημα ήταν υπαρκτό.

    [5] Όπως και ο Kenneth Freeman που ανεξάρτητα έκανε παρόμοιες παρατηρήσεις την ίδια εποχή.

    [6] Ίσως κάποιος περίμενε, το πρόβλημα του ορίζοντα, να αφορά κάποιους γαλαξίες ή περιοχές που, όπως τις παρατηρούμε από τη Γη, βρίσκονται αντιδιαμετρικά στον ουράνιο θόλο. Αυτό δεν είναι ακριβές. Μπορεί να αφορά περιοχές που απέχουν μεταξύ τους ελάχιστες μόνο μοίρες στον ουράνιο θόλο. Κατά συνέπεια ο αριθμός των περιοχών που είναι αιτιακά ασύνδετες μεταξύ τους είναι τεράστιος. Ο Guth αναφέρει πως είναι της τάξης του ~1083 (Guth, 1981).

    [7] Ενδεικτικά αναφέρω τους Sidney Bludman, Andrei Linde, Yakov Zel’dovich

    [8] Για μια επισκόπηση του ζητήματος του πληθωρισμού, βλέπε (Steinhardt, 2011)ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Bertone, G., and Hooper, D., 2018. History of Dark Matter. Reviews of Modern Physics, 90(4), p. 045002. doi: 10.1103/RevModPhys.90.045002

    de Swart, J., Bertone, G., and van Dongen, J., 2017. How Dark Matter Came to Matter. Nature Astronomy, 1. https://doi.org/10.48550/arXiv.1703.00013

    Einstein, A., 1917. Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie. Sitz. König. Preuss. Akad., pp. 142-152. Αγγλική μετάφραση διαθέσιμη ως ‘Cosmological considerations on the general theory of relativity’ στο https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol6-trans/433

    Friedmann, A., 1999. On the Possibility of a World with Constant Negative Curvature of Space. General Relativity and Gravitation 31, 2001–2008.  Translation from: Z. Physik 21, 326–332 (1924). https://doi.org/10.1023/A:1026755309811

    Gamow, G., 1948. The Evolution of the Universe. Nature 162 (4122), 680–682. doi:10.1038/162680a0

    Guth, A., 1981. Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems. Physical Review D 23(2), pp. 347-356. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.23.347

    Hubble, E., 1929. A relation between distance and radial velocity among extra-Galactic Nebulae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 15 3, 168-73. https://doi.org/10.1073/pnas.15.3.168

    Kragh, H., 2019. Steady-State Theory and the Cosmological Controversy. In H. Kragh, & M.S. Longair (Eds.), Oxford Handbook of the History of Modern Cosmology. Oxford: Oxford University Press https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Lemaitre, G., 1927. A Homogeneous Universe of Constant Mass and Growing Radius Accounting for the Radial Velocity of Extragalactic Nebulae. Annales Soc. Sci. Bruxelles A 47, 49-59, Gen. Rel. Grav. 45 (2013) 8, 1635-1646. https://doi.org/10.1007/s10714-013-1548-3

    Lemaitre, G., 1931. The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory. Nature 127, p. 706. https://doi.org/10.1038/127706b0

    Longair, M., and Smeenk, C., 2019. Inflation, dark matter, and dark energy. In: H. Kragh & M. Longair, eds. The Oxford Handbook of the History. New York: Oxford University Press, pp. 425-464. https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Realdi, M., 2019. Relativistic Models and the Expanding Universe. In H. Kragh, & M.S. Longair (Eds.), Oxford Handbook of the History of Modern Cosmology. Oxford: Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Rubin, V., and Ford, K., 1970. Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. Astrophysical Journal 159, p. 379. doi:10.1086/150317

    Smith, R., 2019. Observation and the Universe. In H. Kragh, & M.S. Longair (Eds.), Oxford Handbook of the History of Modern Cosmology. Oxford: Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oxfordhb/9780198817666.001.0001

    Steinhardt, P., 2011. The Inflation Debate: Is the Theory at Heart of Modern Cosmology Deeply Flawed?. Scientific American 304, pp. 18-25. doi: 10.1038/scientificamerican0411-36

    Stromberg, G., 1925. Analysis of Radial Velocities of Globular Clusters and non-Galactic Nebulae. Astrophysical Journal 61, p. 353-362. doi: 10.1086/142897

    Turner, M., 1999. Cosmology solved? Maybe. Nuclear Physics B – Proceedings Supplements  72, p. 69–80. https://doi.org/10.48550/arXiv.astro-ph/9811366

    Turner, M., 2022. The Road to Precision Cosmology. Annual Review of Nuclear and Particle Science 72, pp. 1-33. https://doi.org/10.48550/arXiv.2201.04741

    Weinberg, S., 1989. The Cosmological Constant Problem. Reviews of Modern Physics 61(1), p. 1-23. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.61.1

  • Κβαντικό ατμοπάνκ – Η φυσική της επαύριον του χθές

    Κβαντικό ατμοπάνκ – Η φυσική της επαύριον του χθές

    Eκδόσεις ΚΑΤΟΠΤΡΟ

    Nicole Yunger Halpern

    Πανεπιστήμιο Μέριλαντ

    Μετάφραση: Ανδ. Δημητρόπουλος

    Eπιμέλεια: Αλ. Μάμαλης

    ISBN: 978-618-5493-22-6

    Σκληρόδετο, Α/Μ, 384 σελ., 14 × 21 εκ., 28,00 € (χωρίς ΦΠΑ)Δυο λόγια για το βιβλίο

    Η Βιομηχανική Επανάσταση συναντά την επανάσταση της κβαντικής τεχνολογίας!
    Ένας περιπετειώδης οδηγός του πεδίου όπου διατέμνονται η κβαντική φυσική, η επεξεργασία πληροφοριών και η θερμοδυναμική.

    Οι ατμομηχανές της βικτωριανής εποχής και η σωματιδιακή φυσική ίσως φαίνεται ότι ανήκουν σε διαφορετικούς κόσμους (και σε διαφορετικούς αιώνες), αλλά ένας πρόσφατα ανεπτυγμένος κλάδος της επιστήμης, η κβαντική θερμοδυναμική, ατενίζει με νέο βλέμμα τις επιστημονικές βάσεις της Βιομηχανικής Επανάστασης μέσω των φακών της φρενιτιώδους επανάστασης της κβαντικής πληροφορίας τού σήμερα. Η κλασική θερμοδυναμική, η μελέτη των θερμικών μηχανών, της ενέργειας και του βαθμού απόδοσης, χρειάζεται εκ νέου προσδιορισμό, ώστε να αξιοποιήσει τα οφέλη της κβαντικής μηχανικής, του βασικού πλαισίου που ερευνά τη φύση της πραγματικότητας στη μικροσκοπική κλίμακα.

    Η ατρόμητη φυσικός Nicole Yunger Halpern εισάγει τον αμύητο αναγνώστη στις έννοιες αυτές μέσω του «κβαντικού ατμοπάνκ», του είδους φαντασίας που ζευγαρώνει τις φουτουριστικές τεχνολογίες με τις βικτωριανές ευαισθησίες. Στο βιβλίο της, κινούμενη από τη θεμελιώδη επιστήμη στις πειραματικές εφαρμογές αιχμής, διερευνά ερωτήματα όπως «Θα καταφέρει η κβαντική φυσική να φέρει την επανάσταση στους υπολογιστές και στις μηχανές γενικότερα;» και «Ποια βαθύτερα μυστικά μπορεί να αποκαλύψει η θεωρία της κβαντικής πληροφορίας σχετικά με τη φορά του χρόνου;». Περιγράφει επίσης τις δικές της περιπέτειες στο κβαντικό σύμπαν, και μας προσφέρει μια εκ των έσω ματιά του έργου των παθιασμένων με την τεχνολογική αυτή υπόσχεση επιστημόνων. Τέλος, εξερευνά την αισθητική του νέου πεδίου, μοιράζεται την αντισυμβατική ευθυμία του, και ατενίζει τις δυνατότητες ενός κβαντικού μέλλοντος. Το αποτέλεσμα θα συγκλονίσει τους αφοσιωμένους φίλους της επιστήμης.

    Είπαν για το βιβλίο

    •  «Για τον πολύ κόσμο, η επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας αποτελεί αίνιγμα. Ωστόσο, αναμένεται να διαμορφώσει μεγάλο μέρος του μέλλοντος των υπολογισμών. Για να γνωρίσουμε τον γενναίο αυτό νέο κόσμο, χρειαζόμαστε έναν υπομονετικό, ευγενικό και διασκεδαστικό οδηγό. Στο βιβλίο Κβαντικό ατμοπάνκ, η Yunger Halpern εφαρμόζει ένα θαυμάσιο τέχνασμα, παρουσιάζοντας την επιστήμη τού αύριο με τη μορφή του χθεσινού επιστημονικού τοπίου, με μεγάλη σαφήνεια και πρωτοτυπία. Η επιστημονική συγγραφή στα καλύτερά της».

    —Marcelo Gleiser, καθηγητής θεωρητικής φυσικής, Κολέγιο Dartmouth

     

    •  «Το Κβαντικό ατμοπάνκ, γραμμένο από μία από τις πιο προικισμένες κβαντοθεωρητικούς της γενιάς της, είναι ένα βιβλίο που πρέπει να διαβάσετε. Γεμάτο με ποιητικές παρουσιάσεις των κβαντικών μυστηρίων και αφηγήσεις τόσο συναρπαστικές, δεν θα μπορείτε να το αφήσετε από τα χέρια σας. Το βιβλίο αυτό θα γίνει κλασικό».

    —Stephon Alexander, καθηγητής θεωρητικής φυσικής, Πανεπιστήμιο Brown

     

    •  «Με καρδιά και καλλιτέχνη και επιστήμονα, η Yunger Halpern εξερευνά δύο από τα πιο καυτά πεδία της σύγχρονης φυσικής: την κβαντική θερμοδυναμική και την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας. Αυτό το άγριο και διασκεδαστικό έργο θα σας παρασύρει σε μια μαγευτική βόλτα, φωτίζοντας το βαθύτερο νόημα της γνώσης, του χρόνου, ακόμη και της ίδιας της πραγματικότητας».

    —Leonard Mlodinow, θεωρητικός φυσικός και συγγραφέας

     

    •  «Όπως κάθε καλό κβαντικό σύστημα, το βιβλίο αυτό είναι περίπλοκο, διεμπλεγμένο και απρόβλεπτο. Η Yunger Halpern μάς ξεναγεί θαυμάσια στο πολυσύχναστο νέο ερευνητικό μέτωπο όπου διασταυρώνονται η φυσική, η πληροφορική και η τεχνολογία, με ματογυάλια και μπρούτζινο εξοπλισμό».

    —Sean Carroll, καθηγητής θεωρητικής φυσικής, Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech)

     

    •  «Με φιλοπαίγμονα διάθεση και χάρισμα, η Yunger Halpern εξερευνά τι συμβαίνει όταν συγχωνεύουμε τη φυσική των ατμομηχανών και τα μαθηματικά της θεωρίας της πληροφορίας με τις τελευταίες προόδους της κβαντικής θεωρίας. Το αποτέλεσμα είναι μια συναρπαστική άποψη της Φύσης και μια προεπισκόπηση των φανταστικών τεχνολογικών δυνατοτήτων».

    —David Kaiser, καθηγητής φυσικής και ιστορίας της επιστήμης, Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ)

     

    •  «Ένα διασκεδαστικό βιβλίο […] που εξηγεί με απλά λόγια την ουσία και τα μυστικά των πολλών πτυχών της κβαντικής θερμοδυναμικής. […] Προσθέτοντας λογοτεχνικό ύφος στο τεχνικό περιεχόμενο, η Halpern μεταφέρει αριστοτεχνικά με απλούς όρους την ποικιλία των πολύπλοκων ιδεών που χαρακτηρίζουν τα διάφορα υποπεδία της κβαντικής θερμοδυναμικής».

    —Physics Today

     

    •  «Το Κβαντικό ατμοπάνκ είναι ίσως η καλύτερη εξήγηση της κβαντικής φυσικής για το ευρύ κοινό που μπορείτε να βρείτε. Η δρ Halpern χρησιμοποιεί όμορφη εικονογράφηση, ευφάνταστες περιγραφές και χιούμορ».

    —Quantum Zeitgeist

     

    •  «Η Yunger Halpern γράφει με σαφήνεια για το όραμα ενός αναδυόμενου επιμέρους πεδίου της φυσικής και για το πώς αναμένει και ελπίζει ότι αυτό θα αναπτυχθεί. Το Κβαντικό ατμοπάνκ απευθύνεται τόσο στους μη ειδικούς αναγνώστες που ανακαλύπτουν νέα ενδιαφέροντα όσο και στους εμπνευσμένους ειδικούς».

    —Jay Lawrence, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας, Κολέγιο Dartmouth

     

    •  «Το Κβαντικό ατμοπάνκ μάς δείχνει με ξεκάθαρη γλώσσα και καθηλωτική αφήγηση πώς να συνδυάσουμε την αιχμή του δόρατος της επιστήμης του 19ου αιώνα με την πρωτοπορία της επιστήμης του 20ού, ώστε να δημιουργήσουμε μια δυναμική νέα επιστήμη για τον 21ο αιώνα».

    —Chad Orzel, καθηγητής φυσικής, Κολέγιο Union (Νέα Υόρκη)

     

    •  «H Yunger Halpern επαναπροσδιορίζει τη θερμοδυναμική του 19ου αιώνα παρατηρώντας τη μέσα από έναν σύγχρονο κβαντικό φακό, και παίζει με την αισθητική του 1800 ανεβαίνοντας σε τρένα, αερόστατα και άλογα. Πρόκειται για ένα βιβλίο σοβαρής φυσικής, το οποίο πιθανότατα θα προσελκύσει τους αναγνώστες τόσο του φανταστικού όσο της εκλαϊκευμένης επιστήμης».

    —Simon Ings, New Scientist

    Η συγγραφέας

    Η Nicole Yugern Halpern είναι θεωρητική φυσικός στο Ινστιτούτο Κβαντικής Πληροφορίας και Επιστήμης Υπολογιστών (QuICS) του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ. Κατάγεται από τη Φλόριντα και φοίτησε στο Κολέγιο Dartmouth στο Νιου Χάμσαϊρ. Οι σπουδές της συνδύαζαν τη φυσική, τα μαθηματικά, την ιστορία και τη φιλοσοφία. Σε ένα διάλειμμα των σπουδών της διάρκειας ενός έτους εργάστηκε ως βοηθός ερευνήτρια φυσικής στην Αγγλία, όπου εξερεύνησαε αιωνόβια κάστρα, μικρά χωριά και την τοπική λογοτεχνία. Στη συνέχεια έκανε μεταπτυχιακές σπουδές στο Perimeter Institute for Theoretical Physics στον Καναδά. Η διδακτορική διατριβή της πραγματοποιήθηκε στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech) στην Πασαντίνα. Έχει αναπτύξει ένα ερευνητικό πρόγραμμα στο οποίο συγχωνεύονται η κβαντική φυσική, η θεωρία της πληροφορίας και η θερμοδυναμική. Μετά την αποφοίτησή της, αντάλλαξε τη λιακάδα της Πασαντίνα με τη βροχή και τα κόκκινα τούβλα του Πανεπιστημίου Harvard, όπου διεξήγαγε έρευνα ως μεταδιδακτορική συνεργάτις του Ινστιτούτου Θεωρητικής Ατομικής, Μοριακής και Οπτικής Φυσικής (ITAMP). Μετά το Harvard ακολούθησε το Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, όπου είναι επικεφαλής μιας ερευνητικής ομάδας φυσικών.

    Τα περιεχόμενα του βιβλίου

    Πρόλογος

    1. Ένα παράδοξο
    2. Ημέρα δίχως χθες
    3. Κοσμογένεση
    4. Στάχτες και καπνός
    5. Χαμένοι στο πολυσύμπαν
    6. Δεν ρωτάς; Δεν έχεις ιστορία!
    7. Χρόνος άχρονος
    8. Το Σύμπαν σαν το σπίτι μας

    Ευχαριστίες

    Σημειώσεις

    Βιβλιογραφία

    Λεξιλόγιο

    Ευρετήριο

  • ERWIN SCHRÖDINGER – Η θεμελιώδης ιδέα της κυματικής μηχανικής

    ERWIN SCHRÖDINGER – Η θεμελιώδης ιδέα της κυματικής μηχανικής

    Διάλεξη Νόμπελ, 12 Δεκεμβρίου, 1933

    Μετάφραση: Βαρβάρα Πετανίδου

    Επιμέλεια Μετάφρασης: Κέλη Σπυροπούλου, Βασίλης Λεμπέσης

    «…για την ανακάλυψη νέων παραγωγικών μορφών της ατομικής θεωρίας». (Από την προσφώνηση στην τελετή απονομής του βραβείου Nobel, 11 Δεκεμβρίου 1933)

    Κατά τη διαδρομή μιας ακτίνας φωτός μέσα από ένα οπτικό όργανο, όπως ένα τηλεσκόπιο ή έναν φακό φωτογραφικής μηχανής, αυτή υφίσταται αλλαγή κατεύθυνσης σε κάθε διαθλαστική ή ανακλαστική επιφάνεια. Η πορεία των ακτίνων μπορεί να ανακατασκευαστεί, αν γνωρίζουμε τους δύο απλούς νόμους που διέπουν τις αλλαγές στην κατεύθυνση: τον νόμο της διάθλασης που ανακαλύφθηκε από τον Snellius πριν από μερικές εκατοντάδες χρόνια και τον νόμο της ανάκλασης, με τον οποίο ο Αρχιμήδης ήταν εξοικειωμένος πάνω από  2.000 χρόνια πριν. Ως απλό παράδειγμα, το Σχ. 1 δείχνει μια ακτίνα Α-Β, η οποία υπόκειται σε διάθλαση σε καθεμία από τις τέσσερις συνοριακές επιφάνειες δύο φακών σύμφωνα με τον νόμο του Snellius.

    Σχήμα 1.

    Ο Φερμά (Fermat) όρισε τη συνολική διαδρομή μιας ακτίνας φωτός από μια πιο γενική άποψη. Σε διαφορετικά μέσα το φως διαδίδεται με διαφορετικές ταχύτητες και η διαδρομή της ακτινοβολίας δίνει την εντύπωση ότι το φως πρέπει να φτάσει στον προορισμό του όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Παρεμπιπτόντως, εδώ επιτρέπεται να θεωρήσουμε δύο οποιαδήποτε σημεία κατά μήκος της ακτίνας ως σημεία εκκίνησης και τερματισμού. Η ελάχιστη απόκλιση από τη διαδρομή που ακολουθείται πραγματικά θα σήμαινε καθυστέρηση. Αυτή είναι η περίφημη αρχή του ελαχίστου χρόνου για το φως του Φερμά, η οποία με θαυμαστό τρόπο καθορίζει την τύχη μιας ακτίνας φωτός με μια μόνο δήλωση και περιλαμβάνει επίσης τη γενικότερη περίπτωση, όταν η φύση του μέσου μεταβάλλεται όχι απότομα όπως σε μεμονωμένες επιφάνειες αλλά σταδιακά από σημείο σε σημείο. Η ατμόσφαιρα της γης παρέχει ένα παράδειγμα. Όσο πιο βαθιά διεισδύει σε αυτήν μια ακτίνα φωτός από το διάστημα, τόσο πιο αργά προχωρά μέσα σε έναν όλο και πιο πυκνό αέρα. Παρόλο που οι διαφορές στην ταχύτητα διάδοσης είναι απειροελάχιστες, η αρχή του Φερμά υπό αυτές τις συνθήκες απαιτεί η ακτίνα φωτός να καμπυλώνει προς τη γη (βλ. Σχ. 2), έτσι ώστε να παραμείνει λίγο περισσότερο στα υψηλότερα «ταχύτερα» στρώματα και να φτάσει στον προορισμό της πιο γρήγορα σε σχέση με τη συντομότερη ευθεία διαδρομή (διακεκομμένη γραμμή στο σχήμα- αγνοήστε το τετράγωνο, WWW1W1  προς το παρόν).

    Σχήμα 2.

    Νομίζω ότι σχεδόν κανένας από εσάς δε θα έχει παραλείψει να παρατηρήσει ότι ο ήλιος όταν είναι χαμηλά στον ορίζοντα δε φαίνεται να είναι κυκλικός αλλά πεπλατυσμένος: η κατακόρυφη διάμετρός του φαίνεται να είναι μειωμένη. Αυτό είναι ένα αποτέλεσμα της καμπυλότητας των ακτίνων.

    Σύμφωνα με την κυματική θεωρία, οι ακτίνες του φωτός, αυστηρά μιλώντας, έχουν μόνο πλασματική σημασία. Δεν είναι οι φυσικές τροχιές κάποιων σωματιδίων του φωτός αλλά μια μαθηματική κατασκευή, οι λεγόμενες ορθογώνιες τροχιές των κυματικών επιφανειών, φανταστικές γραμμές-οδηγοί κατά κάποιον τρόπο, οι οποίες δείχνουν προς την κατεύθυνση που είναι κάθετη προς την κυματική επιφάνεια στην οποία η τελευταία προχωρά (βλ. το Σχ. 3 που δείχνει την απλούστερη περίπτωση ομόκεντρων σφαιρικών κυματικών επιφανειών και αντίστοιχα ευθύγραμμων ακτίνων, ενώ το Σχ. 4 απεικονίζει την περίπτωση των καμπύλων ακτίνων).

    Σχήμα 3.

    Σχήμα 4.

    Είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι μια γενική αρχή τόσο σημαντική όσο αυτή του Φερμά σχετίζεται άμεσα με αυτές τις μαθηματικές κατευθυντήριες γραμμές και όχι με τις κυματικές επιφάνειες, και για τον λόγο αυτό θα μπορούσε κανείς να τη θεωρήσει ως ένα απλό μαθηματικό αξιοπερίεργο. Κάθε άλλο. Γίνεται ορθώς κατανοητή μόνο από τη σκοπιά της κυματικής θεωρίας και παύει να είναι ένα θεϊκό θαύμα. Από την άποψη των κυμάτων, η λεγόμενη καμπυλότητα της φωτεινής ακτίνας είναι πιο εύκολα κατανοητή ως μια εκτροπή της κυματικής επιφάνειας, η οποία πρέπει προφανώς να συμβαίνει όταν γειτονικά τμήματα μιας κυματικής επιφάνειας προχωρούν με διαφορετικές ταχύτητες- με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που ένα άγημα στρατιωτών βαδίζοντας προς τα εμπρός θα εκτελέσει τη διαταγή «κλίνατ’ επί δεξιά» κάνοντας βήματα διαφορετικού μήκους, ο άντρας της δεξιάς πτέρυγας το μικρότερο και ο άντρας της αριστερής πτέρυγας το μεγαλύτερο. Στην ατμοσφαιρική διάθλαση της ακτινοβολίας για παράδειγμα (Σχ. 2), το τμήμα της κυματικής επιφάνειας WW πρέπει αναγκαστικά να στραφεί προς τα δεξιά προς το W1W1, επειδή το αριστερό του μισό βρίσκεται σε ελαφρώς υψηλότερο, μικρότερης πυκνότητας αέρα, και έτσι προχωράει ταχύτερα από το δεξιό τμήμα που βρίσκεται σε χαμηλότερο σημείο. Παρεμπιπτόντως, θα ήθελα να αναφερθώ σε ένα σημείο στο οποίο η αρχή του Snellius αποτυγχάνει: μια οριζόντια εκπεμπόμενη φωτεινή ακτίνα θα πρέπει να παραμένει οριζόντια, επειδή, ο δείκτης διάθλασης δε μεταβάλλεται στην οριζόντια κατεύθυνση. Στην πραγματικότητα, μια οριζόντια ακτίνα καμπυλώνεται πιο έντονα από οποιαδήποτε άλλη, πράγμα που αποτελεί προφανή συνέπεια της θεωρίας του εκτρεπόμενου μετώπου κύματος. Κατά τη λεπτομερή εξέταση της αρχής του Φερμά διαπιστώνεται ότι ισοδυναμεί πλήρως με την τετριμμένη και προφανή δήλωση ότι – δεδομένης της τοπικής κατανομής των ταχυτήτων του φωτός – το μέτωπο του κύματος πρέπει να εκτρέπεται με τον τρόπο που υποδεικνύεται. Δεν μπορώ να το αποδείξω αυτό εδώ, αλλά θα προσπαθήσω να δώσω μια εύλογη εξήγηση. Θα σας ζητούσα και πάλι να φανταστείτε μια σειρά στρατιωτών που βαδίζουν προς τα εμπρός. Για να εξασφαλιστεί ότι η γραμμή παραμένει αδιάσπαστη, οι άνδρες συνδέονται με μια μακριά ράβδο που ο καθένας κρατάει σταθερά στο χέρι του. Δε δίνεται καμία εντολή ως προς την κατεύθυνση- η μόνη εντολή είναι: ο κάθε άνδρας να βαδίζει ή να τρέχει όσο πιο γρήγορα μπορεί. Εάν η φύση του εδάφους ποικίλλει αργά από τόπο σε τόπο, θα είναι πότε η δεξιά πτέρυγα πότε η αριστερή που θα προχωρήσει πιο γρήγορα, και οι αλλαγές στην κατεύθυνση θα συμβούν αυθόρμητα. Αφού περάσει κάποιο χρονικό διάστημα, θα φανεί ότι ολόκληρη η διαδρομή που διανύεται δεν είναι ευθύγραμμη αλλά, κατά κάποιο τρόπο, καμπυλωτή. Ότι αυτή η καμπυλωτή διαδρομή είναι ακριβώς εκείνη με την οποία ο προορισμός που θα μπορούσε να επιτευχθεί ανά πάσα στιγμή μπορεί να επιτευχθεί ταχύτερα ανάλογα με τη φύση του εδάφους είναι τουλάχιστον αρκετά εύλογο, δεδομένου ότι ο καθένας από τους άνδρες έκανε ό,τι καλύτερο μπορούσε. Θα φανεί ακόμα ότι η εκτροπή συμβαίνει επίσης σταθερά προς εκείνη την κατεύθυνση στην οποία το έδαφος είναι λιγότερο ομαλό, έτσι ώστε να καταλήξει στο τέλος να φαίνεται ότι οι άνδρες είχαν σκόπιμα “παρακάμψει” ένα μέρος όπου θα προχωρούσαν αργά.

    Η αρχή του Φερμά φαίνεται έτσι να είναι η τετριμμένη πεμπτουσία της κυματικής θεωρίας. Ήταν λοιπόν μια αξιομνημόνευτη περίσταση όταν ο Χάμιλτον (Hamilton) έκανε την ανακάλυψη ότι η πραγματική κίνηση σημειακών μαζών σε ένα πεδίο δυνάμεων (π.χ. ενός πλανήτη στην τροχιά του γύρω από τον ήλιο ή μιας πέτρας που ρίχνεται στο βαρυτικό πεδίο της γης) διέπεται επίσης από μια παρόμοια γενική αρχή, η οποία φέρει, και έχει κάνει έκτοτε διάσημο, το όνομα του εμπνευστή της. Ομολογουμένως, η αρχή Χάμιλτον δε λέει ακριβώς ότι η σημειακή μάζα επιλέγει τον ταχύτερο δρόμο, αλλά λέει κάτι τόσο παρόμοιο: η αναλογία με την αρχή του συντομότερου χρόνου που ταξιδεύει το φως είναι τόσο κοντινή, ώστε να βρεθεί κανείς μπροστά σε έναν γρίφο. Φαινόταν σαν η Φύση να είχε υπαγορεύσει τον ίδιο νόμο δύο φορές σε εντελώς διαφορετικά μέσα: πρώτα στην περίπτωση του φωτός, μέσω ενός αρκετά προφανούς παίγνιου των ακτίνων, κι έπειτα στην περίπτωση των σημειακών μαζών, που κάθε άλλο παρά προφανείς ήταν, εκτός αν έπρεπε να αποδοθεί και σ’ αυτά με κάποιον τρόπο κυματική φύση. Και αυτό φαινόταν αδύνατο να γίνει. Διότι οι «σημειακές μάζες», στις οποίες οι νόμοι της μηχανικής είχαν πράγματι επιβεβαιωθεί πειραματικά εκείνη την εποχή, ήταν μόνο τα μεγάλα, ορατά, μερικές φορές πολύ μεγάλα σώματα, οι πλανήτες, για τα οποία κάτι σαν την «κυματική φύση» φαινόταν να αποκλείεται.

    Τα μικρότερα, στοιχειώδη συστατικά της ύλης, τα οποία σήμερα, πιο συγκεκριμένα, αποκαλούμε «σημειακές μάζες», ήταν τότε καθαρά υποθετικά. Μόνο μετά την ανακάλυψη της ραδιενέργειας οι συνεχείς βελτιώσεις των μεθόδων μέτρησης επέτρεψαν τη λεπτομερή μελέτη των ιδιοτήτων αυτών των σωματιδίων και επιτρέπουν σήμερα τη φωτογράφιση των διαδρομών αυτών των σωματιδίων και την ακριβή μέτρησή τους (στερεοφωτογραμμετρικά) με τη λαμπρή μέθοδο του C. T. R. Wilson1. Όσον αφορά τις μετρήσεις, επιβεβαιώνουν ότι για τα σωματίδια ισχύουν οι ίδιοι  νόμοι της μηχανικής όπως και για τα μεγάλα σώματα, τους πλανήτες κ.λπ. Ωστόσο, διαπιστώθηκε ότι ούτε το μόριο ούτε το μεμονωμένο άτομο μπορούν να θεωρηθούν ως το «απόλυτο συστατικό»: αλλά ότι ακόμη και το άτομο είναι ένα σύστημα με εξαιρετικά πολύπλοκη δομή. Στο μυαλό μας σχηματίζονται εικόνες της δομής των ατόμων που αποτελούνται από σωματίδια, οι οποίες φαίνεται να έχουν κάποια ομοιότητα με το πλανητικό σύστημα. Ήταν φυσικό, αρχικά, να γίνει η προσπάθεια ώστε να θεωρηθούν  έγκυροι οι ίδιοι νόμοι της κίνησης που είχαν αποδειχθεί ότι ικανοποιούνταν σε μεγάλη κλίμακα. Με άλλα λόγια, η μηχανική του Χάμιλτον, η οποία, όπως είπα παραπάνω, κορυφώνεται με την αρχή Χάμιλτον, εφαρμόστηκε και στην «εσωτερική ζωή» του ατόμου. Το ότι υπάρχει μια πολύ στενή αναλογία μεταξύ της αρχής του Χάμιλτον και της αρχής του Φερμά είχε εν τω μεταξύ σχεδόν ξεχαστεί. Στην περίπτωση που το θυμόντουσαν, θεωρούνταν ότι δεν ήταν τίποτε περισσότερο από ένα περίεργο χαρακτηριστικό της μαθηματικής θεωρίας.

    Τώρα είναι πολύ δύσκολο, χωρίς να υπεισέλθουμε περαιτέρω σε λεπτομέρειες, να αποδώσουμε σωστά την αντίληψη της επιτυχίας ή της αποτυχίας αυτών των κλασικών-μηχανικών εικόνων του ατόμου. Από τη μια πλευρά, η αρχή του Χάμιλτον, ειδικότερα, αποδείχθηκε ο πιο πιστός και αξιόπιστος οδηγός, ο οποίος ήταν απλώς απαραίτητος- από την άλλη πλευρά έπρεπε να υποστεί κανείς, για να αποδώσει δικαιοσύνη στα γεγονότα, την πρόχειρη παρεμβολή εντελώς νέων ακατανόητων αξιωμάτων, των λεγόμενων κβαντικών συνθηκών και κβαντικών αξιωμάτων. Σαν μια έντονη δυσαρμονία στη συμφωνία της κλασικής μηχανικής – που όμως είναι παράξενα οικεία – παιγμένη σαν να ήταν στο ίδιο όργανο. Με μαθηματικούς όρους μπορούμε να το διατυπώσουμε ως εξής: ενώ η αρχή του Χάμιλτον απλώς αξιώνει ότι ένα δεδομένο ολοκλήρωμα πρέπει να είναι ελάχιστο, χωρίς η αριθμητική τιμή του ελαχίστου να καθορίζεται από αυτό το αξίωμα, τώρα απαιτείται η αριθμητική τιμή του ελαχίστου να περιορίζεται σε ακέραια πολλαπλάσια μιας παγκόσμιας φυσικής σταθεράς, του κβάντου δράσης του Πλανκ. Αυτό συμπτωματικά. Η κατάσταση ήταν αρκετά απελπιστική. Αν η παλιά μηχανική είχε αποτύχει εντελώς, δε θα ήταν τόσο άσχημα. Τότε ο δρόμος θα ήταν  ελεύθερος για την ανάπτυξη ενός νέου συστήματος μηχανικής. Όπως και να ‘ταν, βρισκόταν κανείς αντιμέτωπος με το δύσκολο έργο να σώσει την ψυχή του παλιού συστήματος, του οποίου το πνεύμα σαφώς κυριαρχούσε σ’ αυτόν τον μικρόκοσμο, και ταυτόχρονα να το κολακεύσει, ώστε να δεχτεί τις κβαντικές συνθήκες όχι ως μεγάλη παρεμβολή αλλά ως προερχόμενες από την ίδια του την εσώτερη ουσία.

    Η διέξοδος βρισκόταν ακριβώς στη δυνατότητα που ήδη αναφέρθηκε παραπάνω, να αποδοθεί στην αρχή Χάμιλτον η λειτουργία ενός κυματικού μηχανισμού στον οποίο βασίζονται ουσιαστικά οι σημειακές μηχανικές διαδικασίες, όπως ακριβώς είχε συνηθίσει κανείς να κάνει στην περίπτωση των φαινομένων που σχετίζονται με το φως και την αρχή Φερμά που τα διέπει. Ομολογουμένως, η μεμονωμένη διαδρομή μιας σημειακής μάζας χάνει την ορθή φυσική της σημασία και γίνεται τόσο πλασματική όσο και η διακριτή απομονωμένη ακτίνα φωτός. Η ουσία της θεωρίας η ελάχιστη αρχή, ωστόσο, όχι μόνο παραμένει ανέπαφη, αλλά αποκαλύπτει το αληθινό και απλό νόημά της μόνο υπό την κυματοειδή διάσταση, όπως έχει ήδη εξηγηθεί. Αυστηρά μιλώντας, η νέα θεωρία δεν είναι στην πραγματικότητα νέα, είναι μια εντελώς οργανική εξέλιξη, ώστε θα μπορούσε σχεδόν να μπει κανείς στον πειρασμό να πει μια πιο περίτεχνη εκδοχή της παλιάς θεωρίας.

    Πώς λοιπόν αυτή η νέα, πιο «περίτεχνη» εκδοχή οδήγησε σε αξιοσημείωτα διαφορετικά αποτελέσματα; Τι της επέτρεψε, όταν εφαρμόστηκε στο άτομο, να αποφύγει δυσκολίες που η παλιά θεωρία δεν μπορούσε να λύσει; Τι της επέτρεψε να καταστήσει αποδεκτές τις μεγάλες παρεμβάσεις ή ακόμη και να τις οικειοποιηθεί;

    Και πάλι, τα θέματα αυτά μπορούν να διευκρινιστούν καλύτερα αξιοποιώντας την αναλογία με την οπτική. Πολύ σωστά, πράγματι, αποκάλεσα προηγουμένως την αρχή του Φερμά ως την πεμπτουσία της κυματικής θεωρίας του φωτός, ωστόσο, δεν μπορεί να καταστήσει αναπόφευκτη μια πιο ακριβή μελέτη της ίδιας της κυματικής διαδικασίας. Τα λεγόμενα φαινόμενα διάθλασης και συμβολής του φωτός μπορούν να γίνουν κατανοητά μόνο αν παρακολουθήσουμε λεπτομερώς την κυματική διαδικασία, διότι αυτό που έχει σημασία δεν είναι μόνο ο τελικός προορισμός του κύματος, αλλά και το αν σε μια δεδομένη στιγμή καταφτάνει εκεί με μια κορυφή ή με μια κοιλάδα του. Στις παλαιότερες, πιο χονδροειδείς πειραματικές διατάξεις, τα φαινόμενα αυτά λάμβαναν χώρα μόνο ως μικρές λεπτομέρειες και διέφευγαν της παρατήρησης. Μόλις έγιναν αντιληπτά και ερμηνεύτηκαν σωστά μέσω των κυμάτων, ήταν εύκολο να επινοηθούν πειράματα, στα οποία η κυματική φύση του φωτός εμφανίζεται όχι μόνο σε μικρές λεπτομέρειες αλλά σε πολύ μεγάλη κλίμακα σε ολόκληρη την έκταση του φαινομένου.

    Επιτρέψτε μου να το διευκρινίσω αυτό με δύο παραδείγματα: πρώτον, το παράδειγμα ενός οπτικού οργάνου, όπως το τηλεσκόπιο, το μικροσκόπιο κ.λπ. Ο στόχος εδώ είναι να επιτευχθεί μια ευκρινής εικόνα, δηλαδή είναι επιθυμητό όλες οι ακτίνες που ξεκινούν από ένα σημείο να επανενωθούν σε ένα σημείο, τη λεγόμενη εστία (βλ. Σχ. 5α). Αρχικά θεωρήθηκε ότι μόνο οι γεωμετρικές-οπτικές δυσκολίες εμπόδιζαν την επίτευξη αυτού του στόχου. αυτές είναι πράγματι σημαντικές.

    Σχήμα 5.

    Αργότερα διαπιστώθηκε ότι ακόμη και στα καλύτερα σχεδιασμένα όργανα η εστίαση των ακτίνων ήταν σημαντικά υποδεέστερη από ό,τι θα αναμενόταν, αν κάθε ακτίνα υπάκουε ακριβώς στην αρχή του Φερμά ανεξάρτητα από τις γειτονικές ακτίνες. Το φως που εξέρχεται από ένα σημείο και συλλαμβάνεται από το όργανο ξανασμίγει πίσω από το όργανο όχι πλέον σε ένα μόνο σημείο, αλλά κατανεμημένο σε μια μικρή κυκλική περιοχή, τον λεγόμενο δίσκο περίθλασης, ο οποίος, κατά τα άλλα, είναι στις περισσότερες περιπτώσεις κυκλικός μόνο και μόνο επειδή τα ανοίγματα και τα περιγράμματα των φακών είναι γενικά κυκλικά. Διότι, η αιτία του φαινομένου που ονομάζουμε περίθλαση έγκειται στο ότι δεν μπορεί το όργανο να συμπεριλάβει όλα τα σφαιρικά κύματα που προέρχονται από το σημείο του αντικειμένου. Τα άκρα του φακού και τα τυχόν ανοίγματα απλώς αποκόπτουν ένα μέρος των κυματικών επιφανειών (βλ. Σχ. 5β) και – αν μου επιτρέπετε να χρησιμοποιήσω μια πιο υπαινικτική έκφραση – τα τραχέα περιθώρια αντιστέκονται στην πλήρη επανένωση των ακτίνων σε ένα σημείο και παράγουν την κάπως θολή ή ασαφή εικόνα. Ο βαθμός ασάφειας συνδέεται στενά με το μήκος κύματος του φωτός και είναι απολύτως αναπόφευκτος λόγω αυτής της βαθιά ριζωμένης θεωρητικής σχέσης. Δύσκολα αντιληπτή στην αρχή, διέπει και περιορίζει την απόδοση του σύγχρονου μικροσκοπίου, το οποίο έχει υπερβεί όλα τα άλλα σφάλματα αναπαραγωγής μιας εικόνας. Οι εικόνες που λαμβάνονται από δομές όχι πολύ πιο μεγάλες ή και ακόμη πιο μικρές σε μέγεθος από τα μήκη κύματος του φωτός μοιάζουν μόνο εξ αποστάσεως ή καθόλου με το πρωτότυπο.

    Ένα δεύτερο, ακόμη πιο απλό παράδειγμα είναι η σκιά ενός αδιαφανούς αντικειμένου που πέφτει πάνω σε μια οθόνη από μια μικρή σημειακή πηγή φωτός. Για να κατασκευαστεί η μορφή της σκιάς, πρέπει να ανιχνευθεί κάθε ακτίνα φωτός και να διαπιστωθεί αν το αδιαφανές αντικείμενο την εμποδίζει να φτάσει στην οθόνη. Το περίγραμμα της σκιάς σχηματίζεται από τις ακτίνες φωτός που μόλις περνούν από την άκρη του σώματος. Η εμπειρία έχει δείξει ότι το περίγραμμα της σκιάς δεν είναι απολύτως ευκρινές ακόμη και με μια σημειακή πηγή φωτός και ένα ευκρινές αντικείμενο που ρίχνει σκιά. Ο λόγος γι’ αυτό είναι ο ίδιος όπως και στο πρώτο παράδειγμα. Το μέτωπο του κύματος διχοτομείται κατά κάποιον τρόπο από το σώμα (βλ. Σχ. 6) και τα ίχνη αυτής της αλλοίωσης έχουν ως αποτέλεσμα τη θόλωση του περιγράμματος της σκιάς, η οποία θα ήταν ακατανόητη, εάν οι επιμέρους ακτίνες φωτός ήταν ανεξάρτητες οντότητες που προχωρούσαν ανεξάρτητα η μία από την άλλη χωρίς αναφορά στις γειτονικές τους.

    Το φαινόμενο αυτό – που ονομάζεται επίσης περίθλαση – δεν είναι κατά κανόνα αισθητό σε μεγάλα σώματα. Αν όμως το σώμα που ρίχνει τη σκιά είναι πολύ μικρό, τουλάχιστον στη μία διάσταση, η περίθλαση εκφράζεται πρώτον με το ότι δε σχηματίζεται καθόλου σωστή σκιά και δεύτερον -πολύ πιο εντυπωσιακά- με το ότι το ίδιο το μικρό σώμα είναι σαν να ήταν το ίδιο μια πηγή φωτός και εκπέμπει φως προς όλες τις κατευθύνσεις. (κατά προτίμηση βέβαια σε μικρές γωνίες σε σχέση με το  προσπίπτον φως).

    Σχήμα 6.

    Όλοι σας είστε αναμφίβολα εξοικειωμένοι με τους λεγόμενους «κόκκους σκόνης» σε μια δέσμη φωτός που πέφτει σε ένα σκοτεινό δωμάτιο. Τα λεπτά χορταράκια και οι ιστοί αράχνης στην κορυφή ενός λόφου με τον ήλιο πίσω τους ή οι ακατάστατες μπούκλες μαλλιών ενός ανθρώπου που στέκεται με τον ήλιο πίσω του και συχνά φωτίζονται μυστηριωδώς από το περιθλώμενο φως καθώς και η ορατότητα του καπνού και της ομίχλης βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο . Δεν προέρχεται στην πραγματικότητα από το ίδιο το σώμα αλλά από το άμεσο περιβάλλον του, μια περιοχή στην οποία η παρουσία του σώματος προκαλεί σημαντική συμβολή στα προσπίπτοντα μέτωπα των κυμάτων. Είναι ενδιαφέρον και σημαντικό για ό,τι ακολουθεί να παρατηρήσουμε ότι η περιοχή της συμβολής έχει πάντα και προς κάθε κατεύθυνση τουλάχιστον την έκταση ενός ή μερικών μηκών κύματος, όσο μικρό κι αν είναι το διαταράσσον σωματίδιο. Για άλλη μια φορά, λοιπόν, παρατηρούμε μια στενή σχέση μεταξύ του φαινομένου της περίθλασης και του μήκους κύματος. Αυτό αναδεικνύεται ίσως καλύτερα με αναφορά σε μια άλλη κυματική διαδικασία, στον ήχο. Λόγω του πολύ μεγαλύτερου μήκους κύματος, το οποίο είναι της τάξης των εκατοστών και των μέτρων, ο σχηματισμός σκιών υποχωρεί στην περίπτωση του ήχου και η περίθλαση παίζει πρακτικά σημαντικό  ρόλο: μπορούμε εύκολα να ακούσουμε έναν άνθρωπο να φωνάζει πίσω από έναν ψηλό τοίχο ή πίσω από τη γωνία ενός συμπαγούς σπιτιού, ακόμη και αν δεν τον βλέπουμε.

    Ας επιστρέψουμε από την οπτική στη μηχανική και ας εξερευνήσουμε την αναλογία στο μέγιστο βαθμό. Στην οπτική, το παλιό σύστημα της μηχανικής αντιστοιχεί σε μια νοητική εργασία με απομονωμένες αμοιβαία ανεξάρτητες ακτίνες φωτός. Η νέα κυματική μηχανική αντιστοιχεί στην κυματική θεωρία του φωτός. Αυτό που αποκομίζεται περνώντας από την παλαιά άποψη στη νέα είναι ότι τα φαινόμενα περίθλασης μπορούν να συμπεριληφθούν ή, για να το εκφράσουμε καλύτερα, αυτό που αποκομίζεται είναι κάτι αυστηρά ανάλογο με τα φαινόμενα περίθλασης του φωτός, και το οποίο στο σύνολό του πρέπει να είναι πολύ ασήμαντο, διαφορετικά η παλαιά άποψη της μηχανικής δε θα ήταν επαρκής τόσον καιρό. Είναι, ωστόσο, εύκολο να υποθέσουμε ότι το  φαινόμενο που αγνοήσαμε μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις να γίνει πολύ αισθητό, οπότε θα επιβληθεί πλήρως στη μηχανική διαδικασία και το παλιό σύστημα θα έλθει αντιμέτωπο με άλυτους γρίφους, αν ολόκληρο το μηχανικό σύστημα είναι συγκρίσιμο σε μέγεθος με τα μήκη κύματος των “κυμάτων της ύλης” που παίζουν τον ίδιο ρόλο στις μηχανικές διαδικασίες με αυτόν που παίζουν τα κύματα του φωτός στις οπτικές διαδικασίες.

    Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο σε αυτά τα μικροσκοπικά συστήματα, τα άτομα, ήταν βέβαιο ότι θα αποτύγχανε η παλαιά άποψη, η οποία, παρόλο που παρέμενε ακλόνητη ως μια καλή προσέγγιση για τις γενικές μηχανικές διεργασίες, δεν είναι πλέον επαρκής για τις ευαίσθητες αλληλεπιδράσεις σε περιοχές της τάξης μεγέθους ενός ή μερικών μηκών κύματος. Ήταν εκπληκτικό να παρατηρεί κανείς τον τρόπο με τον οποίο όλες αυτές οι παράξενες πρόσθετες απαιτήσεις αναπτύχθηκαν αυθόρμητα από τη νέα κυματική θεώρηση, ενώ έπρεπε να επιβληθούν στην παλιά θεώρηση, για να προσαρμοστούν στην εσωτερική ζωή του ατόμου και να δώσουν κάποια εξήγηση στα παρατηρούμενα γεγονότα.

    Έτσι, το σημαντικότερο σημείο του όλου θέματος είναι ότι οι διάμετροι των ατόμων και το μήκος κύματος των υποθετικών υλικών κυμάτων είναι περίπου της ίδιας τάξης μεγέθους. Και τώρα θα πρέπει οπωσδήποτε να ρωτήσετε αν πρέπει να θεωρηθεί απλή τύχη το γεγονός ότι στη συνεχή ανάλυσή μας για τη δομή της ύλης θα καταλήξουμε από όλα τα σημεία στην τάξη μεγέθους του μήκους κύματος ή αν αυτό είναι σε κάποιο βαθμό κατανοητό. Περαιτέρω, μπορεί να ρωτήσετε πώς γνωρίζουμε ότι αυτό είναι έτσι, αφού τα υλικά κύματα αποτελούν μια εντελώς νέα απαίτηση αυτής της θεωρίας, άγνωστη οπουδήποτε αλλού. Ή μήπως απλώς πρόκειται για μια υπόθεση που έπρεπε να γίνει;

    Η συμφωνία μεταξύ των τάξεων μεγέθους δεν είναι απλά τυχαία ούτε απαιτείται κάποια ειδική υπόθεση σχετικά με αυτήν. προκύπτει αυτόματα από τη θεωρία με τον ακόλουθο αξιοσημείωτο τρόπο. Το γεγονός ότι ο βαρύς πυρήνας του ατόμου είναι πολύ μικρότερος από το άτομο και επομένως μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σημειακό κέντρο έλξης στο επιχείρημα που ακολουθεί, όπως τεκμηριώνεται πειραματικά από τα πειράματα για τη σκέδαση των ακτίνων άλφα που έκαναν οι Rutherford και Chadwick. Αντί των ηλεκτρονίων εισάγουμε υποθετικά κύματα, των οποίων τα μήκη κύματος αφήνονται εντελώς ελεύθερα, επειδή δε γνωρίζουμε ακόμη τίποτα γι’ αυτά. Αυτό αφήνει μια σταθερά, π.χ. α, που υποδηλώνει ένα άγνωστο ακόμη μέγεθος στον υπολογισμό μας. Ωστόσο, το έχουμε συνηθίσει αυτό σε τέτοιους υπολογισμούς και δε μας εμποδίζει να υπολογίσουμε ότι ο   πυρήνας του ατόμου πρέπει να παράγει ένα είδος φαινομένου περίθλασης σε αυτά τα κύματα, παρόμοια όπως κάνει ένα μικροσκοπικό σωματίδιο σκόνης στα κύματα του φωτός.  Κατ’ αναλογία, προκύπτει ότι υπάρχει στενή σχέση μεταξύ της έκτασης της περιοχής συμβολής με την οποία περιβάλλεται ο πυρήνας και του μήκους κύματος, και ότι τα δύο είναι της ίδιας τάξης μεγέθους. Για το τι είναι αυτό έπρεπε να το αφήσουμε ανοιχτό- αλλά το πιο σημαντικό βήμα ακολουθεί τώρα: ταυτίζουμε την περιοχή συμβολής, το φωτοστέφανο περίθλασης, με το άτομο. ισχυριζόμαστε ότι το άτομο στην πραγματικότητα είναι απλώς το αποτέλεσμα της περίθλασης ενός κύματος ηλεκτρονίων που συλλαμβάνεται, όπως λέγαμε, από τον πυρήνα του ατόμου. Δεν είναι πλέον θέμα τύχης το γεγονός ότι το μέγεθος του ατόμου και το μήκος κύματος είναι της ίδιας τάξης μεγέθους. είναι θέμα φύσης. Δε γνωρίζουμε την αριθμητική τιμή κανενός από τα δύο, γιατί έχουμε ακόμη στον υπολογισμό μας τη μία άγνωστη σταθερά, την οποία ονομάσαμε α. Υπάρχουν δύο πιθανοί τρόποι προσδιορισμού της, οι οποίοι παρέχουν αμοιβαίο έλεγχο ο ένας στον άλλον. Πρώτον, μπορούμε να την επιλέξουμε έτσι ώστε οι εκδηλώσεις της ζωής του ατόμου, κυρίως οι γραμμές του φάσματος που εκπέμπονται, να βγαίνουν σωστά ποσοτικά- αυτές άλλωστε μπορούν να μετρηθούν με μεγάλη ακρίβεια. Δεύτερον, μπορούμε να επιλέξουμε τη σταθερά α με τέτοιον τρόπο, ώστε το φωτοστέφανο περίθλασης να αποκτήσει το μέγεθος που απαιτείται για το άτομο. Αυτοί οι δύο προσδιορισμοί του α (εκ των οποίων ο δεύτερος είναι ομολογουμένως πολύ πιο ασαφής, επειδή το «μέγεθος του ατόμου» δεν είναι σαφώς καθορισμένος όρος) βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία μεταξύ τους. Τρίτον, και τελευταίο, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι η σταθερά που παραμένει άγνωστη, από φυσική άποψη, δεν έχει στην πραγματικότητα τη διάσταση ενός μήκους, αλλά μιας δράσης, δηλαδή ενέργειας πολλαπλασιασμένης με τον χρόνο. Ένα προφανές βήμα, λοιπόν, είναι να την αντικαταστήσουμε με την αριθμητική τιμή του παγκόσμιου κβάντου δράσης του Planck, η οποία είναι γνωστή με ακρίβεια από τους νόμους της θερμικής ακτινοβολίας. Θα δούμε ότι επιστρέφουμε με την πλήρη, σημαντική πλέον, ακρίβεια στον πρώτο (ακριβέστερο) τρόπο προσδιορισμού.

    Ποσοτικά μιλώντας, η θεωρία επομένως τα καταφέρνει με ελάχιστες νέες παραδοχές. Περιέχει μια και μόνη διαθέσιμη σταθερά, στην οποία πρέπει να δοθεί μια αριθμητική τιμή γνωστή από την παλαιότερη κβαντική θεωρία, πρώτον για να αποδοθεί στα φωτεινά αποτυπώματα της περίθλασης το σωστό μέγεθος, ώστε να μπορούν να ταυτιστούν λογικά με τα άτομα, και δεύτερον για να εκτιμηθούν ποσοτικά και σωστά όλες οι εκδηλώσεις της ζωής του ατόμου, το φως που εκπέμπει, η ενέργεια ιονισμού κ.λπ.

    Προσπάθησα να σας παρουσιάσω τη θεμελιώδη ιδέα της κυματικής θεωρίας της ύλης στην απλούστερη δυνατή μορφή. Πρέπει να παραδεχτώ τώρα ότι στην επιθυμία μου να μην μπλέξω τις ιδέες από την αρχή, έκανα περιττές προσθήκες. Όχι όσον αφορά τον υψηλό βαθμό στον οποίο όλα τα επαρκώς προσεκτικά εξαγόμενα συμπεράσματα επιβεβαιώνονται από την εμπειρία, αλλά όσον αφορά την εννοιολογική ευκολία και απλότητα με την οποία καταλήγουμε στα συμπεράσματα. Δε μιλάω εδώ για τις μαθηματικές δυσκολίες, οι οποίες αποδεικνύονται πάντα ασήμαντες στο τέλος, αλλά για τις εννοιολογικές δυσκολίες. Είναι, βέβαια, εύκολο να πούμε ότι στρεφόμαστε από την έννοια της καμπύλης διαδρομής σε ένα σύστημα κυματικών επιφανειών κάθετων σε αυτήν. Οι κυματικές επιφάνειες, ωστόσο, ακόμη και αν εξετάσουμε μόνο μικρά τμήματά τους (βλ. Σχ. 7), περιλαμβάνουν τουλάχιστον μια στενή δέσμη πιθανών καμπύλων διαδρομών,

    Σχήμα 7.

    με όλες να υπακούουν στην ίδια σχέση. Σύμφωνα με την παλαιότερη άποψη, αλλά όχι σύμφωνα με τη νέα, μία από αυτές σε κάθε συγκεκριμένη μεμονωμένη περίπτωση διακρίνεται από όλες τις άλλες που είναι «μόνο δυνατές» ως αυτή που «πραγματικά ταξίδεψε». Βρισκόμαστε εδώ αντιμέτωποι με την πλήρη ισχύ της λογικής αντίθεσης μεταξύ του

    είτε – ή  (μηχανική του σημείου)

    και του

    τόσο – όσο  (κυματική μηχανική).

    Αυτό δε θα είχε μεγάλη σημασία, αν το παλιό σύστημα εγκαταλείπονταν εντελώς και αντικαθίστατο από το νέο. Δυστυχώς, αυτό δε συμβαίνει. Από την άποψη της κυματικής μηχανικής, η άπειρη σειρά πιθανών σημειακών διαδρομών θα ήταν απλώς πλασματική, καμία από αυτές δε θα είχε το προνόμιο έναντι των άλλων να είναι αυτή που πραγματικά ταξιδεύει σε μια μεμονωμένη περίπτωση. Έχω, ωστόσο, ήδη αναφέρει ότι έχουμε  παρατηρήσει, σε ορισμένες περιπτώσεις, ατομικές διαδρομές σωματιδίων στην πραγματικότητα. Η κυματική θεωρία μπορεί να το αναπαραστήσει αυτό είτε καθόλου είτε μόνο πολύ ατελώς. Μας είναι τρομερά δύσκολο να ερμηνεύσουμε τα ίχνη που βλέπουμε ως τίποτα περισσότερο από στενές δέσμες εξίσου πιθανών διαδρομών, μεταξύ των οποίων οι κυματικές επιφάνειες δημιουργούν διασταυρούμενες συνδέσεις. Ωστόσο, αυτές οι διασταυρούμενες συνδέσεις είναι απαραίτητες για την κατανόηση των φαινομένων περίθλασης και συμβολής, τα οποία μπορούν να αποδειχθούν για το ίδιο σωματίδιο με την ίδια αληθοφάνεια – και μάλιστα σε μεγάλη κλίμακα, όχι μόνο ως συνέπεια των θεωρητικών ιδεών για το εσωτερικό του ατόμου, τις οποίες αναφέραμε προηγουμένως. Οι συνθήκες είναι ομολογουμένως τέτοιες, ώστε να μπορούμε πάντα να τα καταφέρνουμε σε κάθε μεμονωμένη περίπτωση χωρίς οι δύο διαφορετικές εκδοχές να οδηγούν σε διαφορετικές προσδοκίες όσον αφορά το αποτέλεσμα ορισμένων πειραμάτων. Δεν μπορούμε, ωστόσο, να τα καταφέρουμε με τέτοιους παλιούς, οικείους και φαινομενικά απαραίτητους όρους όπως «πραγματικό» ή «μόνο δυνατό». Ποτέ δεν είμαστε σε θέση να πούμε τι πραγματικά είναι ή τι πραγματικά συμβαίνει, αλλά μπορούμε μόνο να πούμε τι θα παρατηρηθεί σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση. Θα πρέπει να είμαστε μόνιμα ικανοποιημένοι με αυτό… ; Εν πρώτοις, ναι. Κατ’ αρχήν, δεν υπάρχει τίποτα καινούργιο στο αξίωμα ότι τελικά η ακριβής επιστήμη δεν πρέπει να στοχεύει σε τίποτε περισσότερο από την περιγραφή αυτού που μπορεί πραγματικά να παρατηρηθεί. Το ερώτημα είναι μόνο αν από εδώ και στο εξής θα πρέπει να απέχουμε από το να συνδέουμε την περιγραφή με μια σαφή υπόθεση για την πραγματική φύση του κόσμου. Υπάρχουν πολλοί που επιθυμούν να κηρύξουν μια τέτοια παραίτηση ακόμη και σήμερα. Πιστεύω όμως ότι αυτό σημαίνει να κάνουμε τα πράγματα υπερβολικά εύκολα για τον εαυτό μας.

    Θα όριζα την παρούσα κατάσταση των γνώσεών μας ως εξής. Η μεν ακτίνα ή η διαδρομή του σωματιδίου αντιστοιχεί σε μια διαμήκη σχέση της διαδικασίας διάδοσης (δηλαδή στη διεύθυνση διάδοσης), η δε κυματική επιφάνεια σε μια εγκάρσια σχέση (δηλαδή ορθογώνια προς αυτήν). Και οι δύο σχέσεις είναι αναμφίβολα πραγματικές. η μία αποδεικνύεται από διαδρομές σωματιδίων που έχουν φωτογραφηθεί, η άλλη από πειράματα συμβολής. Ο συνδυασμός και των δύο σε ένα ομοιόμορφο σύστημα έχει αποδειχθεί αδύνατος µέχρι σήµερα. Μόνο σε ακραίες περιπτώσεις επικρατεί σε τέτοιο βαθμό είτε η εγκάρσια κυψελοειδής είτε η ακτινική, διαμήκης σχέση, ώστε νομίζουμε ότι μπορούμε να αρκεστούμε μόνο στην κυματική θεωρία ή μόνο στη σωματιδιακή θεωρία.

    Ο Erwin Schrödinger (12 Αυγούστου 1887 – 4 Ιανουαρίου 1961) ήταν Αυστριακός θεωρητικός φυσικός, ένας από τους πρωτοπόρους της κβαντικής θεωρίας. Η σημαντικότερη συνεισφορά του ήταν η διατύπωση της ομώνυμης εξίσωσης η οποία περιγράφει την χρονική εξέλιξη της κυματοσυνάρτησης ενός κβαντικού συστήματος. Ήταν αυτός που εισήγαγε τον όρο της κβαντικής σύμπλεξης (quantum entanglement), το 1932, και ο πρώτος που επιχείρησε μια συζήτηση των συνέπειών της.

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Το πορτραίτο του Schrödinger φιλοτέχνησε ο εικαστικός Χρήστος Αλαβέρας από τη Θεσσαλονίκη.

    ΥΠΟΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    1. Το 1910, ο Wilson συνέλαβε την ιδέα ότι θα μπορούσε να απεικονίσει τα ίχνη των φορτισμένων σωματιδίων φωτογραφίζοντας τα ρεύματα των σταγονιδίων νερού που συμπυκνώνονται σε ιόντα που δημιουργήθηκαν καθώς τα σωματίδια περνούσαν μέσα από τον θάλαμο. Η ευαισθησία ήταν τέτοια που ένα μόνο φορτισμένο σωματίδιο μπορούσε να λειτουργήσει ως κέντρο συμπύκνωσης. Ο Wilson τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1927 για αυτήν την εφεύρεση.
  • ΕΝΑ ΑΝΑΛΑΦΡΟ ΦΩΤΕΙΝΟ ΑΓΓΙΓΜΑ ΣΤΟ ΚΒΑΝΤΟ: ΜΙΑ ΣΥΝΕΝΤΕΥΞΗ ΜΕ ΤΟΝ ΚΑΤΟΧΟ ΤΟΥ ΒΡΑΒΕΙΟΥ ΝΟΜΠΕΛ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΘΗΓΗΤΗ SERGE HAROCHE

    ΕΝΑ ΑΝΑΛΑΦΡΟ ΦΩΤΕΙΝΟ ΑΓΓΙΓΜΑ ΣΤΟ ΚΒΑΝΤΟ: ΜΙΑ ΣΥΝΕΝΤΕΥΞΗ ΜΕ ΤΟΝ ΚΑΤΟΧΟ ΤΟΥ ΒΡΑΒΕΙΟΥ ΝΟΜΠΕΛ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΘΗΓΗΤΗ SERGE HAROCHE

    Chao-Yang Lu

    Μετάφραση – Επιστημονική επιμέλεια: Βασίλης Λεμπέσης

    Επιμέλεια μετάφρασης: Κέλη ΣπυροπούλουΟ Serge Haroche είναι Γάλλος φυσικός που τιμήθηκε το 2012 με το βραβείο Νόμπελ στη φυσική για τις καινοτόμες πειραματικές μεθόδους που μας επέτρεψαν να μετρήσουμε και να χειριστούμε μεμονωμένα κβαντικά συστήματα. Ουσιαστικά, με τις έρευνες του Haroche άνοιξε ο δρόμος για την πραγματοποίηση των περίφημων νοητικών πειραμάτων (gedankenexperimenten), τα οποία συνέβαλαν στη θεωρητική θεμελίωση της κβαντικής μηχανικής. Από το 2011 ο Serge Haroche κατέχει την έδρα της κβαντικής φυσικής στο Collège de France. Το InScience σας παρουσιάζει σήμερα μια συνέντευξή του στο περιοδικό Advanced Photonics, στην οποία ο Haroche παρουσιάζει σε ευρύτερο κοινό τη ζωή του και το έργο του, καθώς και τις απόψεις του για την πορεία της επιστήμης.Lu: Καθηγητά Haroche, γεια σας, χαίρομαι που σας ξαναβλέπω! Ας ξεκινήσουμε τη συνέντευξη. Το 2012, εσείς και ο David Wineland κερδίσατε το Νόμπελ στη Φυσική. Μπορείτε να περιγράψετε τη δουλειά σας με απλά λόγια σε ένα ευρύ κοινό; Και μπορείτε να μας πείτε πώς αρχικά ενδιαφερθήκατε και ξεκινήσατε την ενασχόλησή σας με αυτόν τον τομέα; 

    Haroche:  Ίσως θα έπρεπε να ξεκινήσω με το δεύτερο μέρος της ερώτησης. Ενδιαφέρθηκα για την ατομική φυσική όταν ήμουν φοιτητής στην École Normale Supérieure (ENS) στο Παρίσι τη δεκαετία του 1960. Οι μέντορές μου, Alfred Kastler, Jean Brossel και Claude Cohen-Tannoudji, ήταν εξαιρετικοί φυσικοί και πολύ χαρισματικοί δάσκαλοι. Οι διαλέξεις τους με μύησαν στην ατομική φυσική, έναν τομέα στον οποίο το φως χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση των ιδιοτήτων των ατόμων. Διαπίστωσα ότι ο κόσμος των ατόμων ήταν συναρπαστικός, επειδή υπάκουε στους εξαιρετικά αντιδιαισθητικούς κανόνες της κβαντικής φυσικής. Τα πρώτα πειράματα που εκτέλεσα έγιναν με κλασικούς φασματικούς λαμπτήρες. Σύντομα μπορέσαμε να τους αντικαταστήσουμε με φως λέιζερ, του οποίου τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά—μονοχρωματικότητα, υψηλή ένταση—άνοιξαν νέους δρόμους στον  χειρισμό των ατόμων. Στην αρχή της καριέρας μου, εργαζόμασταν με έναν τεράστιο αριθμό ατόμων: τα δείγματά μας περιέχονταν σε γυάλινες κυψέλες που περιείχαν δισεκατομμύρια άτομα. Μου κίνησε το ενδιαφέρον το γεγονός ότι καθένα από αυτά τα άτομα υπάκουε σε κβαντικούς νόμους, αλλά τα περίεργα χαρακτηριστικά αυτών των νόμων ήταν κρυμμένα από στατιστικά φαινόμενα, εξαιτίας του γεγονότος ότι δουλεύαμε με μια τεράστια συλλογή ατόμων. Ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1970, ο στόχος μου έγινε να προσπαθήσω να πραγματοποιήσω πειράματα που περιλαμβάνουν όλο και μικρότερο αριθμό ατόμων. Ο απώτερος στόχος ήταν να διερευνηθούν τα φαινόμενα που συμβαίνουν όταν έχουμε μόνο ένα άτομο στο σύστημα, μια κατάσταση στην οποία η κβαντική φυσική μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα σε δράση.

    Δούλευα με άτομα και φωτόνια σε μια κοιλότητα, στην ουσία ένα κουτί με τοιχώματα καθρέφτες υψηλής ανακλαστικότητας ικανό να αποθηκεύει φωτόνια μικροκυμάτων για μεγάλο χρονικό διάστημα, της τάξεως του δέκατου του δευτερολέπτου. Η ερευνητική μου ομάδα χρειάστηκε πολύ χρόνο για να κατασκευάσει μια τέτοια κοιλότητα, χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα υλικά για να επιτύχει την υψηλή ανακλαστικότητα που απαιτείται για τους καθρέφτες. Έπρεπε επίσης να χρησιμοποιήσουμε ειδικά άτομα που αλληλεπιδρούσαν ισχυρά με τα φωτόνια μικροκυμάτων στην κοιλότητα. Αυτά είναι πολύ συναρπαστικά άτομα, που ονομάζονται άτομα Rydberg, στα οποία ένα ηλεκτρόνιο περιφέρεται σε μεγάλη απόσταση από τον ατομικό πυρήνα. Οι ακτίνες λέιζερ χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία αυτών των ατομικών διεγερμένων καταστάσεων που συμπεριφέρονται ως κεραίες εξαιρετικά ευαίσθητες στα πεδία μικροκυμάτων. Στο τέλος, φτάσαμε σε μια κατάσταση όπου ένα μεμονωμένο άτομο που διασχίζει την κοιλότητα αλληλεπιδρά με ένα μόνο φωτόνιο, το οποίο είναι το απλούστερο είδος αλληλεπίδρασης φωτός-ύλης που μπορείτε να σκεφτείτε.

    Τότε αρχίσαμε να παρατηρούμε τι συμβαίνει σε αυτήν την απλή κατάσταση. Μελετήσαμε πολλά φαινόμενα που είχαν προβλεφθεί από τους ιδρυτές της κβαντικής φυσικής πριν από εκατό χρόνια, αλλά που δε θα μπορούσαν να είχαν παρατηρηθεί πριν, επειδή σε μεγάλα δείγματα σωματιδίων ήταν καλυμμένα από στατιστικά φαινόμενα. Μια μέτρηση σε ένα άτομο Rydberg μετά την έξοδό του από την κοιλότητα είχε άμεση επίδραση στην κατάσταση του πεδίου που έμεινε πίσω, ένα φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική σύμπλεξη1 (quantum entanglement). Θα μπορούσαμε επίσης να προετοιμάσουμε καταστάσεις πεδίου από μερικά φωτόνια που είχαν ταυτόχρονα δύο διαφορετικές φάσεις, μια κατάσταση που μας θυμίζει τη διάσημη γάτα που ο Σρέντινγκερ είχε φανταστεί ότι ήταν ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή,  αφού είχε αλληλεπιδράσει με ένα μόνο άτομο. Μπορέσαμε επίσης να δούμε ένα φωτόνιο χωρίς να το καταστρέψουμε, ένα κατόρθωμα που ονομάζεται μη καταστροφική κβαντική μέτρηση 2 (Quantum Non-Demolition Measurement, QND), που δεν είχε γίνει ποτέ πριν. Συνήθως, η ανίχνευση φωτός καταστρέφει τα φωτόνια, ενώ στα πειράματα QND τα φωτόνια αφήνουν ένα λεπτό αποτύπωμα σε ένα άτομο χωρίς να εξαφανίζονται.

    Εκείνη την εποχή, κάναμε αυτά τα πειράματα με κίνητρο την περιέργεια, γιατί θέλαμε να μάθουμε πόσο βαθειά θα μπορούσαμε να καταδυθούμε στον μικροσκοπικό κόσμο των ατόμων και των φωτονίων, με πόση ακρίβεια θα μπορούσαμε να χειριστούμε αυτές τις μικροσκοπικές οντότητες χωρίς να τις καταστρέψουμε. Από τότε, έχει γεννηθεί ένα πεδίο έρευνας που ονομάζεται επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας (quantum information science). Στην αρχή, μπορώ να πω ότι κάναμε κβαντική πληροφορική χωρίς να το γνωρίζουμε. Εκτελούσαμε αυτά τα πειράματα για διασκέδαση και ως πρόκληση. Είναι διάσημη η ρήση του Σρέντινγκερ το 1952 ότι δεν θα μπορούσαμε ποτέ να πειραματιστούμε με ένα μόνο ηλεκτρόνιο ή ένα μόνο άτομο και είχε προσθέσει ότι, αν κάτι τέτοιο ήταν δυνατό, θα είχε παράλογες συνέπειες. Όταν ξεκινήσαμε τα πειράματά μας, παρακινηθήκαμε από την πρόκληση να αποδείξουμε ότι ο Σρέντινγκερ έκανε λάθος. Επιστήμονες όπως ο Αϊνστάιν και ο Σρέντιγκερ είναι διάσημοι, επειδή έχουν συμβάλει πάρα πολλά στη σύγχρονη φυσική. Το να αμφισβητήσουμε κάποιες από τις ρήσεις ή τις ιδέες τους ήταν μια πολύ συναρπαστική πτυχή της δουλειάς μας.

    Πρέπει να προσθέσω ότι η ομάδα μου απέχει πολύ από το να είναι η μόνη που εργάστηκε στον τομέα του χειρισμού μεμονωμένων κβαντικών αντικειμένων. Άλλες ομάδες, αντί να παγιδεύουν φωτόνια σε κοιλότητες, ανέπτυξαν παγίδες για φορτισμένα άτομα, τις λεγόμενες παγίδες ιόντων (ion traps) και παρατήρησαν αποτελέσματα παρόμοια με αυτά που μελετήσαμε με το σύστημά μας, δηλαδή υπερθέσεις καταστάσεων, κβαντική σύμπλεξη, καταστάσεις που μοιάζουν με την  γάτα του Σρέντινγκερ, κλπ… Ο David Wineland ήταν επικεφαλής μιας από τις πρωτοποριακές ομάδες στη φυσική των παγίδων ιόντων στο Boulder του Κολοράντο. Είμαι πολύ χαρούμενος που μοιράστηκα το βραβείο Νόμπελ με τον David, γιατί υπήρξε μακροχρόνιος φίλος και συνάδελφος. Δε δουλέψαμε με το ίδιο σύστημα, αλλά εξερευνήσαμε τα ίδια προβλήματα από δύο διαφορετικές οπτικές γωνίες. Αυτός ερεύνησε τα ιόντα με το φως, και εγώ το φως με τα άτομα.

    Lu: Ο επιβλέπων του διδακτορικού σας καθώς και ο δικός του επιβλέπων, που μερικές φορές τον αποκαλούμε «πρεσβύτερο» επιβλέποντα, όλοι κέρδισαν βραβείο Νόμπελ. Πώς νιώθετε γι’ αυτό το εξαιρετικό ακαδημαϊκό δέντρο; Υπάρχει κάποια ενδιαφέρουσα ιστορία που θέλετε να μοιραστείτε με νέους ερευνητές;

    Haroche:  Ήμουν πολύ τυχερός στην επιστημονική μου καριέρα. Ήταν πραγματικά θέμα τύχης να ενταχθώ στο εργαστήριο φυσικής στο οποίο εκπαιδεύτηκα ως νεαρός μεταπτυχιακός φοιτητής. Η ENS, το ίδρυμα στο οποίο ανήκει αυτό το εργαστήριο, είναι ένα ίδρυμα στο οποίο έχει γίνει πολύ καλή έρευνα τόσο στις επιστήμες όσο και στις ανθρωπιστικές σπουδές για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η αναλογία των βραβείων Νόμπελ ανά απόφοιτο είναι πολύ μεγάλη στην ENS, η οποία δέχεται λιγότερους από εκατό φοιτητές ετησίως και μετράει από τις αρχές του 20ου αιώνα δώδεκα νομπελίστες στη φυσική, τη χημεία και τη λογοτεχνία, χωρίς να συμπεριλαμβάνονται τα βραβεία στα οικονομικά. Η ατμόσφαιρα στο εργαστήριο φυσικής στο οποίο αποφοίτησα και στη συνέχεια έκανα τα βασικά στοιχεία της έρευνάς μου, που τώρα ονομάζεται Εργαστήριο Kastler–Brossel, ήταν —και εξακολουθεί να είναι— ένα φανταστικό μέρος. Οι καθηγητές ήταν χαρισματικοί και ενθουσιώδεις δάσκαλοι. Εμπιστεύτηκαν τους νεαρούς φοιτητές και τους έδωσαν όλη την ελευθερία και το περιβάλλον που χρειάζονται, για να αναπτύξουν τη δημιουργικότητα και τη φαντασία τους.

    Σε αυτό το εργαστήριο, ο Kastler και ο φοιτητής και συνάδελφός του Brossel επινόησαν τη μέθοδο της οπτικής άντλησης3 (optical pumping), στην οποία χρησιμοποιούνται δέσμες φωτός για την αλλαγή και τον έλεγχο της εσωτερικής κατάστασης των ατόμων. Τα πειράματα έγιναν αρχικά σε μεγάλα μακροσκοπικά δείγματα με κλασικούς φασματικούς λαμπτήρες ασθενούς έντασης. Δεν υπήρχαν λέιζερ, όταν η μέθοδος εφευρέθηκε, αλλά η ιδέα της οπτικής άντλησης άνθισε μόλις τα λέιζερ εξελίχθηκαν τη δεκαετία του 1960. Η αρχή, που ξεκίνησε από τον Kastler, του χειρισμού των ατόμων με φως, ενέπνευσε όλες τις μετέπειτα ερευνητικές μου εργασίες. Η εφεύρεση των λέιζερ, εξαιρετικά μονοχρωματικών, κατευθυντικών και έντονων πηγών φωτός, έχει διευρύνει τρομερά τις πειραματικές δυνατότητες. Μπορώ να πω ότι έχω ωφεληθεί από διπλή τύχη: να εκπαιδευτώ σε ένα τόσο εμπνευσμένο εργαστήριο και να ξεκινήσω την καριέρα μου στη φυσική την εποχή που είχε εφευρεθεί μια εξαιρετική πηγή φωτός.

    Έμαθα ότι ο Kastler είχε κερδίσει το βραβείο Νόμπελ μια μέρα του Οκτωβρίου του 1966, όταν δούλευα στο εργαστήριο, και η στιγμή αποτυπώθηκε σε μια φωτογραφία. Συνήθως τη δείχνω στις ομιλίες μου και μπορεί να βρεθεί στη διάλεξή μου για το βραβείο Νόμπελ που δημοσιεύτηκε στο Reviews of Modern Physics. Αυτή ήταν μια φανταστική μέρα. Η μόνη λύπη που είχαμε ήταν ότι το βραβείο δεν είχε μοιραστεί μεταξύ Kastler και Brossel. Ο Kastler έχει πει πολλές φορές ότι θα προτιμούσε να το μοιραστεί με τον πρώην φοιτητή και συνάδελφό του. Ο Kastler είχε την αρχική ιδέα, αλλά ο Brossel κατασκεύασε τους ειδικούς λαμπτήρες και τις ατομικές κυψέλες που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτέλεση των πειραμάτων. Ο Brossel δεν ήταν μόνο ένας προικισμένος πειραματιστής. Ήταν επίσης πραγματικός κύριος, γιατί ποτέ δεν παραπονέθηκε ούτε είπε τίποτα για το γεγονός ότι δεν πήρε το βραβείο. Ακόμα δεν ξέρω γιατί δεν το μοιράστηκε με τον Κάστλερ.

    Lu: Νομίζω ότι τα πράγματα αλλάζουν. Σήμερα, τα βραβεία Νόμπελ τείνουν να δίνονται σε νεαρά άτομα. 

    Haroche: Ναι, η επιτροπή των βραβείων Νόμπελ από τότε προσπάθησε να διορθώσει κάποια λάθη. Παρά τη λύπη μας, η ανακοίνωση του βραβείου του Kastler ήταν ωστόσο ένα φανταστικό γεγονός. Θυμάμαι ακόμα την πρώτη μου επαφή με δημοσιογράφους. Συγκεντρώθηκαν στο εργαστήριο με την ευκαιρία αυτή. Ένας από αυτούς επέμενε στην ιδέα ότι η οπτική άντληση και το λέιζερ ήταν βασικά το ίδιο πράγμα και δυσκολευτήκαμε να του πούμε ότι ο Kastler δεν είχε εφεύρει το λέιζερ! Θυμάμαι τη συζήτηση με αυτόν τον δημοσιογράφο, προσπαθώντας να τον πείσω ότι δεν έπρεπε να υπερβάλλει σε ό,τι είχε κάνει ο Kastler.

    Lu: Άκουσα ότι τα μεσάνυχτα των εξικοστών δεύτερων γενεθλίων σας ήσασταν ακόμα στο εργαστήριο και, μαζί με τους φοιτητές σας, παρατηρούσατε για πρώτη φορά τη γέννηση και το θάνατο ενός μόνο φωτονίου. Μπορείτε να μοιραστείτε μαζί μας τον ενθουσιασμό εκείνη την ώρα; 

    Haroche: Προσπαθούσαμε για πολλά χρόνια να επιτύχουμε την κατάσταση στην οποία μια κοιλότητα περιέχει μόνο ένα φωτόνιο, το οποίο ανακλάται μπρος-πίσω μεταξύ των καθρεπτών, μένοντας σε αυτήν για αρκετό χρόνο, ώστε να αλληλεπιδράσει με πολλά άτομα που διασχίζουν την κοιλότητα ένα προς ένα. Ξέραμε ότι αυτό θα μπορούσε κατ’ αρχήν να επιτευχθεί, αλλά χρειαζόμασταν μια εξαιρετικά καλή κοιλότητα γι’ αυτό. Μας πήρε αρκετά χρόνια για να την αποκτήσουμε μετά από πολλές δοκιμές και λάθη. Τελικά, το καλοκαίρι του 2006 αποκτήσαμε και δοκιμάσαμε μια κοιλότητα με τις απαιτούμενες ιδιότητες και αρχίσαμε να ετοιμάζουμε πυρετωδώς το πείραμα.

    Θυμάμαι ότι όλα συνέπεσαν στα γενέθλιά μου, στις 11 Σεπτεμβρίου εκείνης της χρονιάς. Είχαμε ένα οικογενειακό πάρτι στο σπίτι. Ο Stefan Kuhr, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα μας, εργαζόταν εκείνο το βράδυ στο εργαστήριο. Με πήρε τηλέφωνο στις δέκα το βράδυ, λέγοντάς μου ότι το πείραμα ήταν έτοιμο. Του είπα «μόνο περίμενε, έρχομαι» και έφυγα από το πάρτι. Σε λιγότερο από δέκα λεπτά αργότερα έφτασα στο εργαστήριο εγκαίρως, για να παρακολουθήσω το πολυαναμενόμενο σήμα. Εκατοντάδες άτομα διέσχιζαν την κοιλότητα ένα προς ένα, αφήνοντας το καθένα το ίχνος του σε μια οθόνη υπολογιστή. Όλα τα άτομα συμφωνούσαν ότι υπήρχε ένα φωτόνιο ανάμεσα στους καθρέφτες. Ξαφνικά, το φωτόνιο εξαφανίστηκε στα τοιχώματα της κοιλότητας, και στη συνέχεια όλα τα άτομα που ακολουθούσαν άφησαν ένα διαφορετικό σήμα, όλα συμφωνώντας ότι η κοιλότητα ήταν άδεια. Αυτή η αλλαγή σήματος, ένα ξαφνικό κβαντικό άλμα4 (quantum jump), ήταν το είδος του ίχνους που αναζητούσαμε για πολλά χρόνια, και το αίσθημα της χαράς μας είναι δύσκολο να περιγραφεί. Μείναμε στο εργαστήριο για αρκετή ώρα, παρακολουθώντας με γοητεία τη γέννηση και τον θάνατο φωτονίων στην κοιλότητά μας. Υπάρχει μεγάλη διαφορά ανάμεσα στο να αναγνωρίζεις ότι κάνεις ένα ωραίο πείραμα και στο να νιώθεις ότι έχεις επιτύχει πραγματικά πρωτοποριακή δουλειά.

    Στην πραγματικότητα, με τον συνάδελφό μου Jean-Michel Raimond, μόλις είχαμε ολοκληρώσει τη συγγραφή ενός βιβλίου με τίτλο Exploring the Quantum: Atoms, Cavities and Photons, στο οποίο προβλέψαμε τι θα έπρεπε να παρατηρηθεί σε αυτό το πείραμα. Δυστυχώς ή ευτυχώς, ανάλογα με το πώς το βλέπετε, το βιβλίο ολοκληρώθηκε και εκδόθηκε πριν από το πείραμα, επομένως περιγράφει τη μη καταστροφική ανίχνευση φωτονίων και πολλά άλλα φαινόμενα ως θεωρητικά σχήματα, που έμεναν να επεξηγηθούν από πραγματικά πειράματα. Από τότε λέμε συνέχεια στον εαυτό μας ότι πρέπει να γράψουμε μια συνέχεια αυτού του βιβλίου, για να περιγράψουμε αυτά τα πραγματικά πειράματα, αλλά ακόμα δεν είχαμε τον χρόνο να το κάνουμε.

    Lu: Ακούγεται σαν το καλύτερο δώρο γενεθλίων. Ίσως η πειραματική σας εγκατάσταση περίμενε μέχρι τα γενέθλιά σας, για να σας στείλει αυτά τα σήματα κβαντικού άλματος. 

    Haroche:  Ίσως, αλλά θέλω να προσθέσω ότι δεν είναι μόνο το πείραμά μου και το δώρο γενεθλίων μου, είναι το πείραμα όλων των ανθρώπων που ήταν γύρω εκείνη τη νύχτα. Έχω ένα αίσθημα που μοιάζει λίγο με αυτό του  Kastler. Νομίζω ότι θα ήταν δίκαιο να μοιραστώ  το βραβείο μαζί με τον Jean-Michel Raimond και τον Michel Brune, τους δύο αρχαιότερους συνεργάτες μου. Παρεμπιπτόντως αναφέρω ότι ο Michel Brune επισκέπτεται τώρα τη Σαγκάη.

    Lu: Ναι, θα μας επισκεφτεί αύριο στο USTC (University of Science and Tecnology of China). 

    Haroche: Το έργο που αναγνωρίστηκε από το βραβείο Νόμπελ είναι ένα συλλογικό επίτευγμα. Είχα, κατά τη διάρκεια της καριέρας μου, μια μακρά σειρά από πολύ ευφυείς και αφοσιωμένους φοιτητές και μεταδιδακτορικούς ερευνητές. Ο Jean-Michel Raimond και ο Michel Brune ήταν δίπλα μου όλο αυτό το διάστημα, και βεβαιωθήκαμε ότι κάθε φοιτητής/φοιτήτρια είχε τη δυνατότητα να συνεισφέρει στο μακροπρόθεσμο έργο μας με μια ωραία δουλειά κατά τη διάρκεια του διδακτορικού του/της.

    Lu: Μιλώντας για συνεργασίες, εδώ είναι η επόμενη ερώτηση. Είχατε κάποιους πρώην φοιτητές που έχουν εξελιχθεί σε μακροχρόνιους συνεργάτες και συναδέλφους. Για παράδειγμα, ο Jean-Michel Raimond και ο Michel Brune. Στην πραγματικότητα, ο Michel επισκέπτεται την Κίνα τώρα. Κατά κάποιο τρόπο, πιστεύω ότι η κουλτούρα στη Γαλλία είναι ελαφρώς διαφορετική από, για παράδειγμα, τις Ηνωμένες Πολιτείες, όπου οι καθηγητές είναι συνήθως μεμονωμένοι κύριοι ερευνητές. Πώς λειτουργεί αυτή η συνεργασία; Πώς νιώθετε γι’ αυτό;

    Haroche: Έχετε δίκιο. Η παράδοση ήταν διαφορετική στη Γαλλία, τουλάχιστον την εποχή που δημιουργήθηκε η ομάδα μας. Τότε ήταν δυνατό να έχουμε πολλά άτομα που έμεναν μαζί δουλεύοντας σε ένα μεγάλο μακροπρόθεσμο έργο. Μάλιστα, ο Jean-Michel Raimond ήταν από τους πρώτους μου φοιτητές και πήρε θέση σε νεαρή ηλικία στο Πανεπιστήμιο Paris VI όπου δίδασκε, ενώ έκανε έρευνα μαζί μου στην ENS. Στη συνέχεια, ο Michel Brune ήρθε δέκα χρόνια αργότερα ως μεταπτυχιακός φοιτητής. Παρέμεινε επίσης αργότερα στην ομάδα και πήρε μια θέση έμπειρου ερευνητή στο CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). Αυτό μας επέτρεψε να συνεργαστούμε και να εκπαιδεύσουμε γενιές φοιτητών και μεταδιδακτορικών μαζί. Καθώς ήμουν το αρχαιότερο μέλος στην ομάδα, είχα επιπλέον διοικητικά καθήκοντα. Όντας για μερικά χρόνια πρόεδρος του τμήματος φυσικής της ENS τότε, αποσπάσθηκα κάπως από την ερευνητική δραστηριότητα, αλλά μπορούσα να μοιραστώ με τον Michel και τον Jean-Michel το έργο της εκπαίδευσης των φοιτητών και των μεταδιδακτόρων στο εργαστήριο. Συζητήσαμε όλες τις ιδέες μας και αποφασίσαμε τα διαδοχικά βήματα της έρευνάς μας μαζί, σε μια φιλική και πολύ αποτελεσματική συνεργασία.

    Όπως αναφέρατε, η κατάσταση είναι γενικά πολύ διαφορετική στα πανεπιστήμια των ΗΠΑ, όπου οι κύριοι ερευνητές υποτίθεται ότι εργάζονται ανεξάρτητα. Υπάρχουν όμως και εξαιρέσεις. Ο David Wineland στο NIST (National Institute of Standards and Techology) συνεργάστηκε επίσης με έμπειρους συναδέλφους, που μπορούσαν να παραμείνουν μαζί του σε μόνιμες θέσεις. Το γεγονός ότι το NIST δεν είναι ένα πανεπιστήμιο αλλά ένα ερευνητικό ινστιτούτο πιθανότατα έπαιξε ρόλο, για να καταστεί δυνατή μια τέτοια κατάσταση στις ΗΠΑ. Πιστεύω ότι μια τέτοια συλλογική εργασία, στην οποία απασχολούνται αρκετοί έμπειροι επιστήμονες για μεγάλο χρονικό διάστημα, είναι ένας πολύ παραγωγικός τρόπος έρευνας, υπό την προϋπόθεση ότι οι συν-επικεφαλής ερευνητές τα πάνε καλά μεταξύ τους, και με την προϋπόθεση ότι όλοι τυγχάνουν αρκετής αναγνώρισης.

    Δυστυχώς, μια τέτοια κατάσταση έχει γίνει πιο δύσκολο να διατηρηθεί ακόμη και στη Γαλλία. Το γεγονός ότι οι επικεφαλής ερευνητές πρέπει να είναι μόνοι τους σε ένα έργο έχει γίνει ο γενικός κανόνας. Η έρευνα έχει γίνει πιο δαπανηρή και δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς αίτηση για επιχορηγήσεις που δίνονται από φορείς που θέλουν να δουν, κατά γενικό κανόνα, μόνο έναν επικεφαλής ερευνητή ανά έργο. Η ομάδα μας έπρεπε να προσαρμοστεί σε αυτόν τον κανόνα. Μερικοί από τους φοιτητές και μεταδιδακτορικούς ερευνητές μας έχουν γίνει πολύ ικανοί νέοι ερευνητές. Έχουμε φροντίσει, ώστε ο καθένας από αυτούς να έχει το δικό του ανεξάρτητο έργο. Έγινα πριν από μερικά χρόνια ομότιμος καθηγητής, όπως και ο Jean-Michel Raimond. Ο Michel Brune είναι τώρα ο επικεφαλής της ομάδας και, παρά τον νέο κανόνα της ανεξαρτησίας του επικεφαλής ερευνητή, διατηρεί σε κάποιο βαθμό την ατμόσφαιρα συνεργασίας των πρώτων ημερών, διασφαλίζοντας ότι οι φοιτητές και οι μεταδιδακτορικοί ερευνητές που εργάζονται σε διαφορετικά έργα συνεχίζουν να επικοινωνούν και να ανταλλάσσουν ιδέες μεταξύ τους.

    Lu: Όταν εσείς και ο Jean-Michel και ο Michel συνεργαστήκατε, χρησιμοποιήσατε επίσης πιο αποτελεσματικά τους πόρους (για παράδειγμα, τις συσκευές λέιζερ), σωστά; Και νομίζω ότι αυτή είναι μια πολύ καλή ιδέα, που πρέπει να προωθήσουμε. 

    Haroche: Ναι, μοιραζόμασταν τον εξοπλισμό, φυσικά, και αυτό είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα της συλλογικής δουλειάς. Μοιραστήκαμε επίσης το καθήκον να γράψουμε τις επιστημονικές μας δημοσιεύσεις μαζί, και θέλω να πω λίγα λόγια γι’ αυτό. Έχουμε κρατήσει πολύ καλές αναμνήσεις από εκείνη την εποχή. Ανταλλάξαμε ιδέες, προσπαθήσαμε να παρουσιάσουμε τη δημοσιευμένη εργασία με τον σωστό τρόπο, με τη σωστή οπτική, βάζοντάς την στο πλαίσιο του τι έχουν κάνει άλλοι άνθρωποι. Η από κοινού συγγραφή εργασιών είναι μια πολύ σημαντική πτυχή της συλλογικής εργασίας και συμβάλλει στην επιτυχία της.

    Lu: Όπως έχετε ήδη αναφέρει, αισθανόμαστε ότι η Γαλλία έχει μια πολύ πλούσια επιστημονική παράδοση και, ως έθνος, έχει λάβει περίπου 70 βραβεία Νόμπελ συνολικά. Όταν έρχεστε σε επαφή με Κινέζους ερευνητές και όταν επισκέπτεστε την Κίνα, αισθάνεστε ότι υπάρχει διαφορά στην επιστημονική κουλτούρα μεταξύ Κίνας και Γαλλίας; Εάν ναι, υπάρχει κάποια συμβουλή που θα δίνατε στους Κινέζους ερευνητές και ίσως ακόμη και σε ορισμένους φορείς λήψης αποφάσεων χρηματοδότησης;

    Haroche: Νομίζω ότι θα μπορούσα επίσης να δώσω κάποιες συμβουλές στους φορείς λήψης αποφάσεων στη Γαλλία, λαμβάνοντας ως παράδειγμα ορισμένες καλές πτυχές του τρόπου με τον οποίο διεξάγεται η έρευνα στην Κίνα. Θα έρθω σε αυτό το σημείο αργότερα. Αλλά επιτρέψτε μου να απαντήσω στο πρώτο μέρος της ερώτησής σας. Υπάρχει πράγματι μια μακρά παράδοση γαλλικής αριστείας στην επιστήμη, ειδικά στην οπτική και σε συναφείς τομείς. Ο Fresnel, ο Fizeau και ο Foucault τον 19ο αιώνα και ο Fabry, ο Pérot και ο Kastler τον 20ο αιώνα έχουν προσοπωποιήσει αυτήν την παράδοση, η οποία έχει επιβιώσει μέχρι σήμερα. Το βραβείο μου το 2012 είχε προαγγελθεί από αυτό του Alfred Kastler το 1966 και αυτό του μέντορά μου, και επιβλέποντα της διδακτορικής μου διατριβής, Claude Cohen-Tannoudji το 1997. Στη συνέχεια, ο Gerard Mourou το 2017, ο Alain Aspect το 2022 και οι Pierre Agostini και Anne L’Huillier τον περασμένο Οκτώβριο (2023) επίσης έλαβαν το βραβείο Νόμπελ. Όλα αυτά τα βραβεία σχετίζονται με την οπτική. Η Anne L’Huillier ήταν φοιτήτρια στο μεταπτυχιακό μου τμήμα στην ENS και χάρηκα πολύ που είδα την εξαιρετική δουλειά της στα λέιζερ να αναγνωρίζεται στο υψηλότερο επίπεδο.

    Θα ήθελα να επιμείνω σε μια πτυχή του τρόπου με τον οποίο γίνεται η επιστήμη στη Γαλλία, η οποία νομίζω ότι είναι απαραίτητη. Η επιστήμη είναι μέρος μιας γενικότερης πολιτιστικής δραστηριότητας. Η επιστήμη ευδοκιμεί σε ένα πλαίσιο στο οποίο οι τέχνες, οι ανθρωπιστικές επιστήμες, η φιλοσοφία και η λογοτεχνία ανθίζουν επίσης, δημιουργώντας μια ατμόσφαιρα όπου η δημιουργικότητα και η φαντασία αναπτύσσονται ελεύθερα. Στη Γαλλία, και γενικότερα στην Ευρώπη, μεγάλοι επιστήμονες έχουν επηρεαστεί από ιδέες που προέρχονται από φιλοσόφους, συγγραφείς και καλλιτέχνες. Οι απόφοιτοι της ENS στη φιλοσοφία, τη λογοτεχνία και τα οικονομικά έχουν λάβει βραβεία Νόμπελ. Η ατμόσφαιρα της ακαδημαϊκής ελευθερίας που έχει γαλουχήσει το μυαλό αυτών των ανθρώπων έχει οδηγήσει άλλους αποφοίτους να φτάσουν στην αριστεία του Νόμπελ στη φυσική και τη χημεία. Νομίζω ότι η επίτευξη των υψηλότερων επιδόσεων στην επιστήμη δεν μπορεί να διαχωριστεί από την εργασία σε ένα περιβάλλον στο οποίο άλλοι μελετητές φτάνουν στο υψηλότερο επίπεδο δημιουργικότητας στις τέχνες και τις ανθρωπιστικές επιστήμες, και αυτό απαιτεί ακαδημαϊκή ελευθερία. Εφόσον μιλάμε για τα βραβεία Νόμπελ γενικά, δεν πρέπει να ξεχνάμε το πνεύμα με το οποίο καθιερώθηκαν αυτά τα βραβεία από τον Άλφρεντ Νόμπελ. Ήθελε να αναγνωρίσει την αριστεία για το καλό της ανθρωπότητας, και έθεσε στο ίδιο επίπεδο την ανάγκη να διαπρέψεις στην επιστήμη, αλλά και στη λογοτεχνία και στην υπεράσπιση των ανθρώπινων αξιών, μέσω του Νόμπελ Ειρήνης. Το πνεύμα του βραβείου Νόμπελ είναι να γιορτάσει όλες τις μορφές δημιουργικότητας, όχι μόνο την πλευρά της «σκληρής επιστήμης». Αυτό είναι κάτι που η Κίνα πρέπει να λάβει περισσότερο υπόψη, ανοίγοντας περισσότερα πανεπιστήμια στις ανθρωπιστικές επιστήμες και επιτρέποντας περισσότερες ανταλλαγές μεταξύ επιστημόνων και μελετητών σε άλλους τομείς της γνώσης.

    Θα ήθελα να αναφέρω μια άλλη πτυχή της επιστήμης. Στην Κίνα και σε άλλες ασιατικές χώρες, υπάρχει μια παράδοση ιεραρχίας, που απαιτεί σεβασμό για τους ηλικιωμένους και εκτιμά ιδιαίτερα τη σοφία τους. Έχοντας φτάσει σε μεγάλη ηλικία ο ίδιος, δεν μπορώ σίγουρα να παραπονεθώ γι’ αυτό! Αλλά αυτός ο σεβασμός για την αρχαιότητα δεν πρέπει να οδηγεί στο γεγονός ότι οι παλιοί επιστήμονες ελέγχουν πάρα πολύ αυτό που θέλουν να κάνουν οι νέοι επιστήμονες. Η δημιουργικότητα των επιστημόνων είναι συχνά στο υψηλότερο επίπεδο σε νεαρή ηλικία. Τα νεαρά άτομα πρέπει να έχουν εμπιστοσύνη και να τους δίνεται περισσότερη ελευθερία στον ακαδημαϊκό κόσμο. Έχω την αίσθηση ότι τα πράγματα αλλάζουν προς τη σωστή κατεύθυνση τώρα στην Κίνα, αλλά αυτή η εξέλιξη πρέπει να προχωρήσει περαιτέρω.

    Επιτρέψτε μου τώρα να στραφώ στις συμβουλές που δίνω στους Γάλλους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής, όταν συγκρίνω την έρευνα στην Κίνα και στη Γαλλία. Τους λέω να κοιτάξουν την Κίνα, η οποία δίνει πολύ περισσότερα χρήματα για την επιστήμη και την έρευνα, ειδικά στον τομέα μου της κβαντικής φυσικής και της κβαντικής πληροφορίας. Και αυτό είναι καλό. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι ο πιο σημαντικός πλούτος για μια χώρα βρίσκεται στον εγκέφαλο και τη φαντασία των νέων, και είναι καθήκον κάθε χώρας να καλλιεργήσει αυτόν τον πλούτο παρέχοντας σε αξιόλογους νέους την οικονομική υποστήριξη που απαιτείται για να επιτύχουν σπουδαία πράγματα. Νομίζω ότι είναι απαραίτητο για την Κίνα, απαραίτητο για την Ευρώπη, και οπουδήποτε αλλού στον κόσμο.

    Επιτρέψτε μου να αναφέρω ένα τελευταίο σημείο. Ανησυχώ σήμερα από το γεγονός ότι οι ανταλλαγές μεταξύ επιστημόνων στην Κίνα και στις δυτικές χώρες, συμπεριλαμβανομένης της Γαλλίας, γίνονται πιο δύσκολες λόγω των γεωπολιτικών εντάσεων. Νομίζω ότι αυτό είναι πολύ ατυχές, γιατί η επιστήμη πρέπει να είναι μια παγκόσμια δραστηριότητα που δεν γνωρίζει όρια. Οι ανταλλαγές μεταξύ επιστημόνων που εργάζονται σε διαφορετικά περιβάλλοντα και ο υγιής ανταγωνισμός που προκαλεί είναι απαραίτητες. Και οι προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπίσει η επιστήμη, για να λύσει τα προβλήματα που αντιμετωπίζει ο πλανήτης και η ανθρωπότητα, είναι παγκόσμιες. Αν δεν προσπαθήσουμε να αντιμετωπίσουμε αυτές τις προκλήσεις μαζί, θα πάμε σε πολύ δύσκολους καιρούς.

    Lu: Ναι, ευτυχώς, νομίζω ότι εγώ ο ίδιος και μερικοί από τους συναδέλφους μου φέρουμε στην πραγματικότητα κάποια από τη γαλλική επιστημονική κληρονομιά. Για παράδειγμα, ο δεύτερος πρόεδρος του πανεπιστημίου μας (USTC), Yan Jici, είναι ο πρώτος Κινέζος που απέκτησε το διδακτορικό στη φυσική από τη Γαλλία. Ήταν μαθητής του Fabry και, όταν επέστρεψε στην Κίνα, πρόσφερε πολλά στο πανεπιστήμιό μας. Επίσης, δύο από τους συναδέλφους μου και εγώ είμαστε αποδέκτες του Βραβείου Fresnel από την EPS (European Physical Society). 

    Ας προχωρήσουμε. Επειδή είστε ο πρωτοπόρος της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής κοιλοτήτων (cavity-QED), όπως αναφέρατε, μπορείτε να περιγράψετε στο ευρύ κοινό, την κατάσταση του πεδίου, όταν ξεκινήσατε, και την τρέχουσα κατάσταση; Ποιες είναι οι προβλέψεις σας για τις μελλοντικές εξελίξεις στον χώρο;

    Haroche: Όταν ξεκίνησα πριν από σαράντα χρόνια, δεν είχα ιδέα πού θα με οδηγούσε η έρευνά μου. Αυτό που κάναμε ήταν να προσπαθήσουμε να κάνουμε ακριβή φασματοσκοπία μικροκυμάτων σε άτομα Rydberg. Είχαμε μια κοιλότητα στα πειράματά μας, αλλά ήταν εκεί μόνο για να καθορίσει την περιοχή του χώρου εντός της οποίας το πεδίο μικροκυμάτων αλληλεπιδρούσε με τα άτομα. Τότε συνειδητοποιήσαμε ότι, αν βελτιώναμε την ποιότητα της κοιλότητάς μας, θα μπορούσαμε να φτάσουμε σε εκείνη την κατάσταση, όπου ένα άτομο θα διεγειρόταν από ένα μόνο φωτόνιο. Έτσι, η ιδέα να μελετήσουμε την αλληλεπίδραση φωτός και ύλης στο επίπεδο ενός ατόμου και ενός φωτονίου ήρθε προοδευτικά. Αυτή ήταν η αρχή του τομέα που ονομάζεται κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλοτήτων. Έγινε ένα πολύ ενεργό υποπεδίο της ατομικής φυσικής, το οποίο σύντομα επεκτάθηκε στην οπτική περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, τα φωτόνια μικροκυμάτων αντικαταστάθηκαν από οπτικά, και οι κοιλότητες μικροκυμάτων από πολύ μικρές κοιλότητες Fabry–Pérot με μικροσκοπικά μεγέθη.

    Αργότερα σε αυτήν την έρευνα, τα πραγματικά άτομα αντικαταστάθηκαν από τεχνητά, υπεραγώγιμα qubit5, που αλληλεπιδρούν με κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων ή κυματοδηγούς. Η μέθοδος και τα μαθηματικά είναι τα ίδια όπως στην κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλοτήτων, και αυτό το νέο πεδίο είχε ονομαστεί κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων (circuit-QED), επειδή τα πραγματικά άτομα αντικαταστάθηκαν από υπεραγώγιμα κυκλώματα. Η κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων είχε πολλά πλεονεκτήματα· ένα από αυτά ήταν ότι τα τεχνητά άτομα είναι κατασκευασμένα από τον άνθρωπο και μπορούν να παραχθούν με τις τεχνικές λιθογραφικής εναπόθεσης σε πλακίδια που χρησιμοποιούνται συνήθως στην τεχνολογία πυριτίου. Πολλά όμορφα πειράματα έχουν γίνει σε αυτόν τον τομέα.

    Είναι πλέον δυνατό να επιστρέψουμε στην κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλοτήτων με πραγματικά άτομα Rydberg, επειδή μπορεί κανείς να τα κρατήσει σε καλά καθορισμένες θέσεις με τη βοήθεια οπτικών λαβίδων6 (optical tweezers). Τώρα θα καταστεί δυνατό να τοποθετηθούν πολλά άτομα σε μια καλά καθορισμένη θέση μέσα σε μια κοιλότητα και να αλληλεπιδράσουν συλλογικά με το πεδίο της κοιλότητας. Έτσι, το πεδίο της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής κοιλοτήτων εξακολουθεί να έχει πολλές προοπτικές. Είναι πολύ συναρπαστικό να βλέπουμε πώς εξελίσσεται το πεδίο της κβαντικής πληροφορικής, με έναν ανταγωνισμό μεταξύ της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής κυκλωμάτων και των ατόμων Rydberg σε οπτικά πλέγματα (optical lattices) ή οπτικούς κρυστάλλους ατόμων (εδώ και εδώ).

    Lu: Νομίζω ότι, όταν ξεκινήσατε για πρώτη φορά να εκτελείτε αυτά τα πρωτοποριακά πειράματα στις δεκαετίες του 1970 και του 1980, δεν είχατε ιδέα ποιες μπορεί να είναι οι βαθιές συνέπειές τους. Για παράδειγμα, σήμερα, όταν εμείς περπατήσαμε σε αυτόν τον διάδρομο (του Τμήματος Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Fudan), είδαμε εκείνες τις αφίσες ερευνητών που πειραματίζονται με άτομα Rydberg παγιδευμένα σε οπτικές λαβίδες. Επιπλέον, όπως μόλις αναφέρατε, η κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλοτήτων εξελίχθηκε σε κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων, το οποίο είναι ένας τομέας υπεραγώγιμου κβαντικού υπολογισμού όπου γίνονται μεγάλες επενδύσεις. Νομίζω ότι αυτά είναι δύο παραδείγματα στα συστήματα κβαντικών υπολογιστών, όπου οι προσδοκίες είναι μεγάλες. Μπορείτε να σχολιάσετε αυτά τα δύο συστήματα;

    Haroche: Συμφωνώ ότι τα υπεραγώγιμα qubit και τα ατομικά συστήματα Rydberg εξακολουθούν να ανταγωνίζονται μεταξύ τους. Ποιο θα είναι το καλύτερο σύστημα παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα. Αν μου είχατε κάνει την ερώτηση πριν από δεκαπέντε χρόνια, δε θα πίστευα ότι η κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων θα εξελισόταν σε ένα τόσο παραγωγικό πεδίο. Και αν με ρωτούσατε πριν από πέντε χρόνια, θα έλεγα ότι κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων ήταν πολύ καλύτερη από τα ατομικά συστήματα Rydberg. Νομίζω ότι τώρα αυτά τα συστήματα Rydberg μπορούν να γίνουν ξανά ανταγωνιστικά. Η κβαντική επιστήμη εξελίσσεται πολύ γρήγορα και σε αυτό οφείλεται η ομορφιά και ο ενθουσιασμός της έρευνας. Επιστήμονες σε σχετικούς τομείς ανταγωνίζονται μεταξύ τους, ελπίζουμε με φιλικό τρόπο.

    Lu: Όπως εσείς και ο David Wineland. 

    Haroche: Ναι, ο φιλικός ανταγωνισμός μεταξύ του Dave και εμένα είναι ένα καλό παράδειγμα. Η ιδανική κατάσταση είναι όταν η καλή έρευνα ολοκληρώνεται, όταν οι επιστήμονες σέβονται ο ένας τον άλλον και εκτιμούν αμοιβαία την ομορφιά αυτού που κάνουν. Θέλω να αναφέρω από αυτή την άποψη ότι ένας πρωτοπόρος στον τομέα της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής κυκλωμάτων ήταν ο Herbert Walther, ο οποίος εργαζόταν στη Γερμανία. Δυστυχώς έφυγε από τη ζωή πριν από σχεδόν είκοσι χρόνια.

    Lu: Ένας πολύ σεβαστός επιστήμονας. 

    Haroche: Ήταν πρωτοπόρος στον τομέα της έρευνάς μου. Εφηύρε το μικρομέιζερ ατόμων Rydberg, με μια πειραματική διάταξη που ήταν πολύ παρόμοια με αυτή που αναπτύξαμε για τις μελέτες στην κβαντική ηλεκτροδυναμική κοιλοτήτων. Εργάστηκε σε μια διαφορετική προοπτική, αλλά χρησιμοποίησε το ίδιο είδος τεχνολογίας. Ο Walther ήταν ένας πολύ δημιουργικός και ευφάνταστος φυσικός. Ήταν επίσης ένας πολύ ισχυρός και με μεγάλη επιρροή επιστημονικός διευθυντής στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική στο Garching. Δεν ξέρω πώς θα εξελιχθεί το πεδίο στο μέλλον. Είμαι πολύ ενθουσιασμένος από την πρόοδο της κβαντικής μετρολογίας (quantum metrology), που χρησιμοποιεί ένα μόνο κβαντικό σύστημα για την εκτέλεση μετρήσεων με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι θα μπορούσε να επιτευχθεί με τις κλασικές συσκευές. Έχουμε κάνει κάποια δουλειά πάνω στην κβαντική μετρολογία στην ομάδα μας. Χρησιμοποιήσαμε άτομα Rydberg για να ανιχνεύσουμε μικρά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, κάνοντας χρήση της υπέρθεσης καταστάσεων (quantum superposition)  για να οδηγηθούμε σε υψηλότερου επιπέδου ακρίβεια σε σχέση με τις κλασικές μεθόδους. Αλλά στον τομέα της κβαντικής μετρολογίας η πιο θεαματική πρόοδος έχει επιτευχθεί με την κατασκευή οπτικών ατομικών ρολογιών που έχουν τώρα ακρίβεια της τάξης του 10−19. Αυτή η ακρίβεια στη μέτρηση του χρόνου είναι φανταστική και σίγουρα θα έχει εφαρμογές στη βασική επιστήμη και στην κατασκευή πρακτικών συσκευών όπως ένα βελτιωμένο GPS. Αξίζει επίσης να σημειωθεί η πρόοδος της ατομικής συμβολομετρίας (atom interferometry), συμπεριλαμβανομένων των ατομικών μετρητών βαρυτικού πεδίου (atom gravimeteres) και των ατομικών γυροσκόπιων (atom gyroscopes). Αλλά το πεδίο για το οποίο όλοι μιλούν περισσότερο σε αυτόν τον τομέα της επιστήμης είναι η αναζήτηση ενός κβαντικού υπολογιστή, που η υλοποίησή του είναι ακόμα πολύ μακριά στο μέλλον, αν κάποτε μπορεί να πραγματοποιηθεί.

    Lu: Ναι, συμφωνώ μαζί σας ότι η κβαντική μετρολογία θα έχει πιο συναρπαστικά αποτελέσματα βραχυπρόθεσμα. Για τα πεδία της κβαντικής μετρολογίας και των κβαντικών υπολογιστών, καθώς είστε πρωτοπόρος και στα δύο, μπορείτε να προβλέψετε ενδεχόμενες ανακαλύψεις σε αυτούς τους δύο τομείς μέσα στα επόμενα πέντε και δέκα χρόνια;

    Haroche: Μπορώ να προβλέψω με ασφάλεια τις ανακαλύψεις στην κβαντική προσομοίωση, τον τομέα που μελετά τις κβαντικές δομές που μιμούνται συστήματα συμπυκνωμένης ύλης σε διαφορετική κλίμακα. Οι επιστήμονες είναι πλέον πολύ καλοί στο να παγιδεύουν άτομα ή να τακτοποιούν τεχνητά άτομα σε σχηματισμούς μιας, δύο ή τριών διαστάσεων και να τα βάζουν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κατά βούληση. Αυτό είναι ένα πεδίο που ωριμάζει. Υπάρχουν πολλές ομάδες στον κόσμο που ανταγωνίζονται σε αυτόν τον τομέα, στις ΗΠΑ, στην Ευρώπη και στην Κίνα. Αυτά τα πειράματα γίνονται είτε με πραγματικά άτομα είτε με υπεραγώγιμα qubits. Παραμένει μέχρι στιγμής βασική επιστήμη και δεν ξέρω σε τι είδους πρακτικές εφαρμογές, που θα οδηγήσουν σε εμπορεύσιμες συσκευές. Υπάρχουν ήδη αρκετές νεοφυείς εταιρείες που πωλούν οπτικά πλέγματα λαβίδων ουδέτερων ατόμων, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν από ερευνητές που κάνουν κβαντική προσομοίωση. Αυτά τα συστήματα δεν είναι κβαντικοί υπολογιστές, επειδή δεν είναι ακόμη σε θέση να αποφύγουν την απώλεια της κβαντικής συμφωνίας (quantum coherence).

    Lu: Συμφωνώ. Νομίζω ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι σαν τα λέιζερ. Πρώτον, θα χρησιμοποιηθούν ως εργαστηριακό εργαλείο για φυσικούς, χημικούς και ούτω καθεξής. Τότε, ίσως δέκα ή είκοσι χρόνια αργότερα, μπορεί να ακολουθήσουν μια παρόμοια ιστορία. Στα πρώτα είκοσι χρόνια των λέιζερ, δεν νομίζω ότι οι άνθρωποι περίμεναν εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο, όπως αυτές που έχουν αναπτυχθεί στη βιομηχανία. Στο μεταξύ, η προοπτική ύπαρξης ενός κβαντικού υπολογιστή γεννά πολλές ελπίδες. Μερικές φορές, μετατρέπεται σε κβαντική διαφημιστική εκστρατεία. Τι πιστεύετε γι΄ αυτό; 

    Haroche: Ναι, υπάρχει πολλή δημοσιότητα στην έρευνα σχετικά με τον κβαντικό υπολογιστή. Προς το παρόν, μόνο συστήματα παιχνιδιών που περιλαμβάνουν μερικά qubit έχουν υλοποιηθεί, επιτυγχάνοντας υπολογισμούς που μπορούν εύκολα να εκτελεστούν από έναν κλασικό υπολογιστή. Όταν τα μέσα μαζικής ενημέρωσης μιλούν για έναν κβαντικό υπολογιστή των πενήντα ή και εκατό qubit, δεν αναφέρουν το γεγονός ότι αυτά τα qubit δεν προστατεύονται από την απώλεια της κβαντικής συμφωνίας7, ότι οι κβαντικές διορθώσεις σφαλμάτων που απαιτούνται για την εκτέλεση κβαντικών αλγορίθμων απέχουν πολύ από το να εφαρμοστούν αποτελεσματικά σε αυτά τα συστήματα. Οι κβαντικές διορθώσεις σφαλμάτων θα απαιτούσαν την κωδικοποίηση ενός λογικού qubit σε ένα μεγάλο σύνολο κβαντικά σύμπλεκτων φυσικών qubit, στα οποία οι μετρήσεις που εντοπίζουν τις διαδικασίες απώλειας κβαντικής συμφωνίας θα ακολουθούνταν από διορθώσεις. Για να φτιάξετε έναν χρήσιμο καθολικό κβαντικό υπολογιστή, θα χρειαστείτε πολλές χιλιάδες λογικά qubit, καθένα από τα οποία αποτελείται από χιλιάδες κβαντικά σύμπλεκτα φυσικά qubit. Στην πραγματικότητα, κανείς δεν ξέρει πώς να το πετύχει με κλιμακωτό8  και ρεαλιστικό τρόπο.

    Συμφωνώ, λοιπόν, ότι υπάρχει πολλή δημοσιότητα και υπάρχουν πολλοί κίνδυνοι που προέρχονται από την υπερπροβολή του κβαντικού υπολογιστή. Εάν συνεχίσετε να υπόσχεστε χρόνο με τον χρόνο πράγματα που δε θα συμβούν, οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής και οι φορείς χρηματοδότησης θα χάσουν την υπομονή τους και μπορεί να υπάρξει αντίδραση, με έντονη μείωση της χρηματοδότησης αυτής της έρευνας. Είναι, επίσης, αντιπαραγωγικό να κάνουμε τους πολιτικούς να πιστεύουν ότι ένα στρατηγικό πλεονέκτημα θα δοθεί στην πρώτη χώρα που θα μπορέσει να κατασκευάσει μια τέτοια μηχανή. Το αποτέλεσμα είναι ότι αυτή η έρευνα ιεραρχείται και ελέγχεται από τις κυβερνητικές αρχές. Όταν φοιτητές, μεταδιδακτορικοί ερευνητές ή έμπειροι επιστήμονες που εργάζονται σε αυτόν τον τομέα θέλουν να ταξιδέψουν από την Κίνα στην Ευρώπη, τους αρνούνται συχνά τη βίζα, επειδή οι πολιτικοί πιστεύουν ότι οι πληροφορίες σχετικά με αυτήν την έρευνα δεν πρέπει να κοινοποιούνται. Αυτό είναι ανόητο, αλλά, λυπάμαι που λέω, προέρχεται εν μέρει από τους ίδιους τους επιστήμονες που έχουν υπερπουλήσει αυτό που κάνουν. Όταν μιλάς με πολιτικούς που δεν καταλαβαίνουν την επιστήμη, αν τους πεις κάτι που είναι υπερβολικό, το θεωρούν σαν να είναι αλήθεια, και τότε η συνέπεια είναι αυτού του είδους, ο ανόητος περιορισμός στην ελεύθερη ανταλλαγή πληροφοριών σε έναν τομέα που εξακολουθεί να είναι θέμα της βασικής επιστήμης.

    Αυτό που θέλω να πω είναι ότι ο κβαντικός υπολογιστής δε βρίσκεται στο στάδιο ενός Σχεδίου Μανχάταν που πρέπει να προστατευτεί από τον ανταγωνισμό. Θα πρέπει να είναι ένας ανοιχτός τομέας, στον οποίο μπορεί κανείς να επωφεληθεί μόνο από τον συναγωνισμό και από την ανταλλαγή πληροφοριών και δεδομένων. Αυτό είναι κάτι που μπορείτε να επιτύχετε μόνο εάν δεν επενδυθούν υπερβολικές προσδοκίες, δίνοντας την εσφαλμένη εντύπωση ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα είναι η λύση σε όλα τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα σήμερα.

    Lu: Ήδη το 1998 περίπου, ο David Wineland είχε δημοσιεύσει έγγραφα που μιλούσαν για κβαντικούς υπολογιστές δύο ιόντων. Χρησιμοποίησε τις λέξεις «κβαντικός υπολογιστής» ως τεχνικό όρο. Όταν περιγράφουμε στο ευρύ κοινό αυτόν τον τομέα έρευνας, με την ανάπτυξη πολλών νεοφυών εταιρειών, πρέπει να είμαστε πιο προσεκτικοί.

    Haroche: Ναι, νομίζω ότι η λέξη «κβαντικός υπολογιστής» πρέπει να ληφθεί ως ένα είδος μεταφοράς, για να περιγράψει γενικότερα τον τομέα της επιστήμης της κβαντικής πληροφορίας. Πρέπει να το εκλάβετε και να το καταλάβετε με αυτόν τον τρόπο. Εάν το εκλάβετε κυριολεκτικά και θεωρήσετε ότι ο κύριος στόχος αυτού του τομέα έρευνας πρέπει να είναι η κατασκευή αυτής της συσκευής, γίνεται προβληματικό. Στην πραγματικότητα, δημοσίευσα με τον Jean-Michel Raimond πριν από είκοσι έξι χρόνια ένα άρθρο γνώμης για το Physics Today με τίτλο «Quantum Computing: a Dream or a Nightmare». Γράψαμε ότι ο κβαντικός υπολογιστής ήταν ένα όνειρο για τους θεωρητικούς αλλά ένας εφιάλτης για τους πειραματιστές. Συμβαίνει και σήμερα. Δεν ξέρουμε πώς να κλιμακώσουμε ένα τέτοιο μηχάνημα και να επιτύχουμε κβαντική διόρθωση σφαλμάτων στον βαθμό που θα έκανε έναν τέτοιο υπολογιστή πραγματικότητα. Ορισμένοι συνάδελφοι, συμπεριλαμβανομένου του David Wineland, είναι πιο αισιόδοξοι από εμένα σε αυτό το σημείο, αλλά δεν πειράζει. Πρέπει να μπορούμε να διαφωνούμε σε επιστημονικά ζητήματα με φιλικό τρόπο.

    Lu:  Έχω δύο τελευταίες ερωτήσεις, και η πρώτη μοιάζει λίγο με επιστημονική φαντασία. Αν ήσασταν είκοσι ετών και μόλις ξεκινούσατε το διδακτορικό σας, και αν είχατε όλες τις αναμνήσεις σας για το τι έχει συμβεί μέχρι τώρα, τι είδους συμβουλές θα δίνατε στον εαυτό σας; 

    Haroche: Η συμβουλή που μπορώ να δώσω στους νέους φοιτητές που θέλουν να ασχοληθούν με την έρευνα είναι ότι πρέπει να έχουν πάθος γι΄ αυτήν. Πρέπει να αναγνωρίσετε έναν τομέα στον οποίο πιστεύετε ότι θα μπορούσαν να γίνουν σημαντικές ανακαλύψεις στο μέλλον και να πείτε στον εαυτό σας ότι θέλετε να γίνετε μέρος αυτής της περιπέτειας. Από τη στιγμή που η επιστήμη σας ελκύει προς έναν συγκεκριμένο στόχο, μπορεί να συμβούν πολλά απροσδόκητα πράγματα που θα μπορούσαν να σας οδηγήσουν σε νέες κατευθύνσεις, αλλά θα πρέπει πρώτα να παρακινηθείτε από την περιέργεια, να βρείτε έναν καλό λόγο για να ξεκινήσετε μια καριέρα που είναι πολύ απαιτητική. Αν ξεκινούσα σήμερα με όλη τη γνώση που έχω αποκτήσει στη ζωή μου, θα με έλκυε, για παράδειγμα, η αναζήτηση εξωπλανητών, που θα μπορούσαν να διατηρήσουν μορφές ζωής διαφορετικές από αυτές που έχουμε στη Γη. Αυτή είναι μια φανταστική αναζήτηση που θέτει το ζήτημα της θέσης μας στο Σύμπαν. Είναι βασική επιστήμη και ταυτόχρονα περιλαμβάνει πολλές τεχνολογικές εξελίξεις. Ένας από τους λόγους που σκέφτομαι αυτό το θέμα είναι ότι απαιτεί κάποιες τεχνολογίες κοινές στον τομέα της κβαντικής οπτικής που γνωρίζω. Για παράδειγμα, η ανάλυση των εξωπλανητών χρειάζεται την ανάπτυξη διατάξεων γνωστών ως χτένες συχνοτήτων9 (frequency comb) για τη σταθεροποίηση των λέιζερ, προκειμένου να πετύχουμε υψηλής ακρίβειας φασματοσκοπία Doppler του φωτός που προέρχεται από τα αστέρια, γύρω από τα οποία περιφέρονται αυτοί οι πλανήτες. Είναι επίσης χρήσιμο να εφαρμοστεί προσαρμοστική οπτική (adaptive optics), η οποία είναι παρόμοια με την τεχνική που χρησιμοποιείται για την προετοιμασία των συστοιχιών οπτικών λαβίδων, που χρησιμοποιεί η ομάδα μου σε πειράματα κβαντικής προσομοίωσης10 (quantum simulation). Για την αναζήτηση εξωπλανητών χρειάζεστε επίσης πολλές γνώσεις στη χημεία, τη βιολογία και τη φασματοσκοπία. Αυτός είναι ένας τομέας έρευνας που είναι διεπιστημονικός. Υπονοεί ότι δε θα δουλέψετε ποτέ μόνοι σας, θα πρέπει να εργαστείτε σε ομάδες με άτομα που μοιράζονται το δικό σας πάθος και ενθουσιασμό για την έρευνα, που είναι μεγάλο πλεονέκτημα, όταν είσαι επιστήμονας. Αυτό που επίσης, προσωπικά, μου αρέσει σε αυτήν την έρευνα είναι ότι είναι a priori εντελώς άχρηστη. Γνωρίζουμε ότι δε θα μπορέσουμε ποτέ να επισκεφτούμε αυτούς τους πλανήτες, και ακόμα η περιέργειά μας μάς αναγκάζει να αποκτήσουμε γνώση γι’ αυτούς τους απρόσιτους κόσμους.

    Lu: Μου αρέσει αυτό. Στην Κίνα, έχουμε ένα παλιό ρητό ότι «η χρήση της αχρηστίας είναι  μεγαλύτερης χρησιμότητας», που σημαίνει ότι το πιο φαινομενικά άχρηστο πράγμα μπορεί να αποδειχθεί το πιο χρήσιμο στο μακρινό μέλλον.

    Haroche: Σχετικά με αυτό το σημείο, θα πρέπει να αναφέρω ένα διάσημο δοκίμιο που γράφτηκε τη δεκαετία του 1930 από τον Abraham Flexner, τον ιδρυτή του Princeton Institute of Advanced Studies. Ο τίτλος του είναι «Η χρησιμότητα της άχρηστης γνώσης». Ο Flexner ανέπτυξε μια ιδέα που είναι προφανής για όλους τους επιστήμονες, το γεγονός ότι όλα τα πρακτικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή μας ζωή προέρχονται από ανακαλύψεις στη βασική επιστήμη, αρχικά με κίνητρο την απλή περιέργεια, χωρίς καμία συγκεκριμένη εφαρμογή στο μυαλό αυτών που τις ανακάλυψαν. Το λέιζερ, η μαγνητική τομογραφία, τα ατομικά ρολόγια και το GPS είναι καλά παραδείγματα. Πολύ συχνά αυτές οι εφευρέσεις έχουν έρθει με απροσδόκητο τρόπο και θα ήταν μεγάλες εκπλήξεις για τους επιστήμονες που ανακάλυψαν τα βασικά φαινόμενα που οδήγησαν σε αυτές. Ακόμα κι αν η αναζήτηση για εξωπλανήτες είναι εκ των προτέρων άχρηστη επειδή δεν θα πάμε ποτέ εκεί, μπορεί έμμεσα να είναι χρήσιμη, γιατί θα μας οδηγήσει στην ανάπτυξη οργάνων που θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα για την επίτευξη κάποιων πρακτικών στόχων.

    Μόλις εξέτασα έναν επιστημονικό τομέα που περιλαμβάνει παρατηρήσεις και πειράματα. Αυτό είναι το είδος της φυσικής που γνωρίζω περισσότερο. Στους νέους επιστήμονες που έχουν ισχυρό μαθηματικό μυαλό θα πρέπει, φυσικά, να αναφέρω και το ιερό δισκοπότηρο, που θα ήταν η ανακάλυψη της κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας. Είναι ένα ανοιχτό πρόβλημα, του οποίου η λύση έχει διαφύγει από τους πιο ευφυείς θεωρητικούς μέχρι τώρα. Θα συμβούλευα κάθε νέο επιστήμονα που επιθυμεί να επιδιώξει αυτόν τον φιλόδοξο στόχο να παραμείνει ανοιχτός και σε άλλα ανοιχτά προβλήματα στη φυσική, για παράδειγμα στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης ή στην επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας. Αυτά τα προβλήματα μπορεί να είναι λιγότερο προκλητικά, ευκολότερα στην αντιμετώπιση, και θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις. Θα μπορούσαν, επίσης, να μας δώσουν κάποιες συμβουλές, για να φτάσουμε στο ιερό δισκοπότηρο.

    Lu: Είναι μια μεγάλη ενοποίηση της φυσικής. 

    Haroche: Ναι, είναι η μεγάλη ενοποίηση. Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, οι θεωρητικοί θα πρέπει να παραμείνουν κοντά στους πειραματιστές και στην παρατήρηση. Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που μας δίνουν πολλές πληροφορίες για τη φυσική των μαύρων τρυπών μας φέρνει πίσω στο είδος της φυσικής που αγαπώ, με βάση τις παρατηρήσεις που απαιτούν όλο και πιο ακριβή και πιο ευαίσθητα όργανα. Μπορεί κανείς να σκεφτεί την επόμενη γενιά οπτικών ρολογιών που μπορεί να γίνουν ευαίσθητα στις διαταραχές της χωροχρονικής καμπυλότητας που προκαλείται από τη διέλευση των βαρυτικών κυμάτων. Γνωρίζω ότι οι πρωτοπόροι των οπτικών ατομικών ρολογιών, άνθρωποι όπως ο Jun Ye, ενδιαφέρονται γι’ αυτή την πιθανή εφαρμογή των συσκευών τους.

    Lu: Ναι, όλα αυτά είναι συναρπαστικά θέματα. Μιλώντας για αναζήτηση ευφυΐας έξω από εμάς, στο σύμπαν, θα ήθελα να σας προσκαλέσω να επεκτείνετε το ταξίδι σας στην Κίνα. Θα πρέπει να επισκεφτείτε το Guizhou. Οι επιστήμονες κατασκεύασαν έναν τεράστιο, μεγαλύτερο δέκτη ραδιοσυχνοτήτων στον κόσμο, που ονομάζεται σε συντομογραφία FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope). Κάνει αρκετά ενδιαφέροντα πειράματα. Και επίσης, υπάρχει ένα πολύ όμορφο τοπίο γύρω, με πολλά ψηλά βουνά και ούτω καθεξής. 

    Haroche: Μιλώντας γι’ αυτό, υπάρχουν έργα κατασκευής γιγαντιαίων τηλεσκοπίων με τη σύζευξη οπτικών τηλεσκοπίων μεταξύ τους, με συνδέσμους που χρησιμοποιούν κβαντική τεχνολογία. Ο καθηγητής Jianwei Pan προσπαθεί να εκμεταλλευτεί τα κβαντικά χαρακτηριστικά, για να «κλειδώσει» τις διατάξεις μεταξύ τους και να εξαγάγει πληροφορίες που καταφθάνουν με συμφωνία φάσης από διαφορετικές τοποθεσίες. Είναι επίσης κάτι πολύ συναρπαστικό. Αλλά ας μην ξεχνάμε ότι, ακόμα κι αν συλλέξουμε πολλές πληροφορίες για περιοχές του σύμπαντος μακριά μας, είναι βέβαιο ότι θα παραμείνουμε στον πλανήτη μας. Πρέπει να προστατεύσουμε τη Γη από τα πολύ άσχημα πράγματα που συμβαίνουν, συμπεριλαμβανομένης της κλιματικής αλλαγής και των απειλών για το περιβάλλον και τη βιοποικιλότητα. Η εργασία σε αυτούς τους τομείς θα πρέπει επίσης να είναι ο στόχος των νέων γενεών επιστημόνων.

    Lu: Τώρα, ας περάσουμε στην τελευταία ερώτηση. Εκτός από την έρευνα, είστε επίσης πολύ παθιασμένος με την επιστημονική εκπαίδευση. Όπως αναφέρατε, έχετε γράψει μερικά επιστημονικά βιβλία. Μπορείτε να τα συστήσετε στο κοινό; Έχουμε μέσα σε αυτό το κοινό πολλούς νέους φοιτητές και πιθανούς αναγνώστες.

    Haroche: Έχω γράψει δύο βασικά βιβλία. Το πρώτο, Exploring the Quantum, που γράφτηκε με τον Jean-Michel Raimond, απευθύνεται σε μεταπτυχιακούς φοιτητές στη φυσική. Περιγράφει τη φυσική των ατόμων που αλληλεπιδρούν με φωτόνια σε κοιλότητες και απεικονίζει θεμελιώδεις έννοιες των υπερθέσεων καταστάσεων, της κβαντικής σύμπλεξης, των κβαντικών μη καταστροφικών μετρήσεων κ.λπ.

    Πρόσφατα, έγραψα ένα πιο δημοφιλές βιβλίο που ονομάζεται La lumière révélée (Αγγλικά: The Science of Light) που μόλις μεταφράστηκε στα κινεζικά (Εικ. 1). Περιγράφοντας πώς η ανθρωπότητα απέκτησε στη διάρκεια των αιώνων τις γνώσεις της για το φως, εκφράζω τον θαυμασμό μου μου για την πρόοδο της επιστήμης γενικότερα. Η επιστημονική μέθοδος ξεκίνησε τον 17ο αιώνα με τις ποσοτικές μετρήσεις του χώρου και του χρόνου, επιτρέποντας την πρώτη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός. Ξεκινώντας το βιβλίο μου εκείνη τη στιγμή, προσπάθησα να ακολουθήσω τη γενεαλογία των ιδεών από τον Γαλιλαίο μέχρι τη σύγχρονη επιστήμη. Με γοητεύει η συνεχής πρόοδος της επιστημονικής γνώσης που απεικονίζεται από την ιστορία του φωτός, η οποία περιλαμβάνει μια συνεχή ανταλλαγή μεταξύ παρατήρησης, πειραμάτων και θεωριών αξιολογώντας τα και κάνοντας νέες προβλέψεις. Η διήγηση αυτής της ιστορίας μου έδωσε επίσης την ευκαιρία να αναλογιστώ τη ζωή επιστημόνων και μελετητών, όχι μόνο φυσικών, αλλά και μαθηματικών, εξερευνητών και φιλοσόφων που έχουν συμβάλει στη σταδιακή αύξηση των γνώσεών μας για το φως.Εικ. 1. Η αγγλική και κινεζική έκδοση του βιβλίου του S. Haroche «La lumière révélée»Ήθελα επίσης να δείξω σε αυτό το βιβλίο ότι υπάρχει μια μόνιμη και γόνιμη αλληλεπίδραση μεταξύ της βασικής και της εφαρμοσμένης επιστήμης. Οι βασικές ανακαλύψεις σχετικά με το φως οδήγησαν στην εφεύρεση νέων οργάνων, τηλεσκοπίων, φασματόμετρων, συμβολόμετρων, λέιζερ, ατομικών ρολογιών κ.λπ. Αυτά τα όργανα, των οποίων η ευαισθησία βελτιώνεται συνεχώς, επέτρεψαν στους επιστήμονες να κάνουν πιο ακριβείς παρατηρήσεις και να ανακαλύψουν νέα φαινόμενα που οδηγούν την επιστήμη σε νέες κατευθύνσεις, με αποκορύφωμα τη θεωρία της ειδικής και γενικής σχετικότητας, την κβαντική φυσική και τις συναρπαστικές ανακαλύψεις στην κοσμολογία. Είμαστε ακόμα σε αυτήν τη διαδικασία τώρα. Για παράδειγμα, εάν μια μέρα ανακαλύψουμε έναν τρόπο να συμβιβάσουμε τη γενική θεωρία της σχετικότητας με την κβαντική φυσική, αυτός θα προέλθει από πιο ακριβή πειράματα ή παρατηρήσεις που αποκαλύπτουν νέα πράγματα για τη φύση. Αυτό θα περιλαμβάνει νέα όργανα, είτε πιο ισχυρούς επιταχυντές είτε πιο ακριβή ατομικά ρολόγια ή ατομικά συμβολόμετρα. Γράφοντας αυτό το βιβλίο, ήθελα απλώς να ενημερώσω το ευρύ κοινό για τη μεγάλη περιπέτεια της σύγχρονης επιστήμης. Για να κάνω το βιβλίο πιο προσωπικό, έχω μιλήσει και για τη ζωή μου ως επιστήμονας, από τις πρώτες μέρες της εκπαίδευσής μου στη φυσική μέχρι τα πειράματα που έκανα με την ερευνητική μου ομάδα. Προσπάθησα να μεταφέρω την ιδέα ότι η επιστήμη είναι μια περιπέτεια στην οποία συμβάλλουν όλοι οι άνθρωποι που προέρχονται από διαφορετικά υπόβαθρα. Όλοι οι επιστήμονες ανήκουν στην ίδια κοινότητα ανθρώπων, που μοιράζονται το ίδιο πάθος για την αλήθεια. Αυτή είναι η ομορφιά της έρευνας που ήθελα να εκφράσω σε αυτό το βιβλίο.

    Ένας από τους Κινέζους φοιτητές στην ομάδα μας στο Παρίσι, ο Δρ. Haiteng Wu, είχε την καλοσύνη να επιβλέψει την κινεζική μετάφραση και να γράψει έναν πρόλογο για το κινεζικό αναγνωστικό κοινό. Όταν πήρα το αντίγραφο στα κινεζικά, με έκπληξη είδα ότι είναι πολύ πιο λεπτό από τις εκδόσεις του βιβλίου στις ευρωπαϊκές γλώσσες. Οι κινεζικοί χαρακτήρες φέρουν προφανώς περισσότερες πληροφορίες ανά σύμβολο από το λατινικό αλφάβητο!

    Lu: Ωραία, ευχαριστώ πολύ και πάλι, που αφιερώσατε πολύτιμο χρόνο από το πολυάσχολο πρόγραμμά σας για να δεχτείτε τη συνέντευξή μας. Μου άρεσε πολύ η συζήτηση μαζί σας. 

    Haroche: Ήταν απόλαυση. Σας ευχαριστώ για τις πολύ στοχευμένες και προκλητικές ερωτήσεις.

    Ο Chao-Yang Lu είναι Καθηγητής Φυσικής με Έδρα στο University of Science and Technology, (USTC), της Κίνας. Ολοκλήρωσε τις προπτυχιακές σπουδές και το διδακτορικό του στο USTC και στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ το 2011. Έχει διοριστεί ως Αναπληρωτής Διευθυντής του Κέντρου Κβαντικών Επιστημών της Σαγκάης και ως Εκτελεστικός Διευθυντής του Τμήματος Κβαντικού Υπολογισμού στο Hefei National Laboratory από το 2022. Το τρέχον ερευνητικό του ενδιαφέρον περιλαμβάνει τον κβαντικό υπολογισμό, την κβαντική φωτονική στερεάς κατάστασης, τη κβαντική σύμπλεξη πολλαπλών σωματιδίων, την κβαντική τηλεμεταφορά, τα υπεραγώγιμα κυκλώματα και τις ατομικές συστοιχίες. Είναι συγγραφέας περισσότερων από 140 εργασιών σε μεγάλα ερευνητικά περιοδικά που έχουν συγκεντρώσει 28000 αναφορές.

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Ευχαριστούμε τη διεύθυνση του περιοδικού Advanced Photonics και τις εκδόσεις SPIE για την παραχώρηση της άδειας μετάφρασης της συνέντευξης στα Ελληνικά.YΠΟΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    1 Ένα φυσικό φαινόμενο που εμφανίζεται, όταν δημιουργούνται ή αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κβαντικά σωματίδια ή σύνολα κβαντικών σωματιδίων με τέτοιο τρόπο,  ώστε η κβαντική κατάσταση κάθε σωματιδίου να μην μπορεί να περιγραφεί ανεξάρτητα από την κατάσταση των άλλων σωματιδίων, ακόμη και όταν τα σωματίδια χωρίζονται από πολύ μεγάλες αποστάσεις. Η κατάσταση των σωματιδίων μπορεί να περιγραφεί μόνο ως σύστημα. Η κβαντική σύμπλεξη είναι ο «σκληρός» πυρήνας της κβαντικής πληροφορίας, του κβαντικού υπολογισμού, της κβαντικής κρυπτογραφίας και των κβαντικών τηλεπικοινωνιών.

    2 Πρόκειται για έναν ειδικό τύπο μέτρησης πάνω σε ένα κβαντικό σύστημα όπου η αβεβαιότητα στην μέτρηση του παρατηρήσιμου φυσικού μεγέθους δεν αυξάνεται κατά την επακόλουθη εξέλιξη του συστήματος. Στην ουσία πρόκειται για τον πιο «κλασικό» και ελάχιστα διαταρακτικό τύπο μέτρησης στην κβαντική μηχανική.

    3 Η οπτική άντληση είναι μια διαδικασία κατά την οποία το φως χρησιμοποιείται για την ανύψωση (ή την «άντληση») ηλεκτρονίων από ένα χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας σε ένα άτομο ή ένα μόριο σε ένα υψηλότερο. Χρησιμοποιείται συνήθως στην κατασκευή λέιζερ, έτσι ώστε να επιτευχθεί η αναγκαία αναστροφή πληθυσμού στο ενεργό μέσο του λέιζερ.

    4 Η απότομη (σε αντίθεση με την βαθμιαία στην κλασική φυσική) μετάβαση ενός κβαντικού συστήματος από μια κατάσταση σε μια άλλη.

    5 Στους κλασικούς υπολογιστές τo θεμελιώδες στοιχείο της πληροφορίας, το ένα bit, είναι στην πράξη κάποιο φυσικό σύστημα, το οποίο μπορεί να βρεθεί σε δυο διαφορετικές διακριτές καταστάσεις που αναπαριστούν δύο λογικές τιμές: ναι ή όχι, αληθής ή ψευδής, ή, απλά 1 και 0. Αν όμως επιλέξουμε ως bit, για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου το οποίο, μέσω ενός φυσικού μηχανισμού (για παράδειγμα η αλληλεπίδραση του ατόμου με το φως μιας συσκευής λέιζερ) εξαναγκάζεται να βρίσκεται σε δύο καθορισμένες καταστάσεις («τροχιές») γύρω από τον πυρήνα, τότε τα πράγματα αρχίζουν και γίνονται λίγο πιο περίπλοκα. Στην κβαντική μηχανική το ηλεκτρόνιο έχει την πιθανότητα να βρεθεί τόσο σε μια από δύο διαφορετικές καταστάσεις, όσο και σε μια σύμφωνη υπέρθεση (coherent superposition) των δύο καταστάσεων. Δηλαδή, το άτομο, έχει τη δυνατότητα να βρίσκεται τόσο στην κατάσταση 0, όσο και στην κατάσταση 1, ταυτόχρονα! Αυτές οι δύο καταστάσεις αποτελούν ένα qubit. Αξίζει να έχουμε υπόψη μας πως η υπέρθεση των δύο καταστάσεων καταρρέει, όταν επιχειρήσουμε μια μέτρηση στο σύστημα. Το αποτέλεσμα της μέτρησης μπορεί να είναι είτε 1 ή 0. Αν και η υπέρθεση είναι ένα φαινόμενο γνωστό στην κλασική φυσική, για παράδειγμα στην κυματική, εντούτοις η υπέρθεση κβαντικών καταστάσεων είναι εντελώς διαφορετικής φύσης, για την οποία δεν υπάρχει ανάλογο στον κλασικό κόσμο (Dirac P. A. M. 1958. The Principles of Quantum Mechanics, 4th edition. Oxford UK: Oxford University Press, p. 14).

    Για μια πιο αναλυτική παρουσίαση αυτών των θεμάτων ο αναγνώστης μπορεί να καταφύγει σε παλαιότερο άρθρο του InScience (εδώ)

    6 Ένας μηχανισμός που βασίζεται στη χρήση μιας ισχυρά εστιασμένης δέσμης λέιζερ που ασκεί απωστικές ή ελκτικές δυνάμεις σε σωματίδια με διαστάσεις που κυμαίνονται από 10–9 m έως 10–6 m. Με την οπτική λαβίδα μπορούμε να παγιδεύσουμε και να χειριστούμε την κίνηση του σωματιδίου.

    7 Πρόκειται για την ικανότητα που έχει ένα κβαντικό σύστημα να διατηρεί μια κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης ή κβαντικής σύμπλεξης κατά τη διάρκεια της εξέλιξής του. Η απώλειά της (quantum decoherence) σηματοδοτεί την περιγραφή της δυναμικής του συστήματος από τους νόμους της κλασικής φυσικής.

    8 Στις τηλεπικοινωνίες και στην τεχνολογία των υπολογιστών, η κλιμακωσιμότητα (scalability) είναι ένα επιθυμητό χαρακτηριστικό ενός συστήματος, δικτύου ή διαδικασίας, που καταδείχνει την ικανότητά του είτε να χειρίζεται αυξημένα ποσά έργου  είτε να επεκταθεί εύκολα.  Για παράδειγμα, η κλιμακωσιμότητα μπορεί να αναφέρεται στην ικανότητά του συστήματος να αυξάνει τη συνολική του απόδοση, όταν έχει να χειριστεί αυξημένο φόρτο ή δεδομένα.

    9 Στην ουσία πρόκειται για συσκευές λέιζερ με ένα διακριτό φάσμα συχνοτήτων, στο οποίο κάθε συχνότητα διαφέρει κατά το ίδιο ποσό από την προηγούμενη και την επόμενη. Θα λέγαμε πως οι συχνότητες μιας χτένας αποτελούν όρους μιας αριθμητικής προόδου.

    10 H προσομοίωση από ένα σχετικά απλό κβαντικό σύστημα της δυναμικής ενός πολύπλοκου κβαντομηχανικού συστήματος, η οποία δεν μπορεί να μοντελοποιηθεί από έναν υπερυπολογιστή ή να διερευνηθεί πειραματικά (βλ. Lembessis, V. E., 2020. Taming Atoms: The Renaissance of Atomic Physics. Bellingham, Washington USA: SPIE. https://spie.org/Publications/Book/2563827?SSO=1.)

  • ΤΟ ΣΥΜΠΑΝ

    ΤΟ ΣΥΜΠΑΝ

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ

    ΜΑΝΟΣ ΣΑΡΙΔΑΚΗΣ

    ISBN 978-960-484-984-0

    Διαστάσεις: 13 x 20,5 cm
    Αριθμός σελίδων: 112

    Τιμή: € 11,99

    Έτος έκδοσης: 2024Τι έγινε πριν τη Μεγάλη Έκρηξη; Πόσο μεγάλο και πόσο «παλιό» είναι το Σύμπαν; Διαστέλλεται; Και τι υπάρχει πέρα από αυτό; Πώς γεννιέται ένα αστέρι και τι είναι οι μαύρες τρύπες; Πότε θα γίνει ο Ήλιος Κόκκινος Γίγαντας; Η Επιστήμη είναι σε καλό δρόμο για τη μελέτη της Ιστορίας του παρατηρήσιμου Σύμπαντος: από τη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι τον σχηματισμό της Γης και όλων των Ειδών της. Ο Μάνος Σαριδάκης, κύριος ερευνητής στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών,  φέρνει κοντά μας με συνοπτικό και εύληπτο τρόπο τις εντυπωσιακές γνώσεις της Επιστήμης.

    _____________________________________________________________________________________


    Ο Μάνος Σαριδάκης είναι Κύριος Ερευνητής του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, με ερευνητικά αντικείμενα την Αστροσωματιδιακή Κοσμολογία και τις Θεωρίες Βαρύτητας. Είναι Διδάκτωρ Πυρηνικής Φυσικής του ΕΚΠΑ, και έχει εργαστεί ως μεταδιδακτορικός ερευνητής, Επίκουρος Καθηγητής και Επισκέπτης Καθηγητής στο ΕΜΠ, στη Γαλλία (Saclay και IAP), στις ΗΠΑ (Baylor U.), στη Χιλή (PUCV), και στη Λ.Δ. Κίνας (Tsing Hua και USTC). Έχει δημοσιεύσει περισσότερες από 280 ερευνητικές εργασίες σε διεθνή περιοδικά με κριτές, και έχει συγγράψει 5 βιβλία. Το ερευνητικό του έργο έχει εξαιρετική διεθνή αναγνώριση, ενώ βρίσκεται στις ανώτατες θέσεις της διεθνούς κατάταξης του Πανεπιστημίου του Stanford με το 1% των πιο επιδραστικών επιστημόνων παγκοσμίως.

  • ΕΝΑ ΜΙΚΡΟ ΒΙΒΛΙΟ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΓΑΛΗ ΕΚΡΗΞΗ

    ΕΝΑ ΜΙΚΡΟ ΒΙΒΛΙΟ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΓΑΛΗ ΕΚΡΗΞΗ

    ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ

    ΤΟΝΥ ΡΟΘΜΑΝ

    Μετάφραση: Ανδρομάχη Σπανού

    ISBN 978-618-230-013-8

    Διαστάσεις: 14 x 21 cm
    Αριθμός σελίδων: 206

    Τιμή: € 16

    Έτος έκδοσης: 2024

    Αυτό είναι ένα µικρό βιβλίο για το µεγαλύτερο θέµα που µπορεί να συλλάβει ο ανθρώπινος νους – τη Μεγάλη Έκρηξη. Ωστόσο, τι υπήρχε πριν από αυτήν; Τι ακριβώς συνέβη αµέσως µετά, στα πρώτα κλάσµατα του δευτερολέπτου ή λίγο αργότερα; Πώς προβλέπεται να εξελιχθεί το σύµπαν στο µέλλον; Θα υπάρξει, άραγε, κάποια Μεγάλη Σύνθλιψη; Να µια σειρά από θεµελιώδη ερωτήµατα, στα οποία η κοσµολογία πασχίζει, εδώ και έναν αιώνα, να δώσει απαντήσεις, µελετώντας τη γένεση και τις κινήσεις των γαλαξιών, την κατανοµή των χηµικών στοιχείων, τη διάχυση της θερµικής ακτινοβολίας στον χώρο και τη διερεύνηση εξωτικών φαινοµένων όπως η σκοτεινή ύλη, η σκοτεινή ενέργεια και η κβαντική βαρύτητα. 

    Ο Τόνυ Ρόθµαν, ο συγγραφέας του βιβλίου, µας παρασύρει εδώ σε ένα συναρπαστικό ταξίδι στα µυστήρια του σύµπαντος. Περίπλοκες έννοιες γίνονται απλές και επιστηµονικά αινίγµατα φωτίζονται, όµως τα επιστηµονικά δεδοµένα διαχωρίζονται πάντοτε µε σαφήνεια από τις απλές εικασίες ή τις µη επιβεβαιωµένες θεωρίες. Είναι ένα ταξίδι ανοιχτό σε όλους, που µας οδηγεί µέχρις εκεί όπου ο χώρος και ο χρόνος δεν σηµαίνουν πια τίποτα: στην ιδιοµορφία της Μεγάλης Έκρηξης!

    _____________________________________________________________________________________

    Ο Tony Rothman (1953) είναι αμερικανός θεωρητικός φυσικός και συγγραφέας. Απόφοιτος του Κολεγίου Swarthmore και διδάκτορας του Πανεπιστημίου του Τέξας, στο Austin, δίδαξε σε διάφορα πανεπιστήμια των ΗΠΑ (Harvard, Princeton κ.ά.), αλλά διακρίθηκε ως συγγραφέας στο πεδίο της επιστημονικής εκλαΐκευσης. Άλλα βιβλία του: Sacred Mathematics: Japanese Temple Geometry (σε συνεργασία με τον Χιντετόσι Φουκαγκάβα) (2008, Ιερά μαθηματικά: Η γεωμετρία των ιαπωνικών ναών), Instant Physics: From Aristotle to Einstein, and beyond (1995, Φυσική σε πρώτη ζήτηση: Από τον Αριστοτέλη στον Αϊνστάιν, κι ακόμη πιο πέρα), A Physicist on Madison Avenue (1991, Ένας φυσικός στη Λεωφόρο Μάντισον, υποψήφιο για Βραβείο Πούλιτζερ).

  • Oμιλία Αναμαρίας Γκίνη: Στο Μονοπάτι των Υπερκαινοφανών Αστέρων

    Oμιλία Αναμαρίας Γκίνη: Στο Μονοπάτι των Υπερκαινοφανών Αστέρων

    Στο Μονοπάτι των Υπερκαινοφανών Αστέρων

    Περίληψη:

    Έχετε ποτέ αναρωτηθεί από πού προέρχονται τα στοιχεία που συνθέτουν τον άνθρωπο; Η απάντηση κρύβεται στους υπερκαινοφανείς αστέρες! Οι υπερκαινοφανείς αστέρες, γνωστοί και ως σούπερνοβα, είναι οι εκρήξεις αστέρων στο τέλος της ζωής τους. Σε αυτή την ομιλία, θα ανακαλύψουμε τα μυστικά των υπερκαινοφανών αστέρων, εξερευνώντας τους μηχανισμούς που οδηγούν σε αυτές τις εντυπωσιακές εκρήξεις και τον τρόπο με τον οποίο τα υπολείμματά τους επηρεάζουν τον κόσμο μας.Σύντομο Βιογραφικό

    Η Αναμαρία Γκίνη είναι υποψήφια διδάκτωρ του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης με κατεύθυνση στην Αστροφυσική. Ολοκλήρωσε τις προπτυχιακές σπουδές της στο Τμήμα Φυσικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και τις μεταπτυχιακές της σπουδές στο Τμήμα Αστροφυσικής, Αστρονομίας και Μηχανικής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών.

    Κεφάλαια της Ομιλίας

    00:00:21 Εισαγωγή – Χαιρετισμός

    00:02:30 Ομιλία

    00:43:40 Ερωτήσεις

    00:43:50 Υπάρχουν νέοι αλγόριθμοι ή νέα συστήματα τα οποία σκανάρουν τις υπάρχουσες βάσεις δεδομένων για να ανακαλύψουν καινούργιους υπερκαινοφανείς που μπορεί να είχαν προηγουμένως ξεφύγει από την ανθρώπινη επισκόπηση;

    00:45:50 Έχει χρησιμοποιηθεί το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb για την ανακάλυψη καινούργιων υπερκαινοφανών; Υπάρχουν άλλα τηλεσκόπια τα οποία είναι ίσως καλύτερα σχεδιασμένα γι’αυτόν τον σκοπό;

    00:48:05 Πόσο κοντά είναι οι κοντινότεροι υπερκαινοφανείς στη γη μας; Ο πιο μακρινός;

    00:49:25 Υπήρχε κάποια περίοδος στην ιστορία του σύμπαντος κατά τη διάρκεια της οποίας υπήρχε πολύ έντονη δραστηριότητα υπερκαινοφανών;

    00:51:25 Επίλογος

  • Η ΠΤΗΣΗ ΤΩΝ ΨΑΡΟΝΙΩΝ – Ο θαυμαστός κόσμος των πολύπλοκων συστημάτων

    Η ΠΤΗΣΗ ΤΩΝ ΨΑΡΟΝΙΩΝ – Ο θαυμαστός κόσμος των πολύπλοκων συστημάτων

    ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ

    ΤΖΟΡΤΖΙΟ ΠΑΡΙΖΙ

    Μετάφραση: Μαρία Οικονομίδου

    ISBN 978-618-230-012-1

    Διαστάσεις: 14 x 21 cm
    Αριθμός σελίδων: 152

    Τιμή: € 14

    Έτος έκδοσης: 2024

    Πειραματικές αλήθειες που μοιάζουν να μην πειθαρχούν σε κανέναν νόμο, έρευνες που οδηγούν σε ανακαλύψεις οι οποίες ξαφνιάζουν ακόμα και τον ίδιο τον ερευνητή, η λάμψη της φυσικής και μαθηματικής διαίσθησης: αυτός είναι ο κόσμος τον οποίο ερευνά εδώ και τουλάχιστον πέντε δεκαετίες ο Τζόρτζιο Παρίζι, ο συγγραφέας αυτού του βιβλίου. Από τη στιγμή της εισόδου του το 1966 (από την πίσω πόρτα, αφού οι φοιτητές των δύο πρώτων ετών δεν επιτρεπόταν να χρησιμοποιούν την κεντρική είσοδο) στο Ινστιτούτο Φυσικής της Ρώμης μέχρι το βραβείο Νομπέλ, που σχεδόν το άγγιξε ήδη σε ηλικία είκοσι πέντε ετών, από τις πρωτοποριακές του μελέτες για τα σωματίδια μέχρι το ενδιαφέρον του για ποικίλα αινιγματικά φαινόμενα όπως οι αλλαγές φάσης, οι ύαλοι σπιν και η πτήση των ψαρονιών, από τον προβληματισμό του για το πώς γεννιούνται οι ιδέες ή για το νόημα της επιστήμης στην κοινωνία μας, το βιβλίο που κρατάτε στα χέρια σας αποτελεί ένα ταξίδι στο ιδιοφυές μυαλό ενός φυσικού επιστήμονα που αναζήτησε τους κανόνες των πολύπλοκων συστημάτων, διότι τα απλά τού φαίνονταν ανέκαθεν λιγάκι βαρετά…

    «Συχνά, το καλύτερο έργο μιας ζωής αφιερωμένης στην έρευνα προκύπτει τυχαία: πέφτεις πάνω του καθώς διασχίζεις έναν δρόμο που οδηγεί κάπου αλλού».

    _____________________________________________________________________________________

    Ο Giorgio Parisi είναι Ιταλός θεωρητικός φυσικός που ασχολείται με την κβαντική θεωρία πεδίου, τη στατιστική μηχανική και τα σύνθετα συστήματα. Έχει τιμηθεί για το ερευνητικό του έργο με πληθώρα βραβείων, μεταξύ των οποίων και το Νόμπελ Φυσικής (2021).

  • «ΣΕΙΡΗΝΕΣ» ΣΤΗΝ ΕΡΗΜΟ! ΤΟ ΜΥΣΤΗΡΙΩΔΕΣ ΤΡΑΓΟΥΔΙ ΤΩΝ ΑΜΜΟΛΟΦΩΝ

    «ΣΕΙΡΗΝΕΣ» ΣΤΗΝ ΕΡΗΜΟ! ΤΟ ΜΥΣΤΗΡΙΩΔΕΣ ΤΡΑΓΟΥΔΙ ΤΩΝ ΑΜΜΟΛΟΦΩΝ

    Η θίνα Ming Sha Shan (στα κινεζικά, το βουνό από άμμο που τραγουδά), κοντά στο Dunh Huang και στο σπήλαιο Mogao cave (επί του παλαιού δρόμου του μεταξιού) στην Κίνα. Από γραπτή πηγή που χρονολογείται από το 880 π.Χ.  μαθαίνουμε ότι οι κάτοικοι παραπλήσιου χωριού έκαναν τσουλήθρα από την κορυφή της θίνας ώστε να αναπαράγουν «τον ήχο του κεραυνού». Η θίνα αυτή καταγράφηκε από τον Μάρκο Πόλο.

    Πως οι ερευνητές προσπαθούν να λύσουν το μυστήριο μιας μελωδίας που είναι γνωστή στο δυτικό κόσμο από την εποχή του Μάρκο Πόλο.

    Πάνε σχεδόν επτακόσια χρόνια από τότε που ο Μάρκο Πόλο θα καταγράψει τους μυστηριώδεις ήχους που έρχονταν από τις θίνες της ερήμου. Τότε, ο μεγάλος εξερευνητής είχε αποδώσει το φαινόμενο σε «κακά πνεύματα». Ένας σύγχρονος ταξιδιώτης θα ήταν πιο πιθανόν να νομίσει ότι ο ήχος αυτός προέρχεται από αεροπλάνο που εκτελεί χαμηλή πτήση.

    Οι θίνες είναι στην ουσία βουνά από άμμο που σχηματίζονται από τη δράση του ανέμου. Είναι δυνατόν να φθάσουν σε ύψος εκατοντάδων μέτρων και απαντώνται σε ένα μεγάλο αριθμό διαφορετικών σχημάτων. Οι θίνες παρουσιάζουν μια πολύπλοκη δυναμική συμπεριφορά και απασχολούν τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες.

    Οι θίνες μελετήθηκαν διεξοδικά από τον R. A. Bagnold ο οποίος σε μια επίσκεψη του στην έρημο της Λιβύης γοητεύθηκε από τους σχηματισμούς των θινών και επιστρέφοντας στην Αγγλία κατασκεύασε μια αεροσήραγγα με την οποία εκτέλεσε πειράματα προσομοίωσης αυτών των σχηματισμών. Τα πορίσματα αυτών των πειραμάτων περιέχονται στο βιβλίο με τίτλο The Physics of Blown Sand and Desert Dunes (Bagnold, 1941) το οποίο έθεσε τα θεμέλια της επιστημονικής έρευνας της μεταφοράς της άμμου από τον άνεμο. Το βιβλίο συνεχίζει να αποτελεί τον βασικό τίτλο αναφοράς στο πεδίο και χρησιμοποιείται από τη NASA για την μελέτη των θινών του πλανήτη Άρη.

    Σήμερα έχουν εντοπιστεί περίπου τριάντα τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο όπου κάποιος μπορεί να ακούσει το «τραγούδι» των θινών. Είναι αξιοσημείωτο ότι κάθε τέτοιος ήχος έχει την δική του χαρακτηριστική συχνότητα, μπορεί να διαρκέσει για αρκετά λεπτά ενώ ακούγεται σε απόσταση ακόμη και ενός χιλιομέτρου μακριά. Είναι γνωστό, από παλαιά, πως ο ήχος αυτός προέρχεται από την άμμο που έχει σωρευτεί στην κορυφή των θινών και η οποία αυθόρμητα κατέρχεται προς τους πρόποδες τους. Πως λοιπόν αυτή η κάθοδος της άμμου μπορεί να δημιουργήσει ένα τόσο δυνατό ήχο και μάλιστα σε μια και μοναδική συχνότητα;

    Για τους επιστήμονες η πρόκληση της εξήγησης αυτού του ασυνήθιστου και πολύ έντονου ήχου που δημιουργείται από έναν σωρό άμμου είναι τόσο μεγάλη που δύσκολα μπορείς να της αντισταθείς. Στην ουσία, οι άδουσες θίνες μας δίνουν την ευκαιρία να εξερευνήσουμε έναν εντελώς νέο τρόπο παραγωγής ήχου που είναι ριζικά διαφορετικός από τους μηχανισμούς παραγωγής ήχου πάνω στους οποίους βασίζονται τα περισσότερα μουσικά όργανα.

    Οι προσπάθειες να ερμηνευθεί αυτό το φαινόμενο έχουν στην ουσία αρχίσει από το 2000 από ερευνητικές ομάδες της περίφημης École Normale Supérieure του Παρισίου. Ενδιάμεσα έχουν εμπλακεί και ερευνητικές ομάδες από τις ΗΠΑ.

    Οι πρώτες έρευνες έδειξαν αξιόλογα αλλά ταυτόχρονα και αξιοπερίεργα αποτελέσματα. Μια μέρα κατά τη διάρκεια μιας πεζοπορίας κατά μήκος μιας θίνας, οι ερευνητές προκάλεσαν κατά λάθος μια κατολίσθηση άμμου. Η κατολίσθηση αυτή συνοδεύτηκε από την παραγωγή ενός δυνατού ήχου. Προς μεγάλη έκπληξη όλων η συχνότητα αυτού του ήχου ήταν ακριβώς η ίδια με τη συχνότητα του ήχου που παράγεται από μια αυθόρμητη κατολίσθηση της άμμου στη ίδια θίνα. Οι επιστήμονες το επιβεβαίωσαν αυτό προκαλώντας με τα ίδια τους τα χέρια επαναλαμβανόμενες κατολισθήσεις από την κορυφή των θινών. Το επόμενο που παρατηρήθηκε ήταν ότι για διαφορετικά μεγέθη θινών (στην ίδια γεωγραφική περιοχή) η συχνότητα του παραγόμενου ήχου ήταν η ίδια (περίπου στα 100 Hz). Aυτά τα φαινόμενα οδήγησαν τους ερευνητές στο συμπέρασμα ότι το μυστηριώδες τραγούδι των θινών παράγεται από την σχετική κίνηση των κόκκων της άμμου μεταξύ τους και όχι από την θίνα συνολικά.

    Η διαπίστωση αυτή έστρεψε τις έρευνες  στη μελέτη της δομής και του σχήματος των κόκκων της άμμου καθώς και των μεταξύ τους συγκρούσεων κατά τη διάρκεια της κατολίσθησης. Σύντομα άρχισαν να προτείνονται και τα πρώτα ερμηνευτικά σχήματα. Κοινός παρανομαστής αυτών των ερμηνειών ήταν ότι η παραγωγή του ήχου οφείλεται σε μια συντονισμένη κίνηση που εκτελούν οι κόκκοι της άμμου. Για κάποιους ερευνητές η παραγωγή του ήχου ήταν αποτέλεσμα της κυκλοφορίας του αέρα ανάμεσα στους κινούμενους κόκκους άμμου. Για άλλους αιτία της παραγωγής του ήχου ήταν η συμπεριφορά των συντονισμένα κινούμενων κόκκων ως μιας τεράστιας μεμβράνης η οποία εκτελεί γιγάντιες ταλαντώσεις που μετατρέπουν την άμμο σε ένα τεράστιο ηχείο.

    Η πρώτη ερμηνεία υποστηρίχθηκε και από ευρήματα στο Μαρόκο που έδειξαν ότι μόνο στρώματα άμμου που έχουν πάχος πάνω από ένα συγκεκριμένο όριο μπορούν να παράγουν ήχους όταν κινούνται μεταξύ τους. Αποφασιστικής σημασίας για αυτήν την ερμηνεία ήταν και ένα πείραμα προσομοίωσης που παρουσιάστηκε το 2003. Στο πείραμα αυτό πήραν γνωστούς όγκους άμμου και τους ανάγκασαν να κινούνται με απόλυτα ελεγχόμενο τρόπο σε διαφορετικές ταχύτητες. Με αυτό τον τρόπο μπόρεσαν να παράγουν ήχους σε οποιαδήποτε επιθυμητή νότα κατά μήκος μιας ολόκληρης οκτάβας. Αυτό ήταν μια αποφασιστική ένδειξη ότι στην ουσία είναι η σχετική κίνηση των κόκκων της άμμου που παράγει τον ήχο. Οι θίνες δεν είναι απαραίτητες. Το πείραμα επιβεβαίωσε επίσης και την παρατήρηση για το ελάχιστο όριο πάχους του στρώματος άμμου που απαιτείται για την παραγωγή ήχου.

    Το σίριαλ όμως της πλήρους εξήγησης του φαινομένου δεν έχει τελειώσει. Σήμερα εργασίες από άλλες ομάδες αρχίζουν και αμφισβητούν τις παραπάνω ερμηνείες που, άλλωστε, δεν έχουν απαντήσει σε όλα. Για παράδειγμα μέχρι τώρα δεν γνωρίζουμε τον λόγο για τον οποίο κάποιες θίνες δεν «τραγουδούν». Έρευνες που έχουν πραγματοποιηθεί από επιστημονικές ομάδες από τις Η.Π.Α και έχουν στηριχθεί στη χρήση ραντάρ δείχνουν την εντελώς αντίστροφη κατεύθυνση: δεν είναι οι κόκκοι της άμμου αλλά οι ίδιες οι θίνες που ευθύνονται για την παραγωγή του ήχου.

    Τελικά με ή χωρίς την πλήρη εξήγηση, οι θίνες «τραγουδούν» ακόμα και η έρημος συνεχίζει, ευτυχώς, να διατηρεί τη μαγεία και το μυστήριο.

     

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΗΡΙΟ

    Το φωτογραφικό υλικό είναι ευγενική προσφορά στο ΙnS της ερευνητικής ομάδας του Stephan Douady από την École Normale Supérieure του Παρισίου.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Chalmers, M., 2006. The troubled song of sand dunes. Physics World, November. https://physicsworld.com/a/the-troubled-song-of-the-sand-dunes/

    Bagnold, R., A., 1941. The physics of blown sand and desert dunes. London: Methuen.

    Douady, S., Manning, A., Hersen, P., Elbelrhiti, H., Protière, S. , Daerr, A., and Kabbachi, b., 2006. Song of the Dunes as a Self-Synchronized Instrument. Physical Review Letters, 97, 018002. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.97.018002

    Douady, S., 2002. Ce chant venu des dunes. Le journal de CNRS, no 153-154, Septembre-Octobre.

    Heywood, H., 1941. The Physics of Blown Sand and Desert Dunes. Nature 148, 480–481. https://doi.org/10.1038/148480a0

    Olivier, A., 2006. Chanter avel le dunes. Le journal de CNRS, no 194, Mars.