InScience Magazine

Category: ΦΥΣΙΚΗ

  • ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ DESK-TOP

    ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ DESK-TOP

    Νέφη υδρογόνου (κόκκινο) και οξυγόνου (μπλε) στον αστερισμο του Κύκνου, κοντά στο αστέρι Γάμμα του Κύκνου (Sadr).Στο άρθρο αυτό παρουσιάζουμε την προσομοίωση φαινομένων κοσμικής κλίμακας, όπως οι μαύρες τρύπες και η διαστολή του σύμπαντος, από μορφώματα ψυχρών ατόμων σε ένα εργαστήριο. Τα επιτεύγματα αυτά εδράζονται σε αναλογίες που υπάρχουν ανάμεσα στην επίδραση  των βαρυτικών πεδίων στην τροχιά του φωτός και την κίνηση του φωτός μέσα σε οπτικά υλικά και ανοίγουν πρωτόγνωρους και απρόσμενους δρόμους στη μελέτη του σύμπαντος. ΟΠΤΙΚΗ ΚΑΙ ΒΑΡΥΤΗΤΑ

    Οι μαύρες τρύπες, αυτά τα εξωτικά ουράνια σώματα, έχουν εξάψει στην κυριολεξία τη φαντασία του κοινού. Αρκεί να θυμηθούμε τον θόρυβο που είχε προκληθεί πριν κάποια χρόνια με αφορμή κάποια από τα πειράματα που εξελίσσονταν στο CERN και την πιθανότητα να εμφανιστούν σε αυτά «μικροσκοπικές» μαύρες τρύπες έτοιμες να «καταβροχθίσουν» τα πάντα. Αυτό όμως που σίγουρα δεν έχει περάσει από το νου κανενός είναι η πιθανότητα αυτά τα αντικείμενα να παραχθούν σε ένα εργαστήριο σύγχρονης ατομικής φυσικής ή ακόμη περισσότερο, σε κάποια χρόνια, να πωλούνται και ως παιγνίδι. Ίσως αυτή η ημέρα να είναι πολύ κοντά, αλλά δεν υπάρχει κανένας λόγος πανικού. Αυτές οι «μαύρες» τρύπες θα είναι απόλυτα ασφαλείς και δεν πρόκειται να καταπιούν κανέναν!

    Ας πάρουμε λίγο τα πράγματα από την αρχή. Στην Εικ.1 βλέπουμε ένα απλό πείραμα οπτικής: την κάμψη μιας δέσμης λέιζερ όταν αυτή περάσει από ένα δοχείο γεμάτο νερό στο οποίο έχουμε διαλύσει μερικούς κύβους ζάχαρης. Η αιτία της κάμψης είναι η διάθλαση της δέσμης από τα στρώματα με διαφορετικό δείκτη διάθλασης που σχηματίζονται στο διάλυμα. Αυτό συμβαίνει επειδή η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας ελαττώνεται με την απόσταση από τον πυθμένα του δοχείου με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια σχετικά ομαλή μεταβολή του δείκτη διάθλασης που κάμπτει την ακτίνα κατά συνεχή και εντυπωσιακό τρόπο. Με λίγη επιδεξιότητα από την πλευρά του πειραματιστή, η ακτίνα μπορεί να ανακλαστεί στον πυθμένα και έπειτα, ακολουθώντας πάλι καμπύλη τροχιά, να εξέλθει από το δοχείο.

    Ας πάμε τώρα σε ένα εντελώς διαφορετικό φυσικό σύστημα. Στην Εικ.2 βλέπουμε την καμπύλωση της τροχιάς του φωτός, που καταφτάνει από ένα μακρυνό άστρο, όταν στην πορεία του βρεθεί ένα ουράνιο σώμα με μεγάλη μάζα, όπως ο Ήλιος, σύμφωνα με τις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ). Αυτό το φαινόμενο προκαλεί (όπως και η διάθλαση στην ατμόσφαιρα) την διαφορά ανάμεσα στην πραγματική και την φαινόμενη θέση ενός άστρου στον ουράνιο θόλο. Η αντιστοιχία ανάμεσα στις δύο εικόνες είναι προφανής και εκπληκτική: η πορεία του φωτός μέσα από ένα οπτικό υλικό “ισοδυναμεί” με την επίδραση μιας μεγάλης μάζας στην πορεία του όταν αυτό ταξιδεύει μέσα στο διάστημα. Η πρώτη περίπτωση είναι ένα καθαρά οπτικό φαινόμενο, ενώ η δεύτερη είναι αποτέλεσμα της βαρύτητας.Εικόνα 1: Σε ένα δοχείο που περιέχει νερό έχουμε διαλύσει ζάχαρη. Εάν δεν ανακατέψουμε το διάλυμα, η συγκέντρωση της ζάχαρης είναι μεγάλη κοντά στον πυθμένα του δοχείου και ελαττώνεται βαθμιαία όσο πάμε προς τα πάνω. Αυτό έχει ως  αποτέλεσμα τη δημιουργία στρωμάτων με διαφορετικό δείκτη διάθλασης που καμπυλώνουν την τροχιά της δέσμης λέιζερ.Εικόνα 2: Στο (α) δεν παρεμβάλλεται κάποιο μεγάλο ουράνιο σώμα μεταξύ των τριών άστρων και του παρατηρητή στη Γη. Στο (β) η παρουσία του Ήλιου προκαλεί την καμπύλωση των ακτινών από το φως ενός μακρινού άστρου (του τρίτου στη σειρά). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η φαινόμενη θέση του άστρου στον ουράνιο θόλο να είναι διαφορετική από την πραγματική.Η βαρύτητα είναι η δύναμη που καθορίζει τις κινήσεις των πλανητών, των ηλιακών συστημάτων και των γαλαξιών, δηλαδή του Σύμπαντος. Οι κινήσεις αυτές είναι πολύ μεγάλης κλίμακας και η μελέτη τους βασίζεται σε δεδομένα που καταγράφονται από τηλεσκόπια, μετρήσεις πάνω στα φάσματα ακτινοβολιών που εκπέμπονται από τα ουράνια σώματα και εσχάτως από συστήματα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων. Δυστυχώς, η απευθείας και επιτόπου μελέτη των ιδιοτήτων των ουρανίων σωμάτων περιορίζεται στους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος χάρις τα ταξίδια μη επανδρωμένων διαστημοπλοίων τα οποία διαρκούν πολλά χρόνια. Αφού λοιπόν δεν πάει ο Μωάμεθ στο βουνό ας έλθει το βουνό στον Μωάμεθ! Θα χρησιμοποιήσουμε την κάμψη που προκαλεί στο φως η διάθλαση, καθώς και άλλα οπτικά φαινόμενα, για να προσομοιώσουμε την επίδραση των ουρανίων σωμάτων στην τροχιά του φωτός. Τα τελευταία χρόνια η μελέτη τέτοιων προβλημάτων βρίσκεται σε άνθηση. Οι πολύπλοκες μαθηματικές σχέσεις της ΓΘΣ, για την μελέτη της επίδρασης των βαρυτικών πεδίων στην τροχιά του φωτός, έχουν κοινή μαθηματική δομή με τις εξισώσεις που περιγράφουν την κίνηση του φωτός μέσα σε οπτικά υλικά. Ένα τέτοιο πρόβλημα, που έχει γίνει προσπάθεια να μελετηθεί σε συστήματα παγιδευμένων ατόμων, είναι η επίδραση που έχει μια μαύρη τρύπα στην τροχιά του φωτός.

    ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΗ

    Με μια πρώτη ματιά η σχέση της ΓΘΣ με την Oπτική μπορεί να φανεί παράδοξη. Αυτό συμβαίνει επειδή έχουμε συνηθίσει να συνδέουμε αυτή τη σπουδαία φυσική θεωρία με προβλήματα βαρύτητας και κοσμολογίας. Η κατάσταση άλλαξε με την έλευση της Οπτικής Μετασχηματισμών (Transformation Optics) (Chen et al, 2010). Αυτό το πεδίο της φυσικής έχει αξιοποιήσει ιδέες που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της ΓΘΣ για την κατασκευή αγώγιμων υλικών που είναι μη ανιχνεύσιμα από στατικά ηλεκτρικά πεδία (Greenleaf et al,  2003). Οι ιδέες αυτές άνοιξαν το δρόμο για την κατασκευή αόρατων διατάξεων (Leonhardt, 2006). Όμως η ιστορία αυτή έχει βαθύτερες ρίζες στο χρόνο.

    To 1818 o A.-J. Fresnel διατύπωσε την ορθή άποψη, χρησιμοποιώντας ωστόσο τη θεωρία του αιθέρα, πως ένα κινούμενο μέσο θα παρασύρει μαζί του το φως όπως ο άνεμος τα φύλλα ενός δέντρου (Fresnel, 1818). Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε το 1851 από τον Η. Fizeau (Fizeau, 1851). Τέσσερις δεκαετίες αργότερα, το 1895, ο Η. Α. Lorentz μελέτησε ένα παρόμοιο φαινόμενο, που προέρχεται από την οπτική διασπορά[1] του φωτός (Lorentz, 1895). Οι προβλέψεις του Η. Α. Lorentz επαληθεύτηκαν, στη συνέχεια, πειραματικά από τον P. Zeeman (Zeeman, 1914).  To 1923 o W. Gordon παρατήρησε ότι η κίνηση ισότροπων σωμάτων μέσα σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία ισοδυναμεί με κίνηση μέσα σε συγκεκριμένες  χωροχρονικές γεωμετρίες (Gordon, 1923). Ένα χρόνο αργότερα, το 1924, ο Ι. Υ. Tamm, αφού γενίκευσε αυτές τις θεωρίες, τις εφάρμοσε για να μελετήσει την διάδοση του φωτός σε μη επίπεδες γεωμετρίες (Tamm, 1924). Οι E. Bortolotti και S. M. Rytov απέδειξαν ότι αυτές οι γεωμετρίες έχουν μη Ευκλείδιο χαρακτήρα (Rytov, 1938). Το 1960 ο J. Plebanski θεμελείωσε τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα μέσα στον καμπύλο χωροχρόνο και το 1961 ο L. S. Dolin δημοσίευσε μια προδρομική εργασία πάνω στην οπτική μετασχηματισμών (Plebanski, 1960; Dolin, 1961). Το 1972 υπήρξε μια κομβική χρονιά καθώς ο W. Unruh, σε ένα σεμινάριο στην Οξφόρδη, επινόησε ένα απλό ανάλογο για τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. Σε αυτό το θέμα θα αναφερθούμε αναλυτικά στην επόμενη ενότητα. Τέλος, το 1999 αποδείχτηκε πως ένα κινούμενο διηλεκτρικό υλικό δρα στο φως όπως ένα βαρυτικό πεδίο και μάλιστα είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί το εν λόγω φαινόμενο για να κατασκευαστούν προσομοιώσεις αστρονομικών φαινομένων σε ένα εργαστήριο φυσικής (Leonhardt, 1999). Αντίστοιχα φαινόμενα εμφανίζονται στη συμπεριφορά των ηχητικών κυμάτων σε κινούμενα ρευστά. Στην περίπτωση αυτή τα ηχητικά κύματα υπόκεινται σε μια χωροχρονική γεωμετρία που εξαρτάται από τη μορφή της ροής και την τοπική ταχύτητα του ήχου (White,  1973; Unruh, 1981).

    ‘Ετος Επίτευγμα
    1818 Ο  A.-J. Fresnel διατύπωσε την ορθή άποψη, χρησιμοποιώντας ωστόσο τη θεωρία του αιθέρα, πως ένα κινούμενο μέσο θα παρασύρει μαζί του το φως όπως ο άνεμος τα φύλλα ενός δέντρου.
    1851 Ο Η. Fizeau παρατηρεί το φαινόμενο που είχε προβλέψει ο Fresnel.
    1895 Ο Η. Α. Lorentz προβλέπει θεωρητικά ένα παρόμοιο φαινόμενο που οφείλεται στη διασπορά του φωτός.
    1915 Ο P. Zeeman επαληθεύει πειραματικά την πρόβλεψη του Lorentz.
    1923 Ο W. Gordon παρατήρησε ότι η κίνηση ισότροπων σωμάτων μέσα σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία ισοδυναμεί με κίνηση μέσα σε συγκεκριμένες  χωροχρονικές γεωμετρίες.
    1924 Ο Ι. Υ. Tamm, αφού γενίκευσε αυτές τις θεωρίες, τις εφάρμοσε για να μελετήσει την διάδοση του φωτός σε μη επίπεδες γεωμετρίες.
    1928 & 1936 Οι E. Bortolotti και S. M. Rytov απέδειξαν ότι αυτές οι γεωμετρίες έχουν μη Ευκλείδιο χαρακτήρα
    1960 Ο J. Plebanski θεμελίωσε τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα μέσα στον καμπύλο χωροχρόνο και το
    1961 Ο L. S. Dolin δημοσίευσε μια προδρομική εργασία πάνω στην οπτική μετασχηματισμών
    1972 Ο W. Unruh, σε ένα σεμινάριο στην Οξφόρδη, επινόησε ένα απλό ανάλογο για τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας.
    1999 Αποδείχτηκε από τον U. Leonhardt πως ένα κινούμενο διηλεκτρικό υλικό δρα στο φως ως ένα βαρυτικό πεδίο και μάλιστα είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί το εν λόγω φαινόμενο για να κατασκευαστούν προσομοιώσεις αστρονομικών φαινομένων σε ένα εργαστήριο φυσικής

    ΟΙ ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΑΥΡΕΣ ΤΡΥΠΕΣ

    Μια μαύρη τρύπα χαρακτηρίζεται από έναν ορίζοντα γεγονότων. Πρόκειται για μια επιφάνεια όπου κάθε τι εντός της, ακόμη και το φως, δεν μπορεί να διαφύγει εξαιτίας του ισχυρού βαρυτικού πεδίου. Το 1981 ο W. Unruh υπέδειξε για πρώτη φορά μια πολύ απλή αναλογία για τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. Η πρότασή του άνοιξε στην κυριολεξία το δρόμο για όλες τις μετέπειτα πειραματικές προσπάθειες προσομοίωσης μιας μαύρης τρύπας.

    Η ιδέα έχει ως εξής: φανταστείτε έναν άνθρωπο να κωπηλατεί μια μικρή βάρκα ενάντια στο ρεύμα ενός καταράκτη, που αναπαριστά μια μαύρη τρύπα (Eικ.3). Πέρα από ένα συγκεκριμένο σημείο, κοντά στον καταράκτη, το ρεύμα γίνεται τόσο ισχυρό ώστε ο κωπηλάτης δεν μπορεί να προσδώσει αρκετή ταχύτητα στη βάρκα και να δραπετεύσει από τον καταράκτη. Το σημείο αυτό αντιστοιχεί στον ορίζοντα γεγονότων. Στο ίδιο πνεύμα, στη συνέχεια, ο Unruh θεώρησε την περίπτωση όπου τα κύματα της θάλασσας κατευθύνονται προς το δέλτα ενός ποταμού (Εικ.4). Επειδή, όσο ανεβαίνουμε προς το ποτάμι, το ρεύμα γίνεται πολύ ισχυρό, τα κύματα μπορούν να φτάσουν μέχρι ενός σημείου. Υπό αυτήν την έννοια ο ποταμός είναι μια «λευκή» τρύπα, το αντίθετο μιας μαύρης τρύπας, όπου τίποτα δεν μπορεί να εισέλθει. Η λευκή τρύπα είναι μια υποθετική περιοχή του χωροχρόνου στην οποία δεν μπορεί να εισέλθει τίποτα ενώ μαζικά σωμάτια και φως μπορούν να διαφύγουν.Εικόνα 3: Πέρα από ένα συγκεκριμένο σημείο, κοντά στον καταράκτη, το ρεύμα γίνεται τόσο ισχυρό – όπως ένας ορίζοντας γεγονότων – ώστε ο κωπηλάτης δεν μπορεί να προσδώσει αρκετή ταχύτητα στη βάρκα και να δραπετεύσει από τον καταράκτη. Ο ποταμός συμπεριφέρεται ως μια μαύρη τρύπα.Εικόνα 4: Τα κύματα της θάλασσας κατευθύνονται προς το δέλτα ενός ποταμού και μαζί τους και η βάρκα. Επειδή το ρεύμα γίνεται πολύ ισχυρό όσο ανεβαίνουμε προς το ποτάμι, τα κύματα και η βάρκα μπορούν να φτάσουν μέχρι ενός σημείου. Ο ποταμός συμπεριφέρεται σαν μια λευκή τρύπα.Ακολουθώντας το πνεύμα του παραδείγματος του W. Unruh, ο U. Leonhardt και ο συνεργάτης του P. Piwnicki υπέδειξαν έναν τρόπο να κατασκευαστούν οπτικές μαύρες τρύπες από τις οποίες είναι αδύνατον να ξεφύγει το φως (Leonhardt & Piwnicki, 1999). Αυτές οι διατάξεις, σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των ερευνητών, θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα πειραματικό πεδίο για την κβαντική βαρύτητα, την προσπάθεια, δηλαδή, να παντρέψουμε την κβαντική μηχανική με την ΓΘΣ. Πρόκειται για ένα πρόβλημα που ταλανίζει την φυσική για δεκαετίες και το οποίο σχετίζεται άμεσα με την μεγάλη ενοποίηση όλων των δυνάμεων της φύσης. Οι μαύρες τρύπες απορροφούν το φως χάρις το πανίσχυρο βαρυτικό τους πεδίο. Σύμφωνα με τη ΓΘΣ, κάθε αντικείμενο με μάζα παραμορφώνει το χωροχρόνο κατά τέτοιο τρόπο, ώστε, κάθε τι που περνά από την γειτονιά του έλκεται προς το κέντρο της παραμόρφωσης, όπως ένα μπαλάκι του γκολφ όταν περνά από το χείλος μιας τρύπας. Το φως είναι η ταχύτερη οντότητα στο σύμπαν με ταχύτητα, στο κενό, ίση περίπου με 300,000 km/s. Συνεπώς, ακόμη και για μια μαύρη τρύπα, η σύλληψή του είναι μια αρκετά δύσκολη υπόθεση. Πως θα μπορούσε να γίνει κάτι τέτοιο στο εργαστήριο; Οι Leonhardt και Piwnicki σκέφθηκαν πως για να μπορέσουμε να συλλάβουμε το φως, θα έπρεπε πρώτα να το φρενάρουμε! Όπως είναι γνωστό, η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή στο κενό αλλά μεταβάλλεται όταν αυτό αναγκαστεί να ταξιδέψει μέσα σε ένα διαφανές υλικό μέσο (π.χ. νερό, γυαλί)[2]. Το 1999 η ομάδα της ερευνήτριας L. Hau, στο Rowland Institute of Science της Μασαχουσέτης και στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, κατόρθωσε να ελαττώσει την ταχύτητα του φωτός στο απίστευτο μέγεθος των 17 m/s. Αυτό έγινε δυνατόν όταν ανάγκασαν το φως να περάσει μέσα από μια ποσότητα από άτομα ρουβιδίου σε αέρια φάση, που είχαν προετοιμαστεί σε μια ειδική κατάσταση από πρόσθετες δέσμες λέιζερ (Hau et al, 1999). Λίγο αργότερα επιτεύχθηκε η επιβράδυνση του φωτός στα 0,5 m/s όταν αυτό πέρασε μέσα από ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein (Hau, 2001).

    Πως όμως μπορεί να επιβραδυνθεί το φως σε ένα κβαντικό αέριο; Τη λύση έχει δώσει η κβαντική μηχανική και ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια (electromagnetic induced transparency) (McCall & Hahn, 1969; Kocharovskaya & Khanin, 1986). Στην κβαντομηχανική όταν ένα φαινόμενο μπορεί να γίνει εφικτό μέσω δύο διαφορετικών ενδεχομένων αυτά μπορεί να συμβάλλουν ενισχυτικά ή καταστροφικά με τελικό αποτέλεσμα την μεγιστοποίηση ή το μηδενισμό της πιθανότητας εμφάνισης του φαινομένου αντίστοιχα. Ας δούμε μια τέτοια περίπτωση στο σχήμα της Εικ. 5. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρεθεί σε μια ανώτερη ενεργειακή στάθμη |3>  ξεκινώντας από την κατάσταση |1> με τη βοήθεια μιας δέσμης λέιζερ συχνότητας fp. Με τον ίδιο τρόπο μπορεί να βρεθεί στην κατάσταση |3> ξεκινώντας από μια άλλη κατάσταση |2> με τη βοήθεια μιας ασθενούς δέσμης λέιζερ συχνότητας fc. Η ασθενής αυτή δέσμη χρησιμοποιείται ουσιαστικά ως μια δέσμη ελέγχου. Όπως ήδη αναφέραμε, η κβαντική μηχανική προβλέπει πως τα δύο διαφορετικά ενδεχόμενα μέσω των οποίων μπορεί να βρεθεί το ηλεκτρόνιο στην ανώτερη ενεργειακά κατάσταση μπορεί να συμβάλλουν ενισχυτικά (οπότε μεγιστοποιείται η πιθανότητα το ηλεκτρόνιο να βρεθεί στην ανώτερη κατάσταση) ή καταστροφικά οπότε η άνοδος του ηλεκτρόνιου μπλοκάρεται και αυτό παραμένει στις χαμηλώτερες καταστάσεις. Ρυθμίζοντας κατά βούληση τη συχνότητα και την ένταση της ασθενούς δέσμης λέιζερ μπορούμε να επιτύχουμε οποιαδήποτε από τις δύο καταστάσεις ή κάποια ενδιάμεση όπου το ηλεκτρόνιο διεγείρεται μερικώς και μπορεί να βρεθεί ταυτόχρονα τόσο στην ανάωτερη κατάσταση όσο και στις δύο χαμηλώτερες (η κβαντική τα επιτρέπει αυτά…).Εικόνα 5: Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρεθεί σε μια ανώτερη ενεργειακή στάθμη |3> ξεκινώντας από την κατάσταση |1> με τη βοήθεια μιας δέσμης λέιζερ συχνότητας fp. Με τον ίδιο τρόπο μπορεί να βρεθεί στην κατάσταση |3> ξεκινώντας από μια άλλη κατάσταση |2> με τη βοήθεια μιας ασθενούς δέσμης λέιζερ συχνότητας fc. Η κβαντική μηχανική προβλέπει πως τα δύο διαφορετικά ενδεχόμενα μέσω των οποίων μπορεί να βρεθεί το ηλεκτρόνιο στην ανώτερη ενεργειακά κατάσταση μπορεί να συμβάλλουν ενισχυτικά (οπότε μεγιστοποιείται η πιθανότητα το ηλεκτρόνιο να βρεθεί στην ανώτερη κατάσταση) ή καταστροφικά οπότε η άνοδος του ηλεκτρόνιου μπλοκάρεται και αυτή παραμένει στις χαμηλώτερες καταστάσεις. Στη βιβλιογραφία το παραπάνω σχήμα είναι γνωστό ως «σχηματισμός-Λ» (Λ-configuration).Όταν το ηλεκτρόνιο βρεθεί στην ανώτερη κατάσταση έχει απορροφήσει ουσιαστικά ενέργεια από την βασική δέσμη λέιζερ. Άρα η δέσμη αυτή ουσιαστικά συμπεριφέρερται σαν να έχει ταξιδέψει μέσα σε ένα υλικό με κάποιο δείχτη διάθλασης. Όταν το ηλεκτρόνιο εγκλωβίζεται στις χαμηλές καταστάσεις τότε ουσιαστικά δεν μπορεί να απορροφήσει ενέργεια από τη δέσμη λέιζερ η οποία συνεχίζει την πορεία της απρόσκοπτα σαν να ταξιδεύει στο κενό. Το παραπάνω σύστημα είναι στην ουσία ένα υλικό όπου ο δείχτης διάθλασής του, ως προς την κύρια δέσμη, μπορεί να μεταβληθεί κατά βούληση.

    ‘Όπως έχουν υποδείξει οι Leonhardt και Piwnicki, όταν ένα μέσο, όπως ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein, που επιβραδύνει το φως μετακινηθεί, τότε μπορεί να παρασύρει το φως μαζί του. Το φως έχοντας να αντιμετωπίσει ένα γρήγορο «άνεμο» προς τα εμπρός, θα υστερήσει και θα μείνει πίσω. Οι δύο επιστήμονες πιστεύουν ότι αν κατασκεύαζαν έναν περιστρεφόμενο στρόβιλο σε ένα μέσο, σαν αυτά που χρησιμοποίησε η Len Hau, αυτός θα “κατάπινε” το φως. Πράγματι, τα πιο συγγενή πράγματα προς τις μαύρες τρύπες που έχουμε στη Γη είναι οι στρόβιλοι. Οι τυφώνες, για παράδειγμα, ρουφούν δέντρα, στέγες και φορτηγά. Η δύναμή τους προέρχεται από την χαμηλή πίεση στο κέντρο του στροβίλου σε σχέση με την πίεση στην περιφέρεια του. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς των δύο επιστημόνων ένας στρόβιλος μπορεί να ασκήσει μιαν ανάλογη επίδραση στο φως. Εάν ο στρόβιλος περιστρέφεται πολύ πιο γρήγορα από ότι μπορεί να κινηθεί το φως, κάθε ακτίνα που περνά πολύ κοντά από το κέντρο του θα συλληφθεί και θα συρθεί προς αυτό. To φως, τελικά, θα απορροφηθεί από το στρόβιλο. Οπότε, ακριβώς όπως στην περίπτωση μιας πραγματικής μαύρης τρύπας, ο στρόβιλος έχει έναν ορίζοντα γεγονότων πέρα από τον οποίο η απόδραση του φωτός είναι αδύνατη.

    ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ HAWKING ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

    Ο U. Leonhardt υποστηρίζει πως σε μια οπτική μαύρη τρύπα το φως συμπεριφέρεται σαν να βρίσκεται εντός ενός πολύ ισχυρού βαρυτικού πεδίου. Το φως, όταν βρεθεί μέσα στο περιστρεφόμενο αέριο μιας οπτικής μαύρης τρύπας, κινείται εντός ενός καμπύλου χωροχρόνου και αυτό το γεγονός μπορεί να αξιοποιηθεί για να ελεγχθούν, σε πρώτη φάση, προβλέψεις που αφορούν σε κβαντικά φαινόμενα  που εκδηλώνονται σε ισχυρά βαρυτικά πεδία (Drori et al, 2019). Η πιο διάσημη από αυτές διατυπώθηκε το 1975 όταν ο S. Hawking απέδειξε ότι οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν (Hawking, 1975). Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου, σε μια μαύρη τρύπα, ζεύγη στοιχειωδών σωματιδίων αναδύονται από το κενό και στην συνέχεια ανασυνδυάζονται και εξαφανίζονται. Αυτά τα «εν δυνάμει» σωματίδια δεν μπορούν να επιβιώσουν για πολύ χρόνο. Εάν, όμως, το ζεύγος σωματιδίων τύχει να γεννηθεί μόλις πάνω από τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, η βαρύτητα μπορεί να διαχωρίσει το ζεύγος σωματιδίων. Ένα από τα δύο σωμάτια πέφτει στην τρύπα ενώ το άλλο “κερδίζει” κάποια ενέργεια και διαφεύγει. Αυτά τα διαφυγόντα σωματίδια συνιστούν την περίφημη ακτινοβολία Hawking, η οποία δεν έχει καταγραφεί πειραματικά μέχρι σήμερα σε αστροφυσικό περιβάλλον (Εικ.6).Εικόνα 6: Η γένεση της ακτινοβολίας Hawking. Σε μια μαύρη τρύπα, ζεύγη στοιχειωδών σωματιδίων αναδύονται από το κενό και στην συνέχεια ανασυνδυάζονται και εξαφανίζονται. Εάν το ζεύγος σωματιδίων τύχει να γεννηθεί μόλις πάνω από τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, η βαρύτητα μπορεί να το διασπάσει. Ένα από τα δύο σωμάτια πέφτει στην τρύπα ενώ το άλλο “κερδίζει” κάποια ενέργεια και διαφεύγει. Αυτά τα διαφυγόντα σωματίδια συνιστούν την περίφημη ακτινοβολία Hawking.Το όλο θέμα έχεις και άλλες, ακόμη πιο εξωτικές, προεκτάσεις. Μια από τις πιο παράδοξες προβλέψεις για τις μαύρες τρύπες είναι η δυνατότητα παραγωγής ακτινοβολίας λέιζερ από αυτές (Corley & Jacobson, 1999). Στην κοσμολογία προβλέπεται πως κάτι τέτοιο μπορεί να συμβεί στην περίπτωση που η μαύρη τρύπα είτε περιστρέφεται είτε φέρει ηλεκτρικό φορτίο. Μια τέτοια μαύρη τρύπα χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη δύο οριζόντων γεγονότων, έναν εσωτερικό και έναν εξωτερικό, οι οποίοι διαμορφώνουν μια γιγάντια οπτική κοιλότητα (Εικ.7).  Τα φωτόνια που πέφτουν στη μαύρη τρύπα φτάνουν στον εσωτερικό ορίζοντα. O ορίζοντας αυτός είναι ένας ορίζοντας μιας λευκής τρύπας που ανακλά τα πάντα προς τον εξωτερικό ορίζοντα γεγονότων. Αυτές οι ανακλάσεις οδηγούν στο σχηματισμό ενός στάσιμου κύματος. Κατά τη διάρκεια αυτών των ανακλάσεων η ενέργειά των φωτονίων ελλατώνεται καθώς ένα μέρος αυτής θα εκπέμπεται εκτός του ορίζοντα γεγονότων, με τη μορφή φωτός, σε μια κοινή συχνότητα και με συνεχώς αυξανόμενη ένταση, σχηματίζοντας μια δέσμη λέιζερ. Είναι ενδιαφέρον πως η ενίσχυση αφορά όχι μόνο φωτόνια αλλά εν γένει κάθε μποζονικό σωματίδιο ενώ στην περίπτωση φερμιονίων το φαινόμενο αντιστρέφεται και έχουμε εξασθένηση της ακτινοβολίας Hawking.Εικόνα 7: Μια μαύρη με δύο οριζόντες γεγονότων, έναν εσωτερικό και έναν εξωτερικό, οι οποίοι διαμορφώνουν μια γιγάντια οπτική κοιλότητα. Τα φωτόνια που πέφτουν στη μαύρη τρύπα φτάνοντας στον εσωτερικό ορίζοντα ανακλώνται προς τον εξωτερικό ορίζοντα γεγονότων. Αυτές οι ανακλάσεις οδηγούν στο σχηματισμό ενός στάσιμου κύματος. Κατά τη διάρκεια αυτών των ανακλάσεων η ενέργειά των φωτονίων ελλατώνεται καθώς ένα μέρος αυτής θα εκπέμπεται εκτός του ορίζοντα γεγονότων, με τη μορφή φωτός, σε μια κοινή συχνότητα και με συνεχώς αυξανόμενη ένταση, σχηματίζοντας μια δέσμη λέιζερ.Η προσομοίωση αυτού του φαινόμενου έχει γίνει με τη βοήθεια ενός συμπυκνώματος Bose-Einstein από τον J. Steinhauer στο Πολυτεχνείο Technion στο Ισραήλ και θα μπορούσε να προσφέρει ισχυρά αποδεικτικά στοιχεία για την ύπαρξη της ακτινοβολίας Hawking (Steinhauer, 2014). Το σύστημα λειτούργησε για την ενίσχυση ηχητικών κυμάτων και όχι φωτός και παρόλο που δεν συνιστά μια πραγματική βαρυτική μαύρη τρύπα, το πείραμα, εντούτοις, παρείχε ισχυρές ενδείξεις πως ο μηχανισμός Hawking λειτουργεί, ενδεικτικό του είδους των πληροφοριών που μπορεί να αποκομίσει κανείς από μικρής κλίμακας προσομειώσεις βαρυτικών φαινομένων χρησιμοποιώντας μεθόδους της οπτικής ή της ακουστο-οπτικής. Αξίζει να σημειωθεί πως πρόσφατα ένας ερευνητής, ο H. Katayama, κατόρθωσε να προσομοιώσει αυτό το φαινόμενο με τη βοήθεια ενός σολιτονίου (soliton) που αναπτύχθηκε σε ένα υπεραγώγιμο ηλεκτρικό κύκλωμα (Katayama, 2021).

    ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

    Ιδιαίτερα εντυπωσιακό είναι το γεγονός πως τα κβαντικά αέρια μπορούν να αξιοποιηθούν ως πλατφόρμες προσομοίωσης φαινομένων κοσμικής κλίμακας όπως η ίδια η δημιουργία του Σύμπαντος. Δεδομένου ότι κάθε φορά που οι επιστήμονες παρατηρούν τον ουρανό βλέπουν πίσω στο παρελθόν αναρωτιέται κάποιος γιατί χρειάζεται να καταφύγουμε σε προσομοιώσεις για τη διερεύνηση κοσμολογικών φαινομένων. Η απάντηση βρίσκεται στο γεγονός πως υπάρχει ένα όριο στο παρελθόν πέρα από το οποίο δεν μπορούμε να διεισδύσουμε. Σύμφωνα με την εκδοχή της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang Theory) οι πρώτες «στιγμές» (κάπου 380.000 χρόνια!) μετά την έκρηξη, που είναι στην κυριολεξία πολύ κρίσιμες για την μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος, καλύπτονται από ένα πέπλο μυστηρίου. Κατά την περίοδο αυτή ο συμπαντικός χώρος εικάζεται πως ήταν γεμάτος από πυκνό πλάσμα το οποίο είναι μη διαπερατό στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με αποτέλεσμα αυτή να μην κατορθώσει να ταξιδέψει στο χωροχρόνο και να φτάσει σήμερα στα όργανα παρατήρησης που διαθέτουμε. Μια προσπάθεια να φωτιστεί αυτή η αρχική περίοδος έχει γίνει στα πλαίσια της Θεωρίας του Πληθωρισμού (Inflation Theory), η οποία προτείνει ότι ο χώρος στην αρχή επεκτάθηκε ταχύτατα (σε χρόνο 10-30 s το μέγεθος του Σύμπαντος διπλασιάστηκε εκατό φορές!) για να ακολουθήσει μια δραματική επιβράδυνση. Αλλά δεν είναι γνωστό με βεβαιότητα εάν η θεωρία είναι σωστή, και ακόμα κι αν είναι, πολλές λεπτομέρειες μένουν να διερευνηθούν. Οι κοσμολόγοι δεν μπορούν να ταξιδέψουν, μέσω παρατηρήσεων, τόσο πίσω στο χρόνο ώστε έχουν μια εικόνα του τι συνέβη κατά την εποχή του πληθωρισμού. Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να καταφύγουμε στην προσομοίωση του φαινομένου και εδώ τα κβαντικά αέρια έχουν αφήσει πολλές υποσχέσεις.

    Πριν λίγα χρόνια η ερευνητική ομάδα του G. Campbell, στο Πανεπιστήμιο του Maryland στις ΗΠΑ, έδειξε πως η ταχύτατη διαστολή ενός παγιδευμένου συμπυκνώματος Bose-Einstein παρουσιάζει παρόμοια χαρακτηριστικά με ένα διαστελλόμενο σύμπαν (Eckel, 2018). Η ομάδα αυτή κατόρθωσε να παγιδεύσει ένα τέτοιο συμπύκνωμα από εκατοντάδες άτομα σε μια δαχτυλιοειδή παγίδα της οποίας η ακτίνα τετραπλασιάστηκε μέσα σε μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Τα αποτελέσματα του πειράματος έδειξαν μια αξιοσημείωτη αναλογία ανάμεσα στη δυναμική του διαστελλόμενου συμπυκνώματος και αυτήν ενός διαστελλόμενου σύμπαντος.

    Μόλις το 2022 η ερευνητική ομάδα του M. Oberthaller, στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης, έκανε ένα σημαντικό βήμα στην προσομοίωση της διαστολής του Σύμπαντος κατασκευάζοντας μια πειραματική πλατφόρμα στην οποία μπορεί να διερευνηθεί αυτή η κατάσταση, σε ένα κβαντικό αέριο από άτομα καλίου το οποίο προσομοίωνε το σύμπαν. Η πυκνότητα του, μάλιστα, σχετίζεται με την καμπυλότητα του σύμπαντος. Το νέο ποιοτικό στοιχείο που έφερε αυτό το πείραμα ήταν πως αντί οι ερευνητές να αφήσουν το κβαντικό αέριο να διασταλεί στο χώρο και το χρόνο προσομοίωσαν μια κατάσταση διαστολής ενώ τα άτομα παρέμεναν στη θέση τους. Πως έγινε κάτι τέτοιο εφικτό; Με μια απλή σκέψη: τα μέρη ενός συστήματος που διαστέλλεται αλληλεπιδρούν με δυνάμεις που διαρκώς εξασθενούν. Αν σε ένα κβαντικό αέριο εφαρμόσουμε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο του οποίου μεταβάλουμε την ένταση μπορούμε να ελαττώνουμε κατά βούληση τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων του αερίου και έτσι να προσομοιώσουμε μια κατάσταση διαστολής (Viermann et al, 2022). Για να επιτευχθεί πειραματικά αυτή η κατάσταση οι ερευνητές αξιοποίησαν ένα φαινόμενο της ατομικής φυσικής γνωστό ως συντονισμός Feshbach (Feshbach resonance). Τα αποτελέσματα του πειράματος αυτού είναι πάρα πολύ ενθαρρυντικά καθώς επιβεβαίωσαν μια σημαντική ιδιότητα που έχει ένα διαστελλόμενο σύμπαν. Πράγματι, μια απλή πρόβλεψη της κβαντικής θεωρίας πεδίου είναι πως σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν οι κβαντικές διακυμάνσεις οδηγούν στο σχηματισμό ζευγών σωματιδίων-αντισωματιδίων. Κάτι τέτοιο είναι αδύνατο σε ένα στατικό σύμπαν. Σε ένα διαστελλόμενο κβαντικό αέριο τα αντίστοιχα σωματίδια θα ήταν φωνόνια και αυτό ήταν ακριβώς που παρατήρησαν ο Oberthaller και οι συνεργάτες του. Οι τροχιές τους μάλιστα καθορίζονται από την καμπυλότητα του χωροχρόνου μέσα στον οποίο κινούνται. Μελετώντας αυτές τις τροχιές οι ερευνητές ήταν σε θέση να επιβεβαιώσουν ότι το προσομοιούμενο σύμπαν είχε την επιθυμητή καμπυλότητα. Παράλληλα οι ερευνητές προχώρησαν και σε προσομοίωση διαφορετικών τύπων διαστολής, με σταθερό, με επιβραδυνόμενο και με επιταχυνόμενο ρυθμό αντίστοιχα. Και στις τρεις περιπτώσεις μετά το πέρας της διαστολής το κβαντικό αέριο είχε κυριευθεί από ακουστικά κύματα παρόμοια με αυτά που κυριαρχούσαν στο Σύμπαν την εποχή του πλάσματος. Οι επιστήμονες πλέον έχουν θέσει επί τάπητος το φιλόδοξο σχέδιο να χρησιμοποιήσουν αυτού του είδους τις προσομοιώσεις ώστε να διερευνήσουν τη δυναμική του Σύμπαντος πριν την εποχή του πληθωρισμού.

    Τέλος αξίζει να αναφέρουμε και την αξιοποίηση των οπτικών κρυστάλλων ατόμων σε προσομοιώσεις της μεταβολής της κβαντικής φάσης που εικάζεται πως συνέβη στα πρώτα στάδια του σύμπαντος. Η πιο πρόσφατη προσπάθεια σε αυτή την κατεύθυνση έγινε από τον Bo Song και τους συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Cambridge οι οποίοι αξιοποίησαν παγιδευμένα άτομα σε οπτικά πλέγματα και παρατήρησαν για πρώτη φορά ασυνεχείς μεταβάσεις από καταστάσεις μονωτή Mott σε μια υπερρευστη κατάσταση υψηλότερης ενέργειας στην οποία τα άτομα μπορούν να μετακινηθούν ελεύθερα μεταξύ διαφορετικών τοποθεσιών μέσα στο πλέγμα (Song et al, 2022). Οι ασυνεχείς μεταβάσεις φάσεως έχουν σχέση με τις μεταβολές φάσεως στην αρχή δημιουργίας του Σύμπαντος. Στο εν λόγω πείραμα επιτεύχθηκαν με διαταραχή του οπτικού κρύσταλλου.

    ΕΠΙΛΟΓΟΣ

    Τα κβαντικά αέρια φαίνεται να αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα προσομοίωσης κοσμολογικών φαινομένων μεγάλης κλίμακας. Με τη βοήθειά τους οι ερευνητές προσπαθούν να ρίξουν φως σε δυσεπίλυτα ερωτήματα που αφορούν στη δυναμική αυτών των φαινομένων. Αρκετοί από αυτούς θεωρούν πως όλη αυτή η ερευνητική προσπάθεια μπορεί να συμβάλλει καθοριστικά σε έναν άλλο, διακαή, πόθο της φυσικής: την ενοποίηση της κβαντομηχανικής με τη βαρύτητα. Εν κατακλείδι, θα πρέπει να σημειωθεί πως τα κβαντικά αέρια δεν συνιστούν τα μόνα φυσικά συστήματα στα οποία επιχειρούνται προσομοιώσεις κοσμολογικών φαινομένων (Novello et al, 2002).

    ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Ευχαριστούμε τον Απόστολο Κυριαζή για την ευγενική παραχώρηση της κεντρικής φωτογραφίας του άρθρου. Οι Εικόνες 3 και 4 αποτελούν καλλιτεχνική προσαρμογή εικόνων από το σύνδεσμο από το άρθρο https://skullsinthestars.com/2008/03/12/making-optical-blackholes-in-a-laboratory/. Η προσαρμογή έγινε από τον ζωγράφο Παναγιώτη (Τάκη) Βαρελά, μέλος του ΔΣ του Εθνικού Μουσείου Σύγχρονης Τέχνης (ως εκπρόσωπος του Επιμελητήριου Εικαστικών Τεχνών Ελλάδας) για την έκδοση του βιβλίου Taming Atoms: The Renaissance of Atomic Physics, (Lembessis, 2020).[1] Δηλαδή την εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από τη συχνότητα του φωτός.

    [2] Στο νερό για παράδειγμα η ταχύτητά του είναι 225,000 km/s.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Chen, Η., Chan, C., T., and P. Sheng, 2010. Transformation optics and metamaterials. Nature Materials 9, 387-396. DOI: 10.1038/nmat2743

    Corley, S., and Jacobson, T., 1999. Black hole lasers. Phys. Rev. D. 124011. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.59.124011

    Dolin, L., S., 1961. To the possibility of comparison of three-dimensional electromagnetic systems with nonuniform anisotropic filling. Izvestiya Vuzov. Radiophizika 4, 964-967. https://www.math.utah.edu/~milton/DolinTrans2.pdf

    Drori, J., Rosenberg, Y., Bermudez, D.,  Silberberg, Y., and Leonhardt, U., 2019. Observation of Stimulated Hawking Radiation in an Optical Analogue. Phys. Rev. Lett. 122, 010404. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.010404

    Eckel, S., Kumar, A., Jacobson, T., Spielman, I., B., and Campbell, G., K., 2018. A Rapidly Expanding Bose-Einstein Condensate: An Expanding Universe in the Lab. Phys. Rev. X 8, 021021. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021021

    Euvé, L.-P., Michel, F., Parentani, R., Philbin, T., G., and Rousseaux, G., 2016. Observation of Noise Correlated by the Hawking Effect in a Water Tank. Phys. Rev. Lett. 117, 121301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.121301

    Greenleaf, A., Lassas, M., and Uhlmann, G., 2003. Anisotropic conductivities that cannot be detected by EIT. Physiol. Meas. 24, 413-419. DOI: 10.1088/0967-3334/24/2/353

    H. Fizeau, H., 1851. Sur les hypotheses relatives a l’ether lumineux, et sur une experience qui parait demontrer que le mouvement des corps change la vitesse avec laquelle la lumiere se propage dans leur interieur. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences 33, 349-355. https://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Fizeau/Fizeau_pdf/CR1851_p349.pdf

    Fresnel, A., J., 1818. Lettre de M. Fresnel à M. Arago, sur l’ influence du movement terrestre dans quelques phénomènes d’ optique. Ann. Chim. Phys. 8, 57-66.

    Gordon, W., 1923. Zur Lichtfortpflanzung nach der Relativitätstheorie,” (For the propagation of light according to the Theory of Relativity). Ann. Phys. (Leipzig) 72, 421-456. http://www.neo-classical-physics.info/uploads/3/4/3/6/34363841/gordon_-_optical_metrics.pdf

    Hau, L., V., Harris, S., E., Dutton, Z., and Behroozi, C., H., 1999. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas. Nature 397, 594-598. https://doi.org/10.1038/17561

    Hau, L., V., 2001. Frozen Light. Scientific American, July Issue, 44-51. https://www.scientificamerican.com/article/frozen-light/

    Hawking, S., W., 1975. Particle creation by black holes. Commun.Math.Phys. 43, 199-220. https://doi.org/10.1007/BF02345020

    Katayama, H., 2021. Quantum-circuit black hole lasers. Scientific Reports, 11, 19137. https://doi.org/10.1038/s41598-021-98456-0

    Kocharovskaya, O., Khanin, Ya., I., 1986. Sov. Phys. JETP, 63, 945. http://jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_063_05_0945.pdf

    Lembessis, V. E., 2020. Taming Atoms: The Renaissance of Atomic Physics. Bellingham, Washington USA: SPIE. https://spie.org/Publications/Book/2563827?SSO=1

    Leonhardt, U., and Piwnicki, P., 1999. Relativistic Effects of Light in Moving Media with Extremely Low Group Velocity. Phys. Rev. Lett. 84, 822-825. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.822

    Leonhardt, U., and Philbin, T., G., 2006. General relativity in electrical engineering. New J. Phys. 8, 247-266. https://doi.org/10.1088/1367-2630/8/10/247

    Leonhardt, U., and Philbin, T., 2010. GEOMETRY AND LIGHT: THE SCIENCE OF INVISIBILITY. New York: Dover. https://store.doverpublications.com/0486476936.html

    Lorentz, H., A., 1895. Versuch einer Theorie der elektrischen und 
optischen Erscheinungen von bewegten Körpern (Attempt of a Theory of Electrical and Optical Phenomena
    in Moving Bodies). Leiden: Brill (1895), p.31. https://en.wikisource.org/wiki/Translation:Attempt_of_a_Theory_of_Electrical_and_Optical_Phenomena_in_Moving_Bodies

    McCall, S., L., and Hahn, E., L., 1969. Self-Induced Transparency. Phys. Rev. 183, 457. https://doi.org/10.1103/PhysRev.183.457

    Muñoz de Nova, J., R., Golubkov, K., Kolobov, V., I., and Steinhauer, J., 2019. Observation of thermal Hawking radiation and its temperature in an analogue black hole. Nature 569, 688–691. DOI: 10.1038/s41586-019-1241-0

    Novello, M., Visser, M., Volovik, G., 2002. Artificial Black Holes. Singapore: World Scientific Publishing. https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/4861#t=aboutBook

    Plebanski, J., 1960.  Electromagnetic Waves in Gravitational Fields. Phys. Rev. 118, 1396-1408. https://doi.org/10.1103/PhysRev.118.1396

    Rytov, S., M., 1938. On the transition between wave and geometric optics. Compt. Rend. (Doklady) Acad. Sci. USSR 18, 263-266.

    Song, B., Dutta, S., Bhave, S., Yu, Jr.-C., Carter, E., Cooper., N., and Schneider, U., 2022. Realizing discontinuous quantum phase transitions in a strongly correlated driven optical lattice. Nature Physics, 259-264. https://doi.org/10.1038/s41567-021-01476-w

    Steinhauer, J., 2014. Observation of self-amplifying Hawking radiation in an analogue black-hole laser. Nature Physics 10, 864-869. https://doi.org/10.1038/nphys3104

    Tamm, I., Y., 1924. The electrodynamics of anisotropic media in the special theory of relativity. J. Russ. Phys.-Chem. Soc. 56, 2-3, 248-262. http://neo-classical-physics.info/uploads/3/4/3/6/34363841/tamm_-_ed_of_anisotropic_media_1924.pdf

    Unruh, W., G., 1981. Experimental Black-Hole Evaporation? Phys. Rev. Lett. 46, 1351-1353. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.46.1351

    Viermann, C., Sparn, M., Liebster, N., Hans, M., Kath, E., Parra-López, A., Tolosa-Simeón, M., Sánchez-Kunz, N., Haas, T., Strobel, H., Floerchinger, S., and Oberthaler, M., K., 2022. Nature 611, 260-264. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05313-9

    White, R., 1973. Acoustic ray tracing in moving inhomogeneous fluids. J. Acoust. Soc. Amer. 53, 1700-1704. https://doi.org/10.1121/1.1913522

    Zeeman, P., 1914. Fresnel’s coefficient for light of different colours,” Proc. R. Acad. Amsterdam 17, 445-451. https://dwc.knaw.nl/DL/publications/PU00012688.pdf

  • Ρόμπερτ Οπενχάιμερ – ο θρίαμβος και η τραγωδία του

    Ρόμπερτ Οπενχάιμερ – ο θρίαμβος και η τραγωδία του

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΡΑΥΛΟΣ
    Bird Kai, Sherwin J. Martin

    Μετάφραση: Μαριλένα Κορωναίου
    Γλωσσική επιμέλεια μετάφρασης: Αναστάσιος Καφαντάρης
    Επιστημονική επιμέλεια μετάφρασης: Θεοφάνης Γραμμένος
    Τελική θεώρηση και έλεγχος κειμένων: Παναγιώτης Τραυλός

    ISBN: 978-960-6640-34-6
    Διαστάσεις: 17 Χ 26
    Αριθμός σελίδων: 868
    Τιμή: 34,48€

    Έτος έκδοσης: 2023Το εμβληματικό βιβλίο Οπενχάιμερ – ο Θρίαμβος και η Τραγωδία του άλλαξε τον τρόπο που γράφονται οι βιογραφίες.

    Στις 24/08/2023 άλλαξε και ο (κινηματογραφικός) κόσμος. Ήρθε το νέο έπος του Κρίστοφερ Νόλαν.

    Ο Κρίστοφερ Νόλαν υπογράφει το σενάριο της κινηματογραφικής ταινίας για τον Οπενχάιμερ που ήδη προβάλλεται και στη χώρα μας από τον Αύγουστο του 2023.

    Στον ρόλο του Οπενχάιμερ ο Κίλιαν Μέρφι και δίπλα του η Έμιλι Μπλαντ, ο Ματ Ντέιμον, ο Ράμι Μάλεκ, ο Ρόμπερτ Ντάουνι,…

    Το βραβευμένο με Πούλιτζερ βιβλίο «American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer», (Ελληνικός τίτλος: «Ο θρίαμβος και η τραγωδία του Ρόμπερτ Οπενχάιμερ», εκδοτικός οίκος ΤΡΑΥΛΟΣ), των συγγραφέων Κάι Μπερντ και Μάρτιν Σέργουιν, μεταφέρθηκε στη μεγάλη οθόνη από τον Κρίστοφερ Νόλαν.

    Ο Ρόμπερτ Οπενχάιμερ ήταν ένα αίνιγμα. Ένας θεωρητικός φυσικός με τις ιδιότητες ενός χαρισματικού ηγέτη, ένας εστέτ που χαρακτηριζόταν από την έντονη αμφισημία. Ήταν ο Προμηθέας της Αμερικής, ο «πατέρας της ατομικής βόμβας», που σε καιρό πολέμου βρήκε το μυστικό της αστείρευτης ενέργειας του Ήλιου, για χάρη της χώρας του. Όμως, όταν πάλεψε να μας κάνει να συνειδητοποιήσουμε τους τρομερούς κινδύνους της βόμβας, το κατεστημένο στράφηκε αμέσως εναντίον του. Η οδύνη και ο εξευτελισμός που υπέστη ο Οπενχάιμερ το 1954 -κατηγορούμενος ως επικίνδυνος για την εθνική ασφάλεια των Η.Π.Α.- δεν ήταν μια μεμονωμένη περίπτωση την εποχή του μακαρθισμού.

    Όμως, ο «Όπι» ως κατηγορούμενος ήταν ασύγκριτος. Γοητευτικός, μανιώδης καπνιστής, ψηλός και αδύνατος, γνώστης των αρχαίων ελληνικών, φίλος της γαλλικής και ρωσικής λογοτεχνίας, λάτρης της ποίησης και του γυναικείου φύλου: ένας εθνικός ήρωας, υπόδειγμα επιστήμονα-δημόσιου λειτουργού. Για τους φιλελεύθερους συμβόλιζε τον άνθρωπο που αποκάλυπτε το ανήθικο πρόσωπο της Δεξιάς. Για τους πολιτικούς του εχθρούς ήταν ένας κομουνιστής, ένας αποδεδειγμένος ψεύτης. Στην πραγματικότητα, ήταν ένας υπέροχος άνθρωπος, προσιτός αλλά και απόμακρος, ευφυής αλλά και αφελής, παθιασμένος υποστηρικτής της κοινωνικής δικαιοσύνης αλλά και ακούραστος κυβερνητικός σύμβουλος. Ήταν ένας λαμπρός άνδρας που βίωσε τόσο τον θρίαμβο όσο και την τραγωδία.

    Η ιστορία του Οπενχάιμερ υπενθυμίζει ότι η εθνική ταυτότητα των Η.Π.Α. παραμένει στενά συνδεδεμένη με τον πολιτισμό της πυρηνικής εποχής. Στην μετά την 11η Σεπτεμβρίου εποχή, αξίζει να θυμόμαστε ότι ο «πατέρας της ατομικής βόμβας» είχε προειδοποιήσει ότι επρόκειτο για ένα όπλο τρόμου δίχως διακρίσεις, που στα επόμενα χρόνια κατέστησε την Αμερική στόχο των πλέον ετερόκλητων επιθέσεων. Είναι ένα πολύτιμο έργο, τόσο για την κατανόηση του πρόσφατου παρελθόντος μας, όσο και για τις μελλοντικές επιλογές μας.

    Η έρευνα για τη συγγραφή αυτού του βιβλίου διήρκεσε 25 χρόνια. Πέρα από τη μεγάλη λογοτεχνική αξία του, και τη μοναδικότητά του ως μια ολοκληρωμένη βιογραφία, αποκάλυψε πολλά νέα στοιχεία για την Αμερική της Οικονομικής Ύφεσης, τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο καθώς και τον Ψυχρό Πόλεμο.
    Απέσπασε επαινετικά σχόλια από τον διεθνή Τύπο, και τιμήθηκε με το βραβείο Πούλιτζερ.

    «Η απόλυτη βιογραφία… διασταυρωμένες αλήθειες για το έργο μιας κυβέρνησης σε μια εποχή φόβου… ένας λογοτεχνικός άθλος. Αξίζει -και με το παραπάνω- η κάθε ώρα δουλειάς από τα 25 χρόνια έρευνας για τη συγγραφή αυτού του υπέροχου βιβλίου.» –Newsweek

    «Ένα συγκινητικό βιβλίο… η ζωή του Οπενχάιμερ με κάθε λεπτομέρεια, σε ένα ασυνήθιστα σαγηνευτικό ανάγνωσμα.» –TimeΟ Bird Kai  είναι ιστορικός, συγγραφέας και δημοσιογράφος. Ζει στην Ουάσινγκτον με την οικογένειά του.

    Ο Sherwin J. Martin είναι καθηγητής Αγγλικής και Αμερικανικής Ιστορίας στο Πανεπιστήμιο Tufts, και συγγραφέας αρκετών βραβευμένων βιβλίων αμερικανικής ιστορίας. Ζούσε με τη σύζυγό του στη Βοστόνη – απεβίωσε το 2021.

  • Kλασική και Κβαντική Σχετικιστική Θεωρία Πεδίου

    Kλασική και Κβαντική Σχετικιστική Θεωρία Πεδίου

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΡΟΠΗ
    Νίκος Ήργες, Γιώργος Κουτσούμπας, Νίκος Μαυρόματος

    ISBN: 978-618-5289-86-7
    Διαστάσεις: 21 Χ 29
    Αριθμός σελίδων: 634
    Τιμή: 40€ + 6% ΦΠΑ

    Έτος έκδοσης: 2023Η Σχετικιστική Κβαντική Θεωρία Πεδίου, που εξετάζεται σ’ αυτό το βιβλίο, είναι η βάση για την μελέτη των εξελίξεων στην Φυσική των Υψηλών Ενεργειών. Η έκθεση είναι σχετικά σύντομη, καθώς αυτό το πόνημα απευθύνεται σε αρχάριους μεταπτυχιακούς φοιτητές ή προχωρημένους προπτυχιακούς φοιτητές με βασικές γνώσεις Κβαντικής Μηχανικής, Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων, Θεωρίας Ομάδων και Ειδικής Σχετικότητας.

    Εξετάζονται τα βασικά στοιχεία των θεωριών κβαντικών πεδίων που σχετίζονται με καθεμία από τις αλληλεπιδράσεις που εισέρχονται στο Καθιερωμένο Πρότυπο των Στοιχειωδών Σωματιδίων και τα αυθόρμητα πρότυπα θραύσης της συμμετρίας, δηλαδή το κλασικό φαινόμενο Higgs, πρώτα στο απλούστερο πλαίσιο της Αβελιανής συμμετρίας της Βαθμωτής Ηλεκτροδυναμικής και κατόπιν για τις σχετικές για το Καθιερωμένο Πρότυπο, μη-Αβελιανές συμμετρίες.

    Η επόμενη μεγάλη ενότητα είναι η θεωρία της σκέδασης με παραδείγματα σε επίπεδο δέντρου. Ακολουθεί ο κβαντισμός των πεδίων μέσω των λεγόμενων ολοκληρωμάτων διαδρομής, οι βασικές έννοιες και οι προϋποθέσεις για ”επανακανονικοποιησιμότητα” των θεωριών, και επίσης τα βασικά στοιχεία της λεγόμενης “ομάδας επανακανονικοποίησης” και εξομάλυνσης μιας θεωρίας. Εκτός από τις διαταρακτικές μεθόδους γίνεται και μια σύντομη περιγραφή των θεωριών Yang-Mills σε χωροχρονικό πλέγμα αλλά και μέσω της ενεργής χορδής.

    Ακολουθούν επιλεγμένα προχωρημένα θέματα, όπως οι χειραλικές ανωμαλίες, η κβαντική γενίκευση του μηχανισμού Higgs, ο μηχανισμός των Coleman και Weinberg που αποτελεί μια κβαντικά δυναμική ερμηνεία του φαινομένου σπασίματος της συμμετρίας και οι κρίσιμοι εκθέτες από την οπτική γωνία της Κβαντικής Θεωρίας Πεδίου. Τέλος περιγράφονται σύντομα οι Σύμμορφες Θεωρίες Πεδίου, καθώς και ο φορμαλισμός θεωριών πεδίου σε πεπερασμένη θερμοκρασία και πραγματικό χρόνο.Ο Νίκος ‘Ηργες είναι Καθηγητής στον Τομέα Φυσικής της Σχολής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών (ΣΕΜΦΕ) του ΕΜΠ. Το Πτυχίο του είναι από το Φυσικό Τμήμα του ΕΚΠΑ και το Διδακτορικό του από το University of Florida, Gainesville, USA. Δούλεψε για συνολικά 10 χρόνια σαν ερευνητής στο University of Colorado, Boulder, USA, στο Instituto de Estructura de la Materia, Madrid, Spain, στο Φυσικό Τμήμα του Παμεπιστημίου Κρήτης και στο Bergische Universität Wuppertal, Germany. ‘Εγινε μέλος της ομάδας θεωρητικής φυσικής του  Τομέα Φυσικής της ΣΕΜΦΕ το 2010 όπου μεταξύ άλλων διδάσκει Κβαντική Θεωρία Πεδίου σε μεταπτυχιακό επίπεδο. Ερευνητικά έχει δουλέψει σε μοντέλα πέρα του Καθιερωμένου Προτύπου, θεωρία και φαινομενολογία χορδών, θεωρία πεδίου στο πλέγμα, σύμμορφη θεωρία πεδίου και κβαντική Κοσμολογία.

    Ο Γιώργος Κουτσούμπας σπούδασε στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και παρακολούθησε Μεταπτυχιακά μαθήματα στο ΕΚΕΦΕ “Δημόκριτος” και στο Παρίσι. Ολοκλήρωσε τη διδακτορική του διατριβή στο ΕΜΠ, όπου στη συνέχεια δίδαξε, μέχρι σήμερα, που είναι Ομότιμος Καθηγητής της Φυσικής. Επισκέφτηκε κατά καιρούς ερευνητικά κέντρα του εξωτερικού, ενδεικτικά το CERN, το Ινστιτούτο Niels Bohr στην Κοπεγχάγη, το DESY στο Αμβούργο. Ερευνητικά ασχολείται με Θεωρίες Βαθμίδας σε Χωροχρονικό Πλέγμα και τροποποιήσεις της Θεωρίας της Σχετικότητας.

    Ο Νικόλαος Μαυρόματος (MA, DPhil, FInstP) είναι Καθηγητής που ασχολείται με τη Αστροσωματιδιακή Φυσική, τη Φαινομενολογία Χορδών και Κβαντικής βαρύτητας, την κοσμολογία (σκοτεινός τομέας του Σύμπαντος) και την τροποποιημένη βαρύτητα, συμπεριλαμβανομένων της μοντελοποίησης και των κοσμικών δοκιμών μιας πιθανής παραβίασης Lorentz και/ή CPT συμμετριών σε τροποποιημένες γεωμετρίες του πρώιμου Σύμπαντος και της σχέσης της με τη σκοτεινή ύλη και την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης στο Σύμπαν. Συμμετέχει επίσης σε θεωρητικές μελέτες κβαντικών πεδίων μαγνητικών μονοπόλων, μαύρων οπών, λογαριθμικών σύμμορφων θεωριών πεδίου, καθώς και σε διεπιστημονικά θέματα μεταξύ σωματιδιακής φυσικής και συμπυκνωμένης ύλης (θεωρίες βαθμίδας επίπεδων υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας). Επί του παρόντος είναι επίσης συντονιστής φυσικής του πειράματος MoEDAL-LHC (CERN), θέση που κατέχει από το 2011. Διδάσκει στο Τμήμα Φυσικής του King’s College του Λονδίνου, από το 2001, και υπηρετεί ως καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής από το 2006. Έχει ενταχθεί στη Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών (Τμήμα Φυσικής)  του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου  το 2021 ως Καθηγητής. Είναι Fellow του Ινστιτούτου Φυσικής (Ηνωμένο Βασίλειο), και έχει λάβει διεθνείς διακρίσεις για έρευνα (πρώτα βραβεία στο διαγωνισμό δοκιμίων του Ινστιτούτου Βαρυτικής Έρευνας – Gravity Research Foundation Essay competition (1999, 2005))  και αριστεία διδασκαλίας (στο King’s College του Λονδίνου).

  • Ομιλία Χάρη Βάρβογλη “Αστρολογία: μύθοι και πραγματικότητα”

    Ομιλία Χάρη Βάρβογλη “Αστρολογία: μύθοι και πραγματικότητα”

    To InScience σας παρουσιάζει την ομιλία του κ. Χάρη Βάρβογλη, Ομότιμου Καθηγητή Αστροφυσικής και Μηχανικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης

    Αστρολογία: μύθοι και πραγματικότητα

    Οι αστρολόγοι λένε ότι βασίζονται στη σοφία των Βαβυλωνίων και των Χαλδαίων, ότι βασίζονται σε επιστημονικές θεωρίες και ότι έχει αποδειχθεί στατιστικά η αξία των ωροσκοπίων. Στην ομιλία του ο Χάρης Βάρβογλης θα μας δείξει ότι δεν αληθεύει κανένας από τους παραπάνω τρεις ισχυρισμούς.

    Σύντομο Βιογραφικό

    Ο Χάρης Βάρβογλης είναι ομότιμος καθηγητής αστροφυσικής και μηχανικής του Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Ερευνητικά έχει ασχοληθεί με τη δυναμική του ηλιακού συστήματος και την αλληλεπίδραση ηλεκτρομαγνητικών και βαρυτικών κυμάτων. Έχει γράψει 5 επιστημονικά βιβλία και εκατοντάδες επιστημονικά άρθρα, ανάμεσα στα οποία και άρθρα εκλαΐκευσης, τα περισσότερα εκ των οποίων στο ΒΗΜΑ και στη ΜΑΚΕΔΟΝΙΑ. Στο πρόσφατο βιβλίο του “Η αστρονομία στην καθημερινή ζωή” καθώς και στο ομαδικό σύγγραμμα “Ψευδοεπιστήμες και θεωρίες συνωμοσίας” έχει ασχοληθεί με την κατάρριψη των θέσεων της αστρολογίας.

    Κεφάλαια της Ομιλίας

    00:00:17 Εισαγωγή – Χαιρετισμός

    00:01:50 Ομιλία

    00:40:55 Ερωτήσεις:

    00:40:57 Μέσα από την ομιλία σας είδαμε ότι πράγματι μπορούν να καταρριφθούν πλέον εύκολα οι θέσεις της αστρολογίας. Ωστόσο μας προκαλεί έναν προβληματισμό γιατί τυγχάνει τόσο ευρείας αποδοχής. Έχει να κάνει με το γεγονός ότι αυτές οι απόψεις δεν είναι διαδεδομένες, δηλαδή δεν έχουν φτάσει ακόμα στην κατάρριψη των θέσεων της αστρολογίας; Έχει να κάνει με το γεγονός ότι οι επιστήμες δεν είναι τόσο ευρεώς διαδεδομένες, άρα οι θέσεις της αστρολογίας αντικαθιστούν αυτό που θα έπρεπε να παρέχει η επιστήμη, δηλαδή την δυνατότητα της πρόβλεψης, όπως και να λειτουργήσει ως ένα εργαλείο να εξηγήσει τον κόσμο αντικειμενικά;

    00:45:46 Εχουν κάνει οι αστρολόγοι κάποια προσπάθεια να “απαντήσουν” στα επιχειρήματα της επιστημονικής κοινότητας;

    00:48:02 Συνεχίζονται μέχρι και σήμερα έρευνες που έχουν σκοπό να συνεχίσουν να αποδεικνύουν την τυχαιότητα των αστρολογικών προβλέψεων. Ή έχει, τουλάχιστον στους ακαδημαϊκους χώρους, καταλαγιάσει το ενδιαφέρον πάνω στο ερώτημα;

    00:50:20 Εφαπτόμενο στο θέμα ερώτημα. Βλέπουμε πως διαφορετικοί πολιτισμοί έχουν δει στους αστερισμούς μορφές οι οποίες είναι παρεμφερείς. Όπως ας πούμε οι Αυτόχθονες της Αμερικής είδαν στον αστερισμό του Ωρίωνα έναν κυνηγό. Υπάρχουν θεωρίες για το πώς τυγχάνουν διαφορετικοί πολιτισμοί να βλέπουν παρόμοιες μορφές;

    00:52:40 Υπάρχει περίπτωση οι μεταβολές του μαγνητικού πεδίου της Γης να έχουν περιοδικό χαρακτήρα και να επηρεάζουν βιοχημικές αντιδράσεις κατά τη γέννηση των ανθρώπων και κατά συνέπεια τον χαρακτήρα τους;

    00:54:49 Είναι ασφαλής υπόθεση να πούμε ότι για χιλιάδες χρόνια Αστρολογία και Αστρονομία ήταν σχεδόν αδιαχώριστες η μία από την άλλη. Πότε έγινε ο διαχωρισμός της επιστήμης της Αστρονομία από την Αστρολογία; Υπήρξε κάποιο συγκεκριμένο συμβάν το οποίο αποτέλεσε το έναυσμα για τον διαχωρισμό;

  • TA ΘΕΜΕΛΙΑ ΤΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ

    TA ΘΕΜΕΛΙΑ ΤΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΡΟΠΗ
    Steven Weinberg

    ISBN: 978-618-5289-85-0
    Διαστάσεις: 17 Χ 23
    Αριθμός σελίδων: 386
    Τιμή: 25€ + 6% ΦΠΑ

    Έτος έκδοσης: 2023Εκτός από την πρωτοποριακή έρευνά του, ο βραβευμένος με Νόμπελ Steven Weinberg είναι γνωστός για μια σειρά κειμένων που χαίρουν ιδιαίτερης αναγνώρισης πάνω σε διάφορες πτυχές της φυσικής, τα οποία συνδυάζουν εξαιρετική φυσική διορατικότητα με το χάρισμα της σαφούς παρουσίασης.
    Περιγράφοντας τα θεμέλια της σύγχρονης φυσικής στο ιστορικό τους πλαίσιο και με κάποιες καινούριες αποδείξεις, ο Weinberg παρουσιάζει θέματα που κυμαίνονται από τις πρώτες εφαρμογές της ατομικής θεωρίας μέχρι τη θερμοδυναμική, τη στατιστική μηχανική, τη θεωρία μεταφοράς, την ειδική σχετικότητα, την κβαντομηχανική, την πυρηνική φυσική και την κβαντική θεωρία πεδίου. Ο τόμος αυτός παρέχει τη βάση για προχωρημένα προπτυχιακά και μεταπτυχιακά μαθήματα φυσικής, καθώς και μια εύχρηστη εισαγωγή σε πτυχές της σύγχρονης φυσικής για ενεργούς επιστήμονες.Ο Steven Weinberg ήταν μέλος του Τμήματος Φυσικής και Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Austin. Έχει τιμηθεί με αναρίθμητα βραβεία, που συμπεριλαμβάνουν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής, το Εθνικό Μετάλλιο Επιστήμης, το Βραβείο Heinmann Μαθηματικής Φυσικής, και πολύ πρόσφατα ένα Ειδικό Βραβείο για Επανάσταση στη Θεμελιώδη Φυσική. Ήταν μέλος της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ, της Βασιλικής Εταιρείας του Ηνωμένου Βασιλείου, και άλλων ακαδημιών στις ΗΠΑ και διεθνώς. Η Αμερικανική Φιλοσοφική Εταιρεία του απένειμε το μετάλλιο Benjamin Franklin, με μια αναφορά που έλεγε ότι «θεωρείται από πολλούς ο σημαντικότερος θεωρητικός φυσικός στον κόσμο». Έχει γράψει αρκετά βιβλία που χαίρουν τεράστιας εκτίμησης,ανάμεσα στα οποία Gravitation and Cosmology, το τρίτομο έργο The Quantum Theory of Fields, Cosmology, Lectures on Quantum Mechanics, και Lectures on Astrophysics.

  • Περί της καταγωγής του Χρόνου – Η τελική θεωρία του Stephen Hawking

    Περί της καταγωγής του Χρόνου – Η τελική θεωρία του Stephen Hawking

    Eκδόσεις ΚΑΤΟΠΤΡΟ

    Thomas Hertog

    Πανεπιστήμιο της Λουβέν

    Μετάφραση: Ανδ. Δημητρόπουλος, Eπιμέλεια: Αλ. Μάμαλης

    ISBN: 978-618-5493-20-2

    Πανόδετο, Α/Μ + έγχρ. ένθετο, 480 σελ., 14 × 21 εκ., 30,00 € (χωρίς ΦΠΑ)

    Δυο λόγια για το βιβλίο

    Ίσως το μεγαλύτερο ερώτημα που προσπάθησε να απαντήσει ο Stephen Hawking στη ζωή του ήταν πώς το Σύμπαν θα μπορούσε να έχει δημιουργήσει συνθήκες φιλόξενες για τη ζωή. Έτσι, κατέληξε να μελετά την προέλευση του Σύμπαντος από τη Μεγάλη Έκρηξη. Η πρώιμη εργασία του, όμως, ήρθε αντιμέτωπη με τη μαθηματική πρόβλεψη ότι πολλές Μεγάλες Εκρήξεις δημιουργούν ένα πολυσύμπαν, το μεγαλύτερο μέρος του οποίου θα ήταν εξαιρετικά απίθανο να φιλοξενήσει ζωή.

    Ο Hawking, καθηγητής στο τμήμα θεωρητικής φυσικής του Πανεπιστημίου του Καίμπριτζ, μαζί με τον φίλο και στενό συνεργάτη του Thomas Hertog ανέπτυξαν μια νέα θεωρία για τον Κόσμο η οποία θα μπορούσε να δικαιολογήσει την ανάδυση της ζωής. Διεισδύοντας στην κβαντική φυσική των κοσμικών ολογραμμάτων και αποτολμώντας να προσεγγίσουν τις βαθύτερες ρίζες μας πολύ πίσω στον χρόνο, ξαφνιάστηκαν ανακαλύπτοντας ένα βαθύτερο επίπεδο εξέλιξης στο οποίο οι ίδιοι οι φυσικοί νόμοι μετασχηματίζονται και απλοποιούνται έως ότου να εξαφανιστούν τα σωματίδια, οι δυνάμεις, ακόμη και ο χρόνος. Αυτό τους οδήγησε σε μια επαναστατική ιδέα: Οι νόμοι της φυσικής δεν είναι αναλλοίωτοι, αλλά γεννώνται και συνεξελίσσονται καθώς διαμορφώνεται το Σύμπαν που διέπουν. Ενώ πλησίαζε το τέλος του Hawking, οι δύο συνεργάτες δημοσίευσαν τη θεωρία τους, προτείνοντας μια ριζοσπαστική νέα δαρβίνεια προοπτική για την καταγωγή του Σύμπαντός μας.
    Το βιβλίο προσφέρει ένα νέο όραμα για τη γέννηση του Κόσμου που θα μεταμορφώσει θεμελιωδώς τον τρόπο με τον οποίο σκεφτόμαστε τη θέση μας στην τάξη του Σύμπαντος, και μπορεί τελικά να αποδειχθεί η μεγαλύτερη επιστημονική κληρονομιά του Hawking.

    Είπαν για το βιβλίο

    •  «Ο Thomas Hertog, όπως ο μέντορας και συνάδελφός του Stephen Hawking, ποτέ δεν δίστασε να είναι φιλόδοξος κατά τη διατύπωση θεωριών για το Σύμπαν. Το σαρωτικό αυτό βιβλίο προσφέρει μια κατανοητή επισκόπηση τόσο αυτών που γνωρίζουμε στην κοσμολογία όσο και ορισμένων τολμηρών ιδεών για να πορευτούμε στο άγνωστο. Αποτελεί μια εισαγωγή στην τελική θεωρία του Hawking, αλλά και μια ματιά σε ακόμη γενικότερες θεωρίες που έπονται».

    —Sean Carroll, καθηγητής θεωρητικής φυσικής, Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας

    •  «Μια όμορφα γραμμένη, γοητευτική περιγραφή τόσο της φυσικής όσο και των προσωπικοτήτων που συμμετείχαν στον οραματικό αγώνα του Hawking να κατανοήσει τον Κόσμο. Ο Thomas Hertog μάς προσφέρει μια συναρπαστική εικόνα εκ των έσω».

    —Neil Turok, καθηγητής θεωρητικής φυσικής, Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και Perimeter Institute for Theoretical Physics

    •  «Γιατί το Σύμπαν μας είναι όπως είναι; Πώς ξεκίνησε; Πώς μπορεί να τελειώσει; Ο Hertog διερεύνησε τα συντριπτικά αυτά ερωτήματα σε συνεργασία με τον Hawking, επιτυγχάνοντας έτσι μια προνομιακή προοπτική για το πώς, ενάντια σε τρομακτικές φυσικές πιθανότητες, το φυλακισμένο πνεύμα του Stephen απέφερε εκπληκτικές γνώσεις ακόμη και κατά τα τελευταία του χρόνια. Αυτό το εξαιρετικά γραμμένο βιβλίο προσφέρει μια εικόνα για μια ξεχωριστή προσωπικότητα, για τη δημιουργική διαδικασία γενικώς, και για το εύρος και τα όρια της τρέχουσας κατανόησης του Κόσμου μας».

    —Martin Rees, Bραβείο Crafoord Αστρονομίας, Βασιλικός Αστρονόμος του Ηνωμένου Βασιλείου

    •  «Η τελική θεωρία του Hawking εξηγείται με σαφήνεια σε αυτό το εξαιρετικά προσιτό βιβλίο. Ο συγγραφέας Thomas Hertog, ένας από τους πιο στενούς συνεργάτες του Stephen, μας προσφέρει μια ζωηρή εικόνα του Hawking τόσο ως λαμπρού φυσικού όσο και ως εκπληκτικά αποφασιστικού ανθρώπου».

    —Δρ Graham Farmelo, εταίρος του Πανεπιστημίου του Καίμπριτζ, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Northeastern

    •  «Μια συναρπαστική εικόνα μίας από τις βαθύτερες αναζητήσεις του ανθρώπινου γένους από έναν εκ των εμβριθεστέρων επιστημόνων του».

    —Christophe Galfard, διδάκτωρ φυσικής υπό την εποπτεία του Stephen Hawking

    •  «Οι Hawking και Hertog προσπαθούν να διαμορφώσουν μια νέα φιλοσοφία της φυσικής. […] Οι έννοιες και τα επιχειρήματα που παρουσιάζονται εδώ είναι πραγματικά συγκλονιστικά. […] Το βιβλίο τους Περί της καταγωγής του Χρόνου είναι απίστευτα ανταποδοτικό».

    —The Times

    Ο συγγραφέας

    Ο Thomas Hertog (Τόμας Χέρτογκ) είναι διεθνούς φήμης κοσμολόγος και επί πολλά χρόνια υπήρξε στενός συνεργάτης του Stephen Hawking. Έλαβε το διδακτορικό του δίπλωμα στη φυσική υπό την εποπτεία του Stephen Hawking. Εργάστηκε ερευνητικά στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα και στο Πανεπιστήμιο των Παρισίων. Σήμερα είναι καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Λουβέν, στο Βέλγιο, όπου μελετά την κβαντική φύση της Μεγάλης Έκρηξης.

    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 

  • Podcast: ΧΑΪΖΕΝΜΠΕΡΓΚ – ΜΕΓΑΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ – ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΥΣΕΣ ΖΩΕΣ: ΟΙ ΠΡΩΤΑΓΩΝΙΣΤΕΣ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΗΣ.

    Podcast: ΧΑΪΖΕΝΜΠΕΡΓΚ – ΜΕΓΑΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ – ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΥΣΕΣ ΖΩΕΣ: ΟΙ ΠΡΩΤΑΓΩΝΙΣΤΕΣ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΗΣ.

    Αγαπητές φίλες και φίλοι

    Σε αυτό το podcast το InScience παρουσιάζει μια σύντομη βιογραφία του Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, όπως έχει γραφεί από τον Στέφανο Τραχανά, στο βιβλίο του με τίτλο ΜΕΓΑΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ – ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΥΣΕΣ ΖΩΕΣ: ΟΙ ΠΡΩΤΑΓΩΝΙΣΤΕΣ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΗΣ.

    Το βιβλίο εκδόθηκε το 2014 από τις ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ και κυκλοφορεί εκτός εμπορίου. Οι ενδιαφερόμενοι αναγνώστες μπορούν να το προμηθευτούν από την ιστοσελίδα των εκδόσεων.

    Την επιμέλεια του podcast είχε η Ομάδα Αφήγησης Παραμυθανθός

    Αφηγητής: Δημήτρης Μάλλης

    Μουσική επένδυση: Serge Pavkin, “REFLECTED LIGHT”

    Την κεντρική εικόνα του podcast φιλοτέχνησε ο εικαστικός Χρήστος Αλαβέρας από τη Θεσσαλονίκη.

    H συντακτική επιτροπή του InScience αισθάνεται την ανάγκη να ευχαριστήσει θερμά τις ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ και ιδιαίτερα την κυρία Ελένη Χρηστιά για την ευγενική παραχώρηση της άδειας για την αναπαραγωγή του υλικού.

  • ΟΠΤΙΚΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ ΑΤΟΜΩΝ – ΜΕΡΟΣ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΟΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

    ΟΠΤΙΚΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ ΑΤΟΜΩΝ – ΜΕΡΟΣ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΟΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

    Στο πρώτο άρθρο του αφιερώματος στους οπτικούς κρυστάλλους παρουσιάσαμε τον τρόπο κατασκευής τους, τις ιδιότητές τους και τις ποικιλίες στις οποίες εμφανίζονται. Σε αυτό το άρθρο εστιάζουμε στις πιο σημαντικές εφαρμογές τους.ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΣΕ ΜΙΑ ΔΙΑΣΤΑΣΗ

    Στην επιστημονική έρευνα είναι συνήθης πρακτική η προσομοίωση πολύπλοκων φυσικών συστημάτων από ηλεκτρονικούς υπολογιστές, όταν η αναλυτική περιγραφή τους είναι είτε αδύνατη είτε εξαιρετικά δύσκολη. Στην περίπτωση των κβαντικών συστημάτων, η προσομοίωση, ακόμη και των πιο απλών από αυτά, είναι σχεδόν αδύνατη και μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα λειτουργίας ακόμη και στα πιο ισχυρά υπολογιστικά συστήματα που διαθέτουμε. Το ζήτημα της κβαντικής προσομοίωσης τέθηκε για πρώτη φορά το 1982 από τον R. Feynmann, o οποίος υπέδειξε πως, σε κάποιες περιπτώσεις, θα ήταν δυνατόν να βρεθεί ένα απλούστερο, και πειραματικά πιο προσιτό κβαντικό σύστημα, το οποίο να «μιμείται» τη συμπεριφορά του κβαντικού συστήματος που ενδιαφερόμαστε να μελετήσουμε (Feynman, 1982). Οι κβαντικές προσομοιώσεις συνιστούν ένα από τα πιο ραγδαία εξελισσόμενα και, συνάμα, συναρπαστικά πεδία έρευνας στην ατομική φυσική του 21ου αιώνα. Οι οπτικοί κρύσταλλοι ατόμων προσφέρουν ένα ιδανικό περιβάλλον για την προσομοίωση αρκετών κβαντικών φαινομένων. Οι περισσότερες από τις εφαρμογές τους, που παρουσιάζουμε στη συνέχεια, είναι προσομοιώσεις φαινομένων που απαντώνται στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης.

    Μια από τις πρώτες εφαρμογές των οπτικών πλεγμάτων ήταν η προσομοίωση των ταλαντώσεων Bloch. Πρόκειται για τις ταλαντώσεις των ελεύθερων ηλεκτρονίων ενός μετάλλου που εμφανίζονται όταν εφαρμόσουμε σε αυτό ένα ομογενές ηλεκτρικό πεδίο. Τα ηλεκτρόνια δέχονται μια σταθερή δύναμη από το ηλεκτρικό πεδίο αλλά, προς έκπληξή μας, αντί να επιταχυνθούν ομαλά, εκτελούν μια ταλαντωτική κίνηση. Η προσομοίωση αυτού του φαινόμενου γίνεται με την παγίδευση ατόμων σε ένα μονοδιάστατο οπτικό κρύσταλλο, σαν αυτό που περιγράψαμε στο προηγούμενο άρθρο. Όπως έχουμε αναφέρει, όταν αυξήσουμε τη συχνότητα ενός από τα δύο λέιζερ, ο κρύσταλλος μετατρέπεται σε οπτικό ιμάντα. Αν η αύξηση της συχνότητας είναι γραμμική με το χρόνο, τότε ο ιμάντας επιταχύνεται στο χώρο και μαζί με αυτόν τα παγιδευμένα άτομα. Στο σύστημα αναφοράς του ιμάντα αυτό ισοδυναμεί με την επίδραση στο άτομο μιας σταθερής αδρανειακής δύναμης ταυτόχρονα με την περιοδική δύναμη που του ασκεί το οπτικό πλέγμα. Στην ουσία το κάθε άτομο συμπεριφέρεται σαν ένα ηλεκτρόνιο που κινείται στο περιοδικό δυναμικό ενός στερεού κρυστάλλου υπό την επίδραση ενός ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου. Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε το 1996 σε άτομα παγιδευμένα μέσα σε ένα στάσιμο κύμα λέιζερ (Ben Dahan et al, 1996). Στο πείραμα αυτό καταγράφηκαν οι περιοδικές μεταβολές της ορμής που αποτελούν ένδειξη της ταλάντωσης. Η απευθείας παρατήρηση των ταλαντώσεων των ατόμων στο χώρο έγινε πρόσφατα σε άτομα παγιδευμένα σε οπτικό κρύσταλλο (Geiger et al, 2018).

    Στην κβαντική φυσική τα μονοδιάστατα συστήματα χαρακτηρίζονται από κάποιες εντυπωσιακές και σε πρώτη ανάγνωση “παράδοξες” ιδιότητες. Για παράδειγμα, οι διαστάσεις ενός μακροσκοπικού κβαντικού συστήματος παίζουν κρίσιμο ρόλο στη φυσική του συμπεριφορά. Μέχρι πρόσφατα η πειραματική δραστηριότητα σε αυτό το πεδίο ήταν περιορισμένη. Σήμερα είμαστε σε θέση να κατασκευάζουμε διατάξεις από μονοδιάστατα κβαντικά αέρια χρησιμοποιώντας οπτικά πλέγματα δύο διαστάσεων. Σε αυτές τις δομές τα άτομα παγιδεύονται σε περιοχές με σωληνοειδή μορφή και μπορούν να κινηθούν μόνο κατά μήκος αυτών.

    Το 1960 ο M. Girardeau ανακάλυψε πως, όταν περιορίσουμε σε μια διάσταση ένα σύνολο από μποζόνια, η συμπεριφορά τους είναι ισοδύναμη με ένα σύνολο από φερμιόνια που δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτό το αξιοσημείωτο φαινόμενο είναι γνωστό στη φυσική με τον όρο φερμιονιοποίηση (fermionization) (Girardeau, 1960). Η φερμιονιοποίηση εμφανίζεται όταν οι απωστικές δυνάμεις μεταξύ των ατόμων γίνονται πολύ ισχυρές. Τα άτομα, τότε, τείνουν να διαχωριστούν κατά μήκος του άξονα του παγιδευτικού σωλήνα και η πιθανότητα να βρεθούν στην ίδια θέση μηδενίζεται. Με αυτόν τον τρόπο τα άτομα, στην πράξη, “μιμούνται” την Απαγορευτική Αρχή του Pauli: τα μποζόνια συμπεριφέρονται ως φερμιόνια. Η πρώτη πειραματική επιβεβαίωση της φερμιονιοποίησης ενός συνόλου μποζονίων παρατηρήθηκε από την ομάδα του W. Phillips στο NIST (Fertig et al, 2005). Όταν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων σε μονοδιάστατα κβαντικά συστήματα γίνουν ακόμη ισχυρότερες θα μπορούσαμε να φτάσουμε σε ένα αέριο Tonks–Girardeau όπου η φερμιονιοποίηση είναι ακόμη ισχυρότερη (Tonks, 1936). Στην περίπτωση που αυτό επιτευχθεί, θα έχουμε κατορθώσει κάτι πραγματικά εκπληκτικό: ένα σύστημα μποζονίων που μπορεί να περιγραφεί από τη θεωρία των ελεύθερων φερμιονίων. Η παρατήρηση αυτού του φαινόμενου αποτελεί μια από τις πιο μεγάλες προκλήσεις για την πειραματική ατομική φυσική.

    ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΚΒΑΝΤΙΚΩΝ ΦΑΣΕΩΝ

    Το 1998 ο P. Zoller και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Innsbruck απόδειξαν πως αν μεταφέρουμε ένα συμπύκνωμα Bose-Eistein σε έναν οπτικό κρύσταλλο τότε μπορούμε να παρατηρήσουμε μια πολύ ενδιαφέρουσα μεταβολή φάσης. Το υπερρευστό συμπύκνωμα μετατρέπεται σε «μονωτή». Δηλαδή τα άτομα δεν μπορούν πλέον να κινούνται ελεύθερα στο «πλέγμα» του οπτικού κρυστάλλου και παγιδεύονται σε συγκεκριμένες θέσεις σε αυτό.  Πρόκειται για μια μεταβολή φάσης που είναι γνωστή στη βιβλιογραφία ως μετάβαση Mott (Jaksch et al, 1998). Τρία χρόνια αργότερα, ο Τ. Hänsch, στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής Max Planck (MPQ), στο Garching της Βαυαρίας, παρατήρησε για πρώτη φορά την μετάβαση Mott. Η επιστημονική εργασία στην οποία αναφέρθηκαν τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος, είναι σήμερα μια από τις κορυφαίες στην ιστορία της φυσικής σε αριθμό βιβλιογραφικών αναφορών (Greiner et al, 2002).

    Πώς όμως πραγματοποιείται αυτή η μεταβολή από μια υπερρευστή φάση σε έναν μονωτή; Η φυσική της βάση είναι το κβαντομηχανικό φαινόμενο σήραγγας. Χάρις σε αυτό το φαινόμενο είναι δυνατή η διάχυση των ατόμων σε διάφορες θέσεις μέσα στον οπτικό κρύσταλλο. Όπως γνωρίζουμε, στο συμπύκνωμα Bose-Einstein έχουμε το σχηματισμό ενός “γιγάντιου” υλικού κύματος που προκύπτει από την υπέρθεση ανάμεσα στα επιμέρους υλικά κύματα των ατόμων που συνιστούν το συμπύκνωμα μεταξύ των οποίων υπάρχει τέλεια συμφωνία φάσης. Όμως στα μακροσκοπικά κβαντικά πεδία[1] υπάρχει μια ενδογενής και θεμελιώδης απροσδιοριστία: κάθε φορά που η φάση είναι καθορισμένη ο αριθμός των ατόμων παρουσιάζει διακυμάνσεις και αντίστροφα. Αν, λοιπόν, καταφέρουμε να σταθεροποιήσουμε τον αριθμό των ατόμων σε όλες τις παγιδευτικές θέσεις, τότε η φάση θα γίνει εντελώς απροσδιόριστη και το “γιγάντιο” υλικό κύμα θα εξαφανιστεί. Ο αριθμός των ατόμων σε κάθε περιοχή παγίδευσης είναι συνεπώς ένας κρίσιμος παράγοντας. Ο μονωτής Mott είναι μια φάση του συστήματος όπου υπάρχει μόνο ένα άτομο σε κάθε τέτοια θέση. Τότε τα άτομα είναι απομονωμένα και κατά συνέπεια η μεταξύ τους αλληλεπίδραση είναι μηδενική[2]. Όλα τα παραπάνω είναι εφικτά γιατί το ενεργειακό βάθος των παγίδων σε έναν οπτικό κρύσταλλο μπορεί να γίνει αρκετά μεγάλο (απλά αυξάνοντας την ένταση του φωτός) οπότε η μετακίνηση των ατόμων ανάμεσα σε δύο γειτονικές θέσεις παγίδευσης είναι πρακτικά αδύνατη.  Στα πειράματα στο MPQ κατόρθωσαν να μετατρέψουν ένα συμπύκνωμα Bose–Einstein σε μονωτή Mott και αντίστροφα πολλές φορές, αυξομειώνοντας το ενεργειακό βάθος των παγιδευτικών πηγαδιών.Εικόνα 1: (α) Ένα «ρηχό» πλέγμα οπτικού κρυστάλλου. Η πολυσωματιδιακή κατάσταση που δημιουργείται είναι ένα σύμφωνο υλικό κύμα μακροσκοπικής κλίμακας απεντοπισμένο σε όλο το χώρο του πλέγματος: κατάσταση υπερρευστότητας. (β)  Ένα «βαθύ» οπτικό πλέγμα στο οποίο κάθε άτομο είναι εντοπισμένο σε μια δεδομένη περιοχή: κατάσταση μονωτή-Mott. Μπορούμε να μεταβαίνουμε από τη μια κατάσταση στην άλλη απλά μεταβάλλοντας το ενεργειακό βάθος του οπτικού πλέγματος. Καθώς το βάθος ελλατώνεται το άτομο, αξιοποιώντας το φαινόμενο σήραγγας, μπορεί να μεταπηδά από μια περιοχή σε άλλη και να μεταβαίνει από τη φάση του μονωτή σε αυτήν του υπερρευστού. Και στις δυό εικόνες οι συνεχείς γραμμές αναπαριστούν τα δυναμικά παγίδευσης των ατόμων και οι σκιασμένες περιοχές την πυκνότητα πιθανότητας που αντιστοιχεί στην κυματοσυνάρτηση των ατόμων.Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό αυτής της μεταβολής φάσης είναι πως μπορεί να επιτευχθεί ακόμη και σε θερμοκρασία ίση με το απόλυτο μηδέν. Σε ένα κλασικό σύστημα κάτι τέτοιο είναι αδύνατον γιατί οι απαραίτητες θερμικές διακυμάνσεις που προκαλούν αυτή τη μετάβαση δεν υπάρχουν. Σε ένα κβαντικό σύστημα, όμως, οι ενδογενείς διακυμάνσεις του κβαντικού κενού είναι ικανές να προκαλέσουν μια τέτοια μετάβαση. Αυτού του τύπου οι κβαντικές μεταβάσεις έχουν πολύ ενδιαφέρον για τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης και έχουν επίσης παρατηρηθεί σε υπεραγωγούς.

    ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΕ ΠΕΡΙΟΔΙΚΑ ΔΥΝΑΜΙΚΑ

    Οι αντιδράσεις ανάμεσα στα άτομα, αν και ασθενείς, μπορεί να οδηγήσουν σε σημαντικά μη γραμμικά φαινόμενα στη φυσική συμπεριφορά των υλικών κυμάτων. Για παράδειγμα, στην κβαντική φυσική είναι γνωστό το φαινόμενο Josephson, που αφορά στην εμφάνιση ενός ηλεκτρικού ρεύματος ικανού να ρέει απεριόριστα, χωρίς την εφαρμογή κάποιας εξωτερικής τάσης, κατά μήκος μιας διάταξης γνωστής ως επαφής Josephson (Josephson, 1962). Η διάταξη αυτή αποτελείται από δύο υπεραγωγούς που διαχωρίζονται από ένα λεπτό μονωτικό υλικό. ‘Eνα συμπύκνωμα Bose-Einstein το οποίο βρίσκεται σε έναν ασθενή (αβαθή) οπτικό κρύσταλλο και στο οποίο οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων είναι πολύ ισχυρές, μπορεί να περιγραφεί σαν μια διάταξη από επαφές Josephson (Anderson et al, 1998), (Cataliotti et al, 2001). Όταν το συμπύκνωμα παγιδευτεί σε δύο γειτονικές θέσεις ενός οπτικού κρυστάλλου, τα δύο επί μέρους συμπυκνώματα που προκύπτουν, αλληλεπιδρούν μέσω του φαινόμενου σήραγγας ανάμεσα στο φραγμό που χωρίζει τις δύο θέσεις.  Ένα τέτοιο σύστημα είναι, στην πράξη, μια επαφή Josephson για ατομικά κβαντικά αέρια (Sukhatme et al, 2001). H μικρή απόσταση μεταξύ των δύο θέσεων του πλέγματος οδηγεί σε πολύ ισχυρό φαινόμενο σήραγγας ανάμεσα στα δύο συμπυκνώματα, γεγονός που εξασφαλίζει για το πείραμα μια επαρκή χρονική διάρκεια ώστε να μπορούν να εντοπιστούν και να μετρηθούν τα φαινόμενα της μη γραμμικής δυναμικής.

    ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ

    Οι οπτικοί κρύσταλλοι ψυχρών ατόμων έχουν ανοίξει την πόρτα σε ένα ευρύ διαθεματικό πεδίο από τη μη γραμμική δυναμική έως τις ισχυρά συσχετισμένες κβαντικές φάσεις. Ένα από τα μεγάλα στοιχήματα αυτήν την εποχή είναι η διερεύνηση του φαινόμενου της υπεραγωγιμότητας, το οποίο βασίζεται στα λεγόμενα ζεύγη Cooper. Πρόκειται για ηλεκτρόνια, τα οποία, αν και φερμιόνια, σχηματίζουν ζεύγη που έχουν ακέραιο σπιν και, συνεπώς, συμπεριφέρονται ως μποζόνια. Οι οπτικοί κρύσταλλοι μπορεί να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία καταστάσεων ζευγών Cooper από φερμιονικά άτομα. Σε αυτήν την περίπτωση θα μπορούμε να επιτύχουμε μια πολύ επιτυχημένη προσομοιώση του φαινόμενου της υπεραγωγιμότητας.

    Άλλες ερευνητικές προσπάθειες εστιάζονται στην επίτευξη άμορφων συστημάτων. Πρόκειται για ισχυρώς αλληλεπιδρώντα κβαντικά συστήματα μέσα σε τυχαία δυναμικά που η θεωρητική τους ανάλυση είναι πολύ δύσκολη (Roth et al, 2003). Αξιοσημείωτη είναι η πρόβλεψη για την ύπαρξη μιας «υαλώδους» φάσης, σε ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein, όταν αυτό παγιδευτεί σε ένα μονοδιάστατο οπτικό κρύσταλλο και αλληλεπιδράσει με τυχαία δυναμικά. Η κατάσταση του συμπυκνώματος είναι μονωτική και γεωμετρικά άμορφη, όπως το γυαλί, και θα μπορούσε να παρατηρηθεί πειραματικά (Lye et al, 2005).

    Τα οπτικά πλέγματα προσφέρουν ενα ιδανικό περιβάλλον για την μελέτη της φυσικής συμπεριφοράς των φερμιονίων. Τα φερμιόνια, σε αντίθεση με τα μποζόνια απαιτούν περαιτέρω μελέτη για να αποκαλύψουν τις “λανθάνουσες” κβαντικές τους φάσεις. Τα φερμιόνια σε έναν οπτικό κρύσταλλο τριών διαστάσεων περιγράφονται από την θεωρία Hubbard η οποία θεωρείται πως “κρατάει” το μυστικό για την εξήγηση της υπεραγωγιμότητας υψηλών θερμοκρασιών (Anderson, 1987), (Hofstetter et al, 2002). Αν και αυτό το σύστημα έχει διερευνηθεί θεωρητικά για δεκαετίες εντούτοις, ακόμη, δεν έχουμε καταλήξει σε τελεσίδικα αποτελέσματα και στην πλήρη διαύγαση όλων των ερωτημάτων. Τα φερμιόνια σε οπτικά πλέγματα είναι κατάλληλα για ακριβείς μετρήσεις της επιτάχυνσης της βαρύτητας με συμβολόμετρα ατόμων (Roati et al, 2004). Επίσης, σε μίγματα διαφορετικών μποζονίων και φερμιονίων έχει προβλεφθεί η ύπαρξη «εξοτικών» κβαντικών φάσεων που δεν έχουν παρατηρηθεί στη συμβατική φυσική συμπυκνωμένης ύλης (Sanpera et al, 2004). Η ανάπτυξη νέας γενιάς ατομικών ρολογιών πολύ υψηλής ακρίβειας είναι ένα ακόμη πεδίο εφαρμογής των οπτικών κρυστάλλων ατόμων (εδώ). Σε αυτό το θέμα θα αναφερθούμε σε επόμενο άρθρο μας.

    Οι οπτικοί κρύσταλλοι ατόμων, όταν το ενεργειακό βάθος τους μεταβάλλεται με το χρόνο, μπορούν να αξιοποιηθούν στην εξερεύνηση συστημάτων που λειτουργούν ως κβαντικές μηχανές. Αυτές είναι μικροσκοπικές συσκευές που εκμεταλλεύονται τους νόμους της κβαντικής μηχανικής για να παράγουν μηχανικό έργο. Η πρώτη κβαντική μηχανή κατασκευάστηκε το 2009 από μια ερευνητική ομάδα στο University of California, Santa Barbara (O’Connell et al, 2010). Μια μικροσκοπική «σανίδα» από αλουμίνιο συζεύχθηκε με έναν υπεραγώγιμο δακτύλιο, ο οποίος είναι στην πραγματικότητα ένας ηλεκτρονικό σύστημα δύο καταστάσεων αφού διαθέτει δύο δυνατές ενεργειακές κβαντικές καταστάσεις. Χειριζόμενοι αυτό το σύστημα με τη βοήθεια μικροκυμάτων, οι ερευνητές κατάφεραν να το τροφοδοτήσουν ή να αφαιρέσουν από αυτό κβάντα ενέργειας, όπως θα μπορούσε κανείς να χρησιμοποιήσει ένα ΑΤΜ για κατάθεση ή ανάληψη χρημάτων από έναν τραπεζικό λογαριασμό.

    Ορισμένες ερευνητικές ομάδες έχουν προσπαθήσει να κατασκευάσουν κβαντομηχανικά συστήματα αντίστοιχα των κλασικών χαοτικών συστημάτων που συναντάμε στις μοριακές μηχανές. Σε αυτήν την περίπτωση τα άτομα μπορούν να τεθούν σε κίνηση ανοίγοντας και κλείνοντας ένα περιοδικό και ασύμμετρο οπτικό δυναμικό που προσομοιώνει την κίνηση μηχανικών γραναζιών (Ringot et al, 2000).

    Η ανίχνευση ασθενών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων είναι ένας άλλος τομέας στον οποίο οι οπτικοί κρύσταλλοι αφήνουν πολλές υποσχέσεις καθώς μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για την κατασκευή υπερ-ευαίσθητων κβαντικών ανιχνευτών πεδίων τα οποία δεν μπορούν να ανιχνευτούν από αντίστοιχες κλασικές διατάξεις. Ιδαίτερες υποσχέσεις αφήνουν τα παγιδευμένα ιόντα σε οπτικούς κρυστάλλους εξαιτίας του γεγονότος πως οι πειραματικοί μπορούν να έχουν εξαιρετικό βαθμό ελέγχου των ιδιοτήτων τους και των παραμέτρων που είναι σημαντικές στο πείραμα καθώς και στη δυνατότητα να δημιουργούνται οι «πολυπόθητες» σύμπλεκτες κβαντικές καταστάσεις  (quantum entangled states) ανάμεσα σε παγιδευμένα ιόντα. Πρόσφατα, ερευνητές στο National Institute of Standards and Technology (NIST) των ΗΠΑ κατόρθωσαν να κατασκευάσουν ένα τέτοιο οπτικό κρύσταλλο-ανιχνευτή με παγιδευμένα ιόντα βυρηλλίου με ικανότητα ανίχνευσης έως 20 φορές μεγαλύτερη από τις μέχρι τώρα διαθέσιμες ατομικές διατάξεις (Gilmore et al, 2021).

    Τα οπτικά πλέγματα αποτελούν ένα πεδίο μελέτης ιδιαίτερα περίπλοκων προβλημάτων στην κβαντική χημεία, όπως ο ακριβής υπολογισμός της ηλεκτρονικής δομής των μορίων. Η ακριβής επίλυση τέτοιων προβλημάτων είναι πολύ δύσκολο έργο για τους συμβατικούς υπολογιστές. Οι ερευνητές πρότειναν πρόσφατα να το αντιμετωπίσουν χρησιμοποιώντας προσομοίωση προβλημάτων κβαντικής χημείας με τη βοήθεια ατόμων παγιδευμένων σε οπτικά πλέγματα που έχουν αναπτυχθεί εντός μιας ηλεκτρομαγνητικής κοιλότητας (Argüello-Luengo et al, 2019). Στην πρότασή τους, τα ηλεκτρόνια προσομοιώνονται με φερμιονικά άτομα που μετακινούνται μέσα στο δυναμικό του οπτικού πλέγματος, η έλξη από τον πυρήνα προσομοιώνεται με τη βοήθεια πρόσθετων οπτικών δυναμικών, ενώ η απωστική δύναμη  Coulomb μεταξύ των ηλεκτρονίων προσομοιώνεται με την επίδραση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου της κοιλότητας στα παγιδευμένα άτομα.

    Ένα άλλο ερευνητικό πεδίο στο οποίο οι οπτικοί κρύσταλλοι ατόμων μπορούν να έχουν σημαντική συνεισφορά είναι οι προσομοιώσεις της μεταβολής της κβαντικής φάσης που εικάζεται πως συνέβη στα πρώτα στάδια του σύμπαντος. Οι αναγνώστες του ΙnS γνωρίζουν πως η φυσική των ψυχρών ατόμων και συγκεκριμένα τα κβαντικά αέρια ατόμων έχουν αξιοποιηθεί πολλαπλώς σε αυτή το ερευνητικό πεδίο (εδώ). Η πιο πρόσφατη προσπάθεια σε αυτή την κατεύθυνση έγινε από τον Bo Song και τους συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Cambridge οι οποίοι αξιοποίησαν παγιδευμένα άτομα σε οπτικά πλέγματα και παρατήρησαν για πρώτη φορά ασυνεχείς μεταβάσεις από καταστάσεις μονωτή Mott σε μια υπερρευστη κατάσταση υψηλότερης ενέργειας στην οποία τα άτομα μπορούν να μετακινηθούν ελεύθερα μεταξύ διαφορετικών τοποθεσιών μέσα στο πλέγμα (Song et al, 2022). Η εμφάνιση ασυνεχών μεταβάσεων φάσεως προβλέπεται στο αρχικό στάδιο δημιουργίας του Σύμπαντος. Στο εν λόγω πείραμα επιτεύχθηκαν με διαταραχή του οπτικού κρύσταλλου.

    Τέλος σε συστήματα που η συλλογική τους συμπεριφορά ακολουθεί τους νόμους της σχετικότητας μπορεί να εμφανιστεί μια ιδιαίτερης μορφής ταλάντωση, γνωστή ως διέγερση Higgs, η οποία μας είναι γνωστή από τον θεμελιώδη ρόλο που παίζει στο Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων (το διάσημο, πλέον, «σωμάτιο του Higgs»). Η ανίχνευση αυτής της διέγερσης είναι αρκετά δύσκολη, γιατί έχει πολύ μικρό χρόνο ζωής, ο οποίος είναι ακόμη μικρότερος σε επίπεδα συστήματα δύο διαστάσεων, με αποτέλεσμα να έχουν εγερθεί σημαντικές αμφιβολίες για το κατά πόσο, τελικά, είναι δυνατή η ύπαρξή της. Σε συστήματα παγιδευμένων ατόμων σε οπτικούς κρυστάλλους έχει προβλεφτεί η ύπαρξη αυτής της ταλάντωσης στο όριο που τα άτομα μεταπίπτουν από τη φάση της υπερρευστότητας σε αυτήν του μονωτή. Πρόσφατα, ερευνητικές ομάδες από το Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ, το Χάρβαρντ και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (CalTech), εργαζόμενες από κοινού, κατόρθωσαν να εντοπίσουν αυτές τις περιβόητες διεγέρσεις σε άτομα ρουβιδίου, που είχαν παγιδευτεί σε οπτικά πλέγματα δύο διαστάσεων (Endres et al, 2012).

    Κλείνοντας αυτό το άρθρο θα πρέπει να αναφέρουμε τις πολύ μεγάλες προοπτικές για την αξιοποίηση των οπτικών πλεγμάτων στην κατασκευή κβαντικών πυλών που αποτελούν τα βασικά στοιχεία για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή. Σε αυτό το θέμα θα αναφερθούμε εκτενώς σε επόμενη μας δημοσίευση.

    Οι αναγνώστες του InS έχουν την ευκαιρία στα δύο άρθρα αυτού του αφιερώματος να λάβουν, ελπίζουμε, μια αρκετά λεπτομερή εικόνα για τις ιδιότητες και τις εφαρμογές των οπτικών κρυστάλλων οι οποίοι, μαζί με τα κβαντικά αέρια αποτελούν τα κορυφαία ίσως επιτεύγματα της σύγχρονης ατομικής φυσικής και βασικούς πυλώνες της αναγέννησης του πεδίου αυτού που λαμβάνει χώρα τις τελευταίες δεκαετίες (Lembessis, 2020).ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Η κεντρική εικόνα του άρθρου είναι ευγενική προσφορά στο InS του I. Bloch, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian (LMU) του Μονάχου και Διευθυντή Ερευνών στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική στο Garching της Γερμανίας.ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] Ένα άλλο παράδειγμα μακροσκοπικού κβαντικού συστήματος είναι το φως του λέιζερ. Και σε αυτήν την περίπτωση υπάρχει μια σχέση απροσδιοριστίας ανάμεσα στον αριθμό των φωτονίων της δέσμης λέιζερ και στη φάση αυτής της δέσμης.

    [2] Στην περίπτωση του μονωτή Mott ο αριθμός των ατόμων σε κάθε θέση είναι καθορισμένος οπότε, όπως εξηγήσαμε παραπάνω, η φάση είναι πλήρως απροσδιόριστη με αποτέλεσμα να μην μπορεί κάποιος να παρατηρήσει φαινόμενα συμβολής μεταξύ υλικών κυμάτων.

    ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Anderson, P., W., 1987. The resonating valence bond state in La2CuO4 and superconductivity. Science 235, 1196–1198. DOI: 10.1126/science.235.4793.1196

    Anderson, B., P., and Kasevich, M., A., 1998. Macroscopic quantum interferencefrom atomic tunnel arrays. Science 282, 1686–1689. 10.1126/science.282.5394.1686

    Argüello-Luengo, J., González-Tudela, A., Shi, T., Zoller, P., and Cirac, J., I., 2019. Analogue quantum chemistry simulation. Nature 574, 215–218. 10.1038/s41586-019-1614-4

    Ben Dahan, M., Peik, E., Reichel, J., Castin, Y., and Salomon, C., 1996. Bloch oscillations of atoms in an optical potential. Phys. Rev. Lett. 76, 4508–4511. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.4508

    Cataliotti, F., S., Burger, S., Fort, C., Maddaloni, P., Minardi, F., Trombettoni, A., Smerzi, A.  and Inguscio, M., 2001. Josephson junction arrays with Bose–Einstein condensates. Science 293(5531), 843–846. 10.1126/science.1062612

    Cohen-Tannoudji C.  and Guéry-Odelin D., 2011. ADVANCES IN ATOMIC PHYSICS: An overview. New Jersey, USA. World Scientific, p. 671.

    Endres, M., Fukuhara, T., Pekker, D., Cheneau, M., Schauss, P., Gross, C., Demler, E., Kuhr, S., and Bloch, I., 2012. The ‘Higgs’ amplitude mode at the two-dimensional superfluid/Mott insulator transition. Nature 487, 454–458. 10.1038/nature11255

    Fertig, C., D., O’Hara, K., M., Huckans, J., H., Rolston, S., L.,  Phillips, W., D.,  and Porto, J., V., 2005. Strongly inhibited transport of a degenerate 1D Bose gas in a lattice. Phys. Rev. Lett. 94, 120403. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.120403

    Feynman, R., 1982. Simulating physics with computers. Int. J. Theor. Phys. 21, 467–488. https://s2.smu.edu/~mitch/class/5395/papers/feynman-quantum-1981.pdf

    Geiger, A., Z., Fujiwava, K., M., Singh, K., Senaratne, R., Rajagopal, S., V., Lipatov, M., Shimasaki, T., Driben, R., Konotop, V., Meier, T., and Weld, D., M., 2018. Observation and uses of position-space Bloch oscillations in an ultracold gas. Phys. Rev. Lett. 120, 213201. 10.1103/PhysRevLett.120.213201

    Gilmore, K., A., Affolter, M., Lewis-Swan, R., J., Barberena, D., Jordan, E., Rey, A., M., and Bolinger J., J., 2021. Quantum-enhanced sensing of displacements and electric fields with two-dimensional trapped-ion crystals. Science 373, 673-678. DOI: 10.1126/science.abi5226

    Girardeau, M. 1960. Relationship between systems of impenetrable bosons and fermions in one dimension. J. Math. Phys. 1, 516–523. https://doi.org/10.1063/1.1703687

    Greiner, M., Mandel, O., Esslinger, T., Hänsch, T., W., and Bloch, I., 2002. Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms. Nature 415, 39–44. 10.1038/415039a

    Hofstetter, W., Cirac, J., I., Zoller, P., Demler, E., and Lukin, M., D., 2002. High-temperature superfluidity of fermionic atoms in optical lattices. Phys. Rev. Lett. 89, 220407. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.220407

    Jaksch, D., Bruder, C., Cirac, J., I., Gardiner, C., W., and Zoller, P., 1998. Cold bosonic atoms in optical lattices. Phys. Rev. Lett. 81, 3108–3111.https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.3108

    Josephson, B., D., 1962. Possible new effects in superconductive tunnelling. Phys. Lett. 1, 251–253. https://doi.org/10.1016/0031-9163(62)91369-0

    Lembessis, V. E., 2020. Taming Atoms: The Renaissance of Atomic Physics. Bellingham, Washington USA: SPIE. https://spie.org/Publications/Book/2563827?SSO=1

    Lye, J. E., Fallani, L., Modugno, M., Wiersma, D., S., Fort, C., and Inguscio, M., 2005. Bose–Einstein condensate in a random potential. Phys. Rev. Lett. 95, 070401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.070401

    O’Connell, A., D., Hofheinz, M., Ansmann, M., Bialczak, R., C.,  Lenander, M., Lucero, M., Neeley, M., Sank, D., Wang, H., Weides, M., Wenner, J., Martinis, J., M.,  and Cleland, A., N., 2010. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature 464(7289), 697–703. 10.1038/nature08967

    Ringot, J., Szriftgiser, P., Garreau, J., C., and Delande, D., 2000. Experimental evidence of dynamical localization and delocalization in a quasiperiodic driven system. Phys. Rev. Lett. 85, 2741–2744. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.2741

    Roati, G., de Mirandes, E., Ferlaino, F., Ott, H., Modugno, G., and Inguscio, M., Atom interferometry with trapped Fermi gases. Phys. Rev. Lett. 92, 230402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.230402

    Roth R., and Burnett, K., 2003. Ultracold bosonic atoms in two-colour superlattices. J. Opt. B 5, S50–S54. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1464-4266/5/2/358

    Sanpera, A., Kantian, A., Sanchez-Palencia, L., Zakrzwewski, J., and Lewenstein, M., 2004. Atomic Fermi–Bose mixtures in inhomogeneous and random lattices: from Fermi glass to quantum spin glass and quantum percolation. Phys. Rev. Lett. 93, 040401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.040401

    Song, B., Dutta, S., Bhave, S., Yu, Jr.-C., Carter, E., Cooper., N., and Schneider, U., 2022. Realizing discontinuous quantum phase transitions in a strongly correlated driven optical lattice. Nature Physics, 259-264. https://doi.org/10.1038/s41567-021-01476-w

    Sukhatme, K., Mukharsky, Y., Chui, T., and Pearson, D., 2001. Observation of the ideal Josephson effect in superfluid 4He. Nature 411, 280–283. https://doi.org/10.1038/35077024

    Tonks, L., 1936. The complete equation of state of one, two and threedimensional gases of hard elastic spheres. Phys. Rev. 50, 955–963. https://doi.org/10.1103/PhysRev.50.955

  • Κβαντική Κληρονομιά: Ανταποκρίσεις από έναν αβέβαιο κόσμο

    Κβαντική Κληρονομιά: Ανταποκρίσεις από έναν αβέβαιο κόσμο

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΡΟΠΗ

    David Kaiser

    Μετάφραση – Επιστημονική Επιμέλεια: Γρηγόρης Πανουτσόπουλος – Θεμιστοκλής Χαλικιάς
    Σελιδοποίηση: Αντώνης Παπάδης
    ISBN: 978-618-5289-76-8
    Διαστάσεις: 16 x 23 cm
    Αριθμός σελίδων: 408
    Τιμή: 19€ + ΦΠΑ 6%

    Η Βιολογία των Campbell & Reece και των συνεργατών τους είναι ένα βιβλίο γενικής βιολογίας στη διεθνή, άκρως ανταγωνιστική αγορά, με μακροχρόνια διεθνή αναγνωρισιμότητα, επιστημονική εγκυρότητα και απήχηση, ιδίως στα αμερικανικά και ευρωπαϊκά πανεπιστήμια. Συνδυάζει τη σύγχρονη βιολογική γνώση με την προσπάθεια για ενεργητική μάθηση εκ μέρους του αναγνώστη. Η έκδοση απευθύνεται σε φοιτητές των βιολογικών επιστημών, αλλά και κάθε άλλου κλάδου των φυσικών επιστημών – φυσικής, χημείας, εφαρμοσμένων μαθηματικών και πληροφορικής, γεωλογίας, γεωπονίας, βιοχημείας κ.λπ.

    Οι δύο τόμοι αποτελούν αυτοτελείς εκδόσεις των ενοτήτων 6 και 7, αντίστοιχα, της μεγάλης Βιολογίας των Campbell & Reece. Έχουν ως στόχο να καλύψουν τις τρέχουσες ανάγκες της ελληνικής πανεπιστημιακής κοινότητας για πιο συνοπτικά και πιο στοχευμένα διδακτικά εγχειρίδια, παραμένοντας σε κάθε περίπτωση ένα μείζον «βιβλίο αναφοράς» για το συγκεκριμένο πεδίο.

    Περιγραφή

    Οι ιδέες που βρίσκονται στα θεμέλια της κβαντικής θεωρίας παραμένουν εξαιρετικά αλλόκοτες: ένας συμπαγής κόσμος που ανάγεται σε νέφη πιθανοτήτων· σωματίδια τα οποία διασχίζουν φράγματα μέσω τούνελ· γάτες-ζόμπι, ούτε νεκρές αλλά ούτε και ζωντανές· δίδυμα σωματίδια τα οποία μοιράζονται διεμπλεκόμενες μοίρες. Για περισσότερο από έναν αιώνα, οι φυσικοί έχουν αντιμετωπίσει αυτές τις εννοιολογικές αβεβαιότητες, ενώ ταυτόχρονα βίωναν τις ευρύτερες αβεβαιότητες του κοινωνικού και πολιτικού κόσμου γύρω τους, σε μια περίοδο που σημαδεύτηκε από την άνοδο του φασισμού, τους καταστροφικούς παγκόσμιους πολέμους και μια νέα πυρηνική εποχή.

    Στη Κβαντική Κληρονομία, ο Ντέιβιντ Κάιζερ παρουσιάζει στους αναγνώστες του ορισμένα εμβληματικά επεισόδια από την ιστορία της συνεχιζόμενης στις μέρες μας προσπάθεια των φυσικών να κατανοήσουν τον χώρο, τον χρόνο και την ύλη στα πιο θεμελιώδη επίπεδά τους. Σε μια σειρά από συναρπαστικά δοκίμια, ο Κάιζερ μας ταξιδεύει στον πυρήνα εμβληματικών ιστορικών στιγμών ανακάλυψης και έντονου διαλόγου, με πρωταγωνιστές ορισμένους από τους σημαντικότερους επιστήμονες της περιόδου, όπως τους Άλμπερτ Αϊνστάιν, Έρβιν Σρέντιγκερ και Στίβεν Χόκινγκ, που άλλαξαν για πάντα την κατανόησή μας για τη φύση.

    Καθώς εκτείνονται τόσο στον χώρο όσο και στον χρόνο, τα ιστορικά αυτά επεισόδια διατρέχουν τη συναρπαστική δεκαετία του 1920, τις σκοτεινές μέρες της δεκαετίας του 1930, τις αναταράξεις του Ψυχρού Πολέμου και τις ιδιαίτερες πολιτικές πραγματικότητες που τον ακολούθησαν. Τόσο σε αυτές τις περιόδους, όσο και στη δική μας, η φιλοδοξία των ερευνητών πολύ συχνά είναι να ξεπεράσουν τις ιδιαιτερότητες του εδώ και του τώρα και να προτείνουν ιδέες σχετικά με το πώς λειτουργεί ο κόσμος, που θα αντέχουν στον χρόνο και θα ξεπερνούν τα στενά όρια της αντίληψης ενός μεμονωμένου ερευνητή. Στην Κβαντική Κληρονομιά, ο Κάιζερ αποκαλύπτει το δύσκολο και συχνά χαοτικό έργο που απαιτείται για το χτίσιμο μιας κοινής κατανόησης ανάμεσα σε εκπροσώπους διαφορετικών γενεών και με αυτό τον τρόπο αναδεικνύει τους βαθύτατους δεσμούς ανάμεσα στην επιστημονική αναζήτηση και στην ανθρώπινη φύση.

    Κριτικές

    «Ένα αριστούργημα ιστορικής ανάλυσης… Γραμμένο αριστοτεχνικά και απολαυστικό στην ανάγνωση.»

    —Nature

    «Καθηλωτικό… Μας αφήνει με μια πιο πλούσια εικόνα της φυσικής, ως ζωντανής δραστηριότητας.»

    —Los Angeles Review of Books

    «Μια φιλόδοξη συλλογή δοκιμίων η οποία συνδυάζει τις δύο ακαδημαϊκές ταυτότητες [του Κάιζερ]… Μια μεγάλου εύρους ανθολογία.»

    —Physics Today

    «Από τον Αϊνστάιν μέχρι τον Χάιζενμπεργκ και από τον Σρέντιγκερ μέχρι τον Χόκινγκ, ο Κάιζερ παρουσιάζει την ανθρώπινη διάσταση τόσο των ίδιων όσο και των ιδεών τους, ενώ παράλληλα δημιουργεί συνδέσεις ανάμεσα στον εσωτερικό κόσμο της ακαδημαϊκής κοινότητας της κβαντικής θεωρίας και στον εξωτερικό κόσμο των παγκόσμιων ιστορικών γεγονότων. Αυτή η κοινωνικοπολιτική προσέγγισή είναι ιδιαίτερα σημαντική για να μπορεί να ταυτιστεί ο μη εξειδικευμένος αναγνώστης με τις διάφορες επιστημονικές λεπτομέρειες… Σε αυτή τη συλλογή ιδιαίτερα απολαυστικών δοκιμίων, καταφέρνει να βρει τη χρυσή τομή ανάμεσα στον επιστημονικό ακαδημαϊσμό και στην αφήγηση μιας ενδιαφέρουσας ιστορίας.»

    —Engineering & Technology

    «Ο Κάιζερ –γράφοντας με ένα ύφος το οποίο ενίοτε ταξιδεύει τον αναγνώστη, άλλες φορές τον ιντριγκάρει, αλλά πάντοτε του μαθαίνει πράγματα—μας προσφέρει εδώ ένα αξιοθαύμαστο σύνολο από σύντομες αφηγήσεις σχετικά με σημαντικές εξελίξεις στην ιστορία της φυσικής και της κοσμολογίας του προηγούμενου αιώνα. Οι ιστορίες του καταφέρνουν να ενσωματώνουν με υπέροχο τρόπο την ανθρώπινη ιστορία στην επιστήμη. Το εν λόγω βιβλίο θα το βρουν απολαυστικό αλλά και διαφωτιστικό τόσο αναγνώστες χωρίς εξειδικευμένες επιστημονικές γνώσεις όσο και φοιτητές της επιστήμης και της ιστορίας, αλλά ακόμα και επαγγελματίες επιστήμονες και ιστορικοί.»

    —Κιπ Θορν, Καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια, Βραβευμένος με Νόμπελ στη Φυσική το 2017

    «Οι φυσικοί είναι άνθρωποι! Έχουν ανασφάλειες, ερωτικές ζωές, οικονομικά άγχη και πολιτικές απόψεις, ενώ παράλληλα προσπαθούν να αποκαλύψουν τα θεμέλια της πραγματικότητας. Ο Κάιζερ αφηγείται καθηλωτικές ιστορίες, οι οποίες προσπαθούν ταυτόχρονα να εξηγήσουν συναρπαστικές πτυχές της φυσικής με έναν γλαφυρό τρόπο αλλά και να αναδείξουν τους ανθρώπους που μόχθησαν για να τις ανακαλύψουν.»

    —Σον Κάρολ, συγγραφέας του Something Deeply Hidden

    «Αναρωτηθήκατε ποτέ γιατί ο Σρέντιγκερ επέλεξε την τόσο μακάβρια εικόνα μιας ημί-νεκρής γάτας για να περιγράψει την κβαντική φυσική; Θέλετε να μάθετε πως ένας φερόμενος ως κατάσκοπος των Σοβιετικών απέφυγε τη φυλάκιση και τελικά έφερε τα πάνω κάτω στη σωματιδιακή φυσική; Μπορείτε να μαντέψετε τι ήταν αυτό που εκτόξευσε τις πωλήσεις του βιβλίου Το Τάο της Φυσικής; Αν ερωτήματα σαν κι αυτά σας κεντρίζουν το ενδιαφέρον, τότε αυτό το βιβλίο είναι για σας. Δεν μπορώ να σκεφτώ κάποιον καταλληλότερο οδηγό από τον Κάιζερ για μια περιήγηση, εκ των έσω, στη φυσική του 20ου αιώνα. Αυτές οι πνευματώδεις ιστορίες αναδεικνύουν με υπέροχο τρόπο αυτό που ο Κάιζερ αποκαλεί «διπλή φύση» της επιστημονικής έρευνας, δηλαδή τη δυνατότητά της να κληροδοτεί ιδέες που αντέχουν στο χρόνο, ενώ παράλληλα αντανακλά τις ιδιαιτερότητες και τις ιδιομορφίες των εκάστοτε ιστορικών συγκυριών.»

    —Ντέμπορα Ρ. Κοέν, συγγραφέας του Climate in Motion

    «Αυτό που είναι αξιοσημείωτο με τον Κάιζερ ως συγγραφέα (και αυτό που καθιστά τα δοκίμιά του τόσο απολαυστικά στην ανάγνωση) δεν είναι μόνο η ικανότητά του να σκιαγραφεί με τόσο ζωντανό τρόπο το εύρος των προσωπικοτήτων που παρουσιάζονται στις σελίδες του βιβλίου του, από τον Αϊνστάιν μέχρι τον Χάιζενμπεργκ και από τον Σρέντιγκερ μέχρι τον Χόκινγκ, αλλά και ο τρόπος με τον οποίο καταφέρνει να φωτίζει τις ανθρώπινες διαστάσεις των ιδεών τους. Η ικανότητά του να αναδεικνύει συνδέσεις ανάμεσα σε εξωπραγματικές ιδέες και στους κοινωνικούς και πολιτικούς κόσμους εντός των οποίων διαμορφώνονται, τον καθιστά έναν μαγευτικό οδηγό στα μυστήρια του σύμπαντος.»

    —Νελ Φρόιντενμπεργκερ, συγγραφέας του Lost and Wanted

    Βιογραφικό Συγγραφέα

    Ο David Kaiser είναι Καθηγητής Ιστορίας της Επιστήμης και κάτοχος της έδρας Germeshausen του Προγράμματος Επιστήμης, Τεχνολογίας και Κοινωνίας του ΜΙΤ και Καθηγητής Φυσικής στο Τμήμα Φυσικής του ΜΙΤ. Η ιστορική έρευνα του Kaiser εστιάζει στην ανάπτυξη της φυσικής στις ΗΠA κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου, ενώ η έρευνά του στη φυσική εστιάζει στην κοσμολογία του πρώιμου σύμπαντος. Έχει επίσης συμμετάσχει σε πρωτοποριακά πειράματα που διερεύνησαν τα θεμέλια της κβαντικής θεωρίας.

    Έχει συγγράψει τα βραβευμένα βιβλία Drawing Theories Apart: The Dispersion of Feynman Diagrams in Postwar Physics (University of Chicago Press, 2005) και How the Hippies Saved Physics: Science, Counterculture, and the Quantum Revival (W. W. Norton, 2011). Το πιο πρόσφατο βιβλίο του, H Κβαντική Κληρονομία: Ανταποκρίσεις από έναν Αβέβαιο Κόσμο (Εκδόσεις Ροπή, 2022), επιλέχθηκε ως ένα από τα καλύτερα ακαδημαϊκά βιβλία της χρονιάς, από τα περιοδικά Physics Today και Physics World. Το έργο του Κάιζερ έχει επίσης δημοσιευτεί σε έντυπα και περιοδικά όπως τα New Yorker, Nature, Science, Scientific American, New York Times, και London Review of Books.

  • ΚΒΑΝΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΑΤΟΜΩΝ (ΜΕΡΟΣ ΤΕΤΑΡΤΟ – ΤΕΛΕΥΤΑΙΟ): Κβαντικά αέρια και άλλες «εξωτικές» εφαρμογές τους.

    ΚΒΑΝΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΑΤΟΜΩΝ (ΜΕΡΟΣ ΤΕΤΑΡΤΟ – ΤΕΛΕΥΤΑΙΟ): Κβαντικά αέρια και άλλες «εξωτικές» εφαρμογές τους.

    Καλλιτεχνική απεικόνιση των ατόμων ενός κβαντικού αερίου στο διάστημα. Χρήστος Αλαβέρας / Κβαντικό Αέριο στο Διάστημα / Παστέλ σε μαύρο χαρτί κανσόν Α4.Στο πρώτο μέρος αυτού του αφιερώματος εστιάσαμε στην ιστορική ανασκόπηση των θεωρητικών και πειραματικών εργασιών πάνω στα κβαντικά αέρια καθώς και σε μια συνοπτική παρουσίαση των βασικών τους ιδιοτήτων (εδώ). Στο δεύτερο μέρος αναφερθήκαμε στην πιο εντυπωσιακή εφαρμογή τους που είναι το ατομικό λέιζερ (εδώ).   Στο τρίτο μέρος εστιάσαμε στην Ατομική Οπτική (εδώ). Στο τέταρτο και τελευταίο άρθρο αυτού του αφιερώματος θα αναφερθούμε στην αξιοποίηση των κβαντικών αερίων σε πειράματα στο διαστημικό χώρο και σε άλλες «εξωτικές» εφαρμογές τους. Θα συνιστούσαμε στον αναγνώστη να διαβάσει το πρώτο και δεύτερο μέρος αυτού του μεγάλου αφιερώματος ώστε να μπορεί να κατανοήσει καλύτερα το περιεχόμενο αυτού του άρθρου. ΚΒΑΝΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΚΑΙ ΔΙΑΣΤΗΜΑ

    ‘Ενας παράγοντας που επηρεάζει όλες τις πειραματικές προσπάθειες με κβαντικά αέρια είναι η βαρύτητα. Η πανταχού παρούσα αυτή φυσική αλληλεπίδραση παρασύρει τα άτομα που έχουν μάζα και ελαττώνει το χρόνο που ένα κβαντικό αέριο παραμένει παγιδευμένο άρα και την χρησιμότητά του ως πεδίο έρευνας από τους επιστήμονες. Είναι λογικό, λοιπόν, η προσοχή των ερευνητών να έχει στραφεί στην ανάπτυξη κβαντικών αερίων σε συνθήκες έλλειψη βαρύτητας.

    Στις 23 Ιανουαρίου του 2017, στα πλαίσια της διαστημικής αποστολής MAIUS-1, Γερμανοί επιστήμονες, από το Πανεπιστήμιο Leibniz του Αννόβερου, κατόρθωσαν να δημιουργήσουν το πρώτο κβαντικό αέριο ατόμων ρουβιδίου στο διάστημα και να εκτελέσουν 110 πειράματα κατά τη διάρκεια μιας πτήσης που είχε συνολική διάρκεια 17 λεπτών (Lachmann et al, 2021). Τα στάδια αυτού του ερευνητικού προγράμματος παρουσιάζονται στην Εικ.1. Η εμπειρία που αποκτήθηκε από αυτήν την αποστολή αξιοποιήθηκε από την NASA η οποία, στις 21 Μαΐου του 2018, έθεσε σε λειτουργία το Εργαστήριο Ψυχρών Ατόμων (Cold Atom Lab, CAL). Το Εργαστήριο αυτό αποτελεί μέρος του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού (International Space Station, ISS). Στις 30 Ιουνίου του ίδιου χρόνου δημιουργήθηκε το πρώτο κβαντικό αέριο από άτομα ρουβιδίου  και ανακοινώθηκαν τα πρώτα πειράματα σε κβαντικά αέρια μποζονίων στον ISS (Aveline et al, 2020). Είναι αξιοσημείωτο πως ο χρόνος «ζωής» ενός κβαντικού αερίου στο διάστημα μπορεί να φτάσει και πάνω από 10 δευτερόλεπτα, όταν σε ένα αντίστοιχο πείραμα στη Γη διαρκεί μερικά κλάσματα του δευτερολέπτου.Εικόνα 1: Η ανάπτυξη του πρώτου κβαντικού αερίου στο διάστημα στα πλαίσια της αποστολής MAIUS-1. Μετά την διέλευση από την Γραμμή Kármán (το όριο ανάμεσα στην γήινη ατμόσφαιρα και τον διαστημικό χώρο), ο πύραυλος-φορέας εκτελεί μια πλάγια βολή υπό την επίδραση της βαρύτητας. Η δημιουργία του κβαντικού αερίου και τα πειράματα σε αυτό εξελίσσονται κατά τη διάρκεια μιας ελεύθερης πτώσης, ουσιαστικά σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας.Από τα πειραματικά αποτελέσματα στον ISS ξεχωρίζει ο σχηματισμός φυσαλίδων σε μορφώματα ψυχρών παγιδευμένων ατόμων (Carollo et al, 2022) (βίντεο εδώ). Ήδη από την εποχή των διαστημικών προγραμμάτων ΑΠΟΛΛΩΝ οι αστροναύτες είχαν παρατηρήσει πως τα υγρά συμπεριφέρονται διαφορετικά, σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας σε σχέση με τη Γη καθώς, σε αυτές τις συνθήκες, συσσωματώνονται με τη μορφή φυσαλίδων παρά σταγόνων. Τα πειράματα στον  ISS, με ατομικά αέρια σε θερμοκρασία ενός εκατομμυριοστού του βαθμού  πάνω από το απόλυτο μηδέν (1 μΚ), έδειξαν το σχηματισμό φυσαλίδων διαμέτρου 1 mm και πάχους 1 μm. Το αέριο ξεκινά σαν μια μικρή στρογγυλή σταγόνα, σαν κρόκος αυγού, και «σμιλεύεται» σε κάτι που ομοιάζει περισσότερο σε ένα λεπτό κέλυφος αυγού. Στη Γη, παρόμοιες προσπάθειες αποτυγχάνουν καθώς τα άτομα ωθούνται από τη βαρύτητα κατακόρυφα προς τα κάτω, σχηματίζοντας κάτι που ομοιάζει περισσότερο σε ένα φακό επαφής παρά σε μια φυσαλίδα. Το επόμενο βήμα θα είναι ο σχηματισμός ενός κβαντικού αερίου Bose-Einstein από φυσαλίδες. Θεωρητικές εργασίες έχουν ήδη δείξει πως σε ένα τέτοιο αέριο μπορούν να δημιουργηθούν δίνες από τη δυναμική των οποίων μπορούμε να εμβαθύνουμε στη φυσική των κβαντικών αερίων. Γενικότερα, η δυναμική των ρευστών επηρεάζεται εκτός από τη βαρύτητα και από άλλους παράγοντες όπως το ιξώδες και η επιφανειακή τάση. Η μελέτη των κβαντικών αερίων σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας βοηθά στην κατανόηση της φυσικής αυτών των μηχανισμών.

    Τα πειράματα με κβαντικά αέρια στον διαστημικό χώρο παρουσιάζουν μια σειρά από μεγάλες τεχνικές δυσκολίες και προκλήσεις. Κατ’ αρχάς θα πρέπει το μέγεθος, το βάρος και η ισχύς που καταναλώνουν οι διατάξεις να είναι συμβατά με τα τεχνικά όρια που επιβάλλει η κατασκευή διαστημικών σταθμών και συστημάτων εκτόξευσης. Στη συνέχεια θα πρέπει να εξασφαλιστεί η αξιόπιστη και αυτόνομη λειτουργία των διατάξεων για μεγάλο χρονικό διάστημα (έως και αρκετά χρόνια) χωρίς την ανάγκη ανθρώπινης παρέμβασης. Ιδιαίτερα σε ένα διαστημικό σταθμό η ανθρώπινη παρουσία και δραστηριότητα μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητα σφάλματα στα πειράματα γεγονός που καθιστά αναγκαίο το σχεδιασμό και την ανάπτυξη διαστημικών διατάξεων που θα έχουν ως αποκλειστική λειτουργία τον πειραματισμό με κβαντικά αέρια.Εικόνα 2: Τα κβαντικά αέρια μπορούν να αξιοποιηθούν στην έρευνα ενός πλήθους από θεμελιώδη ερωτήματα της φυσικής καθώς και σε μια σειρά εφαρμογές.Ανάμεσα στα πολλά επιστημονικά προβλήματα που αναμένεται να μελετηθούν σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας είναι η σχέση μεταξύ βαρυτικής και αδρανειακής μάζας, η έρευνα για την σκοτεινή ενέργεια και ύλη, ο υπολογισμός θεμελιωδών σταθερών όπως η παγκόσμια βαρυτική σταθερά G, η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων και άλλα. Πολύ σημαντικές εφαρμογές που αφορούν στην ανάπτυξη ατομικών ρολογιών και το ρόλο τους στην πλοήγηση στη θάλασσα, στον αέρα και στο διαστημικό χώρο αναμένεται να επωφεληθούν από την ανάπτυξη κβαντικών αερίων στο διάστημα.

    Ιδιαίτερα εντυπωσιακό είναι το γεγονός πως τα κβαντικά αέρια μπορούν να αξιοποιηθούν ως πλατφόρμες προσομοίωσης φαινομένων κοσμικής κλίμακας όπως η ίδια η δημιουργία του Σύμπαντος. Δεδομένου ότι κάθε φορά που οι επιστήμονες παρατηρούν τον ουρανό βλέπουν πίσω στο παρελθόν αναρωτιέται κάποιος γιατί χρειάζεται να καταφύγουμε σε προσομοιώσεις για τη διερεύνηση κοσμολογικών φαινομένων. Η απάντηση βρίσκεται στο γεγονός πως υπάρχει ένα όριο στο παρελθόν πέρα από το οποίο δεν μπορούμε να διεισδύσουμε. Σύμφωνα με την εκδοχή της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang Theory) οι πρώτες «στιγμές» (κάπου 380.000 χρόνια!) μετά την έκρηξη, που είναι στην κυριολεξία πολύ κρίσιμες για την μετέπειτα ανάπτυξη του Σύμπαντος, καλύπτονται από μυστήριο. Κατά την περίοδο αυτή ο συμπαντικός χώρος εικάζεται πως ήταν γεμάτος από πυκνό πλάσμα το οποίο είναι μη διαπερατό στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με αποτέλεσμα αυτή να μην κατορθώσει να ταξιδέψει στο χωροχρόνο και να φτάσει σήμερα στα όργανα παρατήρησης που διαθέτουμε. Μια προσπάθεια να φωτιστεί αυτή η αρχική περίοδος έχει γίνει στα πλαίσια της Θεωρίας του Πληθωρισμού (Inflation Theory), η οποία προτείνει ότι ο χώρος στην αρχή επεκτάθηκε ταχύτατα (σε χρόνο 10-30 s το μέγεθος του Σύμπαντος διπλασιάστηκε εκατό φορές!) για να ακολουθήσει μια δραματική επιβράδυνση. Αλλά δεν είναι γνωστό με βεβαιότητα εάν η θεωρία είναι σωστή και ακόμα κι αν είναι πολλές λεπτομέρειες μένουν να διερευνηθούν. Οι κοσμολόγοι δεν μπορούν να ταξιδέψουν τόσο πίσω στο χρόνο για να έχουν μια εικόνα του τι συνέβη κατά την εποχή του πληθωρισμού. Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να καταφύγουμε στην προσομοίωση του φαινομένου και εδώ τα κβαντικά αέρια έχουν αφήσει πολλές υποσχέσεις.

    Πριν από πέντε χρόνια, σε μια εργασία, η ερευνητική ομάδα του G. Campbell, στο Πανεπιστήμιο του Maryland των ΗΠΑ, έδειξε πως η απότομη διαστολή ενός παγιδευμένου κβαντικού αερίου Bose-Einstein ομοιάζει στην διαστολή του Σύμπαντος (Eckel et al, 2018). Μόλις το 2022 η ερευνητική ομάδα του M. Oberthaller, στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης, έκανε ένα σημαντικό βήμα στην προσομοίωση της διαστολής του Σύμπαντος κατασκευάζοντας μια πειραματική πλατφόρμα στην οποία μπορεί να διερευνηθεί αυτή η κατάσταση σε ένα κβαντικό αέριο από άτομα καλίου. Το νέο ποιοτικό στοιχείο που έφερε αυτό το πείραμα ήταν πως αντί οι ερευνητές να αφήσουν το κβαντικό αέριο να διασταλεί στο χώρο και το χρόνο προσομοίωσαν μια κατάσταση διαστολής ενώ τα άτομα παρέμεναν στη θέση τους. Πως έγινε κάτι τέτοιο εφικτό; Με μια απλή σκέψη: τα μέρη ενός συστήματος που διαστέλλεται αλληλεπιδρούν με δυνάμεις που διαρκώς εξασθενούν. Αν σε ένα κβαντικό αέριο εφαρμόσουμε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο του οποίου μεταβάλουμε την ένταση μπορούμε να ελαττώνουμε κατά βούληση τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων του αερίου και έτσι να προσομοιώσουμε μια κατάσταση διαστολής (Viermann et al, 2022). Για να επιτευχθεί πειραματικά αυτή η κατάσταση οι ερευνητές αξιοποίησαν ένα φαινόμενο της ατομικής φυσικής γνωστό ως συντονισμός Feshbach (Feshbach resonance). Τα αποτελέσματα του πειράματος αυτού είναι πάρα πολύ ενθαρρυντικά καθώς επιβεβαίωσαν μια σημαντική ιδιότητα που έχει ένα διαστελλόμενο σύμπαν.

    Πράγματι, μια απλή πρόβλεψη της κβαντικής θεωρίας πεδίου είναι πως σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν οι κβαντικές διακυμάνσεις οδηγούν στο σχηματισμό ζευγών σωματιδίων-αντισωματιδίων. Κάτι τέτοιο είναι αδύνατο σε ένα στατικό σύμπαν. Σε ένα διαστελλόμενο κβαντικό αέριο τα αντίστοιχα σωματίδια θα ήταν φωνόνια και αυτό ήταν ακριβώς που παρατήρησαν ο Oberthaller και οι συνεργάτες του. Παράλληλα οι ερευνητές προχώρησαν και σε προσομοίωση διαφορετικών τύπων διαστολής, με σταθερό, με επιβραδυνόμενο και με επιταχυνόμενο ρυθμό αντίστοιχα. Και στις τρεις περιπτώσεις μετά το πέρας της διαστολής το κβαντικό αέριο είχε κυριευθεί από ακουστικά κύματα παρόμοια με αυτά που κυριαρχούσαν στο Σύμπαν την εποχή του πλάσματος. Οι επιστήμονες πλέον έχουν θέσει επί τάπητος το φιλόδοξο σχέδιο να χρησιμοποιήσουν αυτού του είδους τις προσομοιώσεις ώστε να διερευνήσουν τη δυναμική του Σύμπαντος πριν την εποχή του πληθωρισμού.

    ΚΒΑΝΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ STEALTH

    Τα αέρια ψυχρών ατόμων μπορούν να δημιουργήσουν καταστάσεις “stealth” στις οποίες το ατομικό μόρφωμα είναι αόρατο στην ακτινοβολία (Sanner et al, 2021), (Deb et al, 2021), (Margalit et al, 2021). Πως επιτυγχάνεται κάτι τέτοιο; Χάρις την απαγορευτική αρχή του Pauli η οποία εφαρμόζεται σε συστήματα φερμιονίων (σωματιδίων με ημιακέραιο σπιν, όπως τα ηλεκτρόνια). Σύμφωνα με αυτήν την αρχή δύο φερμιόνια δεν μπορούν να καταλάβουν την ίδια κατάσταση σε ένα κβαντικό σύστημα. Στην περίπτωση, για παράδειγμα, ημιαγωγών και μονωτών, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να αποκριθούν στην εφαρμογή ασθενών ηλεκτρικών πεδίων γιατί κάτι τέτοιο θα απαιτούσε την μετακίνηση τους σε μια άλλη κβαντική κατάσταση η οποία είναι ήδη κατειλημμένη.

    Σε ένα σύνηθες αέριο ατόμων τα προσπίπτοντα φωτόνια «συγκρούονται» με τα άτομα, σαν μπίλιες του μπιλιάρδου, σκορπίζοντας το φως προς κάθε κατεύθυνση με αποτέλεσμα το κβαντικό αέριο να καθίσταται ορατό. Κατά τη διάρκεια της κρούσης αυτής ένα μέρος από την ορμή και την ενέργεια του φωτονίου μεταφέρεται στο άτομο. Αν διαθέτουμε ένα κβαντικό αέριο από φερμιονικά άτομα (όπως αυτά του λιθίου) και το φέρουμε σε αλληλεπίδραση με τα φωτόνια μιας δέσμης λέιζερ τότε επειδή το αέριο είναι αρκετά περιορισμένο στο χώρο η κρούση συνεπάγεται τη μετάβαση του ατόμου σε μια γειτονική κβαντική κατάσταση. Αυτό όμως είναι αδύνατο καθώς η κατάσταση αυτή είναι ήδη κατειλημμένη από άλλο άτομο. Ως εκ τούτου η σκέδαση των φωτονίων από το άτομο καθίσταται αδύνατη. Τα φωτόνια δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τα άτομα με αποτέλεσμα να διέρχονται μέσα από το κβαντικό αέριο ανεπηρέαστα σαν να διαπερνούν ένα διαφανές μέσο.

    ΚΒΑΝΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΚΑΙ ΧΡΟΝΙΚΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ

    Οι χρονικοί κρύσταλλοι προτάθηκαν το 2012 από τον F. Wilczek (Wilczek, 2012). Πρόκειται για το χρονικό ανάλογο των γνωστών μας «συμβατικών» χωρικών κρυστάλλων. Οι χρονικοί κρύσταλλοι αναδύονται από μια αυθόρμητη αυτo-οργάνωση ενός φυσικού συστήματος που οδηγεί το σύστημα σε μια περιοδική κίνηση στο χρόνο όπως ο σχηματισμός χωρικών κρυστάλλων αποτελεί μια εκδήλωση αυθόρμητης αυτό-οργάνωσης της ύλης που οδηγεί στην ανάπτυξη μιας περιοδικής δομής στο χώρο.

    Αυτή η εξωτική και δυναμική φάση της ύλης έχει παρατηρηθεί σε διάφορες πειραματικές πλατφόρμες με την αξιοποίηση κβαντικών αερίων. Ιδιαίτερα διαδεδομένη μέθοδος για την ανάπτυξη χρονικών κρυστάλλων είναι η αναπήδηση κβαντικών αερίων πάνω σε κάτοπτρα, στην οποία αναφερθήκαμε στο τρίτο μέρος του αφιερώματος (εδώ).  Στις περισσότερες περιπτώσεις οι χρονικοί κρύσταλλοι αναπτύσσονται σε «κλειστά» συστήματα, δηλαδή συστήματα τα οποία είναι «προστατευμένα» από αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον. Γενικά η αλληλεπίδραση ενός συστήματος με το περιβάλλον καταστρέφει τη συμμετρία και την τάξη ενός χρονικού κρυστάλλου. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις όπου αυτή η αλληλεπίδραση μπορεί να διαμορφωθεί με τέτοιο τρόπο ώστε η συμμετρία και η τάξη να διατηρηθούν.  Τα κβαντικά αέρια έγιναν η πρώτη πειραματική πλατφόρμα στην οποία αναπτύχθηκαν χρονικοί κρύσταλλοι σε ένα ανοικτό σύστημα (Keßler et al, 2021). Κάτι τέτοιο είναι αρκετά σημαντικό γιατί είναι πολύ δύσκολο ένα σύστημα να παραμείνει «κλειστό» και πλήρως απομονωμένο από το περιβάλλον. Με την ανάπτυξη των χρονικών κρυστάλλων η φυσική της συμπυκνωμένης ύλης εισέρχεται στην τέταρτη διάσταση, αυτή του χρόνου.ΕΠΙΛΟΓΟΣ

    Φέτος συμπληρώνεται ένας αιώνας από τότε που οι S. N. Bose και A. Einstein προέβλεψαν θεωρητικά την δυνατότητα ύπαρξης των κβαντικών αερίων. Είμαστε σίγουροι πως η επέτειος αυτή θα συνοδευτεί από ένα μεγάλο αριθμό αφιερωματικών άρθρων παγκοσμίως. Οι αναγνώστες του InS έχουν την ευκαιρία σε αυτή τη σειρά των τεσσάρων άρθρων να λάβουν, ελπίζουμε, μια αρκετά λεπτομερή εικόνα για τις ιδιότητες και τις εφαρμογές των κβαντικών αερίων. Μαζί με τους οπτικούς κρυστάλλους ατόμων αποτελούν τα κορυφαία ίσως επιτεύγματα της σύγχρονης ατομικής φυσικής και βασικούς πυλώνες της αναγέννησης του πεδίου αυτού που λαμβάνει χώρα τις τελευταίες δεκαετίες (Lembessis, 2020).ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Η Συντακτική Επιτροπή του InS ευχαριστεί θερμά τον εικαστικό Χρήστο Αλαβέρα, από τη Θεσσαλονίκη, που φιλοτέχνησε την κεντρική και άλλες εικόνες του άρθρου.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Aveline, D., C., Williams, J., R., Elliott, E., R., Dutenhoffer, C., Kellogg, J., R., Kohel, J., M., Lay, N., E., Oudrhiri, K., Shotwell, R., F., Yu, N., and Thompson, R., J., 2020. Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab. Nature 582, 193-197. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1

    Carollo, R., A., Aveline, D., C., Rhyno, B., Vishershwara, S., Lannert, C., Murphree, J. D., Elliot, E., R., Williams, J., R., Thompson, R., J., and Lundbland, N., 2022. Observation of ultracold atomic bubbles in orbital microgravity. Nature 606, 281-286. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04639-8

    Deb, A., B., and Kjaergaard, N., K., 2021. Observation of Pauli blocking in light scattering from quantum degenerate fermions. Science 374, Issue 6570, 972-975. DOI: 10.1126/science.abh3470

    Eckel, S., Kumar, A., Jacobson, T., Spielman, I., B.,  and Campbell, G., K., 2018.  A rapidly expanding Bose–Einstein condensate: an expanding universe in the lab. Rev. X 8, 021021. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021021

    Keßler, H., Kongkhambut, P., Georges, C., Mathey, L., Cosme, J., G., and Hemmerich, A., 2021. Observation of a dissipative time crystal. Rev. Lett. 127, 043602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.043602

    Lachmann, M., D., Ahlers, H., Becker, D., Dinkelaker, A., N., Grosse, J., Hellmig, O., Müntinga, H., Schkolnik, V., Seidel, S., T., Wendrich, T., Wenzlawski, A., Carrick, B., Gaaloul, N., Lüdtke, D., Braxmaier, C., Ertmer, W., Krutzik, M., Lämmerzahl, C., Peters, A., Schleich, W., P., Sengstock, K., Wicht, A., Windpassinger, P., and Rasel, E. M., 2021. Ultracold atom interferometry in space. Nature Communications 12, 1317. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21628-z

    Lembessis, V. E., 2020. Taming Atoms: The Renaissance of Atomic Physics. Bellingham, Washington USA: SPIE. https://spie.org/Publications/Book/2563827?SSO=1

    Margalit, Y., Lu, Y.-K., Top, F., Ç., and Ketterle, W., 2021. Pauli blocking of light scattering in degenerate fermions. Science 374, Issue 6570, 976-979. DOI: 10.1126/science.abi6153

    Sanner, C., Sonderhouse, L., Hutson, R., B., Yan, L., Milner, W., R., and Ye, J., 2021. Pauli blocking of atom-light scattering. Science 374, Issue 6570, 979-983. DOI: 10.1126/science.abh3483

    Viermann, C., Sparn, M., Liebster, N., Hans, M., Kath, E., Parra-López, A., Tolosa-Simeón, M., Sánchez-Kunz, N., Haas, T., Strobel, H., Floerchinger, S., and Oberthaler, M., K., 2022. Nature 611, 260-264. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05313-9

    Wilczek, F., 2012. Quantum time crystals. Rev. Lett. 109, 160401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.16040