InScience Magazine

Tag: επιστήμη

ΗΜΕΡΙΔΑ ΤΟΥ ΣΥΛΛΟΓΟΥ ΕΡΓΑΖΟΜΕΝΩΝ ΤΟΥ Ε.Ι.Ε. ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΗΜΕΡΑ ΤΗΣ ΓΥΝΑΙΚΑΣ

HΜΕΡΙΔΑ ΤΟΥ ΣΥΛΛΟΓΟΥ ΕΡΓΑΖΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ ΕΘΝΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΕΡΕΥΝΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΗΜΕΡΑ ΤΗΣ ΓΥΝΑΙΚΑΣ

Την εκδήλωση συντονίζει η κ. Πηνελόπη Σεριάτου, Διδάκτωρ, Τμήμα Ιστορίας και Αρχαιολογίας, Διοικητικός Υπάλληλος του ΕΙΕ.

Ομιλητές:

1. Βασίλης Ζουμπουρλής, Πρόεδρος του Συλλόγου Εργαζομένων του ΕΙΕ, Διευθυντής Ερευνών στον Τομέα του Καρκίνου και της Βιολογίας των Βλαστικών Κυττάρων.
Θέμα της ομιλίας: Μαρία Σκλοντόφσκα-Κιουρί: Η Μεγάλη Κυρία της Επιστήμης.

2. Δώρα Βασιλακοπούλου, Ερευνήτρια του Ε.ΚΕ.Φ.Ε Δημόκριτος
Θέμα της ομιλίας: Η Γυναίκα στην ‘Ερευνα.

July 4, 2022
ΟΠΤΙΚΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ ΑΤΟΜΩΝ – ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤO

Απεικόνιση ατόμων παγιδευμένων σε οπτικό πλέγμα. Ευγενική προσφορά στο InS του I. Bloch, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian (LMU) του Μονάχου και Διευθυντή Ερευνών στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής Max Planck στο Garching της Γερμανίας.Σε αυτό το άρθρο θα αναφερθούμε στην πιο θεαματική, ίσως, εφαρμογή της παγίδευσης της ατομικής κίνησης: τους οπτικούς κρυστάλλους. Πρόκειται για φυσικά συστήματα στα οποία παγιδεύονται άτομα μέσα σε οπτικά πλέγματα, δηλαδή σε οπτικά πεδία που η έντασή τους εμφανίζει περιοδικότητα, σε μία, δύο και τρεις διαστάσεις και θυμίζουν τη μορφή των κρυσταλλικών πλεγμάτων των στερεών σωμάτων. Η σημασία των οπτικών κρυστάλλων ατόμων πάει πολύ πιο πέρα από μια απλή ομοιότητα μορφής και γεωμετρίας με τους κρυστάλλους των στερεών σωμάτων καθώς ανοίγουν, στην κυριολεξία, νέους ορίζοντες στην ατομική φυσική και στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Η ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΝΟΣ ΟΠΤΙΚΟΥ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ

Η κατασκευή ενός οπτικού πλέγματος είναι εξαιρετικά απλή. Το μόνο που χρειάζεται είναι δύο όμοιες (σε πλάτος, συχνότητα και πόλωση) δέσμες λέιζερ που διαδίδονται σε αντίθετη κατεύθυνση και συμβάλλουν μεταξύ τους. Με αυτό τον τρόπο προκύπτει ένα στάσιμο ηλεκτρομαγνητικό κύμα του οποίου η ένταση εμφανίζει περιοδικότητα σε μια διάσταση (στην διεύθυνση της διάδοσης των δύο δεσμών), όπως φαίνεται στην Εικ. 1. Με ανάλογο τρόπο, αν οδηγήσουμε σε συμβολή ζεύγη δεσμών κατά μήκος των άλλων δύο διαστάσεων του χώρου, μπορούμε να κατασκευάσουμε ηλεκτρομαγνητικά πεδία με περιοδικότητα στις δύο ή και στις τρεις διαστάσεις όπως φαίνεται και στην Εικ. 2 (Bloch, 2005).Εικόνα 1. Το στάσιμο ηλεκτρομαγνητικό κύμα προκύπτει από τη συμβολή δύο αντίθετα διαδιδόμενων δεσμών λέιζερ. Τα σημεία μέγιστης (ελάχιστης) έντασης απέχουν μεταξύ τους απόσταση ίση με το μισό του μήκους κυμάτων λ των δύο δεσμών λέιζερ. Στα σημεία αυτά μπορούν να παγιδευτούν άτομα (κίτρινοι δίσκοι) Εικόνα 2. a) Οπτικά πλέγματα σε δύο διαστάσεις. Τα άτομα παγιδεύονται σε περιοχές με κυλινδρική γεωμετρία. β) Οπτικά πλέγματα σε τρεις διαστάσεις. Τα άτομα παγιδεύονται γύρω από συγκεκριμένα σημεία του χώρου.Όταν ένα άτομο, που έχει προηγουμένως επιβραδυνθεί, βρεθεί μέσα σε ένα οπτικό πλέγμα υπόκειται σε ένα οπτικό διπολικό δυναμικό και παγιδεύεται στα σημεία που η τιμή της έντασης του φωτός είναι μέγιστη ή μηδενική. Το άτομο βρίσκεται στην ουσία παγιδευμένο από ένα δυναμικό που έχει τη χωρική περιοδικότητα της έντασης του πεδίου. Μια καλλιτεχνική αναπαράσταση του δυναμικού αυτού και των παγιδευμένων ατόμων δίνεται στην Εικ.3. Όπως, εύστοχα, έχει σχολιάσει ο φυσικός Ι. Deutsch, τα παγιδευμένα άτομα στα οπτικά πλέγματα μοιάζουν με αυγά τοποθετημένα σε καρτέλες. Τα πειράματα με οπτικά πλέγματα άρχισαν στις αρχές της δεκαετίας του ’90 με πρωτοπόρες τις ερευνητικές ομάδες του G. Grynberg στην École Normale Superieure (ENS) των Παρισίων (Verkerk et al, 1992) και του W. Phillips στο National Institute of Standards and Technology (NIST) του Gaithersburg των ΗΠΑ (Jessen et al, 1992).

Οπτικά πλέγματα μπορούν να κατασκευαστούν για οποιαδήποτε άτομα. Όμως με τα στοιχεία των αλκαλίων η κατασκευή και ο χειρισμός των ατόμων είναι ευκολότερος εξαιτίας της ύπαρξης στην ηλεκτρονική τους δομή ενός μόνο ηλεκτρονίου σθένους. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες τα περισσότερα άτομα συμπεριφέρονται με παρόμοιο τρόπο. Το μόνο κρίσιμο στοιχείο είναι αν είναι μποζόνια ή φερμιόνια καθώς με τα πρώτα η διαδικασία επιβράδυνσης της ατομικής κίνησης είναι ευκολότερη. Σήμερα πειράματα με οπτικά πλέγματα εκτελούνται με άτομα διαφόρων στοιχείων όπως τα μποζονικά ρουβίδιο-87, νάτριο-23, κάλιο-39 και κέσιο-13 καθώς και τα φερμιονικά κάλιο-40, λίθιο-6 και στρόντιο-87.

Ο τρόπος με τον οποίο τα άτομα τοποθετούνται σε ένα οπτικό πλέγμα ακολουθεί μια αντίστροφη λογική. Δημιουργούμε πρώτα ένα συμπύκνωμα Bose–Einstein από τα άτομα. Στη συνέχεια σχηματίζουμε αργά το πλέγμα στο χώρο του συμπυκνώματος και τα άτομα αναδιατάσσονται και παίρνουν τις θέσεις τους μέσα στο πλέγμα. Αν θέλουμε να ελευθερώσουμε τα άτομα από τον οπτικό κρύσταλλο τότε, απλά, δεν έχουμε παρά να «σβήσουμε» το οπτικό πλέγμα.Εικόνα 3. Καλλιτεχνική αναπαράσταση ενός οπτικού πλέγματος και παγιδευμένων ατόμων σε αυτό.ΟΠΤΙΚΑ ΚΑΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΠΛΕΓΜΑΤΑ

Η κίνηση των παγιδευμένων ατόμων σε έναν οπτικό κρύσταλλο προσομοιάζει με την κίνηση των ηλεκτρονίων στο κρυσταλλικό πλέγμα ενός μετάλλου. Σε αυτό ακριβώς το χαρακτηριστικό εδράζεται η σπουδαιότητα των οπτικών κρυστάλλων. Ωστόσο, η ομοιότητα αυτή δεν θα πρέπει να μας οδηγήσει στην παραγνώριση των μεταξύ τους διαφορών, οι οποίες είναι σημαντικές (Cohen-Tannoudji & Guéry-Odelin, 2011). Κατ’ αρχάς στα οπτικά πλέγματα η περιοδικότητα στο χώρο δεν οφείλεται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων αλλά σε ένα εξωτερικό δυναμικό που δημιουργείται από την αλληλεπίδραση των ατόμων με το φως, όπως φαίνεται παραστατικά στην Εικ. 4. Επίσης, η σχετική κλίμακα των χωρικών διαστάσεων είναι διαφορετική. Δύο διαδοχικές θέσεις σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα έχουν απόσταση μεταξύ τους της τάξης του Angstrom (10^-10m). Αντίθετα, σε ένα οπτικό πλέγμα η αντίστοιχη απόσταση είναι της τάξης του 1μm (10^-6 m), δηλαδή σχεδόν δέκα χιλιάδες φορές μεγαλύτερη. Επιπλέον, τα οπτικά πλέγματα, σε αντιδιαστολή με τα κρυσταλλικά, έχουν χαρακτηριστικά (όπως οι χωρικές διαστάσεις και το ενεργειακό τους βάθος) που μπορούν να μεταβληθούν κατά βούληση με την απλή αλλαγή των τιμών των παραμέτρων των δεσμών λέιζερ που τα δημιουργούν. Η μεγάλη διαφορά κλίμακας μεταξύ των κρυσταλλικών και οπτικών πλεγμάτων έχει ακόμη ένα πλεονέκτημα σε πειραματικό επίπεδο καθώς για να διερευνήσουμε φαινόμενα μέσα σε οπτικό πλέγμα χρειαζόμαστε απλά οπτικά μικροσκόπια σε αντίθεση με ένα κρυσταλλικό πλέγμα στο οποίο χρειαζόμαστε μικροσκόπια ακτινών-Χ. Αντίστοιχης τάξης μεγέθους είναι και η διαφορά στην χρονική διάρκεια αντίστοιχων φαινομένων στα οπτικά και στα κρυσταλλικά πλέγματα. Για παράδειγμα ενώ σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα η εκδήλωση του φαινομένου σήραγγας χρειάζεται χρονικά διαστήματα της τάξης του 1 ns (10^-9 s) σε ένα οπτικό πλέγμα χρειάζεται μόλις 1 ms (10^-3 s). Τέλος, τα οπτικά πλέγματα είναι, στις περισσότερες περιπτώσεις, απαλλαγμένα από τα φωνόνια (phonons), τις συλλογικές ταλαντώσεις ατόμων στις περιοδικές δομές των κρυστάλλων των στερεών σωμάτων.Εικόνα 4. Άτομα σε οπτικό πλέγμα και ηλεκτρόνια σε κρυσταλλικό πλέγμα. Οι γαλάζιες διακεκομμένες καμπύλες στο οπτικό πλέγμα αναπαριστούν τις κυματοσυναρτήσεις των ατόμων και αντιστοιχούν σε εκείνες των ηλεκτρονίων σθένους σε ένα πραγματικό κρύσταλλο (Greiner et al, 2015).ΙΜΑΝΤΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΓΙΑ ΑΤΟΜΑ

Ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό των οπτικών κρυστάλλων είναι η δυνατότητα μετακίνησής τους στο χώρο. Πράγματι, οι θέσεις των μέγιστων και ελάχιστων της έντασης και του διπολικού δυναμικού μπορούν να μετακινηθούν πάνω στη διεύθυνση διάδοσης των δεσμών λέιζερ. Ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ο τρόπος που επιτυγχάνεται κάτι τέτοιο: απλά μεταβάλλοντας ελαφρά τη συχνότητα του ενός από τα δύο λέιζερ! Για παράδειγμα, αν μεταξύ των δύο δεσμών υπάρχει μια διαφορά συχνοτήτων, Δf =f₁-f₂, τότε το οπτικό πλέγμα μετακινείται στο χώρο με μια ταχύτητα v = λΔf/2. Μάλιστα μπορεί να μετακινηθεί τόσο προς τη θετική κατεύθυνση (εάν Δf > 0) όσο και προς την αρνητική (εάν Δf < 0). Με αυτόν τον τρόπο τα μετακινούμενα πλέγματα λειτουργούν ως οπτικοί ιμάντες μεταφοράς (optical conveyors) για τα παγιδευμένα άτομα (Schrader et al, 2001). Οι οπτικοί ιμάντες μεταφοράς χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά ενός συνόλου ψυχρών ατόμων μεταξύ δύο σημείων του χώρου ενώ παράλληλα τα άτομα παραμένουν παγιδευμένα και βραδυκίνητα. Αυτός ο μηχανισμός μεταφοράς ατόμων στο χώρο έχει αξιοποιηθεί στη λειτουργία των ατομικών ρολογιών (atomic clocks) (Riis et al, 1990), (Clairon et al, 1991), στην δημιουργία ατομοπομπών από ψυχρά άτομα (Weyers et al, 1997), (Cren et al, 2002) και στην συντεταγμένη μεταφορά ενός μεγάλου αριθμού ατόμων ανάμεσα σε συγκεκριμένες θέσεις στο εσωτερικό μιας οπτικής ίνας (Langbecker et al, 2018).

Αν εκμεταλλευτούμε την πλούσια εσωτερική ενεργειακή δομή των ατόμων μπορούμε να κατασκευάσουμε ιμάντες μεταφοράς με ακόμη μεγαλύτερες δυνατότητες (Mandel et al, 2003). Όπως γνωρίζουμε, από την ατομική φυσική, ένα άτομο έχει σε κάθε ενεργειακή του κατάσταση αρκετές υποστάθμες Zeeman (Zeeman sublevels). Όταν τα άτομα βρίσκονται σε διαφορετικές υποστάθμες, τότε υπόκεινται σε ένα διαφορετικό οπτικό διπολικό δυναμικό. Φωτίζοντας το άτομο με δύο γραμμικά πολωμένες δέσμες λέιζερ, όπου οι πολώσεις τους σχηματίζουν γωνία , όπως φαίνεται στην Εικ. 5, δημιουργούμε ένα οπτικό πεδίο που είναι ισοδύναμο με αυτό που παράγεται από την συμβολή δύο στάσιμων κύματα με αντίθετες κυκλικές πολώσεις και τα οποία είναι μετατοπισμένα στο χώρο κατά μια απόσταση . Τα άτομα, λοιπόν, που βρίσκονται σε διαφορετικές υποστάθμες Zeeman, αισθάνονται την επίδραση διαφορετικών δυναμικών και παγιδεύονται σε διαφορετικές περιοχές του χώρου. Η μεταξύ τους απόσταση όμως, ευτυχώς για εμάς, εξαρτάται από τη γωνία . Ελαττώνοντας αυτή τη γωνία μπορούμε να τα φέρουμε όσο πιο κοντά θέλουμε. Τα οπτικά πλέγματα αυτού του τύπου έχουν παίξει κεντρικό ρόλο στην ανάπτυξη ατομικών κβαντικών πυλών (atomic quantum gates) όπως θα δούμε στο δεύτερο μέρος του αφιερώματός μας στους οπτικούς κρυστάλλους.Εικόνα 5. Η συμβολή δύο δεσμών που διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις και έχουν πολώσεις οι οποίες σχηματίζουν μια γωνία μας δίνει ένα οπτικό πεδίο το οποίο είναι ισοδύναμο με αυτό δύο στάσιμων κυμάτων με δεξιόστροφη κυκλική πόλωση σ₊ και αριστερόστροφη κυκλική πόλωση σ_–αντίστοιχα. Τα δύο στάσιμα κύματα είναι χωρικά μετατοπισμένα κατά μια απόσταση. Ως αποτέλεσμα τα άτομα βρίσκονται εντός διαφορετικών οπτικών πλεγμάτων με δυναμικά V₊ και V_– αντίστοιχα.ΜΕΓΑΛΗ ΠΟΙΚΙΛΙΑ ΜΟΡΦΩΝ

Τα οπτικά πλέγματα χαρακτηρίζονται από μεγάλη γεωμετρική ποικιλότητα καθώς έχουμε τη δυνατότητα διαφορετικών επιλογών, όσον αφορά στην κατεύθυνση των δεσμών, στην ένταση και στην πόλωσή τους. Για παράδειγμα, αν οι δύο δέσμες λέιζερ διαδίδονται σε κατευθύνσεις που σχηματίζουν μια γωνία μεταξύ τους, η οποία μπορεί να μεταβάλλεται κατά βούληση, τότε μπορούμε να ρυθμίζουμε τη σχετική απόσταση μεταξύ των δεσμών και κοιλιών του στάσιμου κύματος που προκύπτει από τη συμβολή των δεσμών και άρα των θέσεων που μπορούν να παγιδευτούν τα άτομα. Ποιο περίπλοκες δομές οπτικών πλεγμάτων, όπως εξαγωνικές και εδροκεντρωμένες κυβικές, είναι επίσης δυνατές και παράγονται σχετικά εύκολα σε ένα εργαστήριο οπτικής (Εικ. 6) (Grynberg et al, 1993).Εικόνα 6. Τρεις συμβάλλουσες ομοεπίπεδες δέσμες που διαδίδονται σε κατευθύνσεις που σχηματίζουν διαδοχικά γωνίες 120^ο μοιρών δημιουργούν ένα οπτικό πλέγμα δύο διαστάσεων με εξαγωνική γεωμετρία. Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ως οπτικό πλέγμα γραφενίου εξαιτίας της ομοιότητας του με τη δομή του διάσημου πλέον υλικού.H αξιοποίηση δεσμών λέιζερ με φωτόνια που φέρουν και στροφορμή κατά μήκος του άξονα διάδοσης, γνωστών με τον όρο οπτικοί στρόβιλοι, έδωσε νέες ποικιλίες οπτικών πλεγμάτων. Αυτά τα πλέγματα χαρακτηρίζονται από κυλινδρική συμμετρία. Σχηματίζονται από οπτικούς στρόβιλους που διαδίδονται στην ίδια κατεύθυνση αλλά έχουν φωτόνια με αντίθετη τροχιακή στροφορμή ±lħ (όπου l ένας ακέραιος αριθμός, γνωστός ως τοπολογικό φορτίο (topological charge) ή αριθμός περιέλιξης (winding number) και ħ η ανηγμένη σταθερά του Planck, ħ=h/2π). Τα πλέγματα αυτά μπορούν να λειτουργήσουν ως ιμάντες περιφοράς καθώς μια διαφορά στις συχνότητες των δύο δεσμών ίση με Δf είναι ικανή να περιστρέψει το πλέγμα με μια γωνιακή ταχύτητα Ω = πΔf/l (Franke-Arnold et al, 2007). Μεταβάλλοντας το πρόσημο της διαφοράς συχνοτήτων μπορούμε να περιστρέψουμε τον ιμάντα προς τη μια ή την άλλη διεύθυνση.Εικόνα 7. Αριστερά. Ο οπτικός τροχός του Ferris (από τον ομώνυμο τροχό των λούνα-πάρκ). Το προφίλ της έντασης ενός οπτικού τροχού του Ferris που έχει παραχθεί από τη συμβολή οπτικών στροβίλων με τοπολογικούς αριθμούς l= ±4 οι οποίοι διαδίδονται στην ίδια κατεύθυνση. Δεξιά. Το οπτικό «ρεβόλβερ» είναι ένα παράδειγμα οπτικού πλέγματος με κυλινδρική συμμετρία κατασκευασμένο από τη συμβολή οπτικών στροβίλων με διαφορετικά τοπολογικά φορτία. Η διεύθυνση διάδοσης των οπτικών στροβίλων είναι από την εικόνα προς τον αναγνώστη. Οι φωτογραφίες είναι ευγενική προσφορά προς το InS της Ερευνητικής Ομάδας Οπτικής του Πανεπιστημίου της Γκλασκώβης.Αν οι δύο συμβάλλοντες οπτικοί στρόβιλοι έχουν και αντίθετη διεύθυνση διάδοσης τότε έχουμε μια τρισδιάστατη εκδοχή του παραπάνω μηχανισμού. Σε αυτήν την περίπτωση τα άτομα παγιδεύονται μέσα σε ελικοειδείς σωλήνες. Όταν δε, οι δύο δέσμες έχουν ελαφρώς διαφορετική συχνότητα, τότε το πεδίο αυτό περιστρέφεται και μπορεί να παρασύρει παγιδευμένα σωματίδια και άτομα λειτουργώντας για αυτά όπως μια σπείρα του Αρχιμήδη η οποία χρησιμοποιείται, ακόμη και σήμερα, για την άντληση νερού από ποτάμια και λίμνες προς άρδευση γεωργικών καλλιεργειών και οικιακών χρήσεων.Εικόνα 8. Μια οπτική σπείρα του Αρχιμήδη. Η ένταση του φωτός χαρακτηρίζεται από μια ελικοειδή δομή στο χώρο. Στη συγκεκριμένη περίπτωση οι αριθμοί περιέλιξης των δεσμών είναι l = ±1 με αποτέλεσμα η έλικα να διαγράφει μια περιστροφή 360^ο μέσα σε μια απόσταση ίση με το μήκος κύματος του φωτός. Με μια ελαφρά μεταβολή της συχνότητας μιας εκ των δύο συμβαλλουσών δεσμών το σύστημα αυτό περιστρέφεται στο χώρο παρασύροντας παγιδευμένα άτομα και σωματίδια προς τα πάνω ή προς τα κάτω (Al Rsheed et al, 2016). ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΘΕΜΕΛΙΩΔΩΝ ΚΒΑΝΤΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ

Αναφερθήκαμε νωρίτερα στο κβαντικό φαινόμενο σήραγγας. Πρόκειται για ένα φαινόμενο που λαμβάνει χώρα όταν ένα σωμάτιο μπορεί να μετακινηθεί ανάμεσα σε δύο θέσεις, οι οποίες διαχωρίζονται από ένα φράγμα δυναμικής ενέργειας, ακόμη και όταν δεν έχει την απαιτούμενη κινητική ενέργεια για να υπερνικήσει τον φραγμό. Ένα άτομο παγιδευμένο σε ένα οπτικό πλέγμα αποτελεί ιδανικό σύστημα για να παρατηρήσουμε το φαινόμενο σήραγγας (Εικ.9). Μεταβάλλοντας την ένταση του στάσιμου κύματος αλλάζουμε το βάθος του οπτικού δυναμικού στο οποίο παγιδεύονται τα άτομα, άρα και το ύψος του φραγμού δυναμικής ενέργειας ανάμεσα σε δύο γειτονικές θέσεις του οπτικού πλέγματος. Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να ελέγχουμε το ρυθμό με τον οποίο τα άτομα περνούν από τη μια θέση στην άλλη αξιοποιώντας το φαινόμενο σήραγγας. Αυτό δίνει τη δυνατότητα να διερευνούμε το όριο ανάμεσα στην κατάσταση που τα άτομα είναι πλήρως εντοπισμένα στα “φρεάτια” δυναμικού του πλέγματος και στην κατάσταση που “ελευθερώνονται” από αυτά και κινούνται ελεύθερα στο πλέγμα. Σε αυτήν την περίπτωση έχουμε έναν ιδανικό προσομοιωτή για τη μετάβαση από μια κατάσταση όπου ένα σύστημα συμπεριφέρεται ως μονωτής, σε μια κατάσταση υπερρευστότητας για την οποία θα μιλήσουμε εκτενώς στο επόμενο σχετικό άρθρο (Greiner et al, 2002), (Schneider et al, 2008).Εικόνα 9. Καλλιτεχνική αναπαράσταση του φαινόμενου σήραγγας. 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.Τα οπτικά πλέγματα έχουν αποδειχθεί ιδανικά πεδία για την αποθήκευση και επεξεργασία κβαντικής πληροφορίας. Αυτό οφείλεται στη δυνατότητα επιλεκτικής αλληλεπίδρασης με συγκεκριμένα άτομα σε διάφορες θέσεις του οπτικού πλέγματος για να καταχωρούμε ή να ανακτούμε την πληροφορία από αυτά (Εικ.10). Το άτομο χρησιμοποιείται με τον ίδιο τρόπο που ένα μεμονωμένο μπιτ χρησιμοποιείται σε έναν καταγραφέα (register) ενός κλασικού υπολογιστή. Τα πρώτα πειράματα σε αυτήν την κατεύθυνση έγιναν στο Νational Institute of Standards & Technology (NIST) των ΗΠΑ από την ομάδα του W. Phillips (Porto et al, 2003) και στη Βόννη από την ομάδα του D. Meschede (Schrader et al, 2004). Σήμερα μπορούμε να επιλέγουμε, στην κυριολεξία, όποια θέση θέλουμε σε ένα οπτικό πλέγμα, να τοποθετούμε ένα άτομο σε αυτήν και στη συνέχεια να το φέρουμε σε αλληλεπίδραση με μια δέσμη λέιζερ τα χαρακτηριστικά της οποίας είναι πλήρως ελεγχόμενα από εμάς. H επιλεκτική αλληλεπίδραση απαιτεί την χρήση ισχυρά εστιασμένων δεσμών λέιζερ ώστε να μη διαταράσσονται τα γειτονικά άτομα. Οι τεχνικές αυτές έχουν αξιοποιηθεί στην υλοποίηση πυλών για κβαντικούς υπολογιστές. Η Εικ.11 μας δείχνει ένα μικρό δείγμα από τις σχεδόν απεριόριστες δυνατότητες που έχουμε σήμερα στην κατά βούληση τοποθέτηση ατόμων σε διαφορετικές θέσεις ενός οπτικού πλέγματος.Εικόνα 10. Καλλιτεχνική αναπαράσταση της δυνατότητας επιλεκτικής αλληλεπίδρασης με μεμονωμένα άτομα στοχεύοντάς τα με ισχυρά εστιασμένες δέσμες λέιζερ.Εικόνα 11. Εικόνες από μεμονωμένα άτομα που έχουν τοποθετηθεί σε διάφορες θέσεις μέσα σε οπτικό πλέγμα. 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 ΓερμανίαςΑφήσαμε για το τέλος αυτού του άρθρου την πιο σημαντική εφαρμογή των οπτικών πλεγμάτων στη μελέτη των θεμελιωδών εννοιών της κβαντικής φυσικής. Η στατιστική ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής ορίζει ως μέση τιμή ενός κβαντομηχανικού μεγέθους τη μέση τιμή που παίρνουμε έπειτα από διαδοχικές μετρήσεις πάνω σε ένα ή περισσότερα σωματίδια. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι πριν από κάθε μέτρηση το σύστημα των ατόμων να έχει προετοιμαστεί στην ίδια αρχική κατάσταση (Haroche & Raimond, 2006). Στην περίπτωση ενός κβαντικού συστήματος όλη η πληροφορία για αυτό εμπεριέχεται στην κυματοσυνάρτησή του Ψ. Η εκ νέου προετοιμασία είναι αναγκαία καθώς, μετά από κάθε μέτρηση, επέρχεται η λεγόμενη κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης (collapse of the wave function), δηλαδή η απώλεια όλων των υπόλοιπων εν δυνάμει αποτελεσμάτων που θα μπορούσαν να προκύψουν από τη μέτρηση. Σύμφωνα με το αξίωμα της μέτρησης: οποιαδήποτε κι αν ήταν η κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος πριν από μια μέτρηση, η κατάσταση μετά τη μέτρηση θα περιγράφεται από την ιδιοσυνάρτηση που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή η οποία μετρήθηκε (Τραχανάς, 2008). Με άλλα λόγια, στην κβαντική φυσική η μέτρηση είναι μια ενδογενώς μη αντιστρεπτή διαδικασία καθώς το σύστημα παραμένει, πλέον, σε μια κατάσταση που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή της ενέργειας που έχει μετρηθεί.Εικόνα 12. H κατάσταση ενός πολυσωματιδιακού κβαντικού συστήματος είναι μια υπέρθεση (superposition) διαφορετικών εν δυνάμει σχηματισμών. Κάθε φορά που λαμβάνουμε μια φωτογραφία του συστήματος αυτό «καταρρέει» σε έναν από αυτούς τους σχηματισμούς. Κάτι τέτοιο είναι αδύνατο σε ένα σύνηθες κρυσταλλικό πλέγμα. Με ένα πολυάριθμο σύνολο τέτοιων φωτογραφικών απεικονίσεων «ανασυνθέτουν» οι πειραματικοί την ολική κατάσταση του συστήματος.Η δυνατότητα να τοποθετούμε εκατοντάδες, πλέον, άτομα σε οποιαδήποτε αρχική θέση σε ένα οπτικό πλέγμα και να αλληλεπιδρούμε επιλεκτικά με αυτά, επιτρέπει την πλήρη ανακατασκευή της κυματοσυνάρτησης Ψ του συστήματος και τον υπολογισμό όχι μόνο μέσων τιμών αλλά και των κβαντικών διακυμάνσεων ενός συστήματος μεγάλου αριθμού ατόμων (Greiner et al, 2015). Ειδικά σε συστήματα ισχυρώς αλληλεπιδρώντων σωματιδίων η ουσιαστική πληροφορία δεν “κρύβεται” στις μέσες τιμές αλλά στις διακυμάνσεις και τις κβαντικές συσχετίσεις, οι οποίες για πρώτη φορά σήμερα είναι πειραματικά προσπελάσιμες. Πως γίνεται κάτι τέτοιο; Απλά με ταχύτατη φωτογράφιση του συστήματος πάρα πολλές φορές και εφόσον, πριν από κάθε νέα φωτογράφιση, αυτό έχει ετοιμαστεί στην αρχική του κατάσταση. Κάθε φωτογράφιση αποκαλύπτει μια από τις εν δυνάμει καταστάσεις του συστήματος. Μετά το πέρας των φωτογραφήσεων οι πειραματικοί έχουν στα χέρια τους την στατιστική κατανομή των διαφόρων καταστάσεων και από αυτήν «ανασυνθέτουν» την κυματοσυνάρτηση του συστήματος (Εικ. 11). Οι ερευνητές έχουν ήδη πραγματοποιήσει αξιοσημείωτη πρόοδο στην ανασύνθεση της κυματοσυνάρτησης ενός πολύπλοκου συστήματος όπως, για παράδειγμα, στην πρόσφατη περίπτωση ενός συνόλου από εκατό χιλιάδες άτομα υττερβίου που είχαν παγιδευτεί σε ένα οπτικό πλέγμα (Subhankar et al, 2019). Αν ο πλήρης έλεγχος απλών κβαντικών συστημάτων είναι ήδη μια πραγματικότητα (Haroche & Raimond, 2006) οι ερευνητές βαδίζουν ταχύτατα προς τον απόλυτο έλεγχο πολυσωματιδιακών κβαντικών συστημάτων.

Στο δεύτερο μέρος του αφιερώματος μας στους οπτικούς κρυστάλλους θα δούμε αναλυτικότερα με ποιους τρόπους αυτά τα φυσικά συστήματα έχουν ανοίξει νέους ορίζοντες στην ατομική φυσική και στην απρόσμενη συνάντησή της με την φυσική της συμπυκνωμένης ύλης .ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Τραχανάς, Σ., 2008. ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ: ΘΕΜΕΛΙΩΔΕΙΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ. ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ. Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, σ. 592.

Al Rsheed, A., Lyras, A., Lembessis V., E., Aldossary, O., M., 2016. Guiding of atoms in helical optical potential structures. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 49 (12), 125002. 10.1088/0953-4075/49/12/125002

Bloch, I., 2005. Ultracold atoms in quantum gases. Nature Physics 1, p. 23. 10.1038/nphys138

Clairon, A., Salomon, C., Guellati, S., and Phillips, W., D., 1991. Ramsey Resonance in a Zacharias Fountain. Europhys. Lett. 16, p. 165. 10.1209/0295-5075/16/2/008

Cohen-Tannoudji, C., and D. Guéry-Odelin, D., 2011. ADVANCES IN ATOMIC PHYSICS: An overview. New Jersey: World Scientific, p.335. https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/6631

Cren, P., Roos, C., F., Aclan, A., Dalibard, J., and Guéry-Odelin, D., 2002. Loading of a cold atomic beam into a magnetic guide. Eur. Phys. J. D. 20, p. 107. https://doi.org/10.1140/epjd/e2002-00106-3

De Mello, D., O., Schäffner, D., Werkmann, J., Preuschoff, T., Kohfahl, L., Schlosser, M. and Birkl, G., 2019. Defect-Free Assembly of 2D Clusters of More Than 100 Single-Atom Quantum Systems. Phys. Rev. Lett. 122, 203601. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.203601

Franke-Arnold, S., Leach, J., Padgett, M., J., Lembessis, V., E., Ellinas, D., Wright, A., J., Girkin, J., M., Öhberg, P., and Arnold, A., S., 2007. Optical Ferris wheel for ultracold atoms. Optics Express 15, p. 8619. https://doi.org/10.1364/OE.15.008619

Greiner, Μ., Mandel, Ο., Esslinger, Τ., Hänsch, Τ., W., and Bloch, I., 2002. Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms. Nature 415, p. 39. https://doi.org/10.1038/415039a

Greiner, M., and I. Bloch, I., 2015. Quantengase unter den Mikroskop (Quantum Gases under the Microscope). Physik Journal 14, Nr. 10, p. 33. https://www.pro-physik.de/restricted-files/86861

Grynberg, G., Lounis, B., Verkerk, P., Courtois, J.-Y., and Salomon, C., 1993. Quantized motion of cold cesium atoms in two- and three-dimensional optical potentials. Phys. Rev. Lett. 70, p. 2249. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.2249

Haroche, S. and Raimond, 2006. Exploring the Quantum: Atoms, Cavities, and Photons, Oxford: Oxford University Press. https://oxford.universitypressscholarship.com/view/10.1093/acprof:oso/9780198509141.001.0001/acprof-9780198509141

Jessen, P., S., Gerz, C., Lett, P., D., Phillips, W., D., Rolston S., L., Spreeuw, R., J., C., and Westbrook, C., I., 1992. Observation of quantized motion of Rb atoms in an optical field. Phys. Rev. Lett. 69, p. 49. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.69.49

Langbecker, M., Wirtz, R., Knoch, B., Noaman, M., Speck, T., and Windpassinger, P., 2018. Highly controlled optical transport of cold atoms into a hollow-core fiber. New. J. Phys. 20, 083038. https://doi.org/10.1088/1367-2630/aad9bb

Mandel, O., Greiner, M., Widera, A., Rom, T., Hänsch, T. W., and Bloch, I., 2003. Coherent Transport of Neutral Atoms in Spin-Dependent Optical Lattice Potentials. Phys. Rev. Lett. 91, 010407. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.010407

Porto, J., V., Rolston, S., Laburthe Tolra, B., Williams, C., J., and Phillips, W., D., 2003. Quantum information with neutral atoms as qubits. Phil. Trans. R. Soc. A. 361, p.1417. http://doi.org/10.1098/rsta.2003.1211

Riis, E., Weiss, D., Moler, K., and Chu, S., 1990. Atom funnel for the production of a slow, high-density atomic beam. Phys. Rev. Lett. 64, p. 1658. 10.1103/PhysRevLett.64.1658

Schneider, U., Hackermüller, L., Will, S., Best, Th., Bloch, I., Costi, T., A., Helmes, R., W., Rasch, D., and Rosch, A., 2008. Metallic and insulating phases of repulsively interacting fermions in a 3D optical lattice. Science 322, p. 1520. DOI: 10.1126/science.1165449

Schrader, D., Kuhr, S., Alt, W., Müller, M., Gomer, V., and Meschede, D., 2001. An optical conveyor belt for single atoms. Appl. Phys. B 73, p. 819. https://doi.org/10.1007/s003400100722

Schrader, D., Dotsenko, I., Khudaverdyan, M., Miroshnychenko, Y., Rauschenbeutel, A., and Meschede D., 2004. Neutral atom quantum register. Phys. Rev. Lett. 93, 150501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.150501

Subhankar, S., Wang, Y., Tsui, T.-C., Rolston, S., L., and Porto, J., V., 2019. Nanoscale Atomic Density Microscopy. Phys. Rev. X 9, 021002. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021002

Verkerk, P., Lounis, B., Salomon, C., Cohen-Tannoudji, C., Courtois, J.-Y., and Grynberg, G., 1992. Dynamics and spatial order of cold cesium atoms in a periodic optical potential. Phys. Rev. Lett. 68, p. 3861. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.3861

Weyers, S., Aucouturier, E., Valentin, C., and Dimarcq, N., 1997. A continuous beam of cold cesium atoms extracted from a two-dimensional magneto-optical trap. Opt. Comm. 143, p. 30. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(97)00312-X

June 10, 2022
Ντόροθι Χότζκιν: Πάθος για Έρευνα & Επιστήμη

Georgina Ferry

Μετάφραση – Επιστημονική Επιμέλεια: Ευθυμία Χασιώτου

Επιμέλεια: Εύα Κουκή

Σελιδοποίηση: Αντώνης Παπάδης

Σχεδιασμός Εξωφύλλου: Θοδωρής Κονταξής

ISBN: 978-618-5289-55-3

Διαστάσεις: 16 X 23

Αριθμός σελίδων: 442

Τιμή : 20 € + ΦΠΑ 6%Περιγραφή

Η Ντόροθι Χότζκιν (1910-1994) διακρίθηκε στη Χημεία σε μία ανταγωνιστική και ανδροκρατούμενη εποχή. Γεννήθηκε στο Κάιρο της Αιγύπτου, στις 12 Μαΐου του 1910 και έφτασε στο απόγειο της καριέρας της στα μέσα του περασμένου αιώνα. Ο πατέρας της, Τζον, εργαζόταν στη βρετανική αποικιακή διοίκηση της Αιγύπτου και του Σουδάν. Η μητέρα της, Γκρέις, ασχολήθηκε με την αρχαιολογία και τη βοτανολογία. Η Ντόροθι, από μικρή ηλικία έδειξε ένα αξιοσημείωτο πάθος για την έρευνα και την επιστήμη.

Με το ξέσπασμα του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου, επιστρέφει στην Αγγλία. Είχε ήδη δείξει το ενδιαφέρον της για τη χημεία, ένα παραδοσιακά ανδροκρατούμενο επιστημονικό πεδίο. Χάρη στο πάθος και την επιμονή, έγινε δεκτή στο Κολέγιο Σόμερβιλ του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης όπου ξεκίνησε τις σπουδές της. Στα 24 της χρόνια, φοιτήτρια ακόμη, έγινε παγκοσμίως γνωστή ως μορφή – κλειδί στην ανάπτυξη της πρωτεϊνικής κρυσταλλογραφίας. Ολοκλήρωσε το διδακτορικό υπό την καθοδήγηση του Τζον Ντέσμοντ Μπερνάλ, του ανθρώπου που επηρέασε τόσο την επιστημονική όσο και την πολιτική της σκέψη. Εκεί θα μάθει περισσότερα για τη νέα μέθοδο της κρυσταλλογραφίας ακτινών X. Μαζί με τον Μπερνάλ μελέτησαν για πρώτη φορά μεμονωμένους κρυστάλλους μιας βιολογικής ουσίας, της πεψίνης. Στη συνέχεια ξεκίνησε να ασχολείται με τη μελέτη της ινσουλίνης, ανοίγοντας το δρόμο σε νέες θεραπείες για τον διαβήτη ενώ μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο θα στρέψει το ενδιαφέρον της στη μελέτη της πενικιλίνης.

Το 1960 βραβεύθηκε από τη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου. Μεταξύ του 1950 και του 1964 προτάθηκε για βραβείο Νόμπελ 32 φορές, οχτώ για το Νόμπελ Φυσικής και 24 για το Νόμπελ Χημείας. Παραμένει η μόνη Βρετανίδα που τιμήθηκε με Βραβείο Νόμπελ Χημείας, το 1964. Την επόμενη χρονιά, έγινε η δεύτερη γυναίκα που τιμήθηκε με μετάλλιο του Τάγματος της Τιμής, από την βασίλισσα Ελισάβετ Β!.

Παράλληλα με το ερευνητικό της έργο, η Χότζκιν αφοσιώθηκε στον ακτιβισμό. Μίλησε ανοιχτά κατά του Πολέμου στο Βιετνάμ, ενώ προσέφερε το χρηματικό έπαθλο που ήρθε μαζί με το Νόμπελ για την οικονομική ενίσχυση φοιτητών από άλλες χώρες που επιθυμούσαν να σπουδάσουν στην Αγγλία, αλλά και τη δημιουργία βρεφικού σταθμού στο Κολέγιο Σόμερβιλ, τόσο για τις νεαρές φοιτήτριες, όσο και για τις καθηγήτριες. Με την αποφασιστικότητα, το θάρρος και την επιμονή της, ξεπέρασε τα όρια που η κοινωνία έθετε για το φύλο της.

Η Φέρι, στη βιογραφία που κρατάτε στα χέρια σας, παρουσιάζει το έργο της Χότζκιν που οδήγησε στην αποκάλυψη της κρυμμένης δομής σημαντικών βιολογικών μορίων, όπως η πενικιλίνη, η ινσουλίνη και η βιταμίνη Β12, καθώς και τους παθιασμένους αγώνες της για την ειρήνη και τη συνεργασία Ανατολής και Δύσης. Το βιβλίο παρουσιάζει με παραστατικότητα τη ζωή και το έργο της και ήταν υποψήφια για το βραβείο Duff Cooper Prize και το Marsh Biography Award. «Οι βιογραφίες των επιστημόνων είναι σχεδόν πάντα ένα ανιαρό ανάγνωσμα», ισχυρίζεται ο Πίτερ Μένταουαρ. Αλλά η συγγραφέας του βιβλίου Τζορτζίνα Φέρι αψήφησε την άποψη του Μένταουαρ και παρουσίασε την πρώτη και πολύ ενδιαφέρουσα βιογραφία της Ντόροθι Χότζκιν.Κριτικές

Η Φέρι καταφέρνει θαυμάσια να εξηγήσει τη θεωρία της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ με σαφείς και προσιτούς όρους που δεν απαιτούν ιδιαίτερες γνώσεις. Η Ντόροθι Χότζκιν από μικρή έζησε μακριά από τα αγαπημένα της πρόσωπα: τα παιδικά της χρόνια τα πέρασε μακριά από τους γονείς της και αργότερα έζησε μακριά από τον σύζυγό της, Τόμας, και τα παιδιά της. Ωστόσο, διατήρησε σε όλη της τη ζωή μια στενή φιλία με τον μέντορά της Τζ. Ντ. Μπέρναλ –τον «Σοφό»– τον γνωστό για τον μαρξισμό και την ευρυμάθειά του. Μέχρι τον θάνατό της, το 1994, πίστευε με πάθος στην επίλυση των διεθνών διαφορών μέσω του διαλόγου, κάτι που την οδήγησε να γίνει πρόεδρος της αντιπυρηνικής ομάδας Pugwash και, ακόμη, να ασκήσει πίεση στην πρώην σπουδάστριά της, Μάργκαρετ Θάτσερ. Η Φέρι, στο βιβλίο αυτό,αφηγείται τις προσωπικές σχέσεις της Χότζκιν με ιδιαίτερη ευαισθησία και υποστηρίζει ότι ο εμπνευσμένος επιστήμονας δεν παύει να είναι ένας απλός άνθρωπος.

– David Vincent, The Guardian

Αυτή η ξεχωριστή βιογραφία της Χότζκιν συναρπάζει τον αναγνώστη από την πρώτη μέχρι την τελευταία σελίδα.

– John Gribbin, Sunday Times

Η Φέρι έχει περιγράψει έξοχα την ατμόσφαιρα ενός αιώνα επιστήμης.

– New Scientist

Η Τζορτζίνα Φέρι δίνει μια αυθεντικά διαφωτιστική και ισορροπημένη αφήγηση της επιστημονικής και προσωπικής ζωής της Χότζκιν… Μια καλογραμμένη βιογραφία που της αξίζει μεγάλη επιτυχία.

– Janet Browne, Times Literary Supplement

June 5, 2022
Nευροτεχνολογία: Η άλλη όψη του νομίσματος

πηγή εικόνας: https://www.maxpixel.net/Internet-Network-Brain-Networking-Web-6225155Η νευροτεχνολογία είναι η τεχνολογία που διασυνδέεται απευθείας με το νευρικό σύστημα για την παρακολούθηση ή τη ρύθμιση της νευρικής δραστηριότητας. Μπορεί να αλλάξει συθέμελα τον τρόπο με τον οποίο ο άνθρωπος κατανοεί και αλληλεπιδρά με τον κόσμο γύρω του. Μπορεί να βελτιώσει δραστικά τη ζωή του. Παράλληλα όμως, εγείρει προβληματισμούς δεοντολογίας, ηθικής και κοινωνικοοικονομικής φύσης, ιδίως για τους μη προνομιούχους και τους περιθωριοποιημένους. Πώς μπορούν οι αναδυόμενες νευροτεχνολογίες να επηρεάσουν αρνητικά την κοινωνία και τα άτομα από τις μη προνομιούχες και περιθωριοποιημένες ομάδες; Ο στόχος αυτού του άρθρου είναι να ενημερώσει το κοινό σχετικά με τους κινδύνους της νευροτεχνολογίας για την κοινωνία και τα πιο ευάλωτα μέλη της, εάν αυτή υιοθετηθεί εκτός κατάλληλου ρυθμιστικού πλαισίου.ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Φανταστείτε έναν κόσμο όπου οι εταιρείες γνωρίζουν ακριβώς τι θα αγοράσετε, επειδή διαβάζουν απευθείας τον εγκέφαλό σας. Συλλέγουν τα δεδομένα του εγκεφάλου σας και τα αποθηκεύουν στις τράπεζες δεδομένων τους. Φανταστείτε ένα μέλλον όπου η αστυνομία διαβάζει συνεχώς τους εγκεφάλους των ανθρώπων και βαθμολογεί τις κοινότητες με βάση τα εγκεφαλικά δεδομένα στο όνομα της πρόληψης κινδύνου. Μπορεί ακόμη και να ρυθμίσει την εγκεφαλική δραστηριότητα ενός πιθανού εγκληματία για να καθυστερήσει ή να μειώσει την πιθανότητα ενός εγκλήματος. Φανταστείτε ότι δεν μπορείτε να ξεφύγετε από αυτόν τον κόσμο επειδή δεν μπορείτε να αποσυνδέσετε τη διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή (brain-computer interface) χωρίς να έχετε αρνητικές επιπτώσεις στον εργασιακό σας χώρο και την κοινωνική σας ζωή. Στο βιογραφικό σας σημείωμα αναφέρετε ότι είστε ενισχυμένος με νευροτεχνολογία (neurotechnology-enchanced). Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο σας προσέλαβαν. Άλλωστε, κάνατε μεγάλες περικοπές στις ανάγκες σας, ακόμα και στον τομέα της υγείας, για να αποκτήσετε τη συγκεκριμένη αναβάθμιση. Επίσης, η συνάντηση του Σαββατοκύριακου με τους φίλους σας είναι μια εικονική συνάντηση με δραστηριότητες που απαιτούν τη διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή.

Ένα τέτοιο μέλλον δεν είναι σενάριο ταινίας επιστημονικής φαντασίας αλλά γίνεται πραγματικότητα.

Τα τελευταία χρόνια, η ανθρωπότητα έχει αρχίσει να ρίχνει φως στο πλέον δυσπρόσιτο και αινιγματικό μέρος του ανθρώπινου σώματος: τον εγκέφαλο. Στον πυρήνα αυτής της συνεχιζόμενης επιστημονικής επανάστασης, βρίσκεται και η νευροτεχνολογία, καθώς είναι αυτή που επιτρέπει την απευθείας σύνδεση με το νευρικό σύστημα για την παρακολούθηση και τη ρύθμιση της νευρικής δραστηριότητας. Η νευροτεχνολογία μας βοηθά να κατανοήσουμε την εγκεφαλική λειτουργία όλων των ειδών και αναμένεται να μας βοηθήσει να βελτιώσουμε τις αισθητηριακές και γνωστικές μας λειτουργίες με τρόπους που δεν θα μπορούσαμε να φανταστούμε στο παρελθόν. Οδηγεί σε εφαρμογές που αλλάζουν τις εκφάνσεις της ζωή μας, από την εργασία και την εκπαίδευση μέχρι την επικοινωνία και την ψυχαγωγία. Στον τομέα της υγείας αναμένονται θαύματα. Πολλές εταιρείες ήδη (όπως η Neurable, η Neuralink, η MindX και η Emotiv) επενδύουν στη νευροτεχνολογία με σημαντικές προόδους σε σχετικές εφαρμογές όπως η νευροπροσθετική (neuroprosthetics), η νευρο-πληκτρολόγηση, οι διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή υψηλού ρυθμού δεδομένων (high data rate brain-computer interfaces) και το νευρο-παιχνίδι (neurogaming) (Hackl, 2020).

Ασφαλώς, η ανάλυση του τεράστιου όγκου των πολύπλοκων εγκεφαλικών δεδομένων που η νευροτεχνολογία επεξεργάζεται δεν θα μπορούσε να γίνει μόνο με τα παραδοσιακά υπολογιστικά μέσα. Η μηχανική μάθηση είναι η επιστήμη που αναπτύσσεται παράλληλα και υποστηρίζει αυτήν την επεξεργασία. Η μηχανική μάθηση επιτρέπει στη μηχανή να μαθαίνει και να αυτο-εξελίσσεται (self-evolving) με τη χρήση δεδομένων προς τη βέλτιστη εξυπηρέτηση στόχων. Επιτρέπει τη δημιουργία αυτόνομων συστημάτων και διαδικασιών [1]. Η αυτονόμηση διαφοροποιείται ποιοτικά από την αυτοματοποίηση στο ότι υλοποιεί/εμπεριέχει ένα επιπλέον επίπεδο κίνησης, εκείνο της αυτo-εξέλιξης (Panagopoulos, 2020). Ο ακριβής τρόπος που τα αυτόνομα συστήματα λύνουν τα προβλήματα είναι συνήθως αδύνατον να κατανοηθεί από τους ίδιους τους δημιουργούς τους [2].

Με τη νευροτεχνολογία επέρχεται η σύζευξη του ανθρώπου με μια ολοένα και πιο αυτόνομη μηχανή. Αυτή η αναδυόμενη σχέση, όπου τα δύο μέρη αναπτύσσονται σε άμεση αλληλεπίδραση, εντείνει τα υφιστάμενα και γεννά νέα ηθικά, φιλοσοφικά και κοινωνικοοικονομικά ζητήματα.

ΟΙ ΚΙΝΔΥΝΟΙ

Οι εξελίξεις της τελευταίας δεκαετίας στη διαφήμιση, στην εφαρμοσμένη ψυχολογία και στον κλάδο των μεγαδεδομένων (big-data science) έχουν κάνει ιδιαίτερα αποτελεσματική την προπαγάνδα καθώς και τη χειραγώγηση της κοινής γνώμης. Πολύ πρόσφατα, το σκάνδαλο της Cambridge Analytica ανέδειξε, πως τα δεδομένα των χρηστών στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για στοχευμένες πολιτικές διαφημίσεις (Berghel, 2018). Πολλές έρευνες έχουν καταδείξει την αποτελεσματικότητα τέτοιων πρακτικών (Robertson, 2018). Η διαφήμιση σήμερα χρησιμοποιεί μεγάλο όγκο δεδομένων, ακριβή εργαλεία μέτρησης και τη μηχανική μάθηση για να πετύχει το βέλτιστο αποτέλεσμα. Ακόμα και η ανεπαίσθητη κίνηση των ματιών του χρήστη, χρησιμοποιείται από τους αλγόριθμους μηχανικής μάθησης, οι οποίοι μπορούν να μαθαίνουν να κεντρίζουν το ενδιαφέρον του (Higgins, Leinenger, & Rayner, 2014). Οι άνθρωποι κατηγοριοποιούνται με βάση το ίχνος που αφήνουν στον κυβερνοχώρο. Στο Facebook, στο WeChat, στο YouTube, στο TikTok, στο LinkedIn και σε άλλα κοινωνικά μέσα, καθώς και σε μηχανές αναζήτησης όπως στη Google, στη Yahoo και στη Baidu οι χρήστες αφήνουν χρήσιμα δεδομένα. Οι πλέον επιτυχημένες διαφημίσεις για τη συγκεκριμένη κατηγορία χρηστών επιλέγονται και προβάλλονται (Zuboff, 2019). Τα μέσα κοινωνικής δικτύωσης, αλλά και πολλά άλλα προϊόντα που αποσκοπούν στο να κρατήσουν δεσμευμένη την προσοχή του χρήστη, χρησιμοποιούν μια σειρά από τεχνικές εφαρμοσμένης ψυχολογίας για το σκοπό αυτό, διαμορφώνοντας τη συμπεριφορά του χρήστη χωρίς αυτό να γίνεται άμεσα αντιληπτό από τον ίδιο (Lindström, 2021). Ο κυβερνοχώρος προσομοιάζει όλο και περισσότερο ένα ψηφιακό «Skinner box» όπου τη θέση των ποντικιών έχουν πάρει οι χρήστες και τη θέση του τυριού έχει πάρει η επόμενη ενδιαφέρουσα ανάρτηση, το επόμενο ενδιαφέρον βίντεο ή κάποια αντίδραση (reaction) (Robertson, 2018). Ο εθισμός στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης έχει ανακύψει ως σημαντικό ζήτημα (Ryan, 2014).Το «Skinner box» συνήθως είναι ένας μικρός θάλαμος, που χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή πειραμάτων συντελεστικής εξαρτημένης μάθησης σε ζώα. Μέσα στον θάλαμο, υπάρχει ένας μοχλός (για αρουραίους) ή ένα κλειδί (για περιστέρια) που μπορεί να χειριστεί το ζώο και να αποκτήσει τροφή ή νερό. Η τροφή ή το νερό δρουν ως επιθυμητό ερέθισμα που οδηγεί στην επανάληψή της συμπεριφοράς και στην μάθηση.Η νευροτεχνολογία μπορεί να ενισχύσει τη διαφήμιση και την εφαρμοσμένη ψυχολογία και επομένως, την προπαγάνδα και τη χειραγώγηση. Η χρήση των δεδομένων εγκεφαλικής δραστηριότητας θα επιτρέψει στους αλγόριθμους της μηχανικής μάθησης να ανακαλύψουν το βέλτιστο τρόπο ώστε να επηρεάζουν το κοινό (Skriabin et al., 2021). Για παράδειγμα, θα μπορούν να ανιχνεύσουν ποιες εικόνες και ήχοι πυροδοτούν συγκεκριμένα συναισθήματα ή αναμνήσεις. Το ίχνος που οι χρήστες νευροτεχνολογίας θα αφήνουν στον κυβερνοχώρο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βέλτιστη κατηγοριοποίησή τους και την επιλογή των πλέον στοχευμένων μηνυμάτων. Πολλές εταιρείες, ήδη, προσφέρουν υπηρεσίες «neuromarketing», με χρήση εφαρμογών νευροτεχνολογίας [3]. Άνθρωποι, που δεν είναι ενημερωμένοι και δεν έχουν αναπτύξει άμυνες, μπορεί να γίνουν, χωρίς να το συνειδητοποιούν, θύματα και θύτες σε ένα παιχνίδι εξουσίας και εκμετάλλευσης.

Τα τελευταία χρόνια, οι εξελίξεις στην μηχανική μάθηση και στον κλάδο των μεγαδεδομένων έχουν φέρει αλλαγές στο χώρο της διακυβέρνησης και της αστυνόμευσης και έχουν γεννήσει ηθικά και κοινωνικοοικονομικά ζητήματα. Πρόσφατα, η σύμπραξη γνωστής εταιρίας έξυπνων κουδουνιών με αστυνομικά τμήματα στις ΗΠΑ, για τη χρήση των συσκευών και την επίβλεψη του χώρου, έχει γεννήσει ζητήματα υπέρμετρης επιτήρησης και παραβίασης των προσωπικών δεδομένων (Harwell, 2019). Το ίδιο ισχύει για την τεχνολογία αναγνώρισης προσώπου και τη χρήση της από τις αστυνομικές αρχές (Conger, Fausset & Kovaleski, 2019). Μόλις πριν ένα χρόνο, η μηχανική μάθηση κατάφερε να αναγνωρίσει τις πολιτικές πεποιθήσεις ανθρώπων, από απλές καθημερινές φωτογραφίες τους, με μεγάλη ακρίβεια (Kosinski, 2021). Στην Λαϊκή Δημοκρατία της Κίνας, το σύστημα κοινωνικών πόντων (social credit system), επεκτείνει το σύστημα πόντων πιστοληπτικής ικανότητας (credit score system), ώστε οι εταιρίες, οι κρατικοί φορείς και οι πολίτες να επιτηρούνται και να αξιολογούνται σε σχέση με την αξιοπιστία τους. Πέρα από τα οφέλη, το σύστημα αυτό έχει γεννήσει ανησυχίες (Donnelly, 2022). Οι αποκαλύψεις του πρώην συνεργάτη της εθνικής υπηρεσίας ασφαλείας των ΗΠΑ Έντουαρντ Τζόζεφ Σνόουντεν, σχετικά με μια σειρά από μυστικές συμφωνίες και προγράμματα χωρών όπως οι ΗΠΑ, η Μεγάλη Βρετανία, ο Καναδάς και η Νέα Ζηλανδία, για τη μαζική παρακολούθηση πολιτών, έχουν προκαλέσει αντιδράσεις (Pfluke, 2019).

Με τη βοήθεια της νευροτεχνολογίας, οι παραπάνω λειτουργίες μπορούν δυνητικά να λάβουν τη μορφή νευρο-επιτήρησης και συμμόρφωσης, ή και νευρο-συμμόρφωσης σε ένα δυστοπικό σενάριο, στο πλαίσιο μιας αυτόνομης ή ημιαυτόνομης κυβερνοκρατικής (cyberstate) οντότητας. Σε περιοχές με έντονα συστημικά προβλήματα, οι συνέπειες μπορεί να είναι καταστροφικές. Όπου τα ανθρώπινα δικαιώματα καταπατώνται, οι πολίτες μπορεί να παίζουν το ρόλο του πειραματόζωου.

Η επενέργεια στην εγκεφαλική δραστηριότητα μέσω συσκευών νευροτεχνολογίας εγείρει ζητήματα ταυτότητας και αυτενέργειας του ατόμου. Το ζήτημα της ταυτότητας του ατόμου τίθεται σε νέα βάση, πυροδοτώντας θερμό διάλογο. (Η προβληματική είναι γνωστή στην Αγγλική βιβλιογραφία ως «identity and neuroethics» (Roskies, 2016)). Η εγκεφαλική λειτουργία είναι θεμελιωδώς συνδεδεμένη με την έννοια της ταυτότητας του ατόμου. Σε πλείστες χώρες, ο εγκεφαλικός θάνατος χρησιμοποιείται ως δείκτης νομικού θανάτου (Chandler, Harrel & Potkonjak, 2019).

Οι συσκευές νευροτεχνολογίας που ρυθμίζουν την εγκεφαλική δραστηριότητα, έχουν δώσει ενδείξεις πως προκαλούν παρελκόμενες μεταβολές στα χαρακτηριστικά της προσωπικότητας. Για παράδειγμα, τα εμφυτεύματα βαθιάς εγκεφαλικής διέγερσης τα οποία χρησιμοποιούνται στην αντιμετώπιση καταστάσεων υγείας, όπως η νόσος του Πάρκινσον, έχουν κατηγορηθεί πως προκαλούν αύξηση της παρορμητικότητας (Pham et al., 2015). Τέτοιες παρατηρήσεις, με τη σειρά τους, έχουν εγείρει ανησυχίες σχετικά με τη νομική ευθύνη στην ατυχή περίπτωση παράνομων πράξεων. Οι ομάδες και οι κοινότητες που υφίστανται ήδη διακρίσεις θα δυσκολευτούν πιθανόν να αποδείξουν τη νευροτεχνολογία ως παράγοντα που μπορεί να έχει συμβάλλει σε τέτοια εγκλήματα. Φυσικά, κανείς δεν μπορεί να αποκλείσει και την περίπτωση χακαρίσματος συσκευών νευροτεχνολογίας στο μέλλον. Οι ασθενέστεροι οικονομικά και οι μη επιδοτούμενοι ενδέχεται να μην έχουν πρόσβαση στις τελευταίες και πλέον θωρακισμένες τεχνολογίες.

Γενικότερα, η μη ισότιμη πρόσβαση στα προϊόντα και στις εξελίξεις της νευροτεχνολογίας θα διευρύνει το χάσμα πλούσιων και φτωχών σε παγκόσμιο και σε τοπικό επίπεδο. Η παύση κάποιας εφαρμογής νευροτεχνολογίας, λόγω βλάβης, κλοπής ή ακόμα και λήξης της συνδρομής, θα εκλαμβάνεται ως απώλεια μέρους της λειτουργίας του σώματος, με πολυδιάστατες επιπτώσεις για το άτομο. Πρόσφατα, γνωστή εταιρία νευροτεχνολογίας σταμάτησε να κατασκευάζει και να υποστηρίζει προϊόντα βιονικής όρασης τα οποία είχαν βελτιώσει τη ζωή σε πολλούς ανθρώπους. Άνθρωποι που βρέθηκαν ξανά στο σκοτάδι προσπάθησαν να επισκευάσουν μόνοι τους τις συσκευές με μεταχειρισμένα κομμάτια που προμηθεύτηκαν από το διαδίκτυο (Strickland, 2022). Η βέλτιστη χρήση των απαιτητικότερων εφαρμογών της νευροτεχνολογίας μπορεί να επιτυγχάνεται με τη συνεργασία εύπλαστων εγκεφάλων. Ενήλικες που δεν είχαν την τύχη να έχουν πρόσβαση σε αυτές τις εφαρμογές στην νεαρή τους ηλικία είναι πιθανόν να μην μπορούν να αποδώσουν τα βέλτιστα.

Οι εφαρμογές της νευροτεχνολογίας θα υιοθετούνται με ενθουσιασμό και άμεσα από αυτούς που μπορούν να τις αγοράσουν και να βελτιώνουν τις δυνατότητές τους [4]. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε άκριτη αποδοχή και υιοθέτηση. Σε αντιδιαστολή με τα περισσότερα ανταγωνιστικά αθλήματα, όπου οι κανονισμοί απαγορεύουν τη χρήση βελτιωτικών απόδοσης, δεν γίνεται το ίδιο για τον άνθρωπο γενικότερα που κινείται στον εργασιακό και κοινωνικό χώρο. Η καλύτερη του έκδοση, με τη βοήθεια της νευροτεχνολογίας, θα είναι και η πλέον ανταγωνιστική (Cinel, Valeriani & Poli, 2019). Τα λεγόμενα φάρμακα βελτίωσης της γνωστικής λειτουργίας (cognition-enhancing drugs) έχουν ήδη κατακτήσει τις πλέον ανταγωνιστικές εργασιακές θέσεις.

Αξίζει εδώ να αναφερθεί πως από την εξερεύνηση του διαστήματος μέχρι την ιατρική έρευνα, η ανθρωπότητα χρωστάει πολλά στους τετράποδους φίλους της. Λόγω της πολυπλοκότητας του εγκεφάλου τους η έρευνα στη νευροτεχνολογία πολλές φορές απαιτεί τη χρήση πρωτευόντων θηλαστικών (εκτός του ανθρώπου) ως πειραματόζωα. Τα ηθικά όρια αυτής της έρευνας διχάζουν την κοινή γνώμη και την επιστημονική κοινότητα [5].ΤΟ ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΣΗΜΕΡΑ

Η νευροτεχνολογία θα επηρεάσει την κοινωνία παγκόσμια και ριζικά, ωστόσο δεν υπάρχει σχεδόν κανένα ρυθμιστικό πλαίσιο (Cocito & Hert, 2021). Το Άρθρο 18 του Διεθνούς Συμφώνου για τα Ατομικά και Πολιτικά Δικαιώματα ορίζει ότι “κάθε πρόσωπο έχει δικαίωμα στην ελευθερία σκέψης, συνείδησης και θρησκείας. Αυτό το δικαίωμα περιλαμβάνει την ελευθερία να αλλάζει τη θρησκεία του και τις πεποιθήσεις του και την ελευθερία να εκδηλώνει τη θρησκεία ή την πεποίθησή του, ατομικά ή από κοινού με άλλους, δημόσια ή ιδιωτικά μέσω της λατρείας, πράξεων ιεροτελεστίας, πρακτικής και διδασκαλίας” (UN General Assembly 1948). Ωστόσο, αυτή η διακήρυξη δεν αναφέρεται στην νευροτεχνολογία. Σε επίπεδο κρατών, η Χιλή αποτελεί εξαίρεση, καθώς έγινε πρόσφατα η πρώτη και μοναδική χώρα στο κόσμο που ψήφισε νομοθεσία για τη ρύθμιση της χρήσης της νευροτεχνολογίας (Strickland & Gallucci, 2022). Το νομικό πλαίσιο για τη χρήση πρωτευόντων θηλαστικών και γενικότερα των ζώων ως πειραματόζωα στην έρευνα της νευροτεχνολογίας είναι ελλιπές σε διεθνές επίπεδο (Johnson et al., 2020)

Όσο η νευροτεχνολογία θα αναπτύσσεται οι εφαρμογές της θα απαιτούν έναν όλο και μεγαλύτερο όγκο δεδομένων, περισσότερη υπολογιστική ισχύ και πόρους, και πιθανότατα μεγαλύτερο αριθμό χρηστών. Ο τομέας ενδέχεται να υποπέσει στην οικονομική παγίδα που αφορά συνήθως τον τεχνολογικό τομέα: ο νικητής τα παίρνει όλα. Έτσι μπορεί να μετασχηματιστεί σε “τεχνο-φυσικο” ολιγοπώλιο ή μονοπώλιο. Οι εταιρίες νευροτεχνολογίας δεν μπορούν να αφεθούν να ορίσουν ανεξέλεγκτα το πλαίσιο υιοθέτησης της τεχνολογίας αυτής.

ΕΠΙΛΟΓΟΣ

Βρισκόμαστε στη μέση ενός συνεχιζόμενου θεμελιώδους τεχνολογικού μετασχηματισμού με την ανάδυση μιας αυτόνομης οντότητας που βασίζεται πάνω σε έναν όλο και πιο ουσιωδώς συνδεδεμένο (integrated) και αυτοματοποιημένο κόσμο. Το θέμα αναλύετε διεξοδικά στην βιντεοσκοπημένη παρουσίαση: Η άνοδος της ευφυούς παραγωγής (RIPCON) (Panagopoulos, 2020). Ιδιαίτερα μετά την πρώτη βιομηχανική επανάσταση η τεχνολογική πρόοδος βαίνει επιταχυνόμενη. Οι πανδημίες, οι καταστροφές και τα έντονα φυσικά γεγονότα συνήθως λειτουργούν ως επιταχυντές της κοινωνικής αλλαγής (βλ. το τέλος της εποχής των παγετώνων και τη νεολιθική επανάσταση, την κρίση του δέκατου τέταρτου αιώνα και την πτώση της φεουδαρχίας). Η τρέχουσα πανδημία έχει ήδη λειτουργήσει ως επιταχυντική δύναμη του τεχνολογικού μετασχηματισμού (McKinsey and Company, 2020). Η ευρεία υιοθέτηση της νευροτεχνολογίας είναι μάλλον πιο κοντά από ό,τι μπορεί να νομίζει κανείς.

Λέγεται ότι μετά την πρώτη βιομηχανική επανάσταση, ο άνθρωπος έγινε κομμάτι της μηχανής (Marx, K.,1977). Η μηχανή σήμερα γίνεται μια όλο και περισσότερο αυτόνομη οντότητα (βλ. μηχανική μάθηση, αυτόνομη παραγωγή, αυτόνομα όπλα [6] ). Με τη βοήθεια της νευροτεχνολογίας επιτυγχάνεται η σύζευξη του ανθρώπου με μια αυτόνομη μηχανή. Αυτή η κορύφωση στη σχέση ανθρώπου-μηχανής εγείρει σημαντικά ζητήματα και ερωτήματα σχετικά με τις προοπτικές της ανθρωπότητας στον εικοστό πρώτο αιώνα.

Ευχαριστούμε θερμά την Πηνελόπη Κουλούρη για τις επισημάνσεις και τα σχόλια.[1] Μια σειρά από εφαρμογές, που έχουν κατακτήσει τη ζωή μας τα τελευταία χρόνια, βασίζονται στην εφαρμογή της μηχανικής μάθησης όπως είναι η αυτόνομη οδήγηση, η αναγνώριση προσώπων, τα έξυπνα συστήματα συστάσεων (intelligent recommendation systems) και τα «deepfake» βίντεο.

[2] Ο ερευνητικός κλάδος της εξηγήσιμης τεχνητής νοημοσύνης (explainable artificial intelligence) στοχεύει στην ανάπτυξη μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης που ο άνθρωπος μπορεί να προσπελάσει την λογική πίσω από τις αποφάσεις του μοντέλου (Gunning, et al., 2019). Προς το παρόν, αυτό φαίνεται να είναι δύσκολο διατηρώντας την υπολογιστική δυνατότητα των μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης.

[3] Η εταιρία-κολοσσός της έρευνας αγοράς Nielsen έχει δημιουργήσει τμήμα νευροεπιστήμης καταναλωτών ήδη από το 2015.

[4] To φιλοσοφικό ρεύμα του τρανσουμανισμού «transhumanism» (γνωστό και ως διανθρωπισμός) (Bostrom, 2005) υποστηρίζει την εποικοδομητική συνένωση του ανθρώπου με την μηχανή. Στο πλαίσιο αυτού του ρεύματος έχει επίσης υποστηριχτεί ότι αυτή η συνένωση θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποφυγή της κυριαρχίας της μηχανής πάνω στον άνθρωπο, σε ένα υποθετικό σενάριο όπου η μηχανή βελτιώνει τον εαυτό της ανεξέλεγκτα (τεχνολογική ιδιομορφία ή μοναδικότητα «technological singularity») (Good, 1966).

[5] Πρόσφατα, το πανεπιστήμιο του UC Davis και η εταιρία Nuralink κατηγορήθηκαν για αδικαιολόγητο και αλόγιστο βασανισμό μαϊμούδων που οδήγησε στο θάνατό τους κατά τη διάρκεια πειραμάτων για την ανάπτυξη συσκευών διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή (Hamilton, 2022).

[6]Ακαδημαϊκοί στο χώρο της τεχνητής νοημοσύνης, προσωπικότητες και οργανισμοί, όπως η Διεθνής Επιτροπή του Ερυθρού Σταυρού, διεκδικούν τη θέσπισης διεθνούς δεσμευτικού πλαισίου που ρυθμίζει την εφαρμογή και χρήση της τεχνολογίας των αυτόνομων όπλων. Ο αναγνώστης μπορεί να ενημερωθεί για το θέμα αυτό στην προσωπική ιστοσελίδα του καθηγητή τεχνητής νοημοσύνης στο Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϊ στην Καλιφόρνια, Stuart Russell καθώς και στην ιστοσελίδα \autonomousweapons.org .ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Berghel, H. 2018. Malice domestic: The Cambridge analytica dystopia. Computer, 51(5), p.84. http://dx.doi.org/10.1109/MC.2018.2381135.

Bostrom, N., 2005. A history of transhumanist thought. Journal of evolution and technology 14, no. 1. https://doi.org/10.1093/notesj/gjv080.

Chandler, J. A., Harr, Ν., and Potkonjak, T., 2019. Neurolaw today—A systematic review of the recent law and neuroscience literature. International Journal of Law and Psychiatry, 15, 101341. https://doi.org/10.1016/j.ijlp.2018.04.002

Cinel, C., Valeriani, D., and Poli, R., 2019. Neurotechnologies for human cognitive augmentation: current state of the art and future prospects. Frontiers in human neuroscience, 13, p.1. https://doi.org/10.3389/fnhum.2019.00013

Cocito, C., and De Hert, P., 2021. United Nations: AI can pose risks to human rights and privacy. Privacy Laws & Business: International Reports, 174, p.13. http://www.privacylaws.com/int174unai.

Conger, K., Fausset, R., and Kovaleski, S. F., 2019. San Francisco Bans Facial Recognition Technology. https://www.google.com/amp/s/www.nytimes.com/2019/05/14/us/facial-recognition-ban-san-francisco.amp.html.

Donnelly, D., 2022. https://nhglobalpartners.com/china-social-credit-system-explained/.

Good, I. J., 1966. Speculations concerning the first ultraintelligent machine. Advances in computers, 6, p. 31. https://doi.org/10.1016/S0065-2458(08)60418-0.

Gunning, D., Stefik, M., Choi, J., TMiller, T., Stumpf, S., and Yang, G.-Z., 2019. XAI—Explainable artificial intelligence. Science Robotics, 4, no. 37. DOI: 10.1126/scirobotics.aay7120.

Hackl, C., 2020. Meet 10 Companies Working On Reading Your Thoughts (And Even Those Of Your Pets). https://www.forbes.com/sites/cathyhackl/2020/06/21/meet-10-companies-working-on-reading-your-thoughts-and-even-those-of-your-pets/?sh=51.

Hamilton, I., A., 2022. Animal-rights group says monkeys used in experiments for Elon Musk’s Neuralink were subjected to ‘extreme suffering. https://www.businessinsider.com/elon-musk-neuralink-experiments-monkeys-extreme-suffering-animal-rights-group-2022-2.

Harwell, D., 2019. Doorbell-camera firm Ring has partnered with 400 police forces, extending surveillance concerns. https://www.washingtonpost.com/technology/2019/08/28/doorbell-camera-firm-ring-has-partnered-with-police-forces-extending-surveillance-reach/.

Higgins, E., Leinenger, M., and Rayner, K., 2014. Eye movements when viewing advertisements. Frontiers in psychology, 5, p. 210. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2014.00210

Johnson, L., Syd, M., Fenton, A., Shriver, A., 2020. Neuroethics and Nonhuman Animals. Springer International Publishing. https://library.oapen.org/handle/20.500.12657/47110.

Kosinski, M., 2021. Facial recognition technology can expose political orientation from naturalistic facial images. Scientific Reports, 11, no. 1, p. 1. https://www.nature.com/articles/s41598-020-79310-1.

Lindström, B., 2021. Social media as a modern-day Skinner Box? https://go.nature.com/3suSMpg

Marx, Karl. 1977. Capital: A Critique of Political Economy, Volume One. New York: Vintage Books.

McKinsey & Company, 2020. How COVID-19 has pushed companies over the technology tipping point—and transformed business forever. https://www.mckinsey.com/business-functions/strategy-and-corporate-finance/our-insights/how-covid-19-has-pushed-companies-over-the-technology-tipping-point-and-transformed-business-forever.

Mitchell, A., S., Hartig, R., A. Basso, M., A., Jarrett, W., Kastner, S., and Poirier, C., 2021. International primate neuroscience research regulation, public engagement and transparency opportunities. Neuroimage, 229, 117700. doi:https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2020.117700.

Panagopoulos, T., 2020. The Rise of Intelligent Production: COVID-19 as an Accelerator? https://www.youtube.com/watch?v=0uL2VAXA8Wk&t

Pfluke, C., 2019. A history of the five eyes alliance: possibility for reform and additions. Comparative Strategy 38(4), p. 302. doi:http://dx.doi.org/10.1080/01495933.2019.1633186.

Pham, U., Solbakk, A.-K., Skogseid, I.-M., Toft, M., Pripp, A., H., Konglund, A., E., and Stein Andersson, S., 2015. Personality changes after deep brain stimulation in Parkinson’s disease. Parkinson’s Disease. https://doi.org/10.1155/2015/490507.

Robertson, R., E., 2018. The 21st Century Skinner Box. https://behavioralscientist.org/21st-century-skinner-box/.

Roskies, A., 2016. Neuroethics. https://plato.stanford.edu/entries/neuroethics/.

Ryan, T., Chester, A., John Reece, and Sophia Xenos. 2014. The uses and abuses of Facebook: A review of Facebook addiction. Journal of behavioral addictions 3, no. 3, p. 133. doi:https://dx.doi.org/10.1556%2FJBA.3.2014.016.

Skriabin, O., M., Sanakoiev, D., B., Sanakoieva, N., D., Berezenko, V., V., and Liubchenko, Y., V., 2021. Neurotechnologies in the advertising industry: Legal and ethical aspects. Innovative Marketing, 17, no. 2, p. 189. http://dx.doi.org/10.21511/im.17(2).2021.17.

Strickland, E., and M Gallucci. 2022. First Win for the Neurorights Campaign: Chile plans to regulate all neurotech and ban the sale of brain data. IEEE Spectrum, 59 (1), p.26. https://doi.org/10.1109/MSPEC.2022.9676352.

Strickland, E., 2022. Their Bionic Eyes Are Now Obsolete and Unsupported. https://spectrum.ieee.org/bionic-eye-obsolete.

UN General Assembly, 1948. Universal declaration of human rights. UN General Assembly 302, no. 2, p.14.

Zuboff, S., 2019. The Age of Surveillance Capitalism. London, England: Profile Books.
Ο Αθανάσιος Άρης (Θάνος) Παναγόπουλος είναι μέλος της συντακτικής ομάδας του InScience.Η Χανάγιο Όγια (email: hanayo.oya@gmail.com) είναι δημοσιογράφος, σκηνοθέτης ντοκιμαντέρ και ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο Γουασέντα της Ιαπωνίας. Βασική επιδίωξη της είναι να χρησιμοποιεί τη δύναμη του ρεπορτάζ για να ρίχνει φως στις ιστορίες των πιο ευάλωτων μελών της κοινωνίας μας, ιδίως των θυμάτων πολέμου. Η Όγια έχει κερδίσει πολυάριθμα βραβεία μεταξύ των οποίων και το σημαντικότερο βραβείο ντοκιμαντέρ της Ιαπωνίας. Τα ντοκιμαντέρ της έχουν προβληθεί σε εξέχοντα διεθνή κινηματογραφικά φεστιβάλ, όπως το Διεθνές Φεστιβάλ Κινηματογράφου του Μπουσάν, το μεγαλύτερο κινηματογραφικό φεστιβάλ στην Ασία. Εκτός από το ρεπορτάζ, η Όγια έχει πάθος με την διδασκαλία της δημοσιογραφίας. Έχει εκπαιδεύσει πολλούς δημοσιογράφους σε διάφορες χώρες και σε πολυποίκιλα ακαδημαϊκά περιβάλλοντα.

March 26, 2022
ΚΒΑΝΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΑΤΟΜΩΝ (ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ): Από τη θεωρητική σύλληψη στην πειραματική επιβεβαίωση.

Απεικόνιση της κατανομής ταχυτήτων ενός δείγματος ατόμων. Αριστερά: σε θερμοκρασίες πάνω από την κρίσιμη, το ατομικό νέφος είναι σφαιρικό γεγονός που αποτελεί ένδειξη πως οι ταχύτητες των ατόμων κατανέμονται με βάση την κατανομή Boltzmann. Μέσον: κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία εμφανίζεται ένα μέγιστο σε ταχύτητα v=0, ένδειξη της συμπύκνωσης Bose-Einstein. Δεξιά: έπειτα από περαιτέρω ψύξη έχουμε ένα «καθαρό» συμπύκνωμα Bose-Einstein.( “Bose Einstein condensate” by NIST/JILA/CU-Boulder – NIST Image. Licensed under Public Domain via Wikimedia Commons)Τα κβαντικά αέρια ατόμων αποτελούν εδώ και τρεις δεκαετίες μια πραγματικότητα που έχει αλλάξει ριζικά το τοπίο της ατομικής φυσικής και της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης. Η θεωρητική τους σύλληψη έγινε δυνατή πριν σχεδόν εκατό χρόνια. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες τα κβαντικά αέρια άνοιξαν νέους ορίζοντες τόσο στη βασική φυσική όσο και σε μια σειρά εφαρμογές με κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη των κβαντικών τεχνολογιών των επόμενων χρόνων. Σε αυτό το πρώτο μέρος παρουσιάζουμε μια σύντομη ιστορική ανασκόπηση των θεωρητικών και πειραματικών εργασιών πάνω στα κβαντικά αέρια καθώς και μια περίληψη των βασικών τους ιδιοτήτων. Η ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΣΥΛΛΗΨΗ

Τα κβαντικά αέρια είναι όχι μόνο άρρηκτα συνδεδεμένα με την κυματική φύση της ύλης, αλλά αποτελούν και μια από τις πιο θεαματικές επιβεβαιώσεις της. H περιπέτειά τους ξεκινά το 1924 όταν ο Ινδός φυσικός S. N. Bose, στο Πανεπιστήμιο της Dacca, πρότεινε μια εντελώς νέα απόδειξη του νόμου του Planck για την ακτινοβολία του μέλανος σώματος θεωρώντας τη θερμική ακτινοβολία ως ένα αέριο ταυτόσημων σωματιδίων (Bose, 1924). Στην απόδειξή του ο Bose βασίστηκε αποκλειστικά στη χρήση μεθόδων της στατιστικής φυσικής, αποφεύγοντας τις έννοιες και τα μεθοδολογικά/υπολογιστικά εργαλεία της ηλεκτροδυναμικής. Την ίδια χρονιά, ο Bose, έστειλε την εργασία με την πρότασή του για δημοσίευση αλλά, προς απογοήτευσή του, απορρίφθηκε. Αποφάσισε, τότε, να την ταχυδρομήσει στον Αϊνστάιν ζητώντας από αυτόν, εάν πίστευε πως είχε κάποια αξία, να μεσολαβήσει για τη δημοσίευσή της σε κάποιο γερμανικό περιοδικό. Πράγματι ο Αϊνστάιν, αφού πρώτα μελέτησε την εργασία προσεκτικά, την μετάφρασε στα γερμανικά και την προώθησε προς δημοσίευση χρησιμοποιώντας το αδιαμφισβήτητο κύρος του.

Ο Αϊνστάιν, σε δύο δημοσιεύσεις, το 1924 και το 1925, θα εφαρμόσει τις ιδέες του Bose στη μελέτη της κατάστασης ενός αερίου στο οποίο ο συνολικός αριθμός των μορίων (ή ατόμων) παραμένει σταθερός και θα αποδείξει πως σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες τα σωματίδια καταλαμβάνουν όλα μαζί την χαμηλότερη κβαντική ενεργειακή κατάσταση (Einstein 1924, 1925). Αυτή είναι η περίφημη συμπύκνωση Bose–Einstein, η οποία εμφανίζεται μόνο στα μποζόνια, δηλαδή σε σωμάτια στα οποία το σπιν είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της ανηγμένης σταθεράς του Planck ħ (ħ = h/2π). Στη διεθνή βιβλιογραφία είναι γνωστή από το αγγλικό αρκτικόλεξο BEC (Bose-Einstein Condensation). Όπως έχει εύστοχα επισημανθεί, αυτή η θεαματική συνέπεια της κυματικής φύσης της ύλης διατυπώθηκε πριν ακόμη θεμελιωθούν οι γενικές αρχές της κβαντικής μηχανικής (Cohen-Tannoudji & Guéry-Odelin, 2011). Ο Bose δεν μπόρεσε να καταλήξει σε ένα τέτοιο συμπέρασμα επειδή μελέτησε την περίπτωση φωτονίων τα οποία, εφόσον έχουν μηδενική μάζα ηρεμίας, δεν χρειάζεται να οδηγηθούν σε συμπύκνωση καθώς όταν η ενέργεια του συστήματος ελαττώνεται αυτά εξαφανίζονται. Δύο χρόνια μετά τις δημοσιεύσεις του Αϊνστάιν ο E. Fermi και ο P. A. M. Dirac διαπίστωσαν πως η θεωρία των Βose-Einstein δεν μπορεί να εφαρμοστεί στην περίπτωση ηλεκτρονίων. Ο λόγος είναι πως το σπιν σωματιδίων όπως τα ηλεκτρόνια λαμβάνει τιμές που είναι ημιακέραια πολλαπλάσια της ανηγμένης σταθεράς του Planck (π.χ. ħ/2). Αυτά τα σωματίδια υπόκεινται στην Απαγορευτική Αρχή του Pauli και, όπως έχει αποδειχτεί, ακολουθούν μια διαφορετική στατιστική κατανομή γνωστή ως κατανομή Fermi–Dirac (Fermi, 1926), (Dirac, 1926) και γι’ αυτό το λόγο είναι γνωστά και ως φερμιόνια.

Για να εκδηλωθεί η συμπύκνωση Βose-Einstein θα πρέπει η θερμοκρασία των ατόμων να μειωθεί σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα. Σε τέτοιες συνθήκες η μέση κινητική ενέργεια των ατόμων, άρα και η ορμή τους p, ελαττώνεται. Αυτό έχει ως συνέπεια το μήκος κύματος De Broglie (λ_d_Β=h/p) κάθε ατόμου να αυξάνει. Για να έχουμε μια εικόνα του προβλήματος αρκεί να αναφέρουμε πως σε ένα αέριο, σε συνήθη θερμοκρασία δωματίου, το μήκος κύματος de Broglie των ατόμων είναι περίπου δέκα χιλιάδες φορές μικρότερο από την μέση μεταξύ τους απόσταση. Σε μια τέτοια περίπτωση τα άτομα συμπεριφέρονται ως κλασικά σωμάτια και αλληλεπιδρούν μόνο κατά τη διάρκεια των μεταξύ τους κρούσεων. Καθώς η θερμοκρασία χαμηλώνει, τα άτομα αρχίζουν και συμπεριφέρονται σαν κύματα. Όταν η θερμοκρασία φτάσει σε μια κρίσιμη τιμή T_c, τα κύματα αυτά αρχίζουν να συμβάλουν και τα άτομα πλέον “χάνουν” την ταυτότητά τους. Σε αυτό το σημείο αναδύεται η κβαντική συμπεριφορά. Καθώς η θερμοκρασία συνεχίζει να ελαττώνεται τα άτομα μεταπίπτουν σε μια συλλογική κατάσταση, σαν πειθαρχημένα στρατιωτάκια, δημιουργώντας ένα “γιγάντιο” υλικό κύμα (Εικ. 1). Σε αυτήν την κατάσταση τα κύματα πιθανότητας που αντιστοιχούν σε κάθε σωμάτιο βρίσκονται σε απόλυτη συμφωνία φάσης.

Στην κλασική φυσική έχουμε πολλά παραδείγματα μεταβολών φάσης. Για παράδειγμα το λιώσιμο των πάγων ή η εξάτμιση ενός υγρού. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις παίζουν σημαντικό ρόλο οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων της ουσίας που υφίσταται την μεταβολή. Εδώ όμως τα πράγματα είναι αρκετά διαφορετικά. Ο ίδιος ο Αϊνστάιν περιέγραψε τη συμπύκνωση Βose-Einstein ως μια μεταβολή φάσης χωρίς τη μεσολάβηση κάποιας αλληλεπίδρασης. Πράγματι, κατά την εξέλιξη αυτού του φαινόμενου, το οποίο αποτελεί, πλέον, κλασικό παράδειγμα κβαντικής στατιστικής, τα άτομα μεταπίπτουν από μια κατάσταση που χαρακτηρίζεται από μια τεράστια ποικιλία ταχυτήτων σε μια κατάσταση με κοινή ταχύτητα. Αξίζει να σημειώσουμε πως η τιμή της κρίσιμης θερμοκρασίας, πέρα από την οποία αρχίζει η συμπύκνωση Βose-Einstein, είναι πολύ χαμηλή. Για παράδειγμα σε ένα αέριο από άτομα ρουβιδίου με πυκνότητα 10¹⁴ άτομα/cm³ η κρίσιμη θερμοκρασία είναι T_c = 350 nK. Σε αυτές τις θερμοκρασίες όλες οι ουσίες αναμένεται να βρίσκονται είτε στην υγρή είτε στην στερεά κατάσταση, οπότε η υπόθεση του Αϊνστάιν για ιδανικό αέριο δεν μπορεί να σταθεί. Αυτός ο λόγος σε συνδυασμό με το γεγονός πως δεν υπάρχει στην πράξη ένα ιδανικό αέριο ήταν η αιτία που όλοι οι επιστήμονες της εποχής, του Αϊνστάιν συμπεριλαμβανομένου, θεωρούσαν πως η προβλεπόμενη συμπύκνωση ήταν ένα καθαρά ακαδημαϊκό θέμα χωρίς πρακτική εφαρμογή.Εικόνα 1: Η φυσική συμπεριφορά των ατόμων καθώς ελαττώνεται η θερμοκρασία μέχρι την επίτευξη της συμπύκνωσης Bose-Einstein.Η ΠΕΡΙΠΕΤΕΙΑ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΕΠΙΤΕΥΞΗΣ

Το πρώτο φυσικό σύστημα που σχετίστηκε με τη συμπύκνωση Βose-Einstein είναι το υγρό ήλιο ⁴He το οποίο παρουσιάζει μια «μυστηριώδη» συμπεριφορά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω των 2,17 Κ). Σε αυτή την περίπτωση το ήλιο μεταπίπτει από την υγρή φάση σε μια κατάσταση υπερρευστότητας όπου η ροή πραγματοποιείται χωρίς αντίσταση, σαν να μην ενεργούν εσωτερικές δυνάμεις τριβής στο υγρό. Τον Απρίλιο του 1938 ο F. London θα διατυπώσει την άποψη πως αυτή η μετάβαση θα μπορούσε να αποδοθεί, ή έστω να σχετίζεται, με την συμπύκνωση Βose-Einstein (London, 1938). Η παρατήρηση του London ενισχύθηκε από το γεγονός πως, σε αντίθεση με το ⁴He το οποίο είναι μποζόνιο, στο ισότοπο ³He, το οποίο παρουσιάζει φερμιονική συμπεριφορά (Σιμσερίδης, 2015) , δεν εμφανιζόταν το φαινόμενο της υπερρευστότητας.

Η πρώτη σημαντική θεωρητική ερμηνεία του φαινομένου της υπερρευστότητας δόθηκε από μια φαινομενολογική θεωρία που επινοήθηκε από τον L. D. Landau το 1941 και για την οποία, το 1962, τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής (Landau, 1941). Συνέχεια της εργασίας του Landau αποτέλεσε η ερευνητική εργασία του N. N. Bogoliubov το 1947 (Bogoliubov, 1947). Σε αυτήν την εργασία εισήγαγε τον μετασχηματισμό Bogoliubov, ο οποίος αργότερα αποδείχθηκε εξαιρετικά χρήσιμος στη μελέτη αρκετών φυσικών φαινομένων στην υπεραγωγιμότητα, στην πυρηνική φυσική και στα πιο πρόσφατα ατομικά συμπυκνώματα στα οποία θα αναφερθούμε στη συνέχεια. Στο ίδιο θέμα αξιόλογες ήταν και οι εργασίες που έγιναν από τον K. Huang και τους συνεργάτες του στη δεκαετία του 1950, οι οποίοι βασίστηκαν στη θεωρία των διαταραχών (Lee et al, 1957).

Το 1959 ο C. Hecht θα διατυπώσει την άποψη πως τα άτομα του υδρογόνου θα μπορούσαν να διατηρηθούν στην αέρια κατάσταση ακόμη και στη θερμοκρασία του απολύτου μηδενός στην περίπτωση που τα ηλεκτρόνιά τους έχουν καθορισμένο σπιν (Hecht, 1958). Το ενδιαφέρον σε αυτήν την περίπτωση είναι πως η κρίσιμη θερμοκρασία δεν είναι τόσο χαμηλή (συγκρινόμενη με αυτή για άτομα άλλων στοιχείων) εξαιτίας της μικρής μάζας του υδρογόνου. Η υπόδειξη του Hecht οδήγησε σε μια αναζωπύρωση της πειραματικής δραστηριότητας και η πρόβλεψή του επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 1976 από τους W. Stwalley and L. Nosanow (Stwalley & Nosanow, 1976). Από τη στιγμή εκείνη αρχίζουν μια σειρά από πειράματα για την επίτευξη της συμπύκνωσης σε αέρια από άτομα υδρογόνου. Τα πειράματα αυτά αντιμετώπισαν αρκετές τεχνικές δυσκολίες. Στην προσπάθεια να ξεπεραστούν αυτά τα εμπόδια γεννήθηκαν μερικές από τις πιο σημαντικές ιδέες και τεχνικές που αργότερα θα ανοίξουν το δρόμο για τη συμπύκνωση Βose-Einstein σε αέρια από άλλα είδη ατόμων.

Λίγα χρόνια μετά θα αρχίσουν να εμφανίζονται τα θεαματικά επιτεύγματα πάνω στην επιβράδυνση και τον περιορισμό της ατομικής κίνησης σε αέρια ατόμων αλκαλίων (Lembessis, 2020). Οι τεχνικές αυτές άνοιξαν νέους δρόμους στην προσέγγιση πολύ χαμηλών θερμοκρασιών χωρίς την προσφυγή στις παραδοσιακές μεθόδους της κρυογενικής. Η βάση αυτών των επιτευγμάτων ήταν η αλληλεπίδραση του φωτός λέιζερ με τα άτομα για τα χαρακτηριστικά της οποίας έχουμε αναφερθεί σε προηγούμενο άρθρο μας στο InS. Με αυτές τις τεχνικές έγινε δυνατός ο περιορισμός των ατόμων σε μια περιοχή του χώρου χωρίς υλικά τοιχώματα που αποτελούσε πάντα έναν διακαή πόθο για τους πειραματικούς φυσικούς καθώς τα άτομα όταν προσεγγίζουν τα τοιχώματα ενός δοχείου μπορεί να προσκολληθούν σε αυτά και να εγκαταλείψουν την αέρια κατάσταση. Στη συγκεκριμένη περίπτωση οι ερευνητές ακολούθησαν μια μέθοδο παγίδευσης των ατόμων που στηρίζεται στη χρήση μαγνητικών πεδίων και είχε εισαχθεί από τον H. Hess τo 1986 για την παγίδευση ατόμων υδρογόνου (Hess 1986). Παρέμεναν όμως δύο ακόμη προβλήματα. Το πρώτο είχε να κάνει με το γεγονός πως η επιβράδυνση και η ταυτόχρονη παγίδευση των ατόμων μπορεί να οδηγήσει το δείγμα σε υψηλές πυκνότητες και κατά συνέπεια σε υγροποίηση και στερεοποίηση. Τα άτομα συνεπώς πρέπει να διατηρούνται διαρκώς στην αέρια φάση κάτι το οποίο μπορεί να εξασφαλιστεί μόνον όταν η πυκνότητα του δείγματος είναι αρκετά χαμηλή. Το δεύτερο είχε να κάνει με τη φυσική των τεχνικών επιβράδυνσης που βασίζεται στην ανταλλαγή φωτονίων μεταξύ της δέσμης λέιζερ και των ατόμων. Ακόμη και μια μεμονωμένη αυθόρμητη εκπομπή φωτονίου, λόγω διατήρησης της συνολικής ορμής, προσδίδει στο άτομο μια κινητική ενέργεια ίση με Ε = h²/(2Μλ), όπου Μ η μάζα του ατόμου και λ το μήκος κύματος του φωτονίου. Αυτό συνιστούσε ένα σοβαρό εμπόδιο στην προσπάθεια για την επίτευξη της επιθυμητής συμπύκνωσης καθώς αν και απειροελάχιστη σε μέγεθος (της τάξης των 10^-29 Joule για ένα άτομο νατρίου) είναι ικανή να «θερμάνει» την ατομική κίνηση και να διαταράξει την όλη διαδικασία.

Η λύση σε αυτά τα προβλήματα ήλθε από την επιβράδυνση της ατομικής κίνησης μέσω εξάτμισης (evaporative cooling) που εφαρμόζεται σε άτομα που είναι ήδη παγιδευμένα (Masuhara et al, 1988). Η εξάτμιση, η οποία μας είναι ιδιαίτερα οικεία από τα σχολικά μας χρόνια, είναι ένας βασικός μηχανισμός ψύξης ενός υγρού όπου οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων διατηρούν τα μόρια στην υγρή φάση. Μέσω της εξάτμισης τα πιο γρήγορα μόρια μπορούν και υπερνικούν τη δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης με τα υπόλοιπα μόρια και περνούν στην αέρια φάση, αφήνοντας πίσω στο υγρό τα πιο βραδυκίνητα μόρια. Αυτό οδηγεί στην ελάττωση της θερμοκρασίας και στην ψύξη του δείγματος. Μια ανάλογη εικόνα επαναλαμβάνεται στην περίπτωση των παγιδευμένων ατόμων. Όπως εξηγούμε στην Εικ. 2, μέσω των ελαστικών κρούσεων μεταξύ των ατόμων τα πιο ευκίνητα άτομα διαφεύγουν από την παγίδα αφήνοντας πίσω τα μόρια που έχουν χαμηλότερες ταχύτητες. Το τελικό αποτέλεσμα είναι πως η μέση κινητική ενέργεια του δείγματος ελαττώνεται και μαζί με αυτήν και η θερμοκρασία του.Εικόνα 2: Επιβράδυνση ατόμων μέσω εξάτμισης: Υποθέστε πως έχουμε δύο άτομα, με ενέργειες Ε₁ και Ε₂ αντίστοιχα, παγιδευμένα σε ένα δυναμικό με ενεργειακό βάθος U₀. Σε κάποια στιγμή συμβαίνει μεταξύ τους μια ελαστική κρούση και τα άτομα αποκτούν ενέργειες Ε₃ και Ε₄ αντίστοιχα. Λόγω της ελαστικότητας της κρούσης η συνολική ενέργεια παραμένει σταθερή: Ε₁+Ε₂= Ε₃+Ε₄. Εάν Ε₄> U₀, τότε το άτομο με ενέργεια Ε₄ διαφεύγει από την παγίδα και “εξατμίζεται”. Το άλλο άτομο, που παρέμεινε στην παγίδα, έχει πλέον μια ενέργεια Ε₃ χαμηλότερη από την αρχική του Ε₁. Με αυτόν το τρόπο το δείγμα των ατόμων που παραμένει στην παγίδα καταλήγει να είναι ψυχρότερο από το αρχικό.Τα προβλήματα του συνδυασμού των διαφορετικών τεχνικών έλυσαν με τον βέλτιστο τρόπο οι ερευνητικές ομάδες των C. Wieman και E. Cornell στο Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) του Κολοράντο των ΗΠΑ και του W. Ketterle στο MIT το 1995 επιτυγχάνοντας τη συμπύκνωση Bose-Einstein χρησιμοποιώντας άτομα ρουβιδίου και νατρίου αντίστοιχα με διαφορά μόλις τεσσάρων μηνών (Anderson 1995), (Davis 1995). Για αυτές τις έρευνες οι εν λόγω επιστήμονες τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ φυσικής το 2001. Για να έχουμε μια πιο σαφή εικόνα της όλης διαδικασίας αξίζει να δούμε αναλυτικότερα τις λεπτομέρειες του πειράματος στο ΜΙΤ ώστε να καταλάβουμε το μέγεθος του επιτεύγματος. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια δέσμη από άτομα νατρίου που δημιουργήθηκε σε ένα φούρνο σε θερμοκρασία 600 Κ όπου η μέση ταχύτητα των ατόμων είναι γύρω στα 800 m/s. Η δέσμη των ατόμων είχε μια πυκνότητα της τάξης των 10¹⁴ ατόμων/cm³_.Διανύοντας μια απόσταση μισού μέτρου τα άτομα επιβραδύνθηκαν, για πρώτη φορά, μέχρι η μέση ταχύτητά τους να φτάσει περίπου τα 30 m/s. Μετά την επιβράδυνση περίπου δέκα δισεκατομμύρια άτομα διοχετεύθηκαν σε μια Μαγνητο-Οπτική Παγίδα (Raab et al, 1987). Πρόκειται για μια διάταξη που συνδυάζει μαγνητικά πεδία και δέσμες λέιζερ για να επιτύχει ταυτόχρονα παγίδευση και επιβράδυνση της κίνησης των ατόμων. Με μια σειρά από περαιτέρω επιβραδύνσεις και παγιδεύσεις η κινητική θερμοκρασία του αερίου έπεσε στους 100 µK, που αντιστοιχεί σε μια μέση ταχύτητα 0,3 m/s. Η θερμοκρασία αυτή είναι υπεραρκετή ώστε τα άτομα να παγιδευτούν από μαγνητικά πεδία και να αρχίσει η ψύξη μέσω εξάτμισης η οποία υποβιβάζει την κινητική θερμοκρασία των ατόμων στους 2 µK (μέση ταχύτητα 0,4 mm/s) όπου αρχίζει η συμπύκνωση. Όλα αυτά σε χρόνο περίπου είκοσι δευτερολέπτων. Στο τελικό συμπύκνωμα παρέμειναν περίπου δέκα εκατομμύρια άτομα ενώ η διάμετρός του ήταν περίπου 0,3 χιλιοστά.

Θα πρέπει να σημειώσουμε πως η στροφή στην χρήση ατόμων από στοιχεία αλκαλίων δεν είναι διόλου τυχαία. Οι τεχνικές επιβράδυνσης και παγίδευσης με τη χρήση φωτός λέιζερ δεν μπορούσαν να εφαρμοστούν στο υδρογόνο. Επίσης, τα στοιχεία των αλκαλίων λόγω της ηλεκτρονικής τους δομής παρέχουν πληθώρα ισοτόπων με μποζονικό χαρακτήρα και μπορούν επίσης να διατηρηθούν στην αέρια κατάσταση για αρκετό χρόνο έτσι ώστε η συμπύκνωση να επιτευχθεί και να αναδυθεί ως μια μετασταθής κατάσταση πριν την υγροποίηση ή στερεοποίηση του δείγματος. Σημαντικό στοιχείο επίσης, από πειραματική άποψη, είναι η ύπαρξη πολύ αποτελεσματικών τεχνικών παρατήρησης του κβαντικού αερίου τόσο in situ όσο και εν κινήσει όταν αυτό αποτελείται από άτομα αλκαλίων. Αξίζει να σημειωθεί πως το 1998 θα επιτευχθεί τελικά και η συμπύκνωση του υδρογόνου με καθορισμένο σπιν από την ερευνητική ομάδα των T. Greytak και D. Kleppner στο MIT (Fried et al, 1998).

Η συμπύκνωση μας έδωσε τελικά ένα μακροσκοπικό κβαντικό αντικείμενο. Τα συμπυκνώματα Bose-Einstein αποτελούν, μαζί με το λέιζερ, τις δύο πιο σημαντικές μακροσκοπικές εκδηλώσεις της κβαντικής συμπεριφοράς. Θα πρέπει να σημειώσουμε πως το συμπύκνωμα που επιτεύχθηκε σε άτομα αλκαλίων απέχει αρκετά από την αρχική υπόθεση του Αϊνστάιν. Η πιο σημαντική διαφορά είναι πως ενώ πρόκειται για ένα μόρφωμα με πολύ χαμηλή πυκνότητα τα άτομα συνεχίζουν να αλληλεπιδρούν ισχυρά μεταξύ τους. Πράγματι η ενέργεια που αντιστοιχεί στην μεταξύ τους αλληλεπίδραση είναι ισχυρότερη κατά περίπου μιας τάξη μεγέθους σε σχέση με την δυναμική ενέργεια που έχουν εξαιτίας του δυναμικού της παγίδας μέσα στην οποία βρίσκονται. Αυτό δείχνει πως η τελική κατάσταση την οποία καταλαμβάνουν δεν είναι η θεμελιώδης ενεργειακή κατάσταση της παγίδας. Στο θεωρητικό μοντέλο του Αϊνστάιν τα άτομα δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους οπότε μπορούν και καταλαμβάνουν αυστηρά την ίδια μονοσωματιδιακή κατάσταση που είναι η θεμελιώδης κατάσταση της παγίδας. Στην ουσία το φαινόμενο που παρατηρείται πειραματικά δεν είναι παρά μια κατανομή πληθυσμού όπως συμβαίνει και στην θερμική κατανομή των φωτονίων του μέλανος σώματος.

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στον καθορισμό των ιδιοτήτων του συμπυκνώματος όπως το μέγεθός του και η ευστάθειά του. Οι διαφορές που παρατηρούνται, για παράδειγμα, σε συμπυκνώματα ατόμων διαφορετικών αλκαλίων οφείλονται τόσο στο διαφορετικό μέγεθος όσο και στον απωστικό ή ελκτικό χαρακτήρα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Ο συνδυασμός της παγίδευσης των ατόμων με τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις τείνει να δημιουργεί συσχετίσεις μεγάλης κλίμακας ανάμεσα στα άτομα με τελικό αποτέλεσμα την εμφάνιση μιας συμφωνίας φάσης ανάμεσα σε αυτά παρόμοια με αυτήν που εμφανίζεται στα φωτόνια ενός λέιζερ. Τα συμπυκνώματα Βose-Einstein άνοιξαν το δρόμο για την κατασκευή του ατομικού λέιζερ (Mewes et al, 1997).

ΚΒΑΝΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΦΕΡΜΙΟΝΙΩΝ

Ένα ερώτημα που θα μπορούσε να προκύψει είναι κατά πόσο όλα τα παραπάνω επιτεύγματα μπορούν να επεκταθούν και σε φερμιόνια τα οποία έχουν μια ριζικά διαφορετική φυσική συμπεριφορά σε σχέση με τα μποζόνια. Τα φερμιόνια υπακούουν στην Απαγορευτική Αρχή του Pauli. Σύμφωνα με αυτήν την αρχή δεν είναι δυνατόν δύο όμοια φερμιόνια να καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση ταυτόχρονα. Στα άτομα των φερμιονίων δεν εμφανίζεται κάποια «απότομη» μεταβολή φάσης όταν η θερμοκρασία ελαττώνεται. Αυτό συμβαίνει γιατί τα άτομα, στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός, δεν μπορούν να εποικίσουν μια κοινή κατάσταση αλλά προοδευτικά καταλαμβάνουν ανώτερες ενεργειακά καταστάσεις με το πολύ ένα άτομο σε κάθε μια από αυτές (Εικ. 3). Η ανώτερη ενεργειακά κατειλημμένη κατάσταση ορίζει την λεγόμενη ενέργεια Fermi (περίπου 1μΚ ή 10^-29 Joule για ένα αέριο φερμιονικών ατόμων). H Απαγορευτική Αρχή αποτελεί την αιτία της εμφάνισης της πίεσης Fermi. Όταν ένας μεγάλος αριθμός φερμιονίων περιοριστεί σε ορισμένο όγκο ασκεί πίεση όπως ακριβώς τα μόρια ενός αερίου ασκούν πίεση στα τοιχώματα ενός δοχείου. Η πίεση αυτή διαφέρει από την πίεση των αερίων που γνωρίζουμε από τα σχολικά μας χρόνια καθώς δεν απαιτείται συνεχής τροφοδοσία της ύλης με ενέργεια για να συντηρηθεί (Ξανθόπουλος, 1990). Εάν προσθέσουμε ένα παραπάνω φερμιόνιο σε ένα παγιδευμένο ιδανικό αέριο από Ν φερμιόνια, σε θερμοκρασία Τ = 0, αυτό θα τοποθετηθεί αναγκαστικά σε μια ενεργειακή στάθμη με ενέργεια μεγαλύτερη από την ενέργεια Fermi οδηγώντας σε αύξηση του μεγέθους του δείγματος. Οι χωρικές διαστάσεις ενός φερμιονικού αερίου συνεπώς σχετίζονται με την πίεση Fermi.

Η «ιδιόμορφη» κβαντική συμπεριφορά των φερμιονίων είναι η αιτία μιας σειράς φυσικών φαινομένων που ξεκινούν από την ποικιλία των ατόμων (οι δομικοί «λίθοι» των ατόμων, δηλαδή τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια είναι φερμιόνια) και φτάνουν μέχρι την ευστάθεια των λευκών νάνων και των αστέρων νετρονίων. Μια σημαντική ποιοτική διαφορά ανάμεσα στα φερμιονικά συστήματα που απαντώνται στη φύση και στα κβαντικά αέρια φερμιονικών ατόμων είναι πως τα δεύτερα χαρακτηρίζονται από χαμηλή πυκνότητα όπου οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φερμιονίων είναι πολύ ασθενείς σε αντίθεση με τα πρώτα που δημιουργούνται σε συστήματα με πολύ υψηλές πυκνότητες φερμιονίων. Για παράδειγμα η πυκνότητα ενός αστέρα νετρονίων είναι της τάξης των 10¹⁷ kg/m³ ή περίπου 10³⁸ νετρόνια/cm³.Εικόνα 3: Κβαντική στατιστική. Αριστερά: μποζόνια σε θερμοκρασία Τ=0. Όλα τα άτομα ενός ιδανικού συμπυκνώματος Bose-Einstein καταλαμβάνουν τη θεμελιώδη κατάσταση. Δεξιά: φερμιόνια ιδανικού αερίου. Όπως υπαγορεύει η Απαγορευτικής Αρχής του Pauli, κάθε ενεργειακό επίπεδο μπορεί να καταληφθεί από ένα, το πολύ, φερμιονικό άτομο. Σε θερμοκρασία Τ=0, η θεμελιώδης κατάσταση για ένα σύστημα από Ν φερμιόνια προκύπτει όταν καταληφθούν οι Ν χαμηλότερες ενεργειακά μονοσωματιδιακές καταστάσεις. H κατάσταση με την ανώτερη ενέργεια ορίζει την ονομαζόμενη ενέργεια Fermi Ε_F.Τα πρώτα πειράματα με άτομα του φερμιονικού δευτερίου (²H) ανάγονται στο 1980 (Silvera & Walraven, 1980) αλλά θα ξαναρχίσουν προς τα τέλη της δεκαετίας του 1990. Οι τεχνικές επιβράδυνσης και παγίδευσης φερμιονικών ατόμων είναι ίδιες με αυτές που εφαρμόζονται και σε αυτά με μποζονικό χαρακτήρα εκτός από την τελική επιβράδυνση μέσω εξάτμισης η οποία παρουσιάζει κάποιες διαφοροποιήσεις εξαιτίας της διαφορετικής φύσης των κρούσεων μεταξύ των ατόμων. Στα μποζονικά άτομα οι κρούσεις είναι ελαστικές «μετωπικές» (κρούση κύματος-s) στις οποίες δεν υπάρχει σχετική στροφορμή μεταξύ των ατόμων. Εξαιτίας της Απαγορευτικής Αρχής αυτές οι κρούσεις δεν μπορούν να συμβούν μεταξύ δύο φερμιονικών ατόμων που βρίσκονται στην ίδια εσωτερική κατάσταση (με ίδιο σπιν). Εντούτοις μπορούν να συμβούν εάν τα άτομα είναι σε διαφορετική εσωτερική κατάσταση. Το 1999 η ερευνητική ομάδα της D. Jinn στο JILA εκμεταλλευόμενη αυτό το γεγονός κατόρθωσε να δημιουργήσει το πρώτο αέριο φερμιονίων με άτομα καλίου (DeMarco, 1999). Στο πείραμα αυτό παρατήρησαν και ένα «παράξενο» φαινόμενο γνωστό ως αποκλεισμός Pauli (Pauli blocking) το οποίο παρουσιάζεται σε όλα τα φερμιονικά συστήματα. Εξαιτίας της Απαγορευτικής Αρχής ένα φερμιόνιο μπορεί να μεταβάλλει την ενέργειά του μόνο στην περίπτωση που η τελική κατάστασή στην οποία θα μεταβεί δεν είναι κατειλημμένη από κάποιο άλλο όμοιο φερμιόνιο. Σε ένα κβαντικό αέριο φερμιονίων οι χαμηλότερες καταστάσεις είναι σε μεγάλη πιθανότητα κατειλημμένες οπότε ο αποκλεισμός Pauli καταστέλλει κάθε διαδικασία στην οποία τα άτομα μεταβάλλουν την ενέργειά τους. Αυτό που είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον σε αυτό το φαινόμενο είναι πως οι κρούσεις μεταξύ δύο ατόμων επηρεάζονται από την κατάσταση ατόμων που είναι πολύ μακριά μεταξύ τους. Το 2001 θα επαληθευτεί πειραματικά και η σχέση της μεταβολής του μεγέθους ενός αερίου Fermi με την πίεση Fermi (Trusscot et al, 2001).

ΕΠΙΛΟΓΟΣ

Τα κβαντικά αέρια αποτελούν κορυφαία επιτεύγματα της σύγχρονης ατομικής φυσικής. Σε επίπεδο βασικής επιστήμης αποτελούν πρότυπα συστήματα μελέτης της κβαντικής στατιστικής και της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης, ενώ σε επίπεδο εφαρμογών αναδεικνύονται σε έναν από τους βασικούς πυλώνες αυτού που αρκετοί ερευνητές αποκαλούν Δεύτερη Κβαντική Επανάσταση (Haroche & Raimond, 2006), εννοώντας την εμφάνιση και ραγδαία ανάπτυξη των νέων κβαντικών τεχνολογιών και τη μαζική τους χρήση στην βιομηχανία και την καθημερινότητα. Στο επόμενο σχετικό μας άρθρο θα αναφερθούμε στους νέους ορίζοντες που άνοιξαν στην επιστήμη της φυσικής καθώς και στις ποικίλες και συναρπαστικές εφαρμογές τους. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Ξανθόπουλος, Β., 1990. Αστέρια: Η ζωή και ο θάνατός τους. Στο Ε. Ν. Οικονόμου, επιμ. Η ΦΥΣΙΚΗ ΣΗΜΕΡΑ ΙΙ. ΟΙ ΔΕΚΑ ΚΛΙΜΑΚΕΣ ΤΗΣ ΥΛΗΣ. Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, σ. 297. https://www.cup.gr/book/i-fisiki-simera-tomos-ii/

Σιμσερίδης, Κ., 2015. Καταστάσεις της Ύλης. Αθήνα: Σύνδεσμος Ελληνικών Ακαδημαϊκών Βιβλιοθηκών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, σ. 36. https://repository.kallipos.gr/bitstream/11419/2117/3/Simseridis_Katastaseis_tis_ylis.pdf

Amico, A., Scazza, F., Valtolina, G., Tavares, P. E. S., Ketterle, W., Inguscio, M., Roati, G., and Zaccanti, M., 2018. Time-Resolved Observation of Competing Attractive and Repulsive Short-Range Correlations in Strongly Interacting Fermi Gases. Phys. Rev. Lett., 121, 253602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.253602

Anderson, M. H., Ensher, J. R., Matthews, M. R., Wieman, C. E., and Cornell, E. A., 1995. Observation of Bose-Einstein condensation in a dilute atomic vapor. Science, 269, p. 198. DOI: 10.1126/science.269.5221.198

Bardeen, J., Cooper, L. N., and Schriefer, J. R., 1957. Microscopic Theory of Superconductivity. Physical Review, 106 (1), p. 162. https://doi.org/10.1103/PhysRev.106.162

Bardeen, J., Cooper, L. N., and Schriefer, J. R., 1957. Theory of Superconductivity. Physical Review, 108 (5), p. 1175. https://doi.org/10.1103/PhysRev.108.1175

Bogolyubov, N. N., 1947. A contribution to the theory of super-fluidity. (Russian) Bull. Acad. Sci. URSS. Sér. Phys. , 11, p. 77.

Bose, S. N., 1924. Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese (Planck’s Law and the Light Quantum Hypothesis). Z. Phys., 26, p. 178. http://dx.doi.org/10.1007/BF01327326

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

Davis, K. B., Mewes, M. -O., Andrews, M. R., van Druten, N. J., Durfee, D. S., Kurn, D. M., and Ketterle, W., 1995. Bose-Einstein condensation in a Gas of sodium Atoms. Phys. Rev. Lett., 75, p. 3969. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.3969

De Marco, B. and Jin, D. S., 1999. Onset of Fermi Degeneracy in a Trapped Atomic Gas. Science, 285, p. 1703. DOI: 10.1126/science.285.5434.1703

Dirac, P. A. M., 1926. On the Theory of Quantum Mechanics. Proc. Roy. Soc. A, 112, Issue 762, p. 661. https://doi.org/10.1098/rspa.1926.0133

Einstein, A., 1924. Quantentheorie des einatomigen idealen Gases (Quantum Theory of a Monoatomic Ideal Gas). Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften, Physikalisch-mathematische Klasse, p. 261. https://doi.org/10.1002/3527608958.ch27

Einstein, A., 1925. On the Quantum Theory of a Monoatomic Ideal Gas. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften, Berlin, Physikalisch-mathematische Klasse, 1, p. 18. https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol14-trans/448

Fermi, E., 1926. Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico (On the quantization of an ideal monatomic gas). Rend. Lincei, 3, p. 145.https://sites.unimi.it/olivares/wp-content/uploads/2020/05/Fermi_gas_prefetto.pdf

Fried, D. G, Killian, T. C., Willmann, L., Landhuis, D., Moss, S. C., Kleppner, D., and Greytak, T. J., 1998. Phys. Rev. Lett., 81, p. 3811. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.3811

Haroche, S. and Raimond, 2006. Exploring the Quantum: Atoms, Cavities, and Photons, Oxford: Oxford University Press.https://oxford.universitypressscholarship.com/view/10.1093/acprof:oso/9780198509141.001.0001/acprof-9780198509141

Hecht, C. E., 1958. The possible superfluid behavior of hydrogen atom gases and liquids. Physica, 25, p. 1159. https://doi.org/10.1016/0031-8914(59)90035-7

Hess, H. F., 1986. Evaporative cooling of magnetically trapped atoms and compressed spin-polarized hydrogen. Phys. Rev. B, 34 (5), p. 3476. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.34.3476

Jochim, S., Bartenstein, M., Altmeyer, A., Hendl, G., Riedl, S., Chin, C., Hecker-Denschlag, J., and Grimm, R., 2003. Bose-Einstein condensation of molecules. Science, 302, p. 2101. 10.1126/science.1093280

Ketterle, W. and Van Druten, N. J., 1996. Evaporative cooling of trapped atoms. Advances in atomic, molecular, and optical physics, 37, p. 181. https://doi.org/10.1016/S1049-250X(08)60101-9

Landau, L., 1941. Theory of the Superfluidity of Helium II. Phys. Rev., 60, p. 356.
https://doi.org/10.1103/PhysRev.60.356

Lee, T. D., Huang, K., and Yang, C. N., (1957). Eigenvalues and Eigenfunctions of a Bose System of Hard Spheres and Its Low-Temperature Properties. Phys. Rev., 106 (6), p. 1135. https://doi.org/10.1103/PhysRev.106.1135

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

Lett, P. D., Watts, R. N., Westbrook, C. I., Phillips, W. D., Gould, P. L., and Metcalf, H. J., 1988. Observation of Atoms Laser Cooled below the Doppler Limit. Phys. Rev. Lett., 61, p. 169. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.61.169

London, F., The λ-Phenomenon of Liquid Helium and the Bose-Einstein Degeneracy. Nature, 141, p. 643. https://doi.org/10.1038/141643a0

Masuhara, N., Doyle, J. M, Sandberg, J. C., Kleppner, D., Greytak, T. J., Hess, H. F., and Kochanski, G. P., 1988. Evaporative Cooling of Spin-Polarized Atomic Hydrogen, Phys. Rev. Lett., 61, p. 935. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.61.935

Mehboudi, M., Lampo, A., Charalambous, C., Correa L. A., García-March, M. Á., and Lewenstein, M., 2019. Using Polarons for sub-nK Quantum Nondemolition Thermometry in a Bose-Einstein Condensate. Phys. Rev. Lett., 122, 030403. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.030403

Mewes, M.-O., Andrews, M. P., Kurn, D. M., Durfee, D. S., Townsend, C. G., and Ketterle, W., (1997). Output coupler for Bose–Einstein condensed atoms. Physical Review Letters, 78, p. 582. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.582

Raab, E. L, Prentiss, M., Cable, A., Chu, S., and Pritchard, D. E., 1987. Trapping of Neutral Sodium Atoms with Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett., 59, 2631. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.59.2631

Stwalley, W. C. and Nosanow, L. H., 1976. Possible “New” Quantum Systems. Phys. Rev. Lett., 36, p. 910. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.36.910

Silvera, I. F. and Walraven, J. T. M., 1980. Spin-Polarized Atomic Deuterium: Stabilization, Limitations on Density, and Adsorption Energy on Helium. Phys. Rev. Lett., 45, p. 1268. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.45.1268

February 26, 2022
ΟΙ ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΠΟΥ ΑΣΚΕΙ ΤΟ ΦΩΣ ΣΤΗΝ ΥΛΗ: Από τον Κέπλερ στον Αϊνστάιν – Σύντομο ιστορικό χρονικό.

Βαρελάς Τάκης / Συμπαντικές Συναντήσεις / Τέμπερα σε χαρτί 14cm X 21cm / 2021

Τα μεγάλα επιτεύγματα των τελευταίων τεσσάρων δεκαετιών στην επιβράδυνση και παγίδευση της ατομικής κίνησης οφείλονται αποκλειστικά στις δυνάμεις που ασκεί το φως του λέιζερ στα άτομα. Όμως και αυτό το επιστημονικό πεδίο έχει την δική του προϊστορία καθώς απασχολεί ως ερευνητικό αντικείμενο την επιστημονική κοινότητα από την εποχή του Κέπλερ. Το παρόν άρθρο παρουσιάζει συνοπτικά τα επιτεύγματα της επιστήμης σε αυτό τον τομέα μέχρι την εποχή της επανάστασης που επέφερε η εμφάνιση του λέιζερ.

Η εξέλιξη της μελέτης και έρευνας πάνω στις δυνάμεις που ασκεί το φως στην ύλη χωρίζεται σε δύο περιόδους, την «κλασική» η οποία διαρκεί από το 1600 έως το 1960 και την «σύγχρονη», από το 1960 έως και σήμερα (Letokhov & Minogin, 1981). Κριτήριο αυτού του διαχωρισμού είναι η εμφάνιση της συσκευής φωτός λέιζερ που, για πρώτη φορά, μάς εφοδίασε με σύμφωνη, σχεδόν μονοχρωματική ακτινοβολία, χάρις στην οποία, ανάμεσα σε πολλά άλλα, επιτεύχθηκε η επιβράδυνση, η παγίδευση και τελικά ο απόλυτος έλεγχος της κίνησης των ατόμων που βρίσκονται σε αέρια κατάσταση. Ο όγκος και η ποιοτική διαφοροποίηση των επιτευγμάτων που ακολούθησαν είναι τέτοια που να δικαιολογούν τη διαπίστωση πως η Ατομική Φυσική διέρχεται μια περίοδο κυριολεκτικής Αναγέννησης (Lembessis, 2020). Από φυσική άποψη η βάση αυτών των φαινομένων δεν είναι παρά οι δυνάμεις που ασκεί το φως του λέιζερ στα άτομα. Όμως η ιδέα πως το φως μπορεί να ασκεί δυνάμεις πάνω στην ύλη είναι αρκετά παλαιότερη. Αυτό το παρελθόν έρχεται να αναδείξει αυτό το άρθρο.

H ιστορική αφετηρία των ερευνών πάνω στις δυνάμεις που ασκεί το φως στην ύλη είναι αναμφίβολα το 1619 όταν ο Κέπλερ, στην πραγματεία του De Cometis, υπέθεσε πως η απόκλιση που παρουσιάζουν οι ουρές των κομητών οφείλεται στην πίεση που ασκούν σε αυτές οι ηλιακές ακτίνες (Kepler, 1619). Αν και οι παρατηρούμενες αποκλίσεις δεν ερμηνεύονται αποκλειστικά και μόνο από την πίεση του φωτός, εν τούτοις, αυτή η υπόθεση έπαιξε, αργότερα, σημαντικό ρόλο στην κατανόηση του ρόλου που παίζει η πίεση του φωτός στο σύμπαν. Οι απόψεις του Κέπλερ είχαν βρει θερμή υποστήριξη από τον Δανό αστρονόμο C. S Longomontanus. Το ίδιο φυσικό φαινόμενο ενέπνευσε τον L. Euler να διατυπώσει την άποψη πως οι δέσμες φωτός μπορούν να ασκήσουν δυνάμεις και να καταλήξει σε μια θεωρητική απόδειξη δεχόμενος πως το φως είναι ένα διάμηκες κύμα (Euler, 1746). Την ίδια περίοδο ο Νεύτων ισχυρίστηκε ότι το φως ασκεί πίεση σε υλικά σώματα (Lebedev, 1901) ενώ τον επόμενο αιώνα θα γίνουν και οι πρώτες πειραματικές προσπάθειες για την μέτρηση των δυνάμεων που ασκεί το φως πάνω στα σώματα από τους J. Michel (Hardin, 1966), De Mayran (De Mairan, 1754) και A. Fresnel το 1825 (Fresnel, 1825).«Μια πολύ μικρή εμπειρία στην προσπάθεια μέτρησης αυτών των δυνάμεων είναι αρκετή για να συνειδητοποιήσει κανείς το εξαιρετικά μικρό τους μέγεθος – γεγονός που τις καθιστά αδιάφορες για κάθε φαινόμενο που μπορεί να παρατηρηθεί στη γη.»

J. H Poynting, ομιλία στη Βασιλική Εταιρεία (Royal Society) του Λονδίνου το 1905) (Ashkin, 2000)Πολύ αργότερα, το 1876, ο A. Bartoli θα υπολογίσει την τιμή της πίεσης που ασκεί το φως πάνω σε μια επιφάνεια βασιζόμενος σε θερμοδυναμικές αρχές (Bartoli, 1884), ενώ ο Maxwell έλυσε το ίδιο πρόβλημα με τη βοήθεια της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας του (Maxwell, 1897) καταλήγοντας στο ίδιο αποτέλεσμα με τον Bartoli. O Maxwell μάλιστα θα αποδείξει πως η ροή ορμής μια δέσμης φωτός είναι ανάλογη της έντασής της. Τα αποτελέσματα του Bartoli έγιναν αντικείμενο περαιτέρω μελέτης από τον L. Boltzmann (Boltzmann, 1884) ενώ οι ίδιες θεωρητικές μέθοδοι θα χρησιμοποιηθούν από τον πρίγκηπα B. Galitzine (Galitzine, 1892), τον C. H. Guillaume (Guillaume, 1894) και τον P. Drude (Drude, 1900) για την μελέτη της πίεσης που ασκεί το φως σε ένα μέλαν σώμα. Στον αντίποδα, η μεθοδολογία του Maxwell θα επιβεβαιωθεί από περαιτέρω έρευνες των O. Heaviside (Heaviside, 1893), H. A. Lorentz (Lorentz, 1895), E. Cohn (Cohn, 1900) και D. Goldhammer (Goldhammer, 1901). To 1906 o J. H. Poynting απέδειξε πως η τιμή της πίεσης του φωτός είναι τόσο μικρή που τελικά θα έχει αποτελέσματα μόνο σε μικρά σώματα (Poynting, 1906). Το 1908 και το 1909 οι G. Mie (Mie, 1908) και P. Debye (Debye, 1909) πρότειναν λεπτομερή θεωρητικά μοντέλα για τον υπολογισμό της δύναμης που ασκεί το η σκέδαση και η πίεση του φωτός αντίστοιχα.

Στα τέλη του 19^ου αιώνα είχαμε και μια ακόμη πειραματική απόπειρα από τον W. Crookes ο οποίος, το 1875, παρουσίασε το φωτοραδιόμετρο, στα μέλη της Royal Society στο Λονδίνο (Crookes, 1874). Η συσκευή αυτή περιλάμβανε μια λυχνία κενού που περιείχε ένα αιωρούμενο μεταλλικό φύλλο. Το φύλλο περιστρεφόταν όταν η συσκευή φωτιζόταν, εξαιτίας των διαφορετικών δυνάμεων που ασκούσε το φως στις δύο πλευρές του. Αφορμή για να ασχοληθεί ο, χημικός στην ειδικότητα, Crookes, με αυτό το πρόβλημα ήταν η παρατήρηση αποκλίσεων στις ακριβείς μετρήσεις της μάζας διαφόρων χημικών αντιδραστηρίων όταν οι μετρητικές του διατάξεις εκτίθεντο στο ηλιακό φως.

Η κλασική περίοδος σημαδεύτηκε από το έργο του P. N. Lebedev, ενός Ρώσου φυσικού που, το 1907, κατόρθωσε να λύσει το πολύ δύσκολο πειραματικό πρόβλημα της μέτρησης της πίεσης που ασκεί το φως σε ένα σώμα (Lebedev 1901). Για να καταλάβουμε το μέγεθος της δυσκολίας, αναλογιζόμενοι πάντα και τις πειραματικές δυνατότητες της εποχής, αρκεί να αναφέρουμε πως ένα ηλιόλουστο μεσημέρι οι ακτίνες του ήλιου ασκούν σε μια ολικά ανακλαστική επιφάνεια μια πίεση περίπου εκατό δισεκατομμύρια φορές μικρότερη από την ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας. Η μέτρηση αυτής της πολύ μικρής πίεσης γινόταν ακόμη πιο δύσκολη εξαιτίας του απρόβλεπτου τρόπου με τον οποίο το φως επηρέαζε την λειτουργία των πειραματικών διατάξεων. Αυτό το πρόβλημα, το οποίο ήταν ένας πραγματικός γρίφος για τους πειραματιστές, επιλύθηκε επιδέξια από τον Lebedev (Gryslov, 1998).Εικόνα 1: Σχεδιάγραμμα της διάταξης του Lebedev που χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση της πίεσης που ασκεί το φως (Lebedev, 1901).Η κύρια διάταξη του Lebedev ήταν ένα σύνολο από επίπεδα μεταλλικά φύλλα πολύ μικρής μάζας, φτιαγμένα από διαφορετικά υλικά και προσαρτημένα πάνω σε μια ελαφριά ράβδο. Το σύστημα ήταν εξ’ ολοκλήρου τοποθετημένο σε ένα θάλαμο κενού. Κάποια από τα φύλλα είχαν επιφάνειες από μαύρο χρώμα ώστε να είναι πλήρως απορροφητικές ενώ τα υπόλοιπα είχαν επιφάνειες πλήρως ανακλαστικές. Με αυτόν τον τρόπο ο Lebedev εξασφάλισε πως η πίεση σε μια ανακλαστική επιφάνεια ήταν διπλάσια από ότι σε μια μαύρη επιφάνεια. Αυτή η διαφορά στην πίεση ήταν υπεύθυνη για την δημιουργία ροπής πάνω στην ράβδο με αποτέλεσμα την περιστροφή του νήματος στο οποίο κρέμεται η ράβδος. Η προκύπτουσα γωνία στρέψης αποτελούσε και ένα μέτρο της πίεσης του φωτός.

Ποιοι ήταν όμως οι παράγοντες οι οποίοι διατάρασσαν τις μετρήσεις; Το πρώτο πρόβλημα ήταν ότι το προσπίπτον φως θέρμαινε τα φύλλα και τον περιβάλλοντα αέρα. Η επαγόμενη ροή αέρα δρούσε πάνω στα μεταλλικά φύλλα σαν άνεμος. Έτσι δεν ήταν δυνατόν να διακρίνουμε εάν η κίνηση των φύλλων οφειλόταν στην πίεση της ακτινοβολίας ή στην ροή του αέρα. Υπήρχε επίσης και ένα άλλο πρόβλημα. Από την στιγμή που το φως φώτιζε μόνο μια πλευρά των φύλλων προέκυπτε μια ανόμοια θέρμανση των φύλλων με αποτέλεσμα κάθε ένα από αυτά να μεταφέρει διαφορετικά ποσά ενέργειας – κατά μέσο όρο – στα μόρια του περιβάλλοντος αέρα. Λόγω της διατήρησης της ορμής η ανάκρουση των μορίων του αέρα ήταν ισχυρότερη από την μια πλευρά του φύλλου, ομοίως και η δύναμη. Αυτές οι δυνάμεις ήταν στην ίδια διεύθυνση με την δύναμη που οφειλόταν στην πίεση της ακτινοβολίας αλλά πιο ισχυρές. Ο Lebedev προσπάθησε να υπερβεί αυτά τα προβλήματα επιλέγοντας την τοποθέτηση όλου του συστήματος σε ένα θάλαμο κενού. Στην συνέχεια χρησιμοποίησε μεταλλικά φύλλα τα οποία είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας με αποτέλεσμα να ελαχιστοποιήσει τη διαφορά θερμοκρασίας στις δύο πλευρές των φύλλων. Οι μικρές μάζες των φύλλων εξασφάλιζαν μικρές ροπές αδράνειας άρα και μεγαλύτερη ευαισθησία.

Μετά από αρκετές προσπάθειες και συνδυασμούς, ο Lebedev κατάληξε σε μια τιμή για την πίεση της ακτινοβολίας η οποία απέκλινε μόλις 20% από τις θεωρητικές προβλέψεις του Maxwell. Απέδειξε λοιπόν ότι το φως μεταφέρει όχι μόνο ενέργεια αλλά και ορμή. Αξίζει να σημειωθεί πως ο Lebedev προέβλεψε ουσιαστικά την ανάπτυξη της μοντέρνας έρευνας πάνω στην πίεση της ακτινοβολίας, αφού με τα πειράματα του οδηγήθηκε στην προφητική σκέψη, ότι αυτή η πίεση θα μπορούσε να αυξηθεί δραστικά, όταν η ακτινοβολία βρίσκεται σε συντονισμό με τα άτομα και τα μόρια. Παρόμοια αποτελέσματα εξήγαγαν λίγο αργότερα και οι Nichols και Hull το 1901 και 1903 στο κολέγιο του Dartmouth της Πολιτείας του New Hampshire στις ΗΠΑ (Nichols & Hull, 1901). Σε αυτά τα πειράματα οι Nichols και Hull είχαν πετύχει μια απόκλιση μόλις 1% από τις προβλέψεις του Maxwell. Ωστόσο, όπως αναφέρει ο J. Worrall, οι Bell και Green αργότερα ανέλυσαν εκ νέου τα δεδομένα από αυτά τα πειράματα και βρήκαν αρκετά μαθηματικά λάθη καθώς οι Nichols και ο Hull είχαν χρησιμοποιήσει μια εσφαλμένη τιμή για το μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας, λαμβάνοντας ορισμένους λογάριθμους στη βάση 10 αντί για τη βάση e, και έκαναν αρκετά λάθη που αφορούσαν μονάδες και συντελεστές μετατροπής (Worrall, 1982). Μετά τη διόρθωση αυτών των σφαλμάτων η απόκλιση από τις προβλέψεις του Maxwell ανήλθε στο 10%.ΑΠΟ ΤΟΝ ΜΑΚΡΟΚΟΣΜΟ ΣΤΟΝ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟ – Η ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΑ ΤΟΥ ΑΪΝΣΤΑΪΝ

Το κοινό στοιχείο όλων των θεωρητικών και πειραματικών προσπαθειών που προαναφέραμε ήταν η άγνοια των νόμων που διέπουν την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη σε μικροσκοπικό επίπεδο, δηλαδή πως και με ποιους μηχανισμούς το φως αλληλεπιδρά με τα άτομα της ύλης. Εδώ η επιστήμη βρέθηκε σε μια οριακή στιγμή καθώς η κλασική φυσική αντίληψη δεν επαρκούσε για να ερμηνεύσει τα νέα πειραματικά δεδομένα που ήρθαν στο προσκήνιο. Είναι η εποχή που γεννιέται η κβαντική αντίληψη για το χαρακτήρα της ακτινοβολίας. Η αρχή έγινε με τις προσπάθειες του Planck να ερμηνεύσει το φάσμα του μέλανος σώματος όπου για πρώτη φορά γίνεται αναφορά και χρήση του γεγονότος πως η ύλη απορροφά και εκπέμπει την ακτινοβολία κατά ασυνεχή τρόπο και όχι με συνεχή όπως προέβλεπε η κλασική κυματική αντίληψη. Ο Planck θα παρουσιάσει τη θεωρία του το Δεκέμβρη του 1899 στην Ακαδημία του Βερολίνου. Ο Αϊνστάιν έσπευσε να χρησιμοποιήσει τα κβάντα του φωτός για την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου σε μια εργασία που του χάρισε και το βραβείο Νόμπελ στη φυσική. Θα πρέπει να σημειώσουμε πως ο Αϊνστάιν ανέπτυξε τη θεωρία του Planck ένα βήμα παραπέρα καθώς θεώρησε την κβάντωση της ενέργειας ως μια ενδογενή ιδιότητα του πεδίου και όχι απλά ως ένα μηχανισμό ανταλλαγής ενέργειας μεταξύ της ύλης και αυτού. Στην προσπάθεια που έκανε ο Αϊνστάιν να ερμηνεύσει και να εξηγήσει το νόμο του Planck για την ακτινοβολία του μέλανος σώματος, πρότεινε το 1916 τον μηχανισμό με τον οποίο το φως αλληλεπιδρά με ένα άτομο και ανταλλάσσει με αυτό ενέργεια (Einstein 1916). Σύμφωνα με την πρόταση του Αϊνστάιν η αλληλεπίδραση του φωτός με τα άτομα της ύλης γίνεται με τρεις τρόπους: την απορρόφηση ενός φωτονίου από το άτομο, την εξαναγκασμένη εκπομπή και την αυθόρμητη εκπομπή ενός φωτονίου.Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η εκπομπή ηλεκτρονίων από την επιφάνεια ενός μετάλλου όταν αυτό φωτιστεί με ορατή ή υπεριώδη ακτινοβολία. Κατέχει εξέχουσα θέση στην ιστορία της φυσικής καθώς η κλασική κυματική αντίληψη για το φως αδυνατούσε να ερμηνεύσει τα πειραματικά δεδομένα από τα σχετικά με αυτό το φαινόμενο πειράματα. Ο Αϊνστάιν κατόρθωσε να φωτίσει τη πραγματική φύση του φαινομένου αποδεχόμενος πως το φως αποτελείται από σωμάτια καθορισμένης ενέργειας (που αργότερα, το 1926, ο G. N. Lewis θα αποκαλέσει φωτόνια). Η ερμηνεία αυτή, μαζί με άλλες εργασίες, άνοιξε το δρόμο για την κβαντική επανάσταση. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον H, R. Hertz ενώ ο κύριος όγκος των σχετικών πειραμάτων εκτελέστηκε από τον P. Lenard.Όταν το άτομο απορροφήσει ένα φωτόνιο από μια δέσμη φωτός ένα από τα ηλεκτρόνιά του ανέρχεται σε μια ανώτερη (διεγερμένη) ενεργειακή στάθμη. Το αντίθετο συμβαίνει στην εξαναγκασμένη εκπομπή όπου το ηλεκτρόνιο κατέρχεται από την διεγερμένη στάθμη αποβάλλοντας ένα φωτόνιο στην ίδια διεύθυνση με αυτήν της δέσμης του φωτός που προκάλεσε τη μετάβαση. Τι συμβαίνει όμως στην αυθόρμητη εκπομπή; Ποιος αναγκάζει σε αυτή την περίπτωση το ηλεκτρόνιο να κατέλθει; Οι αυθόρμητες εκπομπές φωτονίων αποδίδονται στην αλληλεπίδραση του ατόμου με τις ακατάπαυστες διακυμάνσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του κενού. Το κενό ενός κβαντικού πεδίου είναι η κατάσταση όπου η μέση τιμή του πεδίου είναι μηδέν αλλά, ταυτόχρονα, παρουσιάζει ισχυρές κβαντικές διακυμάνσεις γύρω από αυτήν. Ο απρόβλεπτος χαρακτήρας αυτών των διακυμάνσεων είναι η αιτία που το φωτόνιο εκπέμπεται σε μια τυχαία διεύθυνση. Το ηλεκτρόνιο λοιπόν δεν μπορεί να «ηρεμήσει» όταν βρεθεί μέσα στο κβαντικό κενό. Και ποιος ευθύνεται γι’ αυτό; Μα η αρχή της αβεβαιότητας η οποία στην περίπτωση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος μας απαγορεύει να γνωρίζουμε ταυτόχρονα την τιμή του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου με απόλυτη ακρίβεια. Κατά συνέπεια δεν είναι δυνατόν να μηδενιστούν το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο ταυτόχρονα. Ο Einstein εισήγαγε την αυθόρμητη εκπομπή με ορθό τρόπο στην απόπειρά του να ερμηνεύσει το φάσμα του μέλανος σώματος. Όμως στην εργασία του δεν γίνεται λεπτομερής αναφορά στην πραγματική φύση της αυθόρμητης εκπομπής. Οι ιδιότητές της αναδείχτηκαν αργότερα από τους E. Wigner και V. Weisskopf (Weisskopf 1930). Ο ρυθμός με τον οποίο γίνονται οι αυθόρμητες μεταβάσεις ποικίλει ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της διεγερμένης στάθμης που έχει επιλεγεί.

Η απορρόφηση και η εξαναγκασμένη εκπομπή φωτονίου δεν είναι παρά οι δύο όψεις μιας εξαναγκασμένης ηλεκτρομαγνητικής ταλάντωσης. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του φωτός είναι ο εξωτερικός διεγέρτης με μια συχνότητα f_L και το άτομο είναι το ταλαντούμενο σύστημα που χαρακτηρίζεται από μια ιδιοσυχνότητα f₀η οποία δίδεται από τη σχέση f₀=(Ε₂-Ε₁)/h, όπου Ε₁ και Ε₂ είναι οι ενέργειες των δύο ατομικών σταθμών που εμπλέκονται στη μετάβαση του ηλεκτρονίου. Τα χαρακτηριστικά αυτής της ταλάντωσης εξαρτώνται πάντα από τη σχέση αυτών των δύο συχνοτήτων και τα αποτελέσματά της μεγιστοποιούνται στην περίπτωση του συντονισμού, δηλαδή όταν f_L = f₀. Η εξαναγκασμένη εκπομπή ουσιαστικά αγνοήθηκε για πολλά χρόνια καθώς σε συνήθεις συνθήκες ισορροπίας, τα άτομα είναι πιο πιθανόν να καταλαμβάνουν μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση παρά μια διεγερμένη. Συνεπώς η εξαναγκασμένη εκπομπή φωτός δεν μπορεί να διαδραματίσει πρωταγωνιστικό ρόλο και αυτός είναι ο λόγος που οι επιστήμονες δεν είχαν δώσει μεγάλη σημασία στα ειδικά χαρακτηριστικά του φωτός που παράγεται με αυτό τον τρόπο. Πράγματι τα φωτόνια που προέρχονται από εξαναγκασμένη εκπομπή είναι όλα σε συμφωνία φάσης μεταξύ τους και κινούνται στην ίδια κατεύθυνση με τα φωτόνια που προκάλεσαν την εκπομπή. Με απλά λόγια το κάθε φωτόνιο είναι ένα «πιστό» αντίγραφο του άλλου. Από την δεκαετία του 1930 οι επιστήμονες είχαν αντιληφθεί πως αυτή η εικόνα θα μπορούσε να αναστραφεί, εάν ήταν δυνατό να επιτευχθεί μια κατάσταση μη θερμοδυναμικής ισορροπίας, όπου τα άτομα, ως επί το πλείστον, θα προτιμούσαν να βρίσκονται σε μια διεγερμένη κατάσταση. Σε αυτήν την περίπτωση το πλήθος των διεγερμένων ατόμων θα ξεπερνούσε αυτό των ατόμων σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως αναστροφή πληθυσμών και έχει διαδραματίσει θεμελιώδη ρόλο στην παραγωγή του φωτός λέιζερ.

Συνήθως οι ευφυείς άνθρωποι είναι αυτοί που δίνουν μεγάλη σημασία στις λεπτομέρειες εκείνες που λανθάνουν της προσοχής των υπολοίπων. Επιπλέον είναι γνωστό, πως πίσω από τις λεπτομέρειες αρέσκεται να κρύβεται ο διάβολος. Ένα χρόνο αργότερα, το 1917, ο Einstein μελέτησε την ανταλλαγή ορμής ανάμεσα στο φως και στα άτομα, σε μια εργασία του στην οποία σημείωσε (Einstein 1917):

«Στην πράξη όλες οι θεωρίες που προσπαθούν να ερμηνεύσουν την ακτινοβολία του μέλανος σώματος βασίζονται στην μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ ακτινοβολίας και μορίων. Εν τούτοις λαμβάνουν υπ’ όψη μόνο την ανταλλαγή ενέργειας χωρίς να υπολογίζουν την ανταλλαγή ορμής. Η δικαιολογία είναι εύκολη, καθώς το μέγεθος της ανταλλασσόμενης ορμής είναι πολύ μικρό στην πράξη συγκρινόμενο με άλλες διαδικασίες που μπορούν να επηρεάσουν την κίνηση. Εν τούτοις για την θεωρητική συζήτηση αυτές οι πολύ μικρές δράσεις πρέπει να θεωρηθούν εξίσου σημαντικές όσο και η ανταλλαγή ενέργειας με την ακτινοβολία, καθώς ενέργεια και ορμή είναι άμεσα συνδεδεμένες.».

Όπως ανέδειξαν τα επιτεύγματα των τελευταίων τεσσάρων δεκαετιών στην φυσική των ψυχρών ατόμων, αυτές οι πολύ μικρές δράσεις είναι σημαντικές όχι μόνο για τη θεωρητική συζήτηση.

Αξίζει να δούμε λίγο πιο αναλυτικά αυτή την επιχειρηματολογία καθώς αποτελεί την φυσική βάση των δυνάμεων που ασκεί το φως στην ατομική ύλη. Κάθε μια από τις τρεις διαδικασίες που εισήγαγε ο Einstein συνοδεύεται από μετακίνηση ενός ηλεκτρόνιου από μια ενεργειακή στάθμη σε μια άλλη. Οι τρεις αυτοί μηχανισμοί είναι υπεύθυνοι για την ανταλλαγή ενέργειας και ορμής με το άτομο και συνεπώς δίνουν την δυνατότητα επηρεασμού της ατομικής κίνησης. Όταν το άτομο απορροφήσει ένα φωτόνιο αποκτά μια ποσότητα ορμής στην διεύθυνση διάδοσης του φωτονίου. Αν, τώρα, το άτομο αποδιεγερθεί μέσω εξαναγκασμένης εκπομπής το φωτόνιο θα εκπεμφθεί στην αρχική του διεύθυνση οπότε λόγω της αρχής διατήρησης της ορμής το άτομο θα ανακρούσει προς τα πίσω. Δηλαδή ο συνδυασμός απορρόφησης-εξαναγκασμένης εκπομπής δεν οδηγεί σε καθαρή μεταβολή της ατομικής ορμής. Αντίθετα, αν το άτομο επιστρέψει στην θεμελιώδη στάθμη του μέσω αυθόρμητης εκπομπής αυτό οδηγεί σε μεταβολή της ατομικής ορμής καθώς η αυθόρμητη εκπομπή μπορεί να γίνει προς μια τυχαία διεύθυνση. Η αλληλοδιαδοχή αυτών των δύο δυνατών συνδυασμών, που εξαρτώνται κάθε φορά από την ένταση του φωτός και τα φυσικά χαρακτηριστικά του ατόμου, είναι η φυσική βάση της μηχανικής δράσης του φωτός πάνω στα άτομα (Εικ. 2). Ένα απλό αριθμητικό παράδειγμα αρκεί για να έχουμε μια πιο σαφή εικόνα της τάξης μεγέθους αυτών των φαινομένων. Ας υποθέσουμε πως έχουμε ένα άτομο νατρίου που απορροφά ή εκπέμπει ένα φωτόνιο με μήκος κύματος λ = 589 nm και ανακρούει στην αντίθετη κατεύθυνση. Λόγω διατήρησης της ορμής, το άτομο θα αποκτήσει μια ορμή ίση με 2πh/λ. Η ταχύτητα ανάκρουσης είναι ίση με v_{αν =}2πh/(λM), όπου Μ η μάζα του ατόμου του νατρίου, και είναι ίση με 3,5 cm/s, περίπου όσο η ταχύτητα με την οποία κινείται ένας βραδύποδας! Για να καταλάβουμε το πόσο μικρό είναι το μέγεθος αυτής της ταχύτητας αρκεί να σκεφτούμε πως όταν το άτομο νατρίου βρίσκεται σε θερμοκρασία δωματίου, τότε κινείται με μια μέση ταχύτητα περίπου 570 m/s, δηλαδή 1,6 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του ήχου. Η επιλογή ως παραδείγματος του ατόμου του νατρίου δεν έγινε τυχαία. Τα άτομα των αλκαλίων έχουν κεντρικό ρόλο σε όλες τις πειραματικές εργασίες που εμπλέκονται ψυχρά και παγιδευμένα άτομα.Εικόνα 2: Οι τρεις βασικές διαδικασίες αλληλεπίδρασης του φωτός με ένα άτομο με τις αντίστοιχες μετακινήσεις του ηλεκτρονίου ανάμεσα στις δύο ενεργειακές καταστάσεις. Στην πρώτη περίπτωση το άτομο απορροφά ένα φωτόνιο και αποκτά μια επιπλέον ορμή προς τα δεξιά. Στην δεύτερη περίπτωση το άτομο εκπέμπει αυθόρμητα ένα φωτόνιο προς μια τυχαία κατεύθυνση και «ανακρούει» προς την αντίθετη. Στην τρίτη περίπτωση το άτομο εξαιτίας της αλληλεπίδρασης με ένα φωτόνιο της δέσμης εκτελεί μια εξαναγκασμένη εκπομπή φωτονίου. Το φωτόνιο που εκπέμπεται είναι πιστό αντίγραφο του φωτονίου που προκάλεσε την εκπομπή του. Κατά συνέπεια κινείται προς τα δεξιά ενώ το άτομο «ανακρούει» προς τα αριστερά.ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟΝ 20^Ο ΑΙΩΝΑ

Παρά την πενία πειραματικών μέσων στην κλασική περίοδο, θα πραγματοποιηθούν αρκετά σημαντικά πειράματα που άνοιξαν το δρόμο προς τα σύγχρονα πειράματα πάνω στην αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη. To 1909, ο J. H. Poynting θα δημοσιεύσει μια πολύ ενδιαφέρουσα θεωρητική εργασία, σχετικά με τη δυνατότητα του κυκλικά πολωμένου φωτός να ασκεί ροπή σε ένα λεπτό πλακίδιο. Πρότεινε επίσης μια πειραματική διάταξη για να μετρηθεί αυτή η ροπή (Poynting, 1909). H εκτέλεση αυτού του πειράματος δεν ήταν τότε τεχνικά δυνατή. Δυο δεκαετίες μετά, το 1936, μια πολύ κομψή παραλλαγή αυτού του πειράματος έγινε δυνατή από τον Η. Beth (Beth 1936). Σε αυτό το πείραμα ένα πλακίδιο αναρτημένο από ένα λεπτό νήμα εκτέθηκε σε κυκλικά πολωμένη ακτινοβολία με αποτέλεσμα να τεθεί σε περιστροφική κίνηση, ενδεικτική της ύπαρξης ροπής. Η ροπή που μετρήθηκε συμφωνούσε σε διεύθυνση και μέτρο με αυτήν που είχε προβλεφθεί σε θεωρητικές εργασίες. Αξίζει να σημειώσουμε πως μέσω αυτού του πειράματος έγινε, για πρώτη φορά, δυνατή η πειραματική μέτρηση της σταθεράς του Planck. Την ίδια περίοδο, το 1933, ο R. Frisch, στο Αμβούργο, παρατήρησε την απόκλιση μιας δέσμης ατόμων νατρίου όταν τα ακτινοβόλησε με φως από μια λάμπα νατρίου. Επειδή το φως της λάμπας είχε χαμηλή φασματική ευκρίνεια, δηλαδή όχι τόσο αυστηρά καθορισμένη συχνότητα, η δέσμη απόκλινε μόλις κατά ένα εκατοστό του χιλιοστού του μέτρου από την πορεία της.

Εκείνη την περίοδο σημαντική, επίσης, ήταν η προσφορά του I. Rabi. Ο Rabi δεν εργάστηκε πάνω στο θέμα των δυνάμεων που ασκεί το φως στην ύλη. Ήταν όμως ο αυτός που ανέβασε σε ένα άλλο επίπεδο τα πειράματα αλληλεπίδρασης της ύλης με την ακτινοβολία. Ο Rabi είναι ο πατέρας του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (ΝΜR) καθώς, την δεκαετία του 1930, επινόησε μια μέθοδο μέτρησης των μαγνητικών ροπών των πυρήνων των ατόμων όταν αυτά αλληλεπιδρούν με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων. Με αυτή τη μέθοδο έκανε ακριβείς μετρήσεις των μαγνητικών ροπών του πρωτονίου και του δευτερίου. Ο μαθηματικός φορμαλισμός αυτού του φαινομένου είναι ταυτόσημος με αυτόν της αλληλεπίδρασης ενός ατόμου με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με συχνότητα στην περιοχή του ορατού. Αυτό ακριβώς συμβαίνει όταν ένα λέιζερ αλληλεπιδρά με άτομα. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου «ταλαντώνεται» στο εσωτερικό του ατόμου ανάμεσα σε μια χαμηλότερη και μια υψηλότερη ενεργειακή στάθμη. Οι ταλαντώσεις αυτές φέρουν, τιμητικά, το όνομα του Rabi. Ο Rabi τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ φυσικής το 1944 και ανήκε σε εκείνους τους Αμερικανούς επιστήμονες που στη δεκαετία του 1980 είχαν αντιταχθεί στο ψυχροπολεμικό πρόγραμμα Πόλεμος των Άστρων της κυβέρνησης R. Reagan σε έναν συνδυασμό επιστημονικής αξίας και ήθους που σπανίζει στις ημέρες μας. Τέλος, πολύ σημαντική σε σχέση με όσα έμελλε να ακολουθήσουν ήταν η προσφορά του Γάλλου φυσικού Α. Κastler. Το 1950 ο Kastler χρησιμοποίησε την αλληλεπίδραση ατόμων με κυκλικά πολωμένο φως για να ευθυγραμμίσει ή να διαταράξει τον προσανατολισμό του σπιν των ατόμων (Κastler 1950). Ο Kastler τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ στη φυσική το 1966.

Οι εργασίες των Rabi και Kastler αφορούσαν σε προσπάθειες ελέγχου των λεγόμενων «εσωτερικών βαθμών ελευθερίας» των σωματιδίων. Δηλαδή στην προσπάθεια να χρησιμοποιήσουμε την αλληλεπίδραση των ατόμων με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία για να μεταβάλλουμε ή να ελέγξουμε την εσωτερική κατάσταση των ατόμων. Στην «κλασική» περίοδο είχαμε και τα πρώτα σημαντικά πειράματα στα οποία έγινε προσπάθεια να επηρεαστούν οι «εξωτερικοί βαθμοί ελευθερίας» δηλαδή η μεταφορική κίνηση ατομικών και άλλων σωματιδίων. Το πρώτο από αυτά ήταν το πείραμα των Stern-Gerlach το 1921 (Stern 1922). Σε αυτό το πείραμα μια δέσμη ατόμων αργύρου διέσχισε ένα στατικό ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο. Η δέσμη διαχωρίστηκε σε δύο μικρότερες που κατευθύνθηκαν η μια προς την περιοχή που το μαγνητικό πεδίο ήταν ισχυρό και η άλλη προς την περιοχή που το πεδίο ήταν ασθενές. Ο διαχωρισμός αυτός ήταν αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του μαγνητικού πεδίου με το σπιν των ατόμων του αργύρου. Η δύναμη που ασκείται σε αυτήν την περίπτωση στα άτομα του άργυρου μπορεί να γίνει έως και έξι χιλιάδες φορές ισχυρότερη από τη βαρυτική και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παγίδευση ουδέτερων σωματίων όπως άτομα, νετρόνια και μόρια. Η πρώτη τέτοια παγίδα για νετρόνια κατασκευάστηκε από τον W. Paul και την ερευνητική του ομάδα (Paul, 1990) ενώ το 1985 θα κατασκευαστεί η πρώτη μαγνητική παγίδα για άτομα από την ομάδα του W. Phillips (Migdall 1985).Εικόνα 3: Απεικόνιση μιας γραμμικής παγίδας Paul. Στο ένθετο βλέπουμε την απεικόνιση οκτώ ιόντων παγιδευμένων σε αυτήν. (Ευγενική προσφορά στο συγγραφέα του R. Blatt, Καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Ίννσμπρουκ και του φωτογράφου Christof Lackner)Η επόμενη γενιά πειραμάτων προσπάθησε να εκμεταλλευτεί τις ισχυρές δυνάμεις που ασκεί ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε ένα φορτισμένο σωματίδιο. Όπως γνωρίζουμε από τα σχολικά μας χρόνια ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ασκεί σε ένα ηλεκτρικό φορτίο q μια δύναμη που δίνεται από τη σχέση F=q(E+v×B) όπου Ε είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, Β η μαγνητική επαγωγή, v η ταχύτητα του σωματιδίου. Σε αυτήν τη δύναμη βασίστηκε η κατασκευή της παγίδας Paul το 1950 από τον W. Paul στη Βόννη, (Paul, 1990), και της παγίδας Penning που κατασκευάστηκε αργότερα από τον H. Dehmelt (Dehmelt 1968, 1990). Με τις διατάξεις αυτές έγινε δυνατή για πρώτη φορά η παγίδευση ιόντων και ηλεκτρικά φορτισμένων υποατομικών σωματιδίων. Το 1973, μάλιστα, η ομάδα του Dehmelt θα πετύχει για πρώτη φορά την παγίδευση ενός μεμονωμένου ιόντος και μάλιστα θα κατορθώσει να το διατηρήσει εγκλωβισμένο για διάστημα μερικών μηνών. Το 1987 σε μια παραλλαγή του πειράματος αυτού επιτεύχθηκε για πρώτη φορά η παγίδευση του ποζιτρονίου που είναι το αντισωμάτιο του ηλεκτρόνιου. Και οι δύο αυτές παγίδες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρύτατα στη σύγχρονη φυσική, τόσο για την επιβράδυνση της κίνησης των σωματιδίων όσο και στην ακριβή μέτρηση της συχνότητας κυκλότρου qΒ/m, (όπου m η μάζα του σωματιδίου). Μετρώντας αυτήν τη συχνότητα για ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο, αντίστοιχα, η παγίδα Penning έχει χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της συμμετρίας ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη με αξεπέραστη ακρίβεια. Επίσης με αυτή την παγίδα η ερευνητική ομάδα του Dehmelt έχει ελέγξει τις προβλέψεις της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής σε επίπεδο ακρίβειας της τάξης του τρισεκατομμυριοστού. Το 1988 σε μεμονωμένα παγιδευμένα ιόντα βαρίου θα παρατηρηθούν για πρώτη φορά τα περίφημα κβαντικά άλματα, δηλαδή οι απότομες και απρόβλεπτες μεταβάσεις του ηλεκτρονίου από μια στάθμη σε μια άλλη λόγω των τριών βασικών μηχανισμών που περιγράψαμε νωρίτερα (Sauter 1988). Τα μεμονωμένα παγιδευμένα ιόντα έχουν χρησιμοποιηθεί στη φασματοσκοπία και μετρολογία πολύ υψηλής ακρίβειας και σε πειράματα επεξεργασίας της κβαντικής πληροφορίας. Για την ανακάλυψη αυτή οι Paul και Dehmelt μοιράστηκαν το 1989 το βραβείο Νόμπελ στη φυσική. Ένας προσεκτικός αναγνώστης θα παρατηρούσε πως τα περισσότερα από τα παραπάνω πειράματα έχουν γίνει μετά την έλευση του φωτός λέιζερ. Εντούτοις όμως, αυτά τα πειράματα μπορούν να θεωρηθούν ως ανήκοντα στην «κλασική» εποχή καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που εμπλέκονται σε αυτά δεν είχαν δημιουργηθεί από δέσμες λέιζερ. Η εκτέλεση πειραμάτων πάνω στην αλληλεπίδραση της ύλης με το φως, είτε σε μακροσκοπικό επίπεδο ή σε ατομικό επίπεδο ήταν μέχρι το 1960 ένα δύσκολο ζήτημα. Η κατάσταση άλλαξε άρδην με την εμφάνιση του λέιζερ που στην κυριολεξία έφερε επανάσταση και σε αυτό το επιστημονικό πεδίο.ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Η κεντρική εικόνα του άρθρου ευγενική προσφορά του ζωγράφου Παναγιώτη (Τάκη) Βαρελά, μέλους του ΔΣ του Εθνικού Μουσείου Σύγχρονης Τέχνης (ως εκπρόσωπος του Επιμελητήριου Εικαστικών Τεχνών Ελλάδας). Η συντακτική επιτροπή του InS ευχαριστεί τον κ. Βαρελά για την προσφορά του.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Ashkin, A., 2000. History of optical trapping and manipulation of small-neutral particles, atoms, and molecules. IEEE J. Sel. Top. Quant. El., 6, 841. DOI: 10.1109/2944.902132

Bartoli A., 1884. Exner’s Rep. d. Physik 21, 198. German translation from Nuovo Cimento 15, 195 (1883).

Beth R. A., 1936. Mechanical Detection and Measurement of the Angular Momentum of Light. Phys. Rev. 11, p. 115. https://doi.org/10.1103/PhysRev.50.115

Boltzmann L., 1884. Wied. Ann. 22, σελ. 33, 291, 616.

Cohn E., 1900. Das electromagnetische Feld. Leipzig, σελ. 543. https://archive.org/details/DasElektromagnetischeFeld

Crooks W., 1874. Philos. Transact. of the R. S. of London 164, 501. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k55969n/f525.item

Debye P., 1909. Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem material. Ann. Phys. 335(11), p. 57. 10.1002/andp.19093351103

Dehmelt H. G., 1990. Experiments with an isolated subatomic particle at rest. Rev. Mod. Phys. 62, p. 525. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.62.525

De Mairan, 1754. Traitè physique et historique de l’Aurore Boréale (Seconde Edition). Paris,
p. 371. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k3586v.texteImage

Drude P., 1900. Lehrbuch der Optik. Leipzig, p. 447. https://doi.org/10.1038/062595a0

Einstein A., 1916. Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18, p. 318. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1916DPhyG..18..318E/abstract

Einstein A., 1917. The Quantum Theory of Radiation. Phys. Zeit. 18, p. 121. http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/einstein17/eng.pdf

Euler L., 1746., Recherches Physiques sur la cause de la queue des comètes, de la lumière boréale, et de la lumière zodiacale. Histoire de l’Academie de Berlin 2, 121. https://fr.wikisource.org/wiki/Encyclop%C3%A9die_m%C3%A9thodique/Physique/AURORE_BOR%C3%89ALE

Fresnel A., 1825. Ann. de Chimie et de Phys. (2) 29, 57, p. 107.

Galitzine B., 1892. Wied. Ann. 47, p.479.

Guillaume S. E., 1894. Archives des Sciences phys. et nat. de Genève 31, p. 121.

Goldhammer D. A., 1901. Ann. d. Phys. 4, 834. https://doi.org/10.1002/andp.1901309041

Gryslov S. V., 1998. Η πίεση του φωτός. Quantum 4, 47, Ελληνική Έκδοση.

Hardin C. L., 1966. The scientific work of the Reverend John Michell. Ann. Sci. 22(1), p. 27. https://doi.org/10.1080/00033796600203015

Heaviside O., 1893. Electromagnetic Theory 1, 334. https://www.scribd.com/doc/63432697/Oliver-Heaviside-Electromagnetic-Theory-Vol-1

Κastler A., 1950. Quelques suggestions concernant la production optique et la détection optique d’une inégalité de population des niveaux de quantifigation spatiale des atomes. Application à l’expérience de Stern et Gerlach et à la résonance magnétique. J.Phys.Radium 11, 255-265. https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00234250/document

Kepler, J. 1619. De Cometis libelli tres. Avgvstæ Vindelicorvm, A. Apergeri. https://doi.org/10.3931/e-rara-1007

Lebedev P. N., 1901. Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes. Ann. Phys. 6, p. 433. http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/lebedev01/eng.pdf. Η ίδια εργασία έχει δημοσιευθεί στα αγγλικά στο Lebedev P. N., 1902. An experimental investigation of the pressure of Light. Astrophys. J. 15, p. 60. 10.1086/140887

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

Letokhov V. S., and Minogin V. G., 1981. Laser radiation pressure on free atoms. PHYSICS REPORTS 73, No 1., 1-65. https://doi.org/10.1016/0370-1573(81)90116-2

Lorentz, A., 1895. Versuch einer Theorie der electromagnetischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern. Leiden, p. 29. https://doi.org/10.17192/eb2021.0037

Mie G., 1908. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Ann. Phys. 330(3), p. 377. https://doi.org/10.1002/andp.19083300302

Migdall A. L., Prodan J. V., Phillips W. D., Bergeman T. H., and Metcalf H. J, 1985. First Observation of Magnetically Trapped Neutral Atoms. Phys. Rev. Lett. 54, 2596. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.54.2596

Nichols E. W., and Hull G. F., 1901. A Preliminary Communication on the Pressure of Heat and Light Radiation. Phys. Rev. 13, p. 307. https://doi.org/10.1103/PhysRevSeriesI.13.307

Paul W., 1990. Electromagnetic traps for charged and neutral particles. Rev. Mod. Phys. 62, 531. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.62.531

Phillips W., 2012. Interview. Nature 490, S12, 11^th October. https://doi.org/10.1038/490S11a

Poynting J. H., 1906. Some astronomical consequences of the pressure of light. Nature 75(1934), p. 90. https://adsabs.harvard.edu/pdf/1907PA…..15..626P

Poynting J., 1909. The wave motion of a revolving shaft, and a suggestion as to the angular momentum in a beam of circularly polarised light. Proc. R. Soc. Lond. A Ser. A 82, p. 560. https://doi.org/10.1098/rspa.1909.0060

Sauter Th., Neuhauser W., Blatt R., and Toschek P. E., 1988. Observation of Quantum Jumps. Phys. Rev. Lett. 57, p. 1696. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.1696

Schrödinger E., 1952. Are There Quantum Jumps? The British Journal for the Philosophy of Science 3, No 11, p. 233. 10.1093/bjps/III.11.233

Stern W., and Gerlach O., 1922. Das magnetische Moment des Silberatoms. Zeitschrift für Physik 9, p. 353. http://dx.doi.org/10.1007/BF01326984

Weisskopf V. F., and Wigner E. P., 1930. Berechnung der natürlichen linienbreite auf grund der diracshen lichttheorie. Z. Physik 63, p. 54. 10.1007/BF01336768

Wooters W. K., and Zurek W., 1982. H. A single quantum cannot be cloned. Nature 299 (5866), p. 802. 10.1038/299802a

Worrall, J. 1982. The pressure of light: The strange case of the vacillating ‘crucial experiment’. 10.1016/0039-3681(82)90023-1

Stud. Hist. Phil. Science Part A, 13, p. 133. https://ur.booksc.eu/book/16308509/3a72e5

December 18, 2021
To Kεφάλαιο και η Οικολογία των Ασθενειών
John Bellamy Foster, Brett Clark και Hannah Holleman

Μετάφραση: Βασίλης Ζουμπουρλής, Μαρία Αδαμάκη και Μαρία Γουλιελμάκη«Οι αρχαίοι Έλληνες φιλόσοφοι», έγραψε ο Φρίντριχ Ένγκελς (Friedrich Engels) στο βιβλίο Σοσιαλισμός: Ουτοπικός και Επιστημονικός, «όλοι γεννήθηκαν φυσικοί διαλεκτικοί». Αυτή η διαλεκτική, υλιστική και οικολογική προσέγγιση στην επιδημιολογία (από την αρχαία ελληνική λέξη επί, που σημαίνει πάνω ή από πάνω, και από το δήμος, δηλαδή οι άνθρωποι) επεξηγείται στο κλασικό κείμενο του Ιπποκράτη (Περί Αέρων, Υδάτων και Τόπων) (περίπου 400 π.Χ.), το οποίο ξεκινούσε ως εξής:

«Όποιος επιθυμεί να διερευνήσει σωστά την ιατρική, πρέπει να προχωρήσει ως εξής: πρώτον, να εξετάσει τις εποχές του έτους και ποιες επιπτώσεις επιφέρει η καθεμιά, γιατί δεν είναι όλες όμοιες, αλλά διαφέρουν μεταξύ τους όσον αφορά τις αλλαγές τους. Στη συνέχεια τους ανέμους, τη ζέστη και το κρύο, ειδικά όπως αυτά είναι κοινά σε όλες τις χώρες, και όπως είναι ιδιαίτερα σε κάθε τοποθεσία. Πρέπει επίσης να λάβουμε υπόψη τις ιδιότητες των υδάτων, διότι διαφέρουν μεταξύ τους στη γεύση και το βάρος, όπως επίσης διαφέρουν πολύ στις ποιότητές τους.Ο John Bellamy Foster είναι συντάκτης του Monthly Review και καθηγητής κοινωνιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον. Ο Brett Clark είναι αναπληρωτής συντάκτης του Monthly Review και καθηγητής κοινωνιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα. Η Hannah Holleman είναι διευθύντρια του Monthly Review και αναπληρώτρια καθηγήτρια στο Amherst College. Το άρθρο δημοσιεύτηκε στο περιοδικό MONTHLY REVIEW. AN INDEPENDENT SOCIALIST MAGAZINE στις 1 Ιουνίου του 2021. Το αγγλικό κείμενο είναι διαθέσιμο εδώ.Με τον ίδιο τρόπο, όταν κάποιος επισκέπτεται για πρώτη φορά μια πόλη στην οποία είναι ξένος, πρέπει να εξετάσει την κατάσταση που επικρατεί στην πόλη αυτή, για παράδειγμα την τοποθεσία ως προς στους ανέμους και την ανατολή του ηλίου…. Αυτά τα πράγματα πρέπει κανείς να τα εξετάσει προσεκτικά και σχετικά με τα νερά που χρησιμοποιούν οι κάτοικοι, είτε είναι ελώδη και μαλακά, είτε σκληρά, και τρέχουν από υπερυψωμένες βραχώδεις περιοχές, και έπειτα εάν είναι αλμυρά και ακατάλληλα για μαγείρεμα, και το έδαφος, εάν είναι γυμνό και ανεπαρκές σε νερό, ή δασώδες και καλά ποτισμένο, και αν βρίσκεται σε μια κοίλη ή περιορισμένη κατάσταση, ή αν είναι ανυψωμένο και κρύο. Καθώς και τον τρόπο με τον οποίο ζουν οι κάτοικοι, και ποιες είναι οι αναζητήσεις τους, αν τους αρέσει να πίνουν και να τρώνε υπερβολικά, και να έχουν αδράνεια, ή αν αγαπούν την άσκηση και την εργασία…

Γιατί αν κάποιος γνωρίζει όλα αυτά τα πράγματα καλά, ή τουλάχιστον το μεγαλύτερο μέρος τους, δεν μπορεί να μην γνωρίζει, όταν έρχεται σε μια ξένη πόλη, είτε τις ασθένειες που είναι ιδιαίτερες στον τόπο, είτε τη συγκεκριμένη φύση των κοινών ασθενειών, ώστε να μην έχει αμφιβολίες ως προς τη θεραπεία των ασθενειών, ούτε να διαπράξει λάθη, όπως πιθανότατα συμβαίνει στην περίπτωση που κάποιος δεν είχε εξετάσει προηγουμένως τα θέματα αυτά. Και ειδικότερα, καθώς προχωρά η σεζόν και το έτος, μπορεί κανείς να προβλέψει ποιες επιδημικές ασθένειες θα προσβάλουν την πόλη, είτε το καλοκαίρι είτε το χειμώνα, και τι θα κινδυνεύει να βιώσει κάθε άτομο από την αλλαγή του καιρού… Διότι με τις εποχές υφίστανται αλλαγές και τα πεπτικά συστήματα των ανθρώπων.»

Ένα βασικό στοιχείο αυτής της άποψης ήταν η έννοια μιας διαλεκτικής σχέσης μεταξύ του σώματος και του περιβάλλοντος, έτσι ώστε το σώμα να βρίσκεται ή να ενσωματωθεί σε ένα συγκεκριμένο τόπο και σε συγκεκριμένες φυσικές συνθήκες (αέρας και νερό), δημιουργώντας ένα όραμα, όπως ανέφερε ο ιστορικός της ιατρικής Charles E. Rozenberg, το οποίο ήταν «ολιστικό και ενοποιητικό – που θα μπορούσε κανείς να το ονομάσει τόσο οικολογικό όσο και κοινωνιολογικό».

Σίγουρα, στην αρχαία Ελλάδα, η ιατρική ήταν δύο επιπέδων. Οι σκλάβοι είχαν σκλάβους γιατρούς και οι πολίτες είχαν πολίτες γιατρούς, οι οποίοι δρούσαν υπό πολύ διαφορετικές συνθήκες. Ο Ιπποκράτης, στο σύγγραμμά του Περί Αέρων, Υδάτων και Τόπων, έγραφε ειδικά για τους πολίτες γιατρούς, και έτσι η συγκεκριμένη διατριβή αντικατοπτρίζει την ταξική φύση της ελληνικής κοινωνίας. Ωστόσο, το κείμενο αποτέλεσε μια γενική προσέγγιση που έμελλε να επηρεάσει την μεταγενέστερη ανάπτυξη της επιδημιολογίας για χιλιάδες χρόνια.

Ο μεγάλος κληρονόμος της περιβαλλοντικής και διαλεκτικής προσέγγισης της υγείας στην πρώιμη καπιταλιστική εποχή ήταν ο Bernardino Ramazzini (1633-1714), του οποίου το πρωτοποριακό έργο Οι Ασθένειες των Εργαζομένων (The Diseases of Workers) ήταν, όπως τόνισε ο Καρλ Μάρξ στο Κεφάλαιο, η θεμελιώδης διατριβή της «βιομηχανικής παθολογίας» ή αυτό που είναι τώρα γνωστό ως το πεδίο της επαγγελματικής και περιβαλλοντικής υγείας. Ο Ramazzini διερεύνησε τις επαγγελματικές ασθένειες που σχετίζονταν με μεταλλωρύχους, επιχρυσωτές, χημικούς, ζωγράφους, εργάτες θείου, σιδηρουργούς, καθαριστές ιδιωτικών σκαφών, καθαριστές υφασμάτων, πρεσαδόρους, βυρσοδέψες, καπνεργάτες, μεταφορείς πτωμάτων, μαίες, παραμάνες, ζυθοποιούς, αρτοποιούς, εργάτες ελαιοτριβείων, λιθοξόους, πλύστρες, αγρότες, εργαζόμενους σε ορθοστασία, εργαζόμενους καθισμένους και πολλές άλλες επαγγελματικές κατηγορίες και εργασιακές συνθήκες. Συνειδητά ενσωμάτωσε την αντίληψη του Περί Αέρων, Υδάτων και Τόπων υπερβαίνοντας τη διαφοροποίηση που υπήρχε στην ελληνική ιατρική μεταξύ ελεύθερου πολίτη και σκλάβου, και εξετάζοντας τις περιβαλλοντικές συνθήκες των επαγγελμάτων των πιο χαμηλών ταξικά στρωμάτων. Έγραψε: «Όταν ένας γιατρός επισκέπτεται ένα σπίτι εργατικής τάξης, θα πρέπει να είναι ικανοποιημένος αν κάθεται σε ένα τρίποδο σκαμνί, εάν δεν υπάρχει επιχρυσωμένη καρέκλα, και πρέπει να πάρει το χρόνο του για την εξέταση του ασθενούς^. και στις ερωτήσεις που προτείνει ο Ιπποκράτης, θα πρέπει να προσθέσει μία ακόμη – Ποια είναι η δουλειά σας;“Έγκον Σίλε, Η οικογένεια, 1918, λάδια σε καμβά, 150 × 160.8 cm, Πινακοθήκη Μπελβεντέρε, Βιέννη.Στα μέσα του δέκατου ένατου αιώνα, ο Μαρξ διάβασε το σύγγραμμα του Ramazzini για τη βιομηχανική παθολογία, η οποία επέκτεινε την επιδημιολογία στα επαγγέλματα της εργατικής τάξης, ως το κλειδί για την ανάπτυξη της δημόσιας υγείας, όπως διατυπώθηκε από ριζοσπαστικούς ιατρούς του 19ου αιώνα. Οι ευρύτερες ιστορικές επιπτώσεις αυτής της ανόδου του βιομηχανικού καπιταλισμού παρουσιάστηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 1840 στο βιβλίο Η Κατάσταση της Εργατικής Τάξης στην Αγγλία (The Condition of the Working Class in England) του Ένγκελς (Friedrich Engels). Στα μέσα της δεκαετίας του 1860, ο Μαρξ στράφηκε στο έργο του Ένγκελς και στις πιο πρόσφατες έρευνες για τη δημόσια υγεία όταν επιδίωξε να διερευνήσει τις περιβαλλοντικές συνθήκες της εργατικής τάξης στις σελίδες του Κεφαλαίου. H περίοδος από τις αρχές έως τα μέσα του δέκατου ένατου αιώνα ήταν η εποχή των μεγάλων υγειονομικών μεταρρυθμίσεων, με επικεφαλής τους ριζοσπάστες γιατρούς. Ήταν επίσης μια εποχή σημαντικών αλλαγών στην ιατρική, με την ανάπτυξη του μικροσκοπίου και την εμφάνιση της θεωρίας της κυτταρικής παθολογίας στο έργο του Rudolf Virchow, ο οποίος διαδραμάτισε καθοριστικό ρόλο στη δημιουργία της κοινωνικής επιδημιολογίας και βοήθησε στη δημιουργία μιας γενικής προσέγγισης των επιδημιών που βασίστηκε στο έργο του Ένγκελς.

Παρ’ όλα αυτά, στα τέλη του 19ου και στις αρχές του 20ου αιώνα οι επιδημιολογικές έρευνες έπρεπε να κυριαρχούνται από τη μικροβιακή θεωρία της νόσου και τις θρυλικές ανακαλύψεις των «κυνηγών μικροβίων». Δόθηκε έμφαση σε συγκεκριμένες εξελίξεις στη βιοϊατρική όσον αφορά την αντιμετώπιση των πανδημιών, όπως αυτές που σχετίζονται με την ανάπτυξη εμβολίων και αντιβιοτικών. Αυτές οι εξελίξεις στη βιοϊατρική ήταν λογικά συμβατές με μια οικο-κοινωνική προσέγγιση στην επιδημιολογία, όπως μπορούσε να φανεί στο έργο του E. Ray Lankester – προστατευόμενου του Charles Darwin και του Thomas Huxley, οικείου φίλου του Μαρξ και στενού συνεργάτη του Louis Pasteur. Ωστόσο, η γενική τάση ήταν να παραμεριστούν ολοένα και περισσότερο ευρεία περιβαλλοντικά ζητήματα ως ασύμβατα με το κεφάλαιo⁸. Μέχρι τα μέσα του εικοστού αιώνα, ένα αναγωγικό βιοϊατρικό μοντέλο είχε θριαμβεύσει έναντι ευρύτερων, περιβαλλοντικών αντιλήψεων, παραμερίζοντας έτσι τα αξιοσημείωτα επιτεύγματα οικο-κοινωνικών στοχαστών όπως οι Ένγκελς, Μαρξ, Virchow και Lankester, μαζί με εκείνες των Florence Kelley, W.E.B. Du Bois, Alice Hamilton, Norman Bethune και Salvador Allende.

Η περιθωριοποίηση, στα μέσα του εικοστού αιώνα, των κοινωνικο-περιβαλλοντικών προσεγγίσεων στην επιδημιολογία δικαιολογείται, σε μεγάλο βαθμό, από αυτό που απεικονίστηκε ως ο πλήρης θρίαμβος της σύγχρονης ιατρικής για τις μολυσματικές ασθένειες. Το 1971, ο Abdel R. Omran εισήγαγε τη θεωρία του για την «επιδημιολογική μετάβαση», η οποία υποστήριζε ότι οι μολυσματικές ασθένειες ήταν ουσιαστικά φαινόμενα του παρελθόντος στις ανεπτυγμένες οικονομίες, τις οποίες, πλέον, έχει εκτοπίσει η διαδικασία εκσυγχρονισμού. Ενώ οι λοιμώδεις ασθένειες υπήρχαν ακόμη σε υπανάπτυκτες οικονομίες, υποστηρίχθηκε ότι θα εξαφανίζονταν απλώς με την περαιτέρω οικονομική ανάπτυξη.⁹ Κατά συνέπεια, προτάθηκε ότι οι ανησυχίες για την υγεία πρέπει να επικεντρώνονται στην ταυτόχρονη αύξηση των εκφυλιστικών ασθενειών. Η αντίληψη της επιδημιολογικής μετάβασης παρέμεινε – τουλάχιστον πριν από την εμφάνιση της COVID-19 – η προσέγγιση με την μεγαλύτερη επιρροή στη γενική εξέλιξη της περιβαλλοντικής υγείας. Ωστόσο, άρχισε να υποχωρεί και έγινε όλο και πιο περιορισμένη (εάν όχι απολύτως μη αποδεκτή) λόγω δύο κατηγοριών κριτικών: (1) της αποτυχίας να ληφθούν υπόψη οι αυξανόμενες ανισότητες στον τομέα της υγείας (ιδιαίτερα οι ταξικές και φυλετικές) στις ανεπτυγμένες καπιταλιστικές κοινωνίες, και (2) της τεράστιας επέκτασης της καπιταλιστικής παγκοσμιοποίησης, που οδήγησε στη διάδοση ασθενειών – που δεν περιορίζονταν απλώς σε φτωχές, τροπικές χώρες, καθώς απειλούσαν και τα έθνη στον καπιταλιστικό πυρήνα.¹⁰

Όπως δήλωσε ο οικολόγος του Χάρβαρντ Ρίτσαρντ Λέβινς (Richard Levins) στο «Είναι ο καπιταλισμός μια ασθένεια;» (Is Capitalism a Disease?), η εμφάνιση στο τέλος του εικοστού αιώνα μιας νέας σειράς παθογόνων, συμπεριλαμβανομένης της επανεμφάνισης της ελονοσίας, της χολέρας, του δάγκειου πυρετού, της φυματίωσης και άλλων κλασικών ασθενειών, σε συνδυασμό με τον Έμπολα, το AIDS (HIV), τη νόσο του Legionnaire, το σύνδρομο τοξικού σοκ και την φυματίωση που ήταν ανθεκτική σε πολλά φάρμακα – στα οποία θα μπορούσαμε πλέον να προσθέσουμε κι άλλα παθογόνα όπως H1N1, H5N1, MERS, SARS και COVID-19 (SARS-CoV-2) – επισήμανε την πλήρη αποτυχία της θεωρίας της επιδημιολογικής μετάβασης. Ενόψει αυτού, ο Levins επέμεινε ότι «αντί για ένα δόγμα της επιδημιολογικής μετάβασης, το οποίο υποστήριζε ότι οι μολυσματικές ασθένειες θα εξαφανίζονταν καθώς αναπτύσσονταν οι χώρες, πρέπει να αντικαταστήσουμε μια οικολογική πρόταση: ότι με οποιαδήποτε σημαντική αλλαγή στον τρόπο ζωής ενός πληθυσμού (όπως η πυκνότητα του πληθυσμού, τα πρότυπα διαμονής και στέγασης, τα μέσα παραγωγής), θα υπάρξει επίσης μια αλλαγή στις σχέσεις μας με τα παθογόνα, τις δεξαμενές τους και με τους φορείς της ασθένειας».¹¹Τέτοιες αλλαγές έχουν συμβεί ως αποτέλεσμα του κύματος της νεοφιλελεύθερης παγκοσμιοποίησης και της επέκτασης των αγροτικών επιχειρήσεων τα τελευταία πενήντα χρόνια από την αρχή της επιδημιολογικής μετάβασης, που οδήγησε σε μια νέα κριτική έμφαση στην οικολογία των ασθενειών και τις σχέσεις της με τη διαρθρωτική κρίση του κεφαλαίου.Το Επιδημιολογικό Ρήγμα

Οι κορυφαίοι επικριτές των συνθηκών εργασίας της εργατικής τάξης τον 19ο αιώνα αποτελούνταν από ιατρούς ριζοσπαστικών αντιλήψεων που προσωποποίησαν πολλές από τις πιο προοδευτικές πτυχές της αστικής επιστήμης και του πολιτισμού, που συχνά έρχονται σε αντίθεση με τη λογική της καπιταλιστικής κοινωνίας, η οποία αρκετές φορές υιοθετεί σοσιαλιστικές αξίες. Εν μέρει σε αυτό το πλαίσιο, πέρα από την πολιτική οικονομία, ο Μαρξ και ο Ένγκελς έπρεπε να αναπτύξουν μεγάλο μέρος της κριτικής τους για το κεφάλαιο. H Κατάσταση της Εργατικής Τάξης στην Αγγλία, του Ένγκελς, που γράφτηκε το 1844, βασίστηκε σε μεγάλο βαθμό στις παρατηρήσεις του από πρώτο χέρι, καθώς περπατούσε στους δρόμους του Μάντσεστερ όλες τις ώρες της ημέρας και της νύχτας, καθοδηγούμενος μερικές φορές από την σύντροφό του, την δραστήρια, νεαρή, ιρλανδή προλετάρια Mary Burns.¹² Αλλά ο Ένγκελς βασίστηκε επίσης πολύ στις έρευνες ριζοσπαστών ιατρών, όπως του Peter Gaskell, του James Phillips Kay και του Thomas Percival από το Μάντσεστερ. Στα χρόνια από το 1820 έως το 1840, η αγγλική άρχουσα τάξη είχε το κίνητρο να εξετάσει τις συνθήκες των εργαζομένων και να πραγματοποιήσει υγειονομικές μεταρρυθμίσεις, κυρίως λόγω της εξάπλωσης των επιδημιών χολέρας, τύφου, τυφοειδούς πυρετού, οστρακιάς και άλλων ασθενειών, που, ενώ πάντα είχαν τα χειρότερα αποτελέσματα στις γειτονιές των φτωχών, συχνά επεκτείνονταν στις περιοχές των πλουσίων. Ωστόσο, οι γιατροί που ανέλαβαν πραγματικά το καθήκον να θεραπεύσουν αυτά τα δεινά ήταν συχνά, όπως ο Dr. Lydgate στο Middlemarch του George Eliot, ελεύθεροι στοχαστές που είδαν την ιατρική ως «παρουσιάζουσα την πιο τέλεια ανταλλαγή μεταξύ επιστήμης και τέχνης», επισημαίνοντας την ανάγκη για ριζοσπαστική κοινωνική μεταρρύθμιση και την απόρριψη των ευκόλως εξαγοραζόμενων προκλήσεων μιας κοινωνίας ταμειακών σχέσεων.¹³

Αξίζει να σημειωθεί πως, ο Kay, ο Gaskell και ο Southwood Smith από το Λονδίνο, στον οποίο επρόκειτο να βασιστεί ο Ένγκελς, εκπαιδεύτηκαν στο Εδιμβούργο, το οποίο, μαζί με τη Γλασκόβη, αποτέλεσε την πηγή του σκωτσέζικου Διαφωτισμού, και που από ορισμένους θεωρείται ως η γενέτειρα πόλη της κλασικής κοινωνιολογίας. Κορυφαίοι διανοούμενοι του σκωτσέζικου Διαφωτισμού, όπως ο Adam Ferguson και ο James Millar, καθώς και ο Adam Smith, προώθησαν μια ευρεία οπτική της φυσικής ιστορίας, η οποία ήταν γενικά υλιστική και εμπειρικά προσανατολισμένη σε φιλοσοφικό προσανατολισμό. Ο Henry Julian Hunter, τον οποίο ο Μαρξ θαύμαζε, έλαβε το πτυχίο ιατρικής του στο Αμπερντίν.¹⁵ Ο Edwin Lankester έλαβε την ιατρική του εκπαίδευση στη Γερμανία, όπου υιοθέτησε κριτική στάση απέναντι στην αστική κοινωνία.¹⁶ Από τους κορυφαίους ριζοσπάστες ιατρούς της εποχής στη Βρετανία που επρόκειτο να επηρεάσουν τον Ένγκελς και τον Μαρξ, ο John Simon, ιατρός του Μυστικού Συμβουλίου, και ο Edward Smith, συγγραφέας του Υγεία και Ασθένεια (Health and Disease) (1861), ξεχώρισαν έχοντας λάβει τα ιατρικά τους πτυχία σε αγγλικά πανεπιστήμια, ο πρώτος στο King’s College, του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, ο δεύτερος στη Βασιλική Ιατρική Σχολή του Μπέρμιγχαμ.¹⁷ Με βάση τις δικές του παρατηρήσεις, τα πολιτικά κείμενα των Χαρτιστών και τους ριζοσπάστες ιατρούς της εποχής, ο νεαρός Ένγκελς αποκάλυψε το 1844 τις φρικτές περιβαλλοντικές συνθήκες της εργατικής τάξης στην Αγγλία εν μέσω της Βιομηχανικής Επανάστασης, εστιάζοντας στους παράγοντες που οδηγούν σε επιδημίες, καθώς και σε επαγγελματικές ασθένειες και διατροφικές ανεπάρκειες. Μεταξύ των ευρημάτων του, και που διερευνήθηκε με μεγάλη λεπτομέρεια, ήταν η πολύ υψηλότερη θνησιμότητα της εργατικής τάξης σε σύγκριση με αυτήν της αστικής τάξης. Σε ένα σημείο του κειμένου του, άντλησε στοιχεία από μια μελέτη για το Chorlton-on-Medlock, τότε προάστιο του Μάντσεστερ (τώρα μέρος της πόλης), που εκπονήθηκε από τον γιατρό P.H. Holland, ο οποίος είχε χωρίσει τόσο τους δρόμους όσο και τα σπίτια σε τρεις ποιοτικά διακριτές τάξεις, από πλούσιους έως φτωχούς. Όπως εξήγησε ο Ένγκελς, τα προκύπτοντα δεδομένα έδειξαν ότι η θνησιμότητα στους «…δρόμους της τρίτης τάξης ήταν κατά 68% μεγαλύτερη από εκείνη σε αυτούς της πρώτης τάξης», ενώ η θνησιμότητα στα σπίτια της τρίτης τάξης ήταν κατά 78% μεγαλύτερη από εκείνη σε αυτά της πρώτης τάξης».

Το Μυστικό Συμβούλιο (Privy Council) ήταν μια επιτροπή αποτελούμενη από τους πιο έμπιστους συμβούλους του βασιλιά της Αγγλίας. Το σώμα αυτό συμβούλευε τον μονάρχη εμπιστευτικά πάνω σε ζητήματα του κράτους.

Το κίνημα των Χαρτιστών ήταν το πρώτο εργατικό κόμμα στη σύγχρονη παγκόσμια πολιτική ιστορίαΣτο Λίβερπουλ, όπως έδειξε ο Ένγκελς βάσει κοινοβουλευτικών εκθέσεων, «η μέση μακροζωία (δηλαδή, το προσδόκιμο ζωής κατά τη γέννηση) των ανώτερων τάξεων, των επαγγελματιών, κ.λπ., ήταν τριάντα πέντε χρόνια», ενώ εκείνη της εργατικής τάξης ήταν δεκαπέντε χρόνια. Ο λόγος για τον οποίο το προσδόκιμο ζωής ήταν τόσο χαμηλό στην εργατική τάξη είχε σχέση με το υψηλό ποσοστό βρεφικής θνησιμότητας. Στο Μάντσεστερ, «περισσότερο από 57% των παιδιών της εργατικής τάξης πεθαίνουν πριν από το πέμπτο έτος τους, ποσοστό που μειώνεται στο 20% στα παιδιά των ανωτέρων τάξεων.… Οι επιδημίες στο Μάντσεστερ και το Λίβερπουλ είναι τρεις φορές πιο θανατηφόρες από ό,τι στις επαρχιακές περιοχές.… Θανατηφόρα κρούσματα ευλογιάς, ιλαράς, ερυθρού πυρετού και κοκκύτη σε μικρά παιδιά είναι τέσσερις φορές συχνότερα».¹⁸ Όπως έδειξε η ανάλυσή του, τα εργατικά στρώματα παρουσίαζαν υψηλότερη νοσηρότητα και θνησιμότητα σε κάθε ηλικία και φύλο, με τις εθνικές μειονότητες (στην Αγγλία εκείνη την εποχή κυρίως Ιρλανδούς) να πλήττονται πολύ πιο μαζικά.¹⁹Ο Ένγκελς ισχυρίστηκε ότι αυτές οι άνισες συνθήκες ήταν προϊόν του συστήματος της συσσώρευσης του κεφαλαίου και αποτελούσε υπό αυτή την έννοια μια μορφή «κοινωνικής δολοφονίας».²⁰

Στη Γερμανία, ο Virchow, ο Γερμανός γιατρός και παθολόγος, διάσημος ως συγγραφέας της Κυτταρικής Παθολογίας (Cellular Pathology) (1858), χρησιμοποίησε το έργο του Ένγκελς «Η Κατάσταση της Εργατικής Τάξης στην Αγγλία» για να σχεδιάσει το δικό του πρωτοποριακό έργο στην κοινωνική επιδημιολογία, χρησιμοποιώντας μερικά από τα στατιστικά στοιχεία του τελευταίου για την σχέση της θνησιμότητας με την ταξική προέλευση. Ορίζοντας τις επιδημίες της χολέρας και του τύφου ως «ασθένειες του πλήθους», ο Virchow έπαιξε πρωταγωνιστικό ρόλο στην υγειονομική μεταρρύθμιση στο Βερολίνο. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, το βιβλίο του Ένγκελς επηρέασε την κορυφαία σοσιαλίστρια, ακτιβίστρια και κοινωνική μεταρρυθμίστρια Florence Kelley, η οποία ήταν στενή φίλη και διατηρούσε και συχνή αλληλογραφία με τον Ένγκελς, και μετέφρασε το «Η Κατάσταση της Εργατικής Τάξης στην Αγγλία» στα αγγλικά το 1887. Η Kelley έμεινε για λίγο στο Hull House στο Σικάγο, όπου ανέπτυξε χάρτες που τεκμηριώνουν τις φτωχές περιοχές του Σικάγου, κωδικοποιώντας χρωματικά γειτονιές με βάση την εθνικότητα και την κοινωνική τάξη, προκειμένου να αποκαλυφθούν συγκεκριμένες μορφές ανισοτήτων. Αργότερα, ως επικεφαλής επιθεωρητής εργοστασίων για την πολιτεία του Ιλλινόι, αγωνίστηκε ενάντια στις συνθήκες ζωής στις θερμαινόμενες καλύβες των αυτοχθόνων (sweat houses), στις εργατικές πολυκατοικίες, την παιδική εργασία, καθώς και ενάντια σε μια επιδημία ευλογιάς. Στη συνέχεια έγινε ηγετική προσωπικότητα στη μάχη για τη μεταρρύθμιση των κοινωνικών και περιβαλλοντικών συνθηκών της εργατικής τάξης, και ιδιαίτερα των γυναικών, στις ΗΠΑ. Όπως δήλωσε ο δικαστής του Ανώτατου Δικαστηρίου των ΗΠΑ Felix Frankfurter το 1953, η Kelley ήταν «μια γυναίκα που είχε πιθανώς το μεγαλύτερο μερίδιο στη διαμόρφωση της κοινωνικής ιστορίας των Ηνωμένων Πολιτειών κατά τα πρώτα τριάντα χρόνια αυτού του αιώνα», ανταποκρινόμενη στις συνθήκες μιας «πυρετώδους εκβιομηχάνισης».²¹ Το 1900, το ποσοστό θανάτου από τυφοειδή πυρετό στις Ηνωμένες Πολιτείες, σύμφωνα με τον Βρετανό επιστήμονα και σοσιαλιστή Lancelot Hogben, ήταν τριάντα έξι ανά χίλια άτομα, αλλά είχε μειωθεί σε έξι ανά χίλια άτομα μέχρι το 1932, κυρίως λόγω του αγώνα των μεταρρυθμιστών της υγείας, από τους σημαντικότερους των οποίων ήταν η Kelley.

Ο Μαρξ ασχολήθηκε με πολλά από τα επιδημιολογικά ζητήματα που εξετάστηκαν στο έργο του Ένγκελς «Η Κατάσταση της Εργατικής Τάξης στην Αγγλία» λίγο παραπάνω από είκοσι χρόνια αργότερα στο «Κεφάλαιο». Για τον Μαρξ, οι «περιοδικές επιδημίες» που εξερεύνησε ο Ένγκελς ήταν τόσο μια εκδήλωση του «ανεπανόρθωτου ρήγματος στην αλληλεξαρτώμενη διαδικασία του κοινωνικού μεταβολισμού» όσο και «η λίπανση των αγγλικών χωραφιών με γκουανό» (σ.τ.μ. πρόκειται για τεχνητό λίπασμα από περιττώματα θαλασσοπουλιών και νυχτερίδων) από το Περού.²³ Υπό αυτήν την έννοια, ένα σωματικό ρήγμα στην ανθρώπινη νοσηρότητα και θνησιμότητα έπρεπε να θεωρηθεί ως μέρος του ευρύτερου μεταβολικού ρήγματος στη σχέση της ανθρωπότητας με τη φύση μέσω της κοινωνικής παραγωγής.²⁴ Αναλύοντας το οικολογικό / επιδημιολογικό ρήγμα του καπιταλισμού, ο Μαρξ άντλησε έντονα από το έργο των ριζοσπαστών Άγγλων ιατρών της δεκαετίας του 1860, ιδιαίτερα του Simon, τον οποίο θεωρούσε ως έναν από τους μεγάλους κριτικούς του καπιταλισμού της εποχής, μαζί με τους Henry Julian Hunter, Edward Smith και Edwin Lankester (των οποίων τα έργα ο Μαρξ γνώριζε έμμεσα) – όλοι τους εργάστηκαν σε διάφορα επίπεδα με τον Simon.²⁵ Ο Μαρξ γέμισε πολλές σελίδες του Κεφαλαίου με θεραπείες για τις κοινωνικές και ταξικές αιτίες των επιδημιών, τις διατροφικές ανεπάρκειες, τις διαφορές θνησιμότητας (συμπεριλαμβανομένης της υψηλής παιδικής θνησιμότητας), της στέγασης και των υγειονομικών συνθηκών. Οι εκτιμήσεις των ριζοσπαστών ιατρών που ερεύνησαν την κατάσταση της δημόσιας υγείας, σύμφωνα με τα λόγια του Μαρξ, αφθονούσαν από «ετερόδοξες επιθέσεις για την «ιδιοκτησία και τα δικαιώματά της»»²⁶

Δίπλα στον ίδιο τον Simon, ο οποίος, παρά την υψηλά ιστάμενη θέση του στην κορυφή του αγγλικού ιδρύματος δημόσιας υγείας, ήταν ένας αυτοαποκαλούμενος «σοσιαλιστής» που ασχολήθηκε με τις «προλεταριακές» συνθήκες, ο ριζοσπάστης γιατρός που ο Mαρξ θαύμαζε περισσότερο ήταν ο Hunter, ο οποίος ήταν ένας από τους ταλαντούχους της ομάδας ιατρών που οργάνωσε ο Simon για να διερευνήσει τις συνθήκες υγείας των εργαζομένων στην Αγγλία και την Ουαλία. Ο Μαρξ χαρακτήρισε τις έρευνες του Hunter στην έκτη, την έβδομη και την όγδοη έκθεση δημόσιας υγείας (1864–66) σχετικά με τη βρεφική θνησιμότητα, τη διατροφή, την υγιεινή, τις επιδημίες και τις γενικές συνθήκες διαβίωσης των εργαζομένων σε όλη την Αγγλία ως τις πιο σημαντικές εκείνης της εποχής, βασίζοντας περισσότερες από δώδεκα σελίδες της έρευνας του Κεφαλαίου στην επιτόπια έρευνα του Hunter.²⁸ Όσον αφορά τη στέγαση, ο Hunter τόνισε τον παραλογισμό μιας εθνικής απαίτησης για «την παροχή στέγασης σε εκείνους που λόγω του ότι διαθέτουν κεφάλαια, δεν μπορούν να την παρέχουν στον εαυτό τους, αν και μπορούν με περιοδικές πληρωμές να ανταμείβουν εκείνους που θα τους την παρέχουν.” Αυτή η έλλειψη κεφαλαίου εκ μέρους του εργατικού πληθυσμού και τα υπερβολικά ενοίκια που έπρεπε να καταβληθούν από τους μικρούς μισθούς τους, σε συνδυασμό με συχνές απαλλοτριώσεις από ιδιοκτήτες, οδήγησαν τον Μαρξ να αναφερθεί ειρωνικά στον «αξιοθαύμαστο χαρακτήρα της κεφαλαιοκρατικής δικαιοσύνης!»²⁹ Ο υπερπληθυσμός, που μετρήθηκε ως έλλειψη του απαραίτητου χώρου για τους κατοίκους (καθώς και από την έλλειψη παραθύρων, επαρκών εγκαταστάσεων υγιεινής και καθαρού νερού), ήταν, κατά τα λεγόμενά του, το έδαφος αναπαραγωγής μιας σειράς επιδημιών, όπως η ευλογιά, η χολέρα, ο τύφος, ο τυφοειδής πυρετός, η οστρακιά και η φυματίωση.³⁰

Ο Μαρξ παρείχε πολλά από τα στοιχεία αυτού που τώρα ονομάζεται «οικο-κοινωνική» θεωρία της κατανομής των ασθενειών. Η έναρξη ενός σιδηροδρόμου από το Lewisham προς το Tunbridge (τώρα Tonbridge), όπως εξήγησε, είχε την ακούσια συνέπεια της εξάπλωσης μιας επιδημίας ευλογιάς στην ενορία των Seven Oaks, περίπου τριάντα μίλια από το σημερινό Λονδίνο. Οι βελτιωμένες μεταφορές υπό καπιταλιστικές συνθήκες θα μπορούσαν έτσι να θεωρηθούν ότι οδηγούν στην ταχύτερη εξάπλωση μολυσματικών ασθενειών.Αντουάν Βιρτζ, Η πρόωρη ταφή, 1854, λάδια σε καμβά, 160 x 235 cm, Μουσείο Βίερτζ, Βρυξέλλες.Ομοίως, το σύστημα συνεργείων της αγροτικής εργασίας στην ύπαιθρο βασίστηκε σε μετανάστες εργάτες που αποτελούνταν κατά μεγάλο μέρος από γυναίκες και παιδιά, οι οποίοι μετακινούνταν από τόπο σε τόπο ως απάντηση στις ανάγκες του κεφαλαίου, προκειμένου να εξυπηρετήσουν έργα που σχετίζονταν με κατασκευές όπως «έργα οικοδομής και αποστράγγισης, τούβλα, καύση ασβέστη και σιδηροδρομικές κατασκευές». Το αποτέλεσμα, δήλωσε ο Μαρξ, ήταν «μια ιπτάμενη στήλη λοιμού», που μετέφερε «ευλογιά, τύφο, χολέρα και ερυθρό πυρετό στα μέρη της γειτονιάς που [το συνεργείο των εργαζόμενων μεταναστών] έστηνε τον καταυλισμό του». ³¹

Για τον Μαρξ, όλα αυτά βέβαια σχετίζονται με το μεταβολικό ρήγμα που δημιουργείται από τον καπιταλισμό μεταξύ της ανθρωπότητας και της φύσης στο σύνολό της – συμπεριλαμβανομένου κι αυτού που μπορεί να θεωρηθεί ως σωματικό ρήγμα (επιδημιολογικό ρήγμα) στην ανθρώπινη σωματική ύπαρξη. Ανά πάσα στιγμή, ήταν απαραίτητο, τόνισε, να ληφθεί υπόψη η «κυκλική κίνηση των συνθηκών της ανθρώπινης ζωής», δηλαδή ο ανθρώπινος κοινωνικός μεταβολισμός.³² Στην έβδομη έκθεση για τη δημόσια υγεία, ο Hunter είχε διερευνήσει τα «seigneurial rights» (δικαιώματα φεουδαρχικής ιδιοκτησίας) για την κοπριά στην οποία εκτίθεντο οι φτωχοί της περιοχής Durham από τους γαιοκτήμονες. Όπως εξήγησε ο Μαρξ, παραθέτοντας τον Hunter, «Είναι περίεργο που παρατηρούμε ότι η ίδια η κοπριά του εργάτη γης και του δούλου είναι το επιμίσθιο του υπολογιστή άρχοντα… και ο άρχοντας δεν θα επιτρέψει σε κανένα άλλο ενδιαφερόμενο μέλος του Μυστικοσυμβούλιου πέρα από τον εαυτό του να δρα στη γειτονιά, και προτιμά να δώσει λίγη κοπριά εδώ και εκεί για έναν κήπο παρά να αποποιηθεί οποιοδήποτε μέρος του δικαιώματος ιδιοκτησίας του.³³ Στόχος της αριστοκρατίας και των αρχόντων στην επιβολή αυτών των προϋποθέσεων ήταν να μπορέσει να αρπάξει και να μονοπωλήσει την ίδια την κοπριά που παράγεται από τους εργάτες στην προσπάθειά τους να κάνουν πιο γόνιμα τα χωράφια στις ιδιοκτησίες των γαιοκτημόνων.

Επίσης, ο Μαρξ επεσήμανε τις ευρύτερες περιβαλλοντικές συνθήκες των ανθρακωρύχων, οι οποίοι εκτός από το να εργάζονται σε ένα από τα πιο επικίνδυνα από όλα τα επαγγέλματα, αναγκάζονταν συχνά να ζήσουν στο κτήμα του ιδιοκτήτη του ορυχείου πληρώνοντας υπερβολικά υψηλά ενοίκια για φτωχικές εξοχικές κατοικίες, μόνο και μόνο για να μπορούν απλά να εργαστούν στα ορυχεία. Εδώ ανέφερε την αρκετά κυνική άποψη του Simon, ότι «οι εργάτες… δεν έχουν λάβει αρκετή εκπαίδευση/παιδεία για να γνωρίζουν την αξία των υγειονομικών τους δικαιωμάτων, [έτσι] ώστε ούτε το άσεμνο κατάλυμα ούτε το άκρως ακατάλληλο πόσιμο νερό δεν θα είναι αξιοσημείωτα κίνητρα για μια «απεργία»».³⁴ Η εκμετάλλευση των ανθρακωρύχων και των οικογενειών τους από το κεφάλαιο ήταν σε αυτήν την περίπτωση άμεσα συνδεδεμένη με την απαλλοτρίωση των ίδιων των μέσων διαβίωσης – όχι μόνο εντός, αλλά και εκτός του ορυχείου.

Εξερευνώντας τις επιδημιολογικές συνθήκες των εργαζομένων, ο Μαρξ έδωσε ιδιαίτερη προσοχή στη διατροφική πρόσληψή τους, στηριζόμενος σε στοιχεία του Edward Smith, δείχνοντας ότι οι βιομηχανικοί εργαζόμενοι είχαν ανεπάρκεια τόσο σε υδατάνθρακες όσο και σε πρωτεΐνες, σε σύγκριση με τους καταδίκους, και σε πολλές περιπτώσεις δεν ήταν σε θέση, λόγω χαμηλής διατροφικής πρόσληψης, « να αποτρέψουν τις ασθένειες που προκαλούνται από ασιτία». Οι γυναίκες ήταν γενικά οι πιο υποσιτισμένες.³⁵ Οι γυναίκες της εργατικής τάξης με βρέφη συχνά δεν είχαν άλλη επιλογή, από να τα θηλάσουν πριν να πάνε στη δουλειά, και πάλι άλλη μια φορά μετά τη δουλειά, με συχνά μια περίοδο δώδεκα ωρών ή μεγαλύτερη μεταξύ των δύο θηλασμών. Ο Μαρξ, βασισμένος στον Hunter, εξήγησε ότι τα βρέφη που έμεναν με ηλικιωμένους «τροφούς», τρέφονταν συχνά με τεχνητά μίγματα όπως το Godfrey’s Cordial το οποίο ήταν αναμιγμένο με όπιο για να τα κρατά σε ηρεμία. Για αυτόν τον λόγο, μεταξύ άλλων, τα μικρά παιδιά σε εργατικές περιοχές πέθαιναν σε τεράστιους αριθμούς.³⁶

Εξίσου ανησυχητική ήταν η επαγγελματική ασθένεια, που προέκυψε από ακραίες μορφές εκμετάλλευσης, ιδίως από συνθήκες που επιβλήθηκαν σε γυναίκες στην αδήλωτη οικιακή εργασία. Η απεικόνιση του Μαρξ για την κατάσταση της υπερβολικής εργασίας και του υπερπληθυσμού στο κεφάλαιό του «Η Εργατική Ημέρα» στο Κεφάλαιο βασίστηκε σε περιγραφές των συνθηκών υπό τις οποίες εργάζονταν νεαρές γυναίκες ως μοδίστρες σε σπίτια, που δημοσιεύθηκαν σε αρκετές εφημερίδες του Λονδίνου τον Ιούνιο του 1863 με βάση την Έκθεση του Ιατρικού Υπεύθυνου Υγείας στην Ενορία του Αγίου Τζέιμς (Report of the Medical Officer of Health to the Parish Vestry of St. James) από τον Edwin Lankester.³⁷ Οι αναφορές της εφημερίδας του 1863 βασίζονταν στον απολογισμό του πρεσβύτερου Lankester για τον θάνατο της 20χρονης Mary Ann Walkley, που εργαζόταν σε ένα κατάστημα μοδιστρικής που διοικούσε η Madame Elise, και που αποτελούσε ένα από τα πιο γνωστά καπελάδικα του Λονδίνου. Η Walkley, μαζί με εξήντα άλλες νεαρές γυναίκες, αναγκάζονταν να δουλέψουν 26,5 ώρες σερί χωρίς διάλειμμα, ενώ παράλληλα περιορίζονταν τριάντα σε ένα δωμάτιο, με μόνο το ένα τρίτο των απαραίτητων κυβικών ποδιών ανά άτομο τα οποία είναι εγγυούνται την επαρκή πρόσληψη αέρα. Για τον Μαρξ, αυτή ήταν μια ξεκάθαρη περίπτωση υπερβολικής εργασίας και κοινωνικής και περιβαλλοντικής αδικίας, αντικατοπτρίζοντας τις συνθήκες υπό τις οποίες παγιδεύονταν οι προλετάριοι, μειώνοντας τη συνολική διάρκεια ζωής τους – αν όχι κυριολεκτικά σβήνοντας τη ζωή τους μέσα σε λίγες ώρες, όπως στην περίπτωση της Walkley.³⁸

Εξετάζοντας τις επιδημιολογικές συνθήκες της εργατικής τάξης, ένα απόσπασμα του Simon ήταν τόσο σημαντικό για τον Μαρξ που το ανέφερε αυτούσιο και στον πρώτο και στον τρίτο τόμο του Κεφαλαίου: «[Είναι] πρακτικά αδύνατο… για τους εργαζόμενους να επιμείνουν σε αυτό που θεωρητικά είναι το πρώτο τους υγειονομικό δικαίωμα – το δικαίωμα που, ανεξάρτητα από την εργασία που τους συγκεντρώνει ο εργοδότης τους, πρέπει, στο βαθμό που εξαρτάται από αυτόν, η εργασία να απαλλαχθεί από όλες τις αχρείαστα επιβλαβείς συνθήκες.… Ενώ οι εργαζόμενοι είναι σχεδόν ανίκανοι να απαιτήσουν αυτή την υγειονομική δικαιοσύνη για τον εαυτό τους, δεν μπορούν επίσης (παρά τις υποτιθέμενες προθέσεις του νόμου) να αναμένουν οποιαδήποτε πραγματική βοήθεια από τους ειδικά επιφορτισμένους υπαλλήλους της υγειονομικής αστυνομίας. Προς το συμφέρον μυριάδων εργαζόμενων ανδρών και γυναικών, των οποίων η ζωή τώρα πλήττεται άσκοπα και το προσδόκιμο ζωής μικραίνει από τον άπειρο σωματικό φόρτο που δημιουργεί η εργασιακή απασχόλησή τους, θα τολμούσα να εκφράσω την ελπίδα μου, ότι καθολικά οι υγειονομικές συνθήκες της εργασίας μπορεί, τουλάχιστον μέχρις εδώ, να συμπεριληφθούν στις κατάλληλες διατάξεις του νόμου».³⁹

Αυτό, μαζί με τα άλλα ευρύτερα ζητήματα των επιδεινούμενων οικολογικών συνθηκών των ασθενειών που δημιουργούνται από το κεφαλαιοκρατικό σύστημα, απαιτούσαν, κατά την άποψη του Μαρξ, τίποτα λιγότερο από την επαναστατική ανασύσταση της κοινωνίας γενικότερα: όχι μόνο για την εργασία, αλλά και για τη ζωή επίσης.

«Η εκδίκηση της φύσης»

Ο E. Ray Lankester, γιος του Edwin Lankester, ήταν ο κορυφαίος ζωολόγος στην Αγγλία στη γενιά μετά τον Darwin και τον Huxley. Ήταν ένας ανυπόμονος υλιστής, Φαβιανός σοσιαλιστής και σχολιαστής και κριτικός περιβαλλοντικών ζητημάτων, ο οποίος είχε διαβάσει το Κεφάλαιο του Μάρξ και ήταν συχνός επισκέπτης στο σπίτι του.⁴⁰Ο Λάνκεστερ είχε εργαστεί στη Γερμανία με τον Ernst Haeckel. Η πρώτη εισαγωγή της λέξης οικολογία ή œcology (επινοήθηκε από τον Haeckel το 1866) στα Αγγλικά εμφανίστηκε στη μετάφραση της Ιστορίας της Δημιουργίας (History of Creation) του Haeckel του 1876 υπό την επίβλεψη του Lankester. Ο ίδιος ο Lankester επινόησε τον όρο bionomics (βιονομική), μια κατηγορία που χρησιμοποιείται συνήθως για την οικολογία.Βασιλική Φίλου / Αλληγορία Νο 2 / Γραφίτης σε χαρτί / Διαστάσεις: 53x62cm / Έτος: 2020Μια από τις βασικές πτυχές της ευρείας επιστημονικής έρευνας του Λάνκεστερ ήταν η μελέτη των παρασιτικών παθογόνων. Ο πατέρας του ήταν ιδρυτικός συντάκτης του περιοδικού Quarterly Journal of Microscopical Science και ο Ray Lankester στη συνέχεια έγινε συντάκτης της έκδοσης που αφορούσε τον συγκεκριμένο τομέα για μισό αιώνα. Έμελλε να αναδειχθεί σε ένα κορυφαίο βρετανικό επιστημονικό περιοδικό αφιερωμένο στη μικροβιακή έρευνα. Το 1871, ο Lankester ανακάλυψε ανεξάρτητα (η προηγούμενη ανακάλυψή του το 1843 είχε περάσει απαρατήρητη) το Trypanosoma rotatorum, έναν τύπο μικροσκοπικού παρασίτου σε σχήμα ατράκτου (ή ανοιχτηριού) που ευθύνεται για διάφορες ασθένειες του ύπνου και τη νόσο του Chagas.⁴² Το 1882, “ο Lankester ήταν o πρώτος που περιέγραψε το πρωτόζωο παράσιτο ως του τύπου που αργότερα αποδείχθηκε από τον C. L. A. Laveran ότι είναι ο αιτιολογικός παράγοντας της ελονοσίας”. Το παράσιτο, στο οποίο ο Lankester αναφέρθηκε ως Depranidium ranarum, μετονομάστηκε σε Lankerstella προς τιμήν του το 1892.⁴³

Για τον Lankester, τα «φαινομενικά αντίθετα» συχνά συνδέονται στενά στη Φύση.… Η μικρότερη αλλαγή στην ουσία που χορηγείται ή η μικρότερη διαφορά στη ζωτική ουσία ενός ατόμου… κάνει όλη τη διαφορά μεταξύ «δηλητηρίου» και «ωφελίμου».⁴⁴ Ως εκ τούτου, οι σχετικά μικρές μεταβολές στις οικολογικές συνθήκες που προκύπτουν από την υπέρβαση κρίσιμων ορίων που οφείλονται σε ανθρωπο-κοινωνικές δράσεις, θα μπορούσαν να ενισχύσουν σε μεγάλο βαθμό τις οικολογικο-επιδημιολογικές σχέσεις, οδηγώντας στην εξάπλωση επιδημιών. Αυτή η ευρεία διαλεκτική και οικολογική προοπτική έμελλε να κάνει τις παρατηρήσεις του Lankester για τον ανθρώπινο ρόλο στην εξάπλωση των επιδημιών – πέρα από το πραγματικό παθογόνο παράσιτο – μοναδικές για την εποχή του.

Το 1887, ο Lankester επισκέφτηκε το Ινστιτούτο Παστέρ (Pasteur) στο Παρίσι για πρώτη φορά, και έγινε επιστημονικός συνεργάτης του Pasteur. Εργάστηκε επίσης στενά τα τελευταία του χρόνια με τον Élie Metchnikoff, ο οποίος διαδέχθηκε τον Pasteur ως επικεφαλής του Ινστιτούτου. Ο Lankester ήταν το βασικό πρόσωπο για την οργάνωση της βρετανικής επιστημονικής και πολιτικής ελίτ για την υποστήριξη της έρευνας του Ινστιτούτου Παστέρ και για τη δημιουργία των προϋποθέσεων για την ίδρυση του παρόμοιου Ινστιτούτου Lister στην Αγγλία. Ως διευθυντής του Μουσείου Φυσικής Ιστορίας στο Λονδίνο, το κύριο ζωολογικό κέντρο της Αγγλίας, ο Lankester δημιούργησε σημαντικές συλλογές κουνουπιών και μυγών τσε-τσε για ερευνητικούς σκοπούς.⁴⁵

Με την επέκταση της αποικιοκρατίας και του ιμπεριαλισμού στα τέλη του 19ου αιώνα, σημειώθηκε τεράστια αύξηση στις τροπικές ασθένειες, κυρίως στην αφρικανική ασθένεια του ύπνου (τρυπανοσωμίαση), η οποία αφάνισε ολόκληρους πληθυσμούς στην Κεντρική και Ανατολική Αφρική, σκοτώνοντας εκατοντάδες χιλιάδες ανθρώπους. Το παθογόνο παράσιτο εξαπλώθηκε μέσω της μύγας τσε-τσε. Μόλις το παράσιτο περνούσε τον αιματο-εγκεφαλικό φραγμό και μόλυνε το κεντρικό νευρικό σύστημα, ο ασθενής γινόταν ληθαργικός, έχανε τα λογικά του, έπεφτε σε κώμα και τελικά πέθαινε.⁴⁶ Οι ευρωπαϊκές δυνάμεις είχαν διχοτομήσει την Αφρική το 1884–85, οδηγώντας σε μια μαζική επέκταση της αποικιοκρατίας και στη λεηλασία της ηπείρου. Καθώς οι Βρετανοί αποίκισαν την Ουγκάντα, ξέσπασε μια επιδημία τρυπανοσωμίασης, σκοτώνοντας το ένα τρίτο του πληθυσμού μέσα σε λίγα χρόνια. Επιδημίες τρυπανοσωμίασης ξέσπασαν επίσης στο Γαλλικό Κονγκό, στο Βελγικό Κονγκό και στις αποικίες της Γερμανίας και της Πορτογαλίας.⁴⁷

Ως πρόεδρος της Επιτροπής Τροπικών Νοσημάτων της Βασιλικής Εταιρείας (Royal Society’s Tropical Disease Committee), καθώς και ως διευθυντής του Βρετανικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας, ο Lankester αφιέρωσε πολλές από τις προσπάθειές του στα τέλη του αιώνα στην αναζήτηση των πηγών των τροπικών νοσημάτων, ιδίως της ασθένειας του ύπνου. Τα τρυπανοσώματα ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά στο ανθρώπινο αίμα το 1902. Ο Lankester συνεργάστηκε στενά με τον μικροβιολόγο David Bruce που ήταν ο πρώτος που απέδειξε επιστημονικά ότι η ασθένεια του ύπνου μεταδίδεται από τη μύγα τσε-τσε, η οποία επίσης μεταδίδει τις συγκεκριμένες παραλλαγές του παθογόνου παράσιτου που μολύνει τον άνθρωπο (Trypanosoma brucei gambiense και Trypanosoma brucei rhodesiense).⁴⁸

Το πιο αξιοσημείωτο σχετικά με την έρευνα του ίδιου του Lankester στον συγκεκριμένο τομέα ήταν η οικο-κοινωνική προσέγγιση της επιδημιολογίας. Ο Bruce είχε αρχικά ανακαλύψει το είδος του πρωτόζωου τρυπανοσώματος (Trypanosome brucei) που μολύνει οικόσιτα βοοειδή, προκαλώντας τη θανατηφόρα ασθένεια nagana. Αυτό το είδος τρυπανοσωμάτων διαβιούσε από καιρό σε μια καλοήθη σχέση με άγρια ζώα, όπως βουβάλια, αντιλόπες και άγρια βοοειδή. Έγινε θανατηφόρο μόνο όταν πέρασε στα οικόσιτα βοοειδή και στον άνθρωπο. Παρόλο που η ασθένεια του ύπνου προφανώς προϋπήρχε σε κάποιο βαθμό για πολλά χρόνια, οι αφρικανικοί πληθυσμοί είχαν καθιερώσει μια ισορροπία μεταξύ των φυσικών / άγριων οικοσυστημάτων και των ανθρώπων / εξημερωμένων ζώων⁴⁹. Η αποικιοκρατία τα κατέστρεψε όλα.

Ο Lankester, γράφοντας στο «Η εκδίκηση της φύσης: η ασθένεια του ύπνου», (“Nature’s Revenges: The Sleeping Sickness”) που περιλαμβάνεται στο Βασίλειο του Ανθρώπου (The Kingdom of Man), κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ασθένεια του ύπνου «σύρθηκε μέσα από τις νέες εμπορικές διαδρομές προς το λεκανοπέδιο του Κονγκό» που δημιουργήθηκαν από τις αποικιακές δυνάμεις. «Η φρικτή θνησιμότητα που προκαλείται από αυτή την ασθένεια στην Κεντρική Αφρική», έγραψε, «φυσικά προκάλεσε το μεγαλύτερο άγχος» στη βρετανική κυβέρνηση, «η οποία είχε μόλις ολοκληρώσει τη σιδηροδρομική γραμμή από την Ανατολική Ακτή προς τις όχθες της λίμνης Victoria Nyanza».⁵⁰

Γράφοντας για το «Άνθρωπος και Νόσος» (“Man and Disease”) στο Βασίλειο του Ανθρώπου, ο Lankester παρουσίασε την υπόθεση ότι,

«Στο, πέρα από την επίδραση του ανθρώπου, σύστημα της Φύσης δεν υπάρχει ασθένεια και δεν υπάρχει καμία σύνδεση μεταξύ ασυμβίβαστων μορφών ζωής, όπως ο Άνθρωπος έχει προκαλέσει στην επιφάνεια του πλανήτη… Είναι αξιοσημείωτο – και σε γενικές γραμμές, ενδέχεται να είναι λιγότερο αληθινό από ό,τι φαίνεται να προτείνει η σημερινή μας γνώση – ότι η προσαρμογή των οργανισμών στο περιβάλλον τους είναι τόσο απόλυτα πλήρης στη Φύση, εκτός από τον Άνθρωπο, που οι ασθένειες είναι άγνωστες και εμφανίζονται ως σταθερά και φυσιολογικά φαινόμενα υπό δεδομένες συνθήκες.… Φαίνεται να αποτελεί ισχύουσα άποψη ότι κάθε νόσος για την οποία ευθύνονται τα ζώα (και πιθανώς και τα φυτά), εξαιρουμένων ορισμένων παροδικών και εκτάκτων περιπτώσεων, οφείλεται στην παρέμβαση του ανθρώπου. Οι ασθένειες των βοοειδών, των προβάτων, των χοίρων και των αλόγων δεν είναι γνωστές παρά μόνο σε εξημερωμένα κοπάδια και σε εκείνα τα άγρια πλάσματα στα οποία τις έχουν μεταφέρει οι διαδικασίες εξημέρωσης του Ανθρώπου…Οι επιδημικές νόσοι παρασιτικής προέλευσης με τις οποίες ο πολιτισμένος άνθρωπος είναι δυστυχώς εξοικειωμένος φαίνεται ότι οφείλονται είτε στη δική του δραστηριότητα είτε, απουσία ανθρώπινης δραστηριότητας, σε μεγάλες και πιθανώς κάπως ξαφνικές γεωλογικές αλλαγές – αλλαγές στις συνδέσεις, και επομένως στην επικοινωνία, μεταξύ μεγάλων χερσαίων εκτάσεων.… Ο άνθρωπος έχει σπείρει τον όλεθρο στο είδος του και σε όλα τα είδη με τα οποία έρχεται σε επαφή, αναμιγνύοντας τα προϊόντα μιας περιοχής με τα προϊόντα μιας άλλης.… Στις άπληστες προσπάθειές του να παράγει μεγάλες ποσότητες ζώων και φυτών που εξυπηρετούν τον σκοπό του, και την επιθυμία του να οργανώσει τη δική του κούρσα για άμυνα και κατάκτηση, ο άνθρωπος έχει συσσωρεύσει φυσικούς πληθυσμούς ενός είδους σε χωράφια και ράντσα και αφύσικους πληθυσμούς του δικού του είδους σε πόλεις και φρούρια. Τέτοιες πυκνές συγκεντρώσεις ενός οργανισμού χρησιμεύουν ως έτοιμο πεδίο για τη διάδοση σπανίων και ασήμαντων παρασίτων από άτομο σε άτομο. Οι ανθρώπινες επιδημικές νόσοι, καθώς και αυτές των βοοειδών και των καλλιεργειών, οφείλονται, σε μεγάλο βαθμό, σε αυτήν την απρόσκοπτη δράση του ανθρώπου που δεν έχει σχέση με την επιστήμη.»⁵¹

Οι επιδημίες στον άνθρωπο (καθώς και στα εξημερωμένα ζώα και φυτά) προέκυψαν συνεπώς από την οικολογική καταστροφή και την τεράστια συγκέντρωση των ανθρώπων και των οικόσιτων ζώων τους, συμπεριλαμβανομένων των μονοκαλλιεργειών και των κτηνοτροφικών μονάδων, που δημιούργησαν οδούς για την εξάπλωση των παθογόνων. Τέτοιες ασθένειες προέκυψαν από τη διαρροή των παθογόνων από τους φυσικούς ξενιστές τους προς τα οικόσιτα ζώα και τους ανθρώπους, λόγω των διαταραχών που προκλήθηκαν από τις ανθρώπινες ενέργειες.⁵² Και με τη βιοποικιλότητα να έχει μειωθεί και, σε πολλές περιπτώσεις, να έχει εξαλειφθεί, η εξάπλωση των ασθενειών έγινε πολύ πιο εύκολα. Επιπλέον, υπήρχαν συγκεκριμένες κοινωνικο-οικονομικές αιτίες που προκάλεσαν αυτές τις αλλαγές, που σχετίζονται με την αποικιακή επέκταση και την παγκοσμιοποίηση του καπιταλισμού, και έχουν να κάνουν με ένα σύστημα που κυριαρχείται από «αγορές» και «κοσμοπολίτες εμπόρους».

Όπως έγραψε ο Lankester στο «Η εκδίκηση της φύσης: η ασθένεια του ύπνου» (“Nature’s Revenges: The Sleeping Sickness”):

Είμαστε δικαιολογημένοι να πιστεύουμε ότι έως ότου ο άνθρωπος εισήγαγε τα τεχνητά επιλεγμένα και μεταφερθέντα είδη βοοειδών και αλόγων στην Αφρική, δεν υπήρχε η νόσος nagana [τρυπανοσωμίαση οικόσιτων ζώων]. Το Trypanosoma Brucei έζησε στο αίμα των άγριων ζώων σε απόλυτη αρμονία με τους ξενιστές του. Επίσης, είναι πιθανό ότι το παράσιτο της ασθένειας του ύπνου «άνθισε αθώα» σε κατάσταση προσαρμογής λόγω ανοχής των αυτόχθονων πληθυσμών και ζώων της Δυτικής Αφρικής. Μόνο όταν οι Άραβες έμποροι σκλάβων, οι Ευρωπαίοι εξερευνητές και οι Ινδοί κλέφτες καουτσούκ αναστάτωσαν τους ήσυχους πληθυσμούς της Κεντρικής Αφρικής και αναστάτωσαν με τη βία τους τις ιθαγενείς φυλές, το παράσιτο της ασθένειας του ύπνου έγινε μια θανατηφόρα μάστιγα – μία «δυσαρμονία», για να χρησιμοποιήσω τον όρο που εισήγαγε ο φίλος μου [Élie Metchnikoff].⁵⁴

Ο Lankester συνέχισε επιμένοντας στην ανάγκη επέκτασης της δημόσιας υγείας σύμφωνα με την παράδοση του Simon, διακηρύσσοντας την καπιταλιστική τάση οργάνωσης της ιατρικής «ως επάγγελμα με βάση την πληρωμή».⁵⁵ Μόνο με τη συντονισμένη εμπλοκή της πολιτείας μπορεί να διασφαλιστεί η υγεία και η ασφάλεια του πληθυσμού.

Η Δεύτερη Ασθένεια

Παρά την επικράτηση του βιοϊατρικού μοντέλου, με τη στενή εστίασή του στην ιδιωτική ατομική υγεία, παρέμεινε μια ευρύτερη αντίληψη της κοινωνικοποιημένης ιατρικής, που βασίζεται σε μια ολιστική κατανόηση του κοινωνικο-οικονομικού και φυσικού περιβάλλοντος. Σημαντικοί συντελεστές αυτής της περιβαλλοντικής προσέγγισης είναι οι Du Bois, Hamilton, Bethune και Allende, καθένας από τους οποίους διερεύνησε πώς η οργάνωση και οι λειτουργίες της πολιτικής οικονομίας συνέβαλαν τόσο στην ανισότητα όσο και στην εξάπλωση των ασθενειών. Ο Bethune περιέγραψε αυτή την πτυχή ως «δεύτερη ασθένεια», η οποία έπρεπε να αναγνωριστεί ως «κοινωνικό έγκλημα», παρόμοια με την ιδέα του Ένγκελς για την κοινωνική δολοφονία.⁵⁶

Στο έργο του «Η Υγεία και Φυσική Κατάσταση των Νέγρων Αμερικανών» (The Health and Physique of the Negro American) (1906), ο Du Bois έδειξε πώς η αντιμετώπιση των επιδημιολογικών ανησυχιών θα έπρεπε να περιλαμβάνει την αντιμετώπιση φυλετικών αντιλήψεων, ειδικά όσον αφορά τις βιολογικές έννοιες σχετικά με τις έμφυτες ικανότητες και τις προδιαθέσεις. Ερεύνησε τις πιο πρόσφατες μελέτες στην ανθρωπολογία και διάφορες βιολογικές επιστήμες, οι οποίες έκριναν ότι ήταν «αδύνατο να χαράξουμε μια χρωματιστή γραμμή μεταξύ των μαύρων και των άλλων φυλών» όσον αφορά τα «φυσικά χαρακτηριστικά», έτσι οι μαύροι «δεν μπορούν να ξεχωρίσουν… ως απολύτως διαφορετικοί.»⁵⁷ Συγκεκριμένα, αμφισβήτησε διάφορες κρανιακές ανθρωπομετρικές μελέτες, όπως αυτές του Γάλλου γιατρού Paul Broca στα μέσα έως τα τέλη του 1800, ο οποίος μετρούσε και ζύγιζε τον ανθρώπινο εγκέφαλο σε μια προσπάθεια να προτείνει ξεχωριστές εξελικτικές πορείες μεταξύ των διαφόρων λαών του κόσμου. Ο Du Bois επεσήμανε τα διάφορα προβλήματα με αυτές τις μελέτες, όπως τον ανεπαρκή αριθμό εγκεφάλων από τους μαύρους, σε σύγκριση με εκείνους των λευκών, και την αποτυχία να ληφθούν υπόψη τα κοινωνικά και δημογραφικά χαρακτηριστικά, όπως η ηλικία, η τάξη, το επάγγελμα και η διατροφή.

Προκειμένου να αποδείξει τις κοινωνικές αιτίες των ασθενειών, ο Du Bois παρουσίασε μια σειρά συγκριτικών περιπτώσεων και καταστάσεων για να διαφωτίσει τις διαφορές στην υγεία και την ασθένεια. Αυτό αποκάλυψε την αδυναμία της άποψης ότι «οι νέγροι είναι εγγενώς κατώτεροι στη σωματική διάπλαση έναντι των λευκών».⁵⁸ Αναφέρει λεπτομερώς πώς τα ποσοστά θανάτου των νέγρων στη Φιλαδέλφεια, αν και υψηλά σε σχέση με τους λευκούς, ήταν χαμηλότερα από τα ποσοστά θανάτου των λευκών σε πολλές άλλες περιοχές της χώρας, υποδεικνύοντας ότι εμπλέκονταν κι άλλοι παράγοντες εκτός από τη λεγόμενη βιολογική φυλή, ιδίως οι κοινωνικές σχέσεις της φυλής και της τάξης. Προκειμένου να σφυρηλατήσει αυτή την άποψη, ο Du Bois επεσήμανε ότι στις αρχές του εικοστού αιώνα στη Ρωσία, όπου το χάσμα μεταξύ της αριστοκρατίας / αστικής τάξης και των αγροτών / προλετάριων ήταν ιδιαίτερα μεγάλο, το «ποσοστό θανάτου λόγω φτώχειας» αποκάλυψε «μια πολύ μεγαλύτερη απόκλιση σε σχέση με το ποσοστό μεταξύ των εύπορων, από ότι το ποσοστό μεταξύ των νέγρων και των λευκών της Αμερικής». Παρόμοια αποτελέσματα υπήρξαν αναφορικά με τη Βρετανία, τη Σουηδία και τη Γερμανία, όπου το ποσοστό θνησιμότητας για τους φτωχούς ήταν διπλάσιο από εκείνο των πλουσίων, με τους «εύπορους» να κυμαίνονται μεταξύ των δύο ομάδων. Οι λευκοί που εργάζονταν στις αποθήκες του Σικάγο είχαν υψηλότερο ποσοστό θανάτων από τους νέγρους εντός της πόλης.

Επισημαίνοντας αυτά τα γεγονότα, ο Du Bois διαφωνούσε με τα καθοριστικά επιχειρήματα που βασίζονταν στη βιολογική φυλή. Σε απάντηση, επεσήμανε αλληλοσυνδεόμενες μορφές καταπίεσης. Η υψηλή βρεφική θνησιμότητα, οι ασθένειες και το ευρύτερο ποσοστό θανάτων αντικατοπτρίζουν μια συνολική «κοινωνική κατάσταση», που περιλαμβάνει ανεπαρκή στέγαση, μολυσμένο νερό, έλλειψη αερισμού, ανεπαρκή διατροφή, ατμοσφαιρική ρύπανση και επικίνδυνες συνθήκες εργασίας – με όλα να συνδέονται με φυλετικές και ταξικές ανισότητες.⁵⁹ «Η φθίση [φυματίωση]», επέμεινε, «δεν είναι φυλετική αλλά κοινωνική ασθένεια».⁶⁰

Δεκαετίες αργότερα, το 1947, ο κορυφαίος Βρετανός βιολόγος και μαρξιστής θεωρητικός J. B. S Haldane έγραψε ότι η φυματίωση σχετιζόταν στενά με οικονομικούς παράγοντες, κυρίως τα πραγματικά οικονομικά κέρδη, «με τις δύο καμπύλες» των πραγματικών εισοδημάτων και των ποσοστών θανάτου από φυματίωση νεαρών γυναικών στην Αγγλία «σχεδόν πανομοιότυπες η μία με την άλλη όταν κανείς τις κοίταζε αντεστραμμένες» – μια σχέση που θα αναμενόταν να ισχύει και για άλλες καταπιεσμένες ομάδες.

Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι οι ανισότητες στην υγεία Νέγρων / Λευκών δεν ήταν σε καμία περίπτωση καθορισμένες, αλλά διέφεραν σε σχέση με την τάξη και την τοποθεσία, ο Du Bois παρείχε μια οριστική διάψευση της θεωρίας της φυλετικής κατωτερότητας των Νέγρων που προτάθηκε από τον ευγονιστή Frederick Hoffman στο Φυλετικά χαρακτηριστικά και τάσεις στους Αμερικανούς Νέγρους (Race Traits and Tendencies in the American Negro) (1896). Ο Hoffman ισχυρίστηκε ότι οι στατιστικές για την υγεία έδειχναν ότι η ευαισθησία των Νέγρων «στη φυματίωση αυτή καθαυτή θα αρκούσε για να σφραγίσει τη μοίρα τους ως φυλή».⁶² Στο οποίο ο Du Bois απάντησε:

«Το αδιαμφισβήτητο γεγονός είναι… ότι σε ορισμένες ασθένειες οι νέγροι έχουν πολύ υψηλότερα ποσοστά λοίμωξης από τους λευκούς, και ιδιαίτερα στη φυματίωση, στην πνευμονία και στις παιδικές ασθένειες. Το ερώτημα είναι: Αυτό είναι φυλετικό χαρακτηριστικό [σχετίζεται, δηλαδή, με τη βιολογική φυλή]; Ο Hoffman θα μας καθοδηγούσε να πούμε ναι, και να συμπεράνουμε ότι αυτό σημαίνει πως οι νέγροι είναι εγγενώς κατώτεροι σε φυσική κατάσταση από τους λευκούς. Αλλά η διαφορά στη Φιλαδέλφεια μπορεί να αποδοθεί σε άλλους λόγους πέρα από τη φυλή. Τα υψηλά ποσοστά θνησιμότητας των νέγρων της Φιλαδέλφειας είναι παρόλα αυτά χαμηλότερα από αυτά των λευκών της Σαβάνα, του Τσάρλεστον, της Νέας Ορλεάνης και της Ατλάντα».⁶³

Η κριτική του Du Bois για την «κακή μεταχείριση του ανθρώπου» αναφορικά με την υγεία του πληθυσμού των Νέγρων στις Ηνωμένες Πολιτείες είχε φαινομενικά ισχυρή επίδραση. Ο John William Trask, βοηθός γενικός χειρουργός στην Υπηρεσία Δημόσιας Υγείας των ΗΠΑ, έγραψε ένα άρθρο το 1916 για το American Journal of Public Health σχετικά με τη φυλή και την υγεία που ήταν εκ διαμέτρου αντίθετο με το ειδικό τεύχος «Η Υγεία του Νέγρου» (“The Health of the Negro”) στο ίδιο περιοδικό το προηγούμενο έτος, εστιάζοντας όπως ο Du Bois στον ρόλο των ταξικών και οικονομικών παραγόντων και απορρίπτοντας τη βιολογική φυλή ως βάση για την ερμηνεία αποτελεσμάτων που αφορούν την υγεία.⁶⁴Άρνολντ Μπέκλιν, Η πανούκλα, 1898, τέμπερα σε ξύλο, Μουσείο Τέχνης,Στις αρχές του εικοστού αιώνα, η γιατρός και (όπως η Kelley), κάτοικος του Hull House, Alice Hamilton, παρείχε πρωτοποριακές εργασίες που διερευνούσαν αυτό που ο Μαρξ, στο πνεύμα του Ραμαζίνι, ονόμασε «βιομηχανική παθολογία», ή εργασιακή και περιβαλλοντική υγεία. Εκείνη την εποχή, η βιομηχανική ιατρική δεν ήταν καλά εδραιωμένη στις Ηνωμένες Πολιτείες. Υπήρχαν λίγα δεδομένα. Οι γιατροί και τα αφεντικά των εταιρειών κατηγορούσαν την κακή υγεία, τις ασθένειες και τους τραυματισμούς σε μεμονωμένα περιστατικά εργαζομένων, υποδηλώνοντας ότι αυτοί είχαν αδύναμους οργανισμούς και υιοθετούσαν κακές συνήθειες υγιεινής. Η Hamilton διέλυσε συστηματικά αυτά τα επιχειρήματα μέσω εκτεταμένων ερευνών σχετικά με τις συνθήκες εργασίας. Διεξήγαγε λεπτομερείς μελέτες σχετικά με την εργασιακή δραστηριότητα σε αμέτρητα εργοστάσια, εξετάζοντας τις συνθήκες, τις χημικές ουσίες και τα υλικά που χρησιμοποιούνταν στην παραγωγή, τα σημεία έκθεσης και τις παθήσεις από τις οποίες υπέφεραν οι εργαζόμενοι.⁶⁵

Το 1908, η Hamilton παρατήρησε ότι οι Ηνωμένες Πολιτείες είχαν τόση εμμονή με την επέκταση της βιομηχανικής παραγωγής που δεν κατάφεραν να «αποτιμήσουν τους νεκρούς και τους τραυματίες» σε αυτές τις επιχειρήσεις.⁶⁶ Διέκρινε τις εργασίες που ήταν εγγενώς επικίνδυνες επειδή περιλάμβαναν δηλητηριώδεις ουσίες από εκείνες που ήταν επικίνδυνες λόγω κακών συνθηκών εργασίας. Και οι δύο περιπτώσεις απαιτούσαν ιδιαίτερη προσοχή, καθώς συνέβαλαν με διαφορετικούς τρόπους στη διατάραξη της ανθρώπινης υγείας και μεταξύ των πληθυσμών που διακρίνονταν ανά τάξη, φυλή και φύλο.

Μέσω της επιθεώρησης εργοστασίων, εκτεταμένων συνεντεύξεων και συλλογής δεδομένων σχετικά με τη δηλητηρίαση, η Hamilton κατέγραψε τοξικές διαταραχές που σχετίζονταν με υδράργυρο, αρσενικό, φώσφορο, χρωστικές ανιλίνης, βενζόλιο, ράδιο και μόλυβδο, χωρίς να περιορίζονται μόνο σε αυτές τις ουσίες. Αποκάλυψε πώς ο μόλυβδος χρησιμοποιούταν ευρέως σε όλη τη βιομηχανία, με αποτέλεσμα τη δηλητηρίαση των εργαζομένων από αυτό το στοιχείο, η οποία επηρεάζει αρνητικά το νευρικό σύστημα. Στις γυναίκες, αυτή η έκθεση σχετίστηκε με τις αποβολές. Η Hamilton εξήγησε ότι τα συμπτώματα της δηλητηρίασης από μόλυβδο γενικά δεν εκδηλώθηκαν έως ότου η κατάσταση ήταν αρκετά σοβαρή. Επιπλέον, η έκθεση θα μπορούσε να λάβει χώρα σε πολλά μέτωπα. Στα εργοστάσια που χρησιμοποιούσαν άλατα μολύβδου, οι εργαζόμενοι εισέπνεαν αυτό το υλικό καθώς αποτελούσε μέρος της σκόνης που αιωρούταν. Επομένως, ήταν απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι χρονικές πτυχές και οι διάφοροι οδοί της οικολογίας της νόσου.⁶⁷ Με βάση την έρευνά της σχετικά με τους κινδύνους της έκθεσης σε μόλυβδο, η Hamilton προειδοποίησε το 1925 κατά της χρήσης μολύβδου στη βενζίνη, σημειώνοντας ότι αποτελούσε κίνδυνο για τη δημόσια υγεία και για το περιβάλλον.

Στην έρευνά της για τη βιομηχανία καουτσούκ, η οποία βρισκόταν ακόμη στα αρχικά στάδια της εξέλιξής της, η Hamilton σημείωσε: «Δεν ήταν εύκολο να εξασφαλιστεί η επιθυμητή πληροφορία, καθώς η φύση των χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται στη σύνθεση και την ανάκτηση καουτσούκ προστατεύεται προσεκτικά ως πολύτιμο εμπορικό μυστικό, ενώ η εργασιακή νόσος μεταξύ των εργαζομένων στη βιομηχανία καουτσούκ γίνεται συχνά αντιληπτή μόνο από τον γιατρό της εταιρίας ο οποίος θεωρεί ως καθήκον του προς τους εργοδότες του να τηρεί μυστικά τέτοια περιστατικά.»⁶⁸ Αυτά τα εμπορικά μυστικά οδήγησαν στην καθυστέρηση της διάγνωσης της αιτίας για την οποία οι εργαζόμενοι εμφάνισαν κυάνωση, με τα χείλη τους να γίνονται μπλε. Τελικά, ανακαλύφθηκε ότι όλοι αυτοί οι εργαζόμενοι μεταχειρίζονταν την ουσία ανιλίνη. Τόνισε επίσης έναν διαλύτη, το δισουλφίδιο του άνθρακα, που χρησιμοποιείται στην κατασκευή καουτσούκ, ο οποίος επηρέαζε το κεντρικό νευρικό σύστημα. Οι εργαζόμενοι το εισέπνεαν αλλά μπορούσαν και να το απορροφήσουν μέσω του δέρματός τους. Τα άτομα που επηρεάστηκαν ανέπτυξαν έντονους πονοκεφάλους, κόπωση, κατάθλιψη και προβλήματα βάδισης. Δεδομένης της έκθεσης σε τόσες πολλές διαφορετικές τοξικές χημικές ουσίες, η Hamilton τόνισε ότι τα νοσοκομεία, συμπεριλαμβανομένων των ασύλων, έπρεπε να καταγράψουν το επάγγελμα των ασθενών ώστε να προσδιορίσουν την πιθανή πηγή των νόσων, αντί να αντιμετωπίσουν αυτές τις καταστάσεις ως μεμονωμένα περιστατικά.⁶⁹

Λόγω του καταμερισμού εργασίας με βάση το φύλο, οι γυναίκες υπέφεραν από διάφορες ασθένειες που σχετίζονταν με συγκεκριμένες συνθήκες εργασίας. Η Hamilton σημείωσε ότι, στα εργοστάσια κλωστοϋφαντουργίας, οι εργαζόμενες υπέφεραν από πνευμονικές παθήσεις λόγω της εισπνοής σωματιδίων βαμβακιού και μαλλιού. Μαζί με τον John B. Andrews, περιέγραψε λεπτομερώς πώς οι γυναίκες που εργάζονταν σε εργοστάσια παραγωγής σπίρτων υπέφεραν από φωσφορική νέκρωση λόγω της έκθεσης σε λευκό φώσφορο. Η Hamilton απέδειξε ότι οι κοινωνικές συνθήκες ήταν αυτές που ευθύνονταν για την εμφάνιση και διάδοση συγκεκριμένων ασθενειών και παθήσεων μεταξύ του πληθυσμού. Οι κοινωνικές ανισότητες, όπως αυτές που σχετίζονται με τον καταμερισμό της εργασίας στις γυναίκες και τους μετανάστες, είχαν ως αποτέλεσμα διαφορετικές εκθέσεις σε δηλητήρια και επικίνδυνες εργασίες.

Ο Bethune, ένας Καναδός γιατρός, ο οποίος υπηρέτησε ως χειρουργός στον Ισπανικό Εμφύλιο Πόλεμο και αργότερα στην Κινεζική Επανάσταση, υποστήριξε το 1936, στο συνέδριο της Ιατρο-Χειρουργικής Εταιρείας στο Μόντρεαλ, ότι ο καπιταλισμός «παράγει κακή υγεία» και ότι το ιατρικό του σύστημα καθορίζεται από τον «αδηφάγο ατομικισμό», σύμφωνα με τον οποίο οι γιατροί «πλουτίζουν εις βάρος των δυστυχιών των συνανθρώπων μας».⁷⁰ Ο ίδιος είχε κατορθώσει να ανακάμψει νωρίς από τη φυματίωση. Όταν μίλησε με ριζοσπάστες γιατρούς που ήταν μέλη των απελευθερωτικών δυνάμεων στην Κίνα το 1939, δήλωσε: «Ως γιατρός υπέφερα από δύο πολύ δύσκολες ασθένειες. Είχα μόλις αρχίσει να διανύω το δρόμο του χειρουργού όταν κατέληξα με μια κακή περίπτωση φυματίωσης.… Η «δεύτερη ασθένειά μου»… καλά, αυτό δεν ήταν τόσο απλό.… κατάλαβα ότι η φυματίωση δεν ήταν απλώς μια ασθένεια αλλά ένα κοινωνικό έγκλημα… Έχω μάθει τι πρέπει να κάνω για να θεραπεύσω αυτή τη δεύτερη ασθένεια».⁷¹

Η πλειοψηφία των πολιτών σε μια καπιταλιστική κοινωνία, παρατήρησε ο Bethune, λάμβανε ελάχιστη ή καθόλου υγειονομική περίθαλψη κάθε χρόνο, απλώς και μόνο επειδή δεν ήταν σε θέση να την αντέξει οικονομικά. Η ιατρική είχε γίνει ένα πολυτελές εμπόριο, στο οποίο οι γιατροί «πωλούν ψωμί στην τιμή των κοσμημάτων».⁷²Οι άνθρωποι υπέφεραν άσκοπα και πέθαιναν υπό αυτές τις συνθήκες. Δήλωσε ότι η ιδιωτική υγεία ήταν άνευ περιεχομένου στον βιομηχανικό καπιταλισμό. Αντ ‘αυτού, «όλη η υγεία είναι δημόσια υγεία».⁷³ Στη συνέχεια επέμεινε ότι η «κοινωνικοποιημένη ιατρική» ήταν απαραίτητη, που σημαίνει ότι «η προστασία της υγείας γίνεται δημόσια ιδιοκτησία», «υποστηρίζεται από δημόσιους πόρους», «η υπηρεσία είναι διαθέσιμη σε όλους», «οι εργαζόμενοι πρέπει να πληρώνονται από το κράτος», και υπάρχει «μία δημοκρατική αυτοδιοίκηση από τους ίδιους τους εργαζομένους στον τομέα της υγείας».⁷⁴ Στο πλαίσιο αυτού του μετασχηματισμού, διατύπωσε μια προσέγγιση της οικολογίας της ασθένειας:

«Οποιοδήποτε σχέδιο για τη θεραπεία της συγκεκριμένης ασθένειας που δεν λαμβάνει υπόψη τον άνθρωπο στο σύνολό του, ως μια συνισταμένη της περιβαλλοντικής πίεσης και του άγχους, είναι βέβαιο ότι θα αποτύχει. Η φυματίωση δεν είναι απλώς μια νόσος των πνευμόνων. Είναι μια ριζική αλλαγή ολόκληρου του σώματος που συμβαίνει όταν ο άνθρωπος, θεωρούμενος ως ένας οργανισμός που ενεργεί υπό την επίδραση και είναι το προϊόν του περιβάλλοντός του, αποτυγχάνει να ελέγξει ή να υποτάξει ορισμένες ζημιογόνες δυνάμεις που ενεργούν στο σώμα και το μυαλό του. Αφήστε τον να επιμείνει να συνεχίσει σε ένα τέτοιο περιβάλλον και θα πεθάνει. Αλλάξτε αυτούς τους παράγοντες, τόσο εξωτερικούς όσο και εσωτερικούς, ρυθμίστε από την αρχή το περιβάλλον του, και ο άνθρωπος, στις περισσότερες περιπτώσεις, θα ανακάμψει».⁷⁵

Ο Bethune έδειξε πώς οι περιβαλλοντικές αλλαγές ασκούνταν ήδη από τους εύπορους που είχαν φυματίωση, καθώς εκείνοι πήγαιναν στα σανατόρια για να ξεκουραστούν, να φάνε θρεπτικά φαγητά και να απολαύσουν καθαρό αέρα. Σε αντιδιαστολή οι φτωχοί, στο υπάρχον σύστημα, πέθαιναν, λόγω έλλειψης θεραπείας και κατάλληλης φροντίδας. Με την κοινωνικοποιημένη ιατρική και ένα κοινωνικο-οικονομικό σύστημα που βασίζεται στην ικανοποίηση και την εξυπηρέτηση των ανθρώπινων αναγκών, το ευρύτερο φάσμα των κοινωνικο-οικονομικών σχέσεων θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί, ως μέρος της εξάλειψης της δεύτερης ασθένειας: η κοινωνική δολοφονία που δημιουργήθηκε από τις καπιταλιστικές σχέσεις παραγωγής.

Ενστερνιζόμενος αυτή την άποψη, ο Bethune αφιέρωσε τη ζωή του στον αγώνα για ένα τέτοιο μέλλον. Μετά το θάνατό του από δηλητηρίαση το 1939, μετά από χειρουργική επέμβαση σε έναν τραυματισμένο Κινέζο στρατιώτη, ο Mao Zedong έγραψε συγκινητικά: «Ο σύντροφος Bethune ήταν γιατρός, η τέχνη της θεραπείας ήταν το επάγγελμά του και τελειοποιούσε συνεχώς τις ικανότητές του», διέθετε ένα «αληθινό κομμουνιστικό πνεύμα» και έδειξε μια πλήρη «αφοσίωση στους άλλους.… είμαι βαθιά θλιμμένος για τον θάνατό του». Ήταν «ένας άνθρωπος… με αξία για τους άλλους ανθρώπους».⁷⁶

Το 1939, την ίδια χρονιά που απεβίωσε ο Bethune στην Κίνα, ο Allende έγραψε το κλασικό επιδημιολογικό του έργο, Η Χιλιανή Ιατρο-Κοινωνική Πραγματικότητα (The Chilean Medico–Social Reality), ενώ υπηρετούσε ως υπουργός υγείας στην κυβέρνηση του Λαϊκού Μετώπου με επικεφαλής τον Pedro Aguirre Cerda. Ο Allende εξήγησε: «Το άτομο στην κοινωνία δεν είναι μια αφηρημένη οντότητα: ο άνθρωπος γεννιέται, αναπτύσσεται, ζει, εργάζεται, αναπαράγεται, αρρωσταίνει και πεθαίνει υπό αυστηρή υποταγή στο περιβάλλον, του οποίου οι εναλλασσόμενες συνθήκες ενεργοποιούν διαφορετικούς τρόπους αντίδρασης, έναντι των αιτιολογικών παραγόντων της νόσου. Το υλικό περιβάλλον καθορίζεται από τους μισθούς, τη διατροφή, τη στέγαση, τα ρούχα, τον πολιτισμό και πρόσθετους συγκεκριμένους και ιστορικούς παράγοντες».⁷⁷ Ο Allende, όπως οι Du Bois και Bethune, χαρακτήρισε τη φυματίωση ως μία «κοινωνική ασθένεια» λόγω της πολύ μεγαλύτερης συχνότητας εμφάνισής της στους πληθυσμούς της εργατικής τάξης. Θεώρησε ασθένειες όπως ο τύφος, ως εκδηλώσεις προλεταριοποίησης και πτώχευσης. Όπως έγραψε ο Howard Waitzkin, «η έκθεση του Allende σχετικά με τους κοινωνικούς παράγοντες που συμβάλλουν στην αιτιολογία των μολυσματικών νόσων προμήνυσε πολλές εμφάσεις της σύγχρονης επιδημιολογίας. Τα επιχειρήματά του ξεπέρασαν την αναζήτηση συγκεκριμένων αιτιολογικών παραγόντων και θεραπειών – που αποτελούσαν την κυρίαρχη προοπτική της δυτικής ιατρικής τη στιγμή που έγραφε ο Allende».⁷⁸

Όπως ο Marx, έτσι και ο Allende αναφέρθηκε στις εργασιακές νόσους ως μία «κοινωνική παθολογία» που προωθεί η καπιταλιστική εκβιομηχάνιση. Υπογράμμισε τις ανεπάρκειες της δυτικής ιατρικής, οι οποίες την ανάγκασαν να αγνοήσει σχεδόν εντελώς τον ρόλο της εργασιακής νόσου, με αποτέλεσμα την έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το θέμα.⁷⁹

Ο Allende ασχολήθηκε ιδιαίτερα με τις επιπτώσεις του ιμπεριαλισμού στον περιορισμό της κοινωνικής ιατρικής στη Λατινική Αμερική και σε ολόκληρο τον τρίτο κόσμο. Ήταν ίσως ο πρώτος που άσκησε κριτική στις μεγάλες φαρμακοβιομηχανίες ως φορείς της κυριαρχίας της υγείας από μονοπωλιακά κεφάλαια και ιμπεριαλιστικές δυνάμεις. Τόνισε τις πολύ υψηλότερες τιμές για τα εμπορικά σήματα και την παραπλανητική εμπορική προπαγάνδα των κορυφαίων πολυεθνικών φαρμακευτικών εταιρειών. Αφού εξελέγη πρόεδρος της Χιλής στην κυβέρνηση της Λαϊκής Ενότητας το 1970, προώθησε την εθνικοποίηση της φαρμακευτικής βιομηχανίας, η οποία ελεγχόταν από ξένες διεθνείς εταιρείες και ζήτησε να γίνεται έλεγχος στις τιμές των φαρμάκων.⁸⁰

Καπιταλισμός έναντι Οικο–σοσιαλιστικής Επιδημιολογίας

Ο θάνατος του Allende το 1973, κατά τη διάρκεια του πραξικοπήματος της Χιλής που ξεκίνησε ο Augusto Pinochet και υποστηρίχθηκε από τις Ηνωμένες Πολιτείες, σηματοδότησε, ταυτόχρονα, όχι μόνο την κατάρρευση ενός από τα μεγάλα σοσιαλιστικά πειράματα και την έναρξη του νεοφιλελευθερισμού από τη στρατιωτική δικτατορία του Pinochet σε συνεργασία με τους οικονομολόγους του Σικάγου με επικεφαλής τον Milton Friedman· αντιπροσώπευε επίσης την απώλεια του Allende ως μιας από τις σπουδαίες προσωπικότητες της κοινωνικής ιατρικής. Πουθενά ο νεοφιλελευθερισμός δεν είχε πιο καταστροφικές επιπτώσεις από την καταστροφή των εγχειρημάτων δημόσιας υγείας και κοινωνικής ιατρικής σε όλο τον κόσμο.⁸¹

Η ριζοσπαστική άνοδος τη δεκαετία του 1970, ωστόσο, οδήγησε σε σημαντικές ανακαλύψεις στην κοινωνική επιδημιολογία, οι οποίες συνεχίστηκαν στη δεκαετία του ’80 και συγχωνεύθηκαν τη δεκαετία του ’90 με οικολογικές προοπτικές. Αυτό χρησίμευσε στην αναζωογόνηση και επέκταση της διαλεκτικής προοπτικής των Αέρων, Υδάτων και Τόπων σχετικά με την ενσωμάτωση της ανθρωπότητας στο ευρύτερο περιβάλλον της, που προωθούταν από καιρό από τους υλιστές και τους σοσιαλιστές διανοούμενους. Έτσι, η κυρίαρχη καπιταλιστική επιδημιολογική προοπτική των βιοϊατρικών παραγόντων και του τρόπου ζωής αμφισβητήθηκε ολοένα και περισσότερο από τη δεκαετία του 1970 από μια προσέγγιση που υπογράμμισε «την οικο-σοσιαλιστική θεωρία της κατανομής των ασθενειών: ενσαρκώνοντας το κοινωνικό και οικολογικό πλαίσιο». ⁸²Αυτά τα χρόνια έλαβε χώρα η άνοδος του διαλεκτικού ιστορικού υλισμού με το έργο ριζοσπαστικών μορφών, όπως η Hilary και ο Steven Rose, που προώθησαν κινήματα όπως το «επιστήμη για τους ανθρώπους» (“science for the people”) στις Ηνωμένες Πολιτείες και το Ηνωμένο Βασίλειο, εισάγοντας τις έννοιες της «υλιστικής επιδημιολογίας», της «πολιτικής οικονομίας της υγείας» και της «κοινωνικής αιτιολογίας της νόσου».⁸³ Ενδεικτικά αυτών των επαναστατικών νέων εξελίξεων αναφέρεται ότι η Barbara και ο John Ehrenreich δημοσίευσαν το Η Αμερικανική Δυναστεία της Υγείας το 1970. Ο Vicente Navarro ίδρυσε το 1971 το σημαντικότερο όργανο κριτικής στην κοινωνική ιατρική, το περιοδικό International Journal of Health Services. Η Barbara Ehrenreich και η Deirdre English ολοκλήρωσαν το Μάγισσες, Μαίες και Νοσοκόμες (Witches, Midwives, and Nurses) το 1973. Ο Lesley Doyal έγραψε την Πολιτική Οικονομία της Υγείας (The Political Economy of Health) το 1979. Ο Waitzkin ολοκλήρωσε τη Δεύτερη Ασθένεια (The Second Sickness) το 1983. Οι Levins και Richard Lewontin εξέδωσαν το Ο Διαλεκτικός Βιολόγος (The Dialectical Biologist) το 1985 και ο David Himmelstein και ο Steffie Woolhandler συνέστησαν το Γιατροί για ένα Εθνικό Πρόγραμμα Υγείας (Physicians for a National Health Program) το 1987 (ένα χρόνο μετά την επιμέλεια ενός ειδικού τεύχους του Monthly Review με θέμα «Επιστήμη, Τεχνολογία και Καπιταλισμός»).⁸⁴

Στη δεκαετία του 1990, αυτές οι κρίσιμες προοπτικές για την ιατρική, την υγεία και τις ασθένειες συγχωνεύτηκαν με τις νέες οικολογικά προσανατολισμένες προσεγγίσεις, που χαρακτηρίζονταν ειδικά από την «οικο-σοσιαλιστική θεωρία της κατανομής των ασθενειών» (“ecosocial theory of disease distribution”) της Nancy Krieger, στην οποία ενσωμάτωσε «κατασκευές που σχετίζονται με την πολιτική οικονομία, την πολιτική οικολογία, τα οικοσυστήματα, χωροχρονικές κλίμακες και επίπεδα, βιολογικά μονοπάτια υλοποίησης και την κοινωνική παραγωγή της επιστημονικής γνώσης» προκειμένου να ξεπεραστεί το περιορισμένο, φιλικό προς το κεφάλαιο βιοϊατρικό μοντέλο της υγείας και της νόσου.⁸⁵ Αυτή η οικο-σοσιαλιστική προσέγγιση είναι σύμφωνη με μία μακρά ιστορία της ανθρώπινης οικολογίας, που αντανακλάται στο έργο του ιστορικού-υλιστή βιολόγου Lancelot Hogben το 1930, με την ολιστική του έμφαση στο «οικολογικό σύστημα του ανθρώπου» (“the ecological system of man”).⁸⁶

Στο βιβλίο Βιολογία υπό Επιρροή (Biology Under the Influence) το 2007, οι Lewontin και Levins επέκριναν ρητά την ακραία αναγωγή του έργου του ανθρώπινου γονιδιώματος που υποθέτει ότι η ασθένεια μπορεί να καταπολεμηθεί με σχεδιασμένα γονίδια, χωρίς να ληφθεί υπόψη η «τριπλή έλικα» που αντιπροσωπεύεται από τη διαλεκτική του γονιδίου, του οργανισμού, και του περιβάλλοντος.⁸⁷ Παρόμοιες αναγωγικές φαντασιώσεις προέκυψαν από εκείνους που πίστευαν ότι τα αντιβιοτικά θα μπορούσαν να θεραπεύσουν όλες τις βακτηριακές λοιμώξεις, αποτυγχάνοντας να κατανοήσουν ότι τα βακτήρια, ως ζωντανοί οργανισμοί, εξελίσσονται και μεταλλάσσονται, αναιρώντας τις δράσεις συγκεκριμένων αντιβιοτικών. Η υπερβολική χρήση αντιβιοτικών στον καπιταλισμό, ιδιαίτερα σε μεγάλης κλίμακας αγροτικές επιχειρήσεις και εργοστάσια εκτροφής κοτόπουλων, όπου τα αντιβιοτικά χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση βακτηριακών νόσων που σχετίζονται με τον υπερπληθυσμό, έχει οδηγήσει στην ταχεία εξέλιξη ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηρίων ή “superbugs“, απειλώντας τον ανθρώπινο πληθυσμό — παράγοντας ακόμη μια περίπτωση αυτού στο οποίο ο Lankester (μετά τον Ένγκελς) αναφερόταν ως «Η Εκδίκηση της Φύσης».⁸⁸

Για τον Levins, γράφοντας στο «Είναι ο καπιταλισμός μια Ασθένεια;» (“Is Capitalism a Disease?”), οι πέντε πρωταρχικές κοινωνικές απαντήσεις στη σύγχρονη κρίση της υγείας απαιτούν την εστίαση στα ακόλουθα: (1) υγεία του οικοσυστήματος, (2) περιβαλλοντική δικαιοσύνη, (3) κοινωνικό προσδιορισμό της υγείας, (4 ) υγειονομική περίθαλψη για όλους και (5) εναλλακτική ιατρική.⁸⁹ Σε αυτά πρέπει να προστεθεί, όπου είναι δυνατόν, μια οικο-σοσιαλιστική προσέγγιση της επιστημονικής έρευνας στον τομέα της ιατρικής. Η χώρα που παρουσιάζει καλύτερα μια τέτοια κοινωνική προσέγγιση στην υγειονομική περίθαλψη είναι η Κούβα, όπου λαμβάνονται υπόψη όλοι αυτοί οι παράγοντες. Παρά το γεγονός ότι είναι μια μικρή, φτωχή χώρα που αντιμετωπίζει οικονομικό αποκλεισμό από τις Ηνωμένες Πολιτείες, η Κούβα έχει αναδειχθεί ως παγκόσμιος ηγέτης στη βιοτεχνολογία. Για παράδειγμα, είναι η μόνη χώρα στη Λατινική Αμερική που αναπτύσσει εμβόλια έναντι της COVID-19.⁹⁰ Αυτό οφείλεται στην σοσιαλιστική και οικολογική της προσέγγιση, σύμφωνα με την οποία θεωρεί την υγεία ως βασική παραγωγική συνιστώσα, στην οποία μετρά το συνολικό «ανθρώπινο κεφάλαιο», αντί να ορίζεται απλώς ως χαρακτηριστικό των ατόμων, διαμεσολαβούμενο από την κοινωνική τάξη. Έτσι, η Κούβα έχει υιοθετήσει έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο επιστημονικής έρευνας, ο οποίος βασίζεται στην αντίληψη ότι η γνώση είναι συλλογική, διεπιστημονική, συγκεκριμένη, τοπική και συχνά σιωπηλή. Αυτό, όπως εξήγησε ο Agustín Lage Dávila, διευθυντής του Κέντρου Μοριακής Ανοσολογίας στην Αβάνα, έρχεται σε αντιπαράθεση με τις κυρίαρχες ατομικιστικές, αναγωγικές, μη τοπικές και εξω-περιβαλλοντικές προσεγγίσεις που χαρακτηρίζουν το κυρίαρχο κεφαλαιοκρατικό μοντέλο επιστημονικής έρευνας.⁹¹Βαρελάς Τακης /”Πανδημίας Εποχή” / 35cm X 50cm / ξηρό παστέλ σε χαρτί.Με την απαρχή της πανδημίας COVID-19, η σημασία της ιστορικής-υλιστικής επιδημιολογίας έχει γίνει ολοένα και πιο εμφανής, όπως στο έργο του Rob Wallace, συγγραφέα των Οι Μεγάλες Φάρμες γεννούν τη Μεγάλη Γρίπη και Νεκρούς Επιδημιολόγους (Big Farms Make Big Flu and Dead Epidemiologists).⁹² Για τον Wallace και τους επιδημιολόγους που σχετίζονται με την Structural One Health (μια πιο κρίσιμη, οικο-σοσιαλιστική παραλλαγή της πλέον κυρίαρχης προσέγγισης One Health που υιοθετήθηκε από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας), το κλειδί είναι η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το νέο κύμα θανατηφόρων επιδημιών συνδέεται όχι με τις «απόλυτες γεωγραφικές θέσεις», αλλά με τα κυκλώματα του κεφαλαίου που εισήχθησαν από τη νεοφιλελεύθερη παγκοσμιοποίηση. Αυτό περιλαμβάνει την καταστροφή των οικοσυστημάτων και τη συσσώρευση τεράστιων μονοκαλλιεργειών μεμονωμένων ειδών, ιδίως στις ζωικές μονάδες. Όλα αυτά ενθαρρύνουν τη διαρροή ζωονόσων σε εξημερωμένα ζώα και ανθρώπους, που μεταδίδονται στα κυκλώματα του κεφαλαίου, δημιουργώντας αυτό που ονομάζεται «οικολογική ανατροπή». Η επέκταση των καπιταλιστικών εμπορικών αλυσίδων και η νεοφιλελεύθερη κατεδάφιση των συστημάτων δημόσιας υγείας έχουν αυξήσει την ταχύτητα με την οποία οι ασθένειες εξαπλώνονται παγκοσμίως, καθιστώντας τους πληθυσμούς – ιδιαίτερα τους φτωχούς και φυλετικά καταπιεσμένους – πιο ευάλωτους.⁹³

Όπως εξήγησε ο Wallace, «ο καπιταλισμός δεν αφορά μόνο την παραγωγή μεταβολικών ρήξεων μεταξύ της οικονομίας και της οικολογίας μας στο δρόμο προς το κέρδος, καταστρέφοντας την ικανότητά μας να αναπαραγόμαστε ως πολιτισμός. Πρόκειται επίσης για την παραγωγή νέων οικολογιών που αναπαράγουν το κεφάλαιο που απαλλοτριώνει το δίκτυο της ζωής».⁹⁴ Μια παρόμοια άποψη προτείνεται από τον οπαδό του Μαρξ και του Kalecki, τον οικονομολόγο Riccardo Bellofiore, ο οποίος έχει δηλώσει δυναμικά: «Η υπόγεια ρίζα» της τρέχουσας κρίσης του κορωνοϊού, στις πολλαπλές οικονομικές, επιδημιολογικές και οικολογικές πτυχές της, έγκειται στη «συστηματική ληστεία και καταστροφή του «άλλου» για το κεφάλαιο.… Τόσο η «εξωτερική» φύση όσο και τα ανθρώπινα όντα ως μέρος της φύσης, στη διαλεκτική τους αλληλεπίδραση» υπόκεινται τώρα σε αυτό το σύστημα της καθολικής αποξένωσης. Αυτό οδήγησε την παρούσα στιγμή σε «μια ιδιαίτερα δραματική και ρητή περίπτωση απώλειας ελέγχου του μεταβολισμού μεταξύ της φύσης και της ανθρώπινης παρέμβασης».⁹⁵

Σήμερα η ιδέα ότι τα ανθρώπινα όντα μπορούν να κατανοηθούν εκτός του ευρύτερου περιβάλλοντός τους έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα από τα πιο θανατηφόρα λάθη στη μακρά ιστορία της ανθρωπότητας. Η επιστροφή σε μια διαλεκτική προοπτική για την ανθρωπότητα και τη φύση, που ανιχνεύεται πίσω στους αρχαίους Έλληνες και στην αντίληψη του Περί Αέρων, Υδάτων και Τόπων, και διατηρήθηκε και ενισχύθηκε εδώ και χιλιετίες μέσα από το έργο υλιστών, σοσιαλιστών και οικολόγων στοχαστών, είναι μια υπαρξιακή απαίτηση για οικολογική διαβίωση στην Ανθρωπόκαινο εποχή, σε έναν κόσμο πέρα από το κεφάλαιο.ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

Οι συγγραφείς χρησιμοποιούν σε όλη την έκταση του άρθρου τον όρο «Negro» αντί του πιο συνήθη, στη σύγχρονη βιβλιογραφία, «Afro-American». Αυτός είναι ο λόγος που επιλέξαμε τη χρήση του όρου «Nέγρος» στη μετάφραση.ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Η συντακτική επιτροπή του InS ευχαριστεί την αρχιτέκτονα / εικαστικό κ. Βασιλική Φίλου για την προσφορά του πίνακα με τον τίτλο «Αλληγορία Νο 2» και τον ζωγράφο Παναγιώτη (Τάκη) Βαρελά, μέλος του ΔΣ του Εθνικού Μουσείου Σύγχρονης Τέχνης (ως εκπρόσωπος του Επιμελητήριου Εικαστικών Τεχνών Ελλάδας) για τη προσφορά του πίνακά του από τη σειρά έργων με τον τίτλο «ΠΑΝΔΗΜΙΑΣ ΕΠΟΧΗ», που φιλοτεχνήθηκαν για τη στήριξη του κινήματος των υγειονομικών κατά τη διάρκεια της πανδημίας, καθώς και για την υπόδειξη του αφιερώματος του εικαστικού Ανδρέα Μαράτου με τίτλο «Ζωγραφικά βλέμματα σε καιρούς πανδημιών» στην ιστοσελίδα alt.gr από το οποίο αντλήθηκαν οι πίνακες μεγάλων ζωγράφων με θέματα σχετικά με τις πανδημίες.
1. ↩Frederick Engels, Socialism: Utopian and Scientific (New York: International Publishers, 1978), 45.
2. ↩Hippocratic author, Airs, Waters, and Places, διαθέσιμο στη σελίδαmit.edu. Βλ. επίσης Hippocratic Writings (London: Penguin, 1950). Στο κείμενο, ακολουθούμε τον Benjamin Farrington, καθώς αναφέρεται στον τίτλο ως Airs Waters Places. Βλ. Benjamin Farrington, Head and Hand in Ancient Greece (London: Watts and Co., 1947), 39.
3. ↩Charles E. Rosenberg, “Epilogue: Airs, Waters, Places,” Bulletin of the History of Medicine 86 (2012): 661; Nancy Krieger, Epidemiology and the People’s Heath (Oxford: Oxford University Press, 2011), vii–xi.
4. ↩Farrington, Head and Hand in Ancient Greece, 35.
5. ↩Karl Marx, Capital, vol. 1 (London: Penguin, 1976), 484–85.
6. ↩Παράθεση του Ramazzini στον Farrington, Head and Hand in Ancient Greece, 38; J. S. Felton, “The Heritage of Bernardino Ramazzini,” Occupational Medicine 47, no. 3 (1997): 167–79. Για μία πιο πρόσφατη μετάφραση, βλ. Bernardino Ramazzini, Diseases of Workers (Thunder Bay, Ontario: OH&S Press, 1993), 42.
7. ↩Paul de Kruif, The Microbe Hunters (San Diego: Harvest, 1996).
8. ↩Η Nancy Krieger εισήγαγε την έννοια «οικο-σοσιαλιστική» στις επιστήμες της υγείας το 1994 ως μέρος της «οικο-σοσιαλιστικής θεωρίας της κατανομής των ασθενειών», δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση σε αυτόν τον όρο. Krieger, Epidemiology and the People’s Health, 202–3, 213.
9. ↩Abdel R. Omran, “The Epidemiologic Transition,” Milbank Quarterly 49, no. 4, part 1 (1971): 509–38. Η έννοια της επιδημιολογικής μετάβασης φυσικά προϋπήρχε, πριν από την διατύπωση του όρου. Βλ., για παράδειγμα, H. G. Wells, Julian S. Huxley, and G. P. Wells, The Science of Life (New York: Literary Guild, 1934), 1089–90.
10. ↩John W. Sanders, Greg S. Fuhrer, Mark D. Jonson, and Mark S. Riddle, “The Epidemiological Transition: The Current Status of Infectious Diseases in the Developed World versus the Developing World,” Science Progress 9, no. 2 (2008): 1–38; M. H. Wahdan, “The Epidemiological Transition,” La Revue de Santé de la Méditrranée Orientale 2, no. 1 (1996): 8–20; Frank M. Snowden, “Emerging and Reemerging Diseases: A Historical Perspective,” Immunological Review 225, no. 1 (2008): 9–26.
11. ↩Richard Levins, “Is Capitalism a Disease?,” Monthly Review 52, no. 4 (September 2000): 11. Εισήχθη επίσης ως κεφάλαιο στο Richard Lewontin and Richard Levins, Biology Under the Influence (New York: Monthly Review Press, 2007): 297–319.
12. ↩John Bellamy Foster, The Return of Nature (New York: Monthly Review Press, 2020), 173–74, 183–84.
13. ↩George Eliot, Middlemarch (New York: Signet, 1981), 143–44.
14. ↩Michael E. Rose, “The Doctor in the Industrial Revolution,” British Journal of Industrial Medicine 28 (1971): 22–26; Ronald Meek, Economics, Ideology, and Other Essays (London: Chapman and Hall, 1967), 34–50.
15. ↩“Accept ,” British Medical Journal, August 1, 1908.
16. ↩Foster, The Return of Nature, 28–29.
17. ↩Edward Smith, Health and Disease (London: Walton and Maberly, 1861); Encyclopedia.com, s.v. “Smith, Edward,” accessed April 27, 2021.
18. ↩Karl Marx and Frederick Engels, Collected Works, vol. 4 (New York: International Publishers, 1975), 403–6.
19. ↩Marx and Engels, Collected Works, vol. 4, 361–62, 389–92.
20. ↩Marx and Engels, Collected Works, vol. 4, 394, 407; Foster, The Return of Nature, 184, 196.
21. ↩Howard Waitzkin, The Second Sickness (New York: Free Press, 1983), 60–63; Foster, The Return of Nature, 212–15; Brett Clark and John Bellamy Foster, “Florence Kelley and the Struggle Against the Degradation of Life,” Organization & Environment 19, no. 2 (2006): 251–63.
22. ↩Lancelot Hogben, Science for the Citizen (New York: Alfred A. Knopf, 1938), 875.
23. ↩Marx, Capital, vol. 1, 348–49; Karl Marx, Capital, vol. 3 (London: Penguin, 1981), 949. Η παρατήρηση του Μαρξ που συνδέει το εμπόριο γκουανό και τις περιοδικές επιδημίες ως εξίσου αντιπροσωπευτικές του μεταβολικού ρήγματος, προανήγγειλε την ανάλυση του Lancelot Hogben, ο οποίος ολοκλήρωσε ένα κεφάλαιο με τίτλο «The Microbe Hunters» στο Science for the Citizen με μια συζήτηση για το εμπόριο γκουανό ως παράδειγμα διαταραχής του κύκλου του αζώτου και των επιπτώσεων στη γεωργία, βλέποντας σαφώς αυτές τις διαταραχές των φυσικών ουσιών ως «ανοησίες ενός νεαρού πολιτισμού». Βλ. Hogben, Science for the Citizen, 877–79.
24. ↩Σχετικά με την έννοια του σωματικού ρήγματος, βλ. John Bellamy Foster and Brett Clark, The Robbery of Nature (New York: Monthly Review Press, 2020), 23–32.
25. ↩Σχετικά με τον John Simon και την επιρροή του στους Μαρξ και Ένγκελς, βλ. Foster, The Return of Nature, 199–212.
26. ↩Marx, Capital, vol. 1, 812.
27. ↩John Simon, English Sanitary Institutions (London: Smith, Elder, Co., 1897), 437–39, 443–45, 455–58, 480–81; Foster, The Return of Nature, 199–204, 208, 211–12, 573.
28. ↩Marx, Capital, vol. 1, 812–13, 834–35.
29. ↩Henry Julian Hunter, παράρτημα 2 στο Report on the Housing of the Poorer Parts of the Population in Towns, στο Medical Officer of the Privy Council, Eighth Public Health Report, 1865 (London: Her Majesty’s Government, 1866), 89. Marx and Engels, Collected Works, vol. 35, 654; Marx, Capital, vol. 1, 814–15. Η έκδοση του Κεφαλαίου από την Penguin είναι ανεπαρκής εδώ καθώς λείπει ένα κρίσιμο μέρος της πρότασης του Χάντερ, σχετικά με το κεφάλαιο.
30. ↩Marx, Capital, vol. 1, 635–36, 818.
31. ↩Marx, Capital, vol. 1, 818–20.
32. ↩Marx, Capital, vol. 1, 846.
33. ↩Marx, Capital, 1, 723–24.
34. ↩Marx, Capital, vol. 1, 822.
35. ↩Edward Smith, παράρτημα 6 στο Medical Officer of the Privy Council, Sixth Public Health Report, 1863 (London: Her Majesty’s Government, 1864), 238, 249, 261–62; Karl Marx, On the First International (New York: McGraw-Hill, 1973), 5–7; Marx, Capital, vol. 1, 834–35; Foster and Clark, The Robbery of Nature, 107–8.
36. ↩Henry Julian Hunter, παράρτημα 14 στο “Report on the Excessive Mortality of Infants in Some Districts of England,” in Sixth Public Health Report, 1863, 453–59; Marx, Capital, vol. 1, 520–22, 835–36; Foster and Clark, The Robbery of Nature, 84–85.
37. ↩Μια δεκαετία νωρίτερα, ο Edwin Lankester, ως ιατρός της ενορίας του Saint James, μαζί με τον Δρ John Snow και τον Αιδεσιμότατο Henry Whitehead, είχαν ανακαλύψει περίτρανα ότι η πηγή της επιδημίας χολέρας του 1854 στο Λονδίνο ήταν η αντλία νερού της Broad Street, αποδεικνύοντας ότι η χολέρα ήταν μια ασθένεια που μεταδίδεται από το νερό-μια σημαντική ανακάλυψη που οδήγησε στη θεωρία περί μικροβιακής προέλευσης των ασθενειών. Βλ. Foster, The Return of Nature, 29–31, 37.
38. ↩Marx, Capital, vol. 1, 364–67.
39. ↩John Simon in Sixth Public Health Report, 1863, 29–31; Marx, Capital, vol. 1, 594; Marx, Capital, vol. 3, 190. Αυτό το απόσπασμα από τον John Simon είναι γεμάτο λανθασμένες παραθέσεις σε όλες τις αγγλόφωνες εκδόσεις του Capital. Φαίνεται ότι έχει μεταφραστεί στα αγγλικά από τα γερμανικά, αντί να χρησιμοποιηθεί το πρωτότυπο αγγλικό. Παρατίθεται εδώ από το πρωτότυπο.
40. ↩Ο Μαρξ και ο Lankester ήταν στενοί φίλοι τα τελευταία χρόνια της ζωής του πρώτου. Ο Μαρξ ενδιαφέρθηκε για το έργο του Lankester Degeneration, το οποίο ασχολήθηκε με τον παρασιτισμό. Βλ. E. Ray Lankester, Degeneration (London: Macmillan and Co., 1880). Ο Λάνκεστερ έλαβε το δικό του αντίτυπο του Κεφαλαίου από τον ίδιο τον Μαρξ. Βλ. Foster, The Return of Nature, 27, 35–40.
41. ↩Για αξιολογήσεις των επιτευγμάτων του Lankester, βλ. Foster, The Return of Nature, 24–72; Joseph Lester, Ray Lankester and the Making of Modern British Biology (Oxford: British Society for the History of Science, 1995).
42. ↩Ray Lankester, “On Undulina, the Type of a New Group of Infusoria,” Quarterly Journal of Microscopical Science 11 (1971): 387–89; Lester, Ray Lankester, 149; E. Ray Lankester, The Kingdom of Man (New York: Henry Holt and Co, 1911), 173–74.
43. ↩Ray Lankester, “On Drepanidium Ranarum, the Cell-Parasite of the Frog’s Blood and Spleen,” Quarterly Journal of Microscopic Science XXII (1882): 53–65; Lester, Ray Lankester, 147–48.
44. ↩Ray Lankester, Science from an Easy Chair: Second Series (London: Methuen and Co., 2015), 353.
45. ↩Ray Lankester, πρόλογος στο Olga Metchnikoff, Life of Elie Metchnikoff, 1845–1916 (Boston: Houghton Mifflin, 1921), vii–viii; E. Ray Lankester, The Advancement of Science (London: Macmillan and Co., 1890), 148, 150, 164–65.
46. ↩Lankester, The Kingdom of Man, 161, 166–67; Daniel R. Headrick, “Sleeping Sickness Epidemics and Colonial Responses in East and Central Africa, 1900–1940,” PLOS Neglected Tropical Diseases 8, no. 4 (2014); Maryinez Lyons, “Sleeping Sickness in the History of the Northeast Congo (Zaire),” Canadian Journal of African Studies 19, no. 3 (1985): 627–33; Gerasimos Langousis and Kent L. Hill, “Motility and More: The Flagellum of Trypanosoma brucei,” Nature Reviews Microbiology 12, no. 7 (2014): 505–18.
47. ↩Headrick, “Sleeping Sickness Epidemics.”
48. ↩Lankester, The Kingdom of Man, 165–66, 175, 189; Lester, Ray Lankester, 148–50.
49. ↩Lankester, The Kingdom of Man, 145, 165–71; Headrick, “Sleeping Sickness Epidemics.”
50. ↩Lankester, The Kingdom of Man, 160–61.
51. ↩Lankester, The Kingdom of Man, 32–33, 185–87.
52. ↩Lankester, Science from an Easy Chair, 343–44.
53. ↩Lankester, The Kingdom of Man, 31–33; Lester, Ray Lankester, 190.
54. ↩Lankester, The Kingdom of Man, 189.
55. ↩Lankester, The Kingdom of Man, 191.
56. ↩Norman Bethune quoted in The Scalpel, The Sword, by Sydney Gordon and Ted Allan (New York: Monthly Review Press, 1973), 250.
57. ↩ B. Du Bois, The Health and Physique of the Negro American(Atlanta: Atlanta University Press, 1906), 16. Βλ. Stephen Jay Gould, The Mismeasure of Man (New York: W. W. Norton & Company, 1996) για μια σημαντική κριτική των διαφόρων προκαταλήψεων, συνειδητών και ασυνείδητων, που επηρέασαν τον Broca και άλλους. Ο παραλληλισμός μεταξύ της κριτικής του Du Bois και του Gould είναι αρκετά συναρπαστικός.
58. ↩Du Bois, The Health and Physique of the Negro American, 24–25, 89.
59. ↩Du Bois, The Health and Physique of the Negro American, 89–90; W. E. B. Du Bois, The Philadelphia Negro (Philadelphia: Ginn & Co., 1899), 147–63.
60. ↩Du Bois, The Health and Physique of the Negro American, 89.
61. ↩ S. Haldane, Science Advances(London: George Allen and Unwin, 1947), 153–57.
62. ↩Frederick L. Hoffman, Race Traits and Tendencies of the American Negro (New York: American Economic Association, 1896), 148; Krieger, Epidemiology and the People’s Health, 109–10.
63. ↩Du Bois, The Health and Physique of the Negro American, 89.
64. ↩John William Trask, “The Significance of the Mortality Rates of the Colored Populations of the United States,” American Journal of Public Health 6 (1916): 254–60; Krieger, Epidemiology and the People’s Health, 117–20.
65. ↩Alice Hamilton, Industrial Poisons in the United States (New York: Macmillan Company, 1929); Alice Hamilton, Exploring the Dangerous Trades (Boston: Little, Brown and Company, 1943).
66. ↩Alice Hamilton, “Industrial Diseases, with Special Reference to the Trades in Which Women Are Employed,” Charities and the Commons, September 5, 1908.
67. ↩Hamilton, Industrial Poisons in the United States, 94–109; Alice Hamilton, Industrial Poisons Used in Rubber Industry (Washington DC: Government Printing Office, 1915), 13.
68. ↩Hamilton, Industrial Poisons Used in Rubber Industry, 6.
69. ↩Hamilton, Industrial Poisons Used in Rubber Industry, 26–30.
70. ↩Bethune quoted in The Scalpel, The Sword, 95.
71. ↩Bethune quoted in The Scalpel, The Sword, 250.
72. ↩Bethune quoted in The Scalpel, The Sword, 93–94.
73. ↩Pritha Chandra and Pratyush Chandra, “Bethune’s Socialized Medicine and the Public Health Crisis Today,” The Bullet, May 25, 2020.
74. ↩Bethune quoted in The Scalpel, The Sword, 96.
75. ↩Norman Bethune, “A Plea for Early Compression in Pulmonary Tuberculosis,” Canadian Medical Association Journal 27, no. 1 (1932): 37.
76. ↩Mao Zedong “In Memory of Dr. Norman Bethune,” in Away with All Pests, by Joshua S. Horn (New York: Monthly Review Press, 1971), 187–88.
77. ↩Salvador Allende quoted in Waitzkin, The Second Sickness, 66.
78. ↩Waitzkin, The Second Sickness, 67.
79. ↩Waitzkin, The Second Sickness, 68.
80. ↩Waitzkin, The Second Sickness, 68–69.
81. ↩Σχετικά με το πραξικόπημα στη Χιλή και το επακόλουθο δόγμα του νεοφιλελεύθερου σοκ που θεσπίστηκε υπό την επίβλεψη του Σικάγο, βλ. Naomi Klein, The Shock Doctrine (New York: Picador, 2008), 8, 70–80. Σχετικά με τις γενικές επιπτώσεις του νεοφιλελευθερισμού στην υγειονομική περίθαλψη, βλ. Howard Waitzkin, ed., Health Care Under the Knife (New York: Monthly Review Press, 2018).
82. ↩Krieger, Epidemiology and the People’s Health, 202.
83. ↩Hilary and Steven Rose, “The Problematic Inheritance: Marx and Engels on the Natural Sciences in Hilary Rose and Steven Rose, eds., The Political Economy of Science (London; Macmillan, 1976), 1–13; Giovanni Ciccotti, Marcello Cini, and Michelangelo De Maria, “The Production of Science in Advanced Capitalist Society,” in The Political Economy of Science, 36; Krieger, Epidemiology and the People’s Health, 172–79.
84. ↩Barbara Ehrenreich and John Ehrenreich, The American Health Empire (New York: Random House, 1970); Barbara Ehrenreich and Deidre English, Witches, Midwives, and Nurses (New York: Feminist Press/City University of New York, 1973); Lesley Doyal, The Political Economy of Health (London: Pluto, 1979); Richard Levins and Richard Lewontin, The Dialectical Biologist (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1985); Vicente Navarro, “A Historical Review (1965–1997) of Studies on Class, Health, and Quality of Life: A Personal Account,” International Journal of Health Services 28, no. 3 (1998): 389–406; Krieger, Epidemiology and the People’s Health, 172–79; David U. Himmelstein and Steffie Woolhandler, eds., “Science, Technology and Capitalism,” special issue of Monthly Review 38, no. 3 (July–August 1986); David U. Himmelstein and Steffie Woolhandler, “The Corporate Compromise: A Marxist View of Health Policy,” Monthly Review 42, no. 1 (May 1990): 14–29. Οι Woolhandler και Himmelstein είναι κατ’ αντιστοιχία ο πρώτος και δεύτερος συγγραφέας της Έκθεσης της Κομισιόν για την υγεία στις ΗΠΑ που δημοσιεύτηκε στο Lancet τον Φεβρουάριο 2021: Steffie Woolhandler et al., “Public Policy and Health in the Trump Era,” Lancet, February 10, 2021. Η Έκθεση της Κομισιόν στο Lancet καταλήγει: «Οι πόροι για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής, την αύξηση του βιοτικού επιπέδου, την κατάργηση των οικονομικών φραγμών στην τριτοβάθμια εκπαίδευση και την ιατρική περίθαλψη, την παροχή ιατρικής βοήθειας παγκοσμίως και την ενδυνάμωση των καταπιεσμένων κοινοτήτων στις ΗΠΑ πρέπει να προέλθουν από φόρους στους πλούσιους και βαθιές περικοπές των στρατιωτικών δαπανών. Όσον αφορά την υγειονομική περίθαλψη, η υπερβολική εμπιστοσύνη στον ιδιωτικό τομέα αυξάνει το κόστος και αλλοιώνει τις προτεραιότητες, η κυβέρνηση πρέπει να είναι φορέας, όχι μόνο χρηματοδότης, π.χ. να παρέχει άμεσα υγειονομική κάλυψη και να ασχολείται με την ανάπτυξη φαρμάκων αντί να πληρώνει ιδιωτικές εταιρείες για την εκτέλεση τέτοιων λειτουργιών.»
85. ↩Krieger, Epidemiology and the People’s Health, 203.
86. ↩Hogben, Science for the Citizen, 960.
87. ↩Lewontin and Levins, Biology Under the Influence, 244–51; Richard Lewontin, The Triple Helix (Cambridge, MA: Harvard University Press, 2000).
88. ↩Ian Angus, “Superbugs in the Anthropocene,” Monthly Review 71, no. 2 (June 2019): 1–28; Marx and Engels, Collected Works, vol. 25, 460–61.
89. ↩Levins, “Is Capitalism a Disease?,” 18–20.
90. ↩Don Fitz, Cuban Health Care (New York: Monthly Review Press, 2020), 216–18; Helen Yaffe, “Cuba Libre to COVID-Libre,” Canadian Dimension, April 15, 2021.
91. ↩Augustín Lage Dávila, “Socialism and the Knowledge Economy: Cuban Biotechnology,” Monthly Review 58, no. 7 (December 2006): 50–58; Lewontin and Levins, Biology Under the Influence, 352.
92. ↩Rob Wallace, Big Farms Make Big Flu (New York: Monthly Review Press, 2016), 297–315; Rob Wallace, Dead Epidemiologists (New York: Monthly Review Press, 2020).
93. ↩Alex Liebman, Ivette Perfecto, and Rob Wallace, “Whose Agricultures Drives Disease?,” Agroecology and Rural Economics Research Corps, October 5, 2020; Rob Wallace, Alex Liebman, Luis Fernando Chaves, and Rodrick Wallace, “COVID-19 and Circuits of Capital,” Monthly Review 72, no. 1 (May 2020): 12; Robert G. Wallace, Luke Bergmann, Richard Kock, Marius Gilbert, Lenny Hogerwerf, Rodrick Wallace, and Mollie Holmberg, “The Dawn of Structural One Health,” Social Science and Medicine 129 (2015): 68–77; Rob Wallace, “We Need a Structural One Health,” Farming Pathogens, August 3, 2012.
94. ↩Wallace, Dead Epidemiologists, 101.
95. ↩Riccardo Bellofiore, “The Winters of Our Discontent and the Social Production Economy,” Review of Political Economy, April 14, 2021, 12, 14.
November 6, 2021
Εκπαιδευτική δράση 2MoBiL και επαναπροσδιορισμός της εκμάθησης της Βιολογίας στην Δευτεροβάθμια εκπαίδευση.
Φορητός εργαστηριακός εξοπλισμός κατά την εκπαιδευτική δράση 2MoBiLΤα επιστημονικά πεδία της Βιολογίας, της Μοριακής Βιολογίας, της Γενετικής και της Εξατομικευμένης Ιατρικής εξελίσσονται συνεχώς υπογραμμίζοντας την ανάγκη για συνεχή ενημέρωση του εξειδικευμένου κοινού και εξοικείωση του ευρύτερου συνόλου από τα μαθητικά κιόλας χρόνια. Για την καλύτερη εκπαίδευση των μαθητών στο επιστημονικό πεδίο των Θετικών Επιστημών και πιο συγκεκριμένα στο πεδίο της Βιολογίας κρίνεται αναγκαίος ο συνδυασμός θεωρητικής και πρακτικής εκπαίδευσης συνεπικουρούμενος με εναλλακτικά μαθησιακά εργαλεία. Η εκπαιδευτική δράση 2MoBiL στοχεύει στην εξοικείωση των μαθητών με έννοιες και πειραματικές διαδικασίες της Μοριακής Βιολογίας με φορητό εργαστηριακό εξοπλισμό (Φορητό εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας, Mobile Molecular Biolology Laboratory, 2MoBiL). Παράλληλα η δράση 2MoBiL στοχεύει στην ευρύτερη ενημέρωση των μαθητών, των κηδεμόνων τους και των εκπαιδευτικών για τη σημασία της ανάλυσης του ανθρώπινου γονιδιώματος και των πλεονεκτημάτων της εξατομικευμένης ιατρικής στο σύστημα υγείας.Η εκπαιδευτική προσέγγιση STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics) σηματοδοτεί την απομάκρυνση από την δασκαλοκεντρική εκπαίδευση και επιτάσσει μία παιδαγωγική στροφή με επίκεντρο τον μαθητή, όπου ένα μεγάλο μέρος της διδασκαλίας βασίζεται στην έρευνα και τον πειραματισμό (Moustafa, 2013; Mooney, 2002; Tamim, 2013; Odom 2015). Η εκπαίδευση STEM είναι σχετικά νέα προσέγγιση και δεν έχει μακρά ιστορία σε βάθος χρόνου. Το πρώτο ενδιαφέρον προσέγγισης STEM εντοπίζεται στη δεκαετία του 1990 όταν το US National Science Foundation (NSF) συμπεριέλαβε επίσημα τη μηχανική και την τεχνολογία στην σχολική εκπαίδευση. Αρχικά εμφανίστηκε με το ακρωνύμιο SMET (Science, Mathematics, Engineering, and Technology) και αργότερα επικράτησε το ακρωνύμιο STEM (Chute, 2009). Ωστόσο, δεν είναι πλήρως ξεκάθαρο ποιοι κλάδοι περιλαμβάνονται στην προσέγγιση STEM. Το NSF δημοσίευσε μια λίστα εγκεκριμένων πεδίων που συμπεριλαμβάνονται στον όρο STEM. Μεταξύ αυτών είναι η Φυσική, η Χημεία, αλλά και κλάδοι όπως η ψυχολογία και οι κοινωνικές επιστήμες (π.χ. πολιτικές επιστήμες, οικονομικά). Οι Gonzalez και Kuenzi (2012) σημείωσαν ότι τουλάχιστον δύο αμερικανικές υπηρεσίες, αποκλείουν τις κοινωνικές επιστήμες δείχνοντας την ασάφεια και την πολυπλοκότητα στην περιγραφή και τον προσδιορισμό του φάσματος της προσέγγισης STEM. Είναι σημαντικό να κατανοήσουν οι υπεύθυνοι χάραξης εκπαιδευτικής πολιτικής τις προκλήσεις και τους φραγμούς που εμποδίζουν την προσέγγιση της εκπαίδευσης STEM στις αίθουσες διδασκαλίας.

Οι δάσκαλοι προτρέπουν τους μαθητές να σκέπτονται χρησιμοποιώντας υψηλότερες γνωστικές διαδικασίες ακόμη και μέσω της αμφισβήτησης (Bruce-Davis et al., 2014). Η ανάπτυξη δικτύων συνεργασίας της Τριτοβάθμιας με την Δευτεροβάθμια εκπαίδευση με αντικείμενο την έρευνα, την τεχνολογία και την υλοποίηση κοινών εκπαιδευτικών και κοινωνικών δράσεων με προσανατολισμό σε επιστήμες STEM, συμβάλλει ουσιαστικά στην σταδιακή και ομαλή ένταξη των μαθητών στην εκπαίδευση όπως φάνηκε από την Bojic και τους συνεργάτες της με το μεγάλης απήχησης πρόγραμμα «SUZA», από τα σχολεία στην επιστήμη και την ακαδημαϊκή κοινότητα (Bojic, 2015).

Συνεπώς, και για την καλύτερη εκπαίδευση των μαθητών στο επιστημονικό πεδίο των Θετικών Επιστημών και πιο συγκεκριμένα με το πεδίο της Βιολογίας, κρίνεται αναγκαίος ο συνδυασμός θεωρητικής και πρακτικής εκπαίδευσης συνεπικουρούμενος με εναλλακτικά μαθησιακά εργαλεία, ώστε η εκπαίδευση των μαθητών να είναι ορθότερη και σφαιρικότερη, ο επαγγελματικός τους προσανατολισμός να είναι πληρέστερος και η γνωριμία τους με το πεδίο της Βιολογίας, της έρευνας και τον ακαδημαϊκό χώρο σταδιακή και ευχάριστη. Κρίνεται, επίσης, σημαντική η σταδιακή ένταξη του μαθητή από το σχολικό στο ακαδημαϊκό περιβάλλον και ένας τρόπος επίτευξής της, είναι η μεταφορά της γνώσης και της ερευνητικής πρακτικής από την Τριτοβάθμια εκπαίδευση και τα ερευνητικά κέντρα της χώρας στην Δευτεροβάθμια εκπαίδευση και επιπλέον, η ενθάρρυνση συμμετοχής των μαθητών σε ερευνητικές δράσεις και πρακτικές πριν την ένταξή τους στην Τριτοβάθμια Εκπαίδευση.

Το Εργαστήριο Φαρμακογονιδιωματικής και Εξατομικευμένης Θεραπείας του Τμήματος Φαρμακευτικής του Πανεπιστημίου Πατρών καθιέρωσε, από το 2016, την εκπαιδευτική δράση με το Φορητό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας 2MoBiL (Mobile   Molecular   Biology   Laboratory).   Απώτερος   στόχος της εκπαιδευτικής δράσης 2MoBiL είναι η εξοικείωση των μαθητών της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης με έννοιες και πειραματικές διαδικασίες δυσνόητες με τα μέσα της παραδοσιακής συμβατικής μελέτης και παράλληλα η ενημέρωση του ευρύτερου κοινού για τη σημασία της ανάλυσης του ανθρώπινου γονιδιώματος και των πλεονεκτημάτων της εφαρμογής της εξατομικευμένης ιατρικής τόσο για τον άνθρωπο ως μονάδα όσο και για το εθνικό σύστημα υγείας συνολικότερα.

Η εκπαιδευτική δράση πραγματοποιείται με φορητό εργαστηριακό εξοπλισμό και δύναται να πραγματοποιηθεί σε κάθε σχολική μονάδα της επικράτειας με τη μεταφορά του εξοπλισμού εντός χειραποσκευής. Το 2MoBiL συνοδεύεται από ένα θεωρητικό πλαίσιο για περαιτέρω κατανόηση των εννοιών που πραγματεύονται στις πειραματικές ασκήσεις και λεπτομερή πρωτόκολλα των πειραματικών ασκήσεων. Οι εκπαιδευτικοί έρχονται σε πρότερη επικοινωνία με την ερευνητική ομάδα 2MoBiL του Εργαστηρίου Φαρμακογονιδιωματικής και Εξατομικευμένης Θεραπείας (ΕΦΕΘ), στους οποίους διευκρινίζεται επακριβώς ποιες ασκήσεις θα πραγματοποιηθούν και τι πραγματεύονται αυτές (μέσω δια ζώσης ή e-training ή αποστολή ενδεικτικού υλικού). Επιπλέον, το συνολικό θεωρητικό πλαίσιο συμπληρώνεται με μαθησιακά εργαλεία (θεατρικά δρώμενα, βιωματικά παιχνίδια και παιχνίδια escape CLASSroom, comics και διαδικτυακά παιχνίδια που πραγματεύονται θέματα της επιστήμης της Βιολογίας. Οι   εκπαιδευτικές πειραματικές ασκήσεις πλαισιώνουν σημαντικές τεχνικές της Μοριακής Βιολογίας όπως είναι η απομόνωση DNA από επιθηλιακά κύτταρα της έσω παρειάς, η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (Polymerase Chain Reaction, PCR), η ηλεκτροφόρηση σε πήκτωμα αγαρόζης και η γονοτύπηση με τη μέθοδο της κατάτμησης με περιοριστικά ένζυμα.Ο φορητός εργαστηριακός εξοπλισμός της εκπαιδευτικής δράσης 2MoBiL.

Η εκπαιδευτική δράση 2MoBiL διεξάγεται με τη χρήση θερμικού κυκλοποιητή, φυγόκεντρου, συσκευής ηλεκτροφόρησης, καθώς και τράπεζας οπτικοποίησης του τελικού αποτελέσματος. Παράλληλα μεταφέρονται ρυθμιζόμενες πιπέττες ακριβή όγκου, πλαστικός ογκομετρικός σωλήνας, κωνική φιάλη, ποτήρι ζέσεως, στροβιλοαναδευτήρας, εστία θέρμανσης, πλαστικά ακρορύγχια μιας χρήσης, αυτοπωματιζόμενα σωληνάρια πολυπροπυλενίου, βιδωτού πωματισμού ακρυλικοί δοκιμαστικοί σωλήνες και όλα τα απαραίτητα αντιδραστήρια για τη διεξαγωγή των πειραμάτων των εργαστηριακών ασκήσεων. Η έρευνα στο πεδίο της Βιολογίας φαντάζει στα μάτια των μαθητών ενδιαφέρουσα και πολλά υποσχόμενη, ωστόσο λίγοι είναι οι αρχικά ενδιαφερόμενοι και εγγεγραμμένοι φοιτητές των σχολών των Θετικών Επιστημών/Επιστημών Υγείας που ακολουθούν ερευνητική πορεία κατόπιν της εισαγωγής τους στις σχολές.

Η άμεση επαφή με: α) το ερευνητικό κομμάτι της επιστήμης της Βιολογίας, β) τον τρόπο διεξαγωγής ενός πειράματος Βιολογίας και πιο συγκεκριμένα Μοριακής Βιολογίας, γ) τις απαιτήσεις και τους κανόνες που διέπουν τη διεξαγωγή ενός πειράματος Βιολογίας και Μοριακής Βιολογίας, και δ) τις επιδεξιότητες, την σχολαστικότητα και την ικανότητα αντίληψης που οφείλει να έχει ο ερευνητής, επιτυγχάνονται μέσω της συμμετοχής στην εκπαιδευτική δράση 2MoBiL.

Παράλληλα, οι ενδιαφερόμενοι και συμμετέχοντες στη δράση εξοικειώνονται με την έννοια της γενετικής ταυτοποίησης και συνειδητοποιούν ότι αποτελεί μία από τις σημαντικές εφαρμογές των επιτευγμάτων της σύγχρονης μοριακής βιολογίας και γενετικής. Γίνεται αντιληπτό ότι πέρα από τις κλινικές εξετάσεις που ευρέως εφαρμόζονται σήμερα, όπως είναι οι βιοχημικές εξετάσεις σε ένα μικροβιολογικό εργαστήριο, δυνατές είναι επίσης και οι γενετικές εξετάσεις που πραγματοποιούνται κατόπιν γενετικής ανάλυσης με απλή, εύκολη, γρήγορη και πλήρως ανώδυνη προσέγγιση χωρίς να είναι αναγκαία η μεσολάβηση της αιμοληψίας. Παράλληλα αντιλαμβάνονται τις ηθικές προεκτάσεις που διέπουν μία γενετική εξέταση και λαμβάνουν τα απαραίτητα εφόδια για να αντιλαμβάνονται την παραπληροφόρηση από τα έγκυρα και τεκμηριωμένα αποτελέσματα.

Το 2MoBiL αποσκοπεί να μειωθεί σημαντικά το εκπαιδευτικό χάσμα μεταξύ Βορειοδυτικής-Κεντρικής και Νοτιοανατολικής Ευρώπης αλλά και μεταξύ ανεπτυγμένων και αναπτυσσόμενων χωρών στην Ευρώπη στο πεδίο της Εξατομικευμένης Θεραπείας (Pisanu, 2014). Η εξοικείωση των μαθητών με το πεδίο της Βιολογίας και της Γενετικής (έννοιες όπως νουκλεικό οξυ, γονίδιο, γονοτύπηση αναλύονται περαιτέρω) και η εξοικείωση με τις βασικές τεχνικές της μοριακής βιολογίας (πχ αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης, PCR) που επιτυγχάνεται με την εκπαιδευτική προσέγγιση 2MoBiL, έρχεται να καταστήσει εύκολη των κατανόηση των εννοιών της Φαρμακογονιδιωματικής και της Εξατομικευμένης Θεραπείας. Ο μαθητής κατανοεί την δυνατότητα προσαρμογής της φαρμακευτικής αγωγής ενός ασθενούς με βάση τις πληροφορίες που φέρει το γενετικό υλικό για καλύτερο φαρμακευτικό αποτέλεσμα και αποφυγή ενδεχόμενων παρενεργειών στον ασθενή. Επιπλέον, η σύζευξη των γνώσεων της Βιολογίας με την εργαστηριακή πρακτική και μάλιστα εντός του σχολικού περιβάλλοντος με πραγματικό εργαστηριακό εξοπλισμό αποτελεί σημαντικό καινοτόμο στόχο του 2MoBiL στην Ελλάδα. Η εφαρμογή των εναλλακτικών μαθησιακών εργαλείων του 2MoBiL, αποτελεί καινοτομία για την κατανόηση της Βιολογίας, της Μοριακής Βιολογίας και της Εξατομικευμένης Ιατρικής.

Υπάρχουν και οι συγγραφείς που παραμένουν αρκετά επιφυλακτικοί απέναντι στην υιοθέτηση της προσέγγισης STEM. Ο Woodard (2019) εκφράζοντας την επιφύλαξη ότι η τεχνολογία θα μπορούσε να φέρει αρνητικά αποτελέσματα στην εκπαίδευση, τονίζει ότι η επένδυση των 26 δισεκατομμυρίων δολαρίων στην προσέγγιση STEM θα μπορούσε να αναπροσαρμοστεί προς την κατεύθυνση της πρόσληψης επιπλέον διδακτικού προσωπικού με καλύτερες αποδοχές, προστατεύοντας το παραδοσιακό έως τώρα πλαίσιο του προγράμματος σπουδών στα θεμελιώδη σχολικά χρόνια. Με την προσέγγιση 2MoBiL αποφεύγεται η πολυέξοδη και αλόγιστη έμπρακτη εκπαίδευση των μαθητών και των εκπαιδευτικών τους, καθώς τα υφιστάμενα πρωτόκολλα και οι εργαστηριακές ασκήσεις έχουν σχεδιαστεί με τρόπο κατάλληλο ώστε τα πειράματα να είναι οικονομικώς προσιτά και η προσέγγιση STEM στη Βιολογία προσιτή για κάθε μαθητή.

Με την υπάρχουσα έως τώρα γνώση, η στενή συνεργασία και η δικτύωση του Πανεπιστημίου με σχολεία Δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης για τη σχεδίαση και εφαρμογή ενός συστήματος προσέγγισης STEM της επιστήμης της Βιολογίας, Μοριακής βιολογίας και Εξατομικευμένης Ιατρικής γίνεται για πρώτη φορά οργανωμένα στην Ελλάδα. Στο μελλοντικό σχεδιασμό του ΕΦΕΘ είναι να εισάγει ένα σύγχρονο εκπαιδευτικό εργαλείο δημιουργώντας ένα Κέντρο Έρευνας και Καινοτομίας της Βιολογίας, Μοριακής Βιολογίας και Εξατομικευμένης Θεραπείας στις εγκαταστάσεις του ΕΦΕΘ, το BioSTEM, συνδυάζοντας τις εργαστηριακές ασκήσεις με μία εκπαιδευτική πλατφόρμα και καινοτόμα εργαλεία εκμάθησης Βιολογίας σε συνεργασία με εκπαιδευτικούς από όλη την Ελλάδα προς την επίτευξη της εκμάθησης της Βιολογίας μέσω STEM προσέγγισης.Εικόνα 1: Στιγμιότυπα από τις εκπαιδευτικές δράσεις 2MoBiL με μαθητές και ενήλικες συμμετέχοντες.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Bojic I., Jagust T. and Sovic A., 2015. Selected examples of cooperation between universities and schools in STEM education, in ISEC 2015 – 5th IEEE Integrated STEM Education Conference. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., pp. 189–194. doi: 10.1109/ISECon.2015.7119921.

Bruce-Davis M. N. et al., 2014. STEM High School Administrators’, Teachers’, and Students’ Perceptions of Curricular and Instructional Strategies and Practices. Journal of Advanced Academics. SAGE Publications Ltd, 25(3), pp. 272–306. https://doi.org/10.1177/1932202X14527952

Chute, E. (2009). STEM education is branching out. Pittsburgh Post-Gazette Feb 9, 2009. https://www.post-gazette.com/news/education/2009/02/10/STEM-education-is-branching-out/stories/200902100165

Gonzalez, H. B., & Kuenzi, J. J. (2012, August). Science, technology, engineering, and mathematics (STEM) education: A primer. Washington, DC: Congressional Research Service, Library of Congress. https://sgp.fas.org/crs/misc/R42642.pdf

Mooney M. A. and Laubach T. A., 2002. Adventure engineering: A design centered, inquiry based approach to middle grade science and mathematics education. Journal of Engineering Education. Wiley-Blackwell Publishing Ltd, 91(3), p. 309. https://doi.org/10.1002/j.2168-9830.2002.tb00708.x

Moustafa A., Ben-Zvi-Assaraf O. and Eshach H., 2013. Do Junior High School Students Perceive Their Learning Environment as Constructivist? doi: 10.1007/s10956-012-9403-y.

Odom A. L. and Bell C. V., 2015. Associations of Middle School Student Science Achievement and Attitudes about Science with Student-Reported Frequency of Teacher Lecture Demonstrations and Student-Centered Learning. International Journal of Environmental.   https://eric.ed.gov/?id=EJ1060962

Pisanu F., 2014. Educational innovation and technology: A need for integration. Perspectives of Innovation in Economics and Business (PIEB), 14(2), p. 103. 10.15208/pieb.2014.12

Tamim S. R. and Grant M. M., 2013. Definitions and Uses: Case Study of Teachers Implementing Project-based Learning. Interdisciplinary Journal of Problem-Based Learning. 7(2), p. 5. https://doi.org/10.7771/1541-5015.1323

Woodard J, 2019. Rotten STEM: How Technology Corrupts Education.American Affairs, 3 (3). https://americanaffairsjournal.org/2019/08/rotten-stem-how-technology-corrupts-education/Γεώργιος Πατρινός
1. Εργαστήριο Φαρμακογονιδιωματικής και Εξατομικευμένης Θεραπείας, Τμήμα Φαρμακευτικής, Σχολή Επιστημών Υγείας, Πανεπιστήμιο Πατρών.
2. Department of Pathology, College of Medicine and Health Sciences, United Arab Emirates University, Al-Ain, Abu Dhabi.
3. Zayed Center of Health Sciences, United Arab Emirates University, Al-Ain, Abu Dhabi.
Σταυρούλα Σιαμόγλου

Εργαστήριο Φαρμακογονιδιωματικής και Εξατομικευμένης Θεραπείας, Τμήμα Φαρμακευτικής, Σχολή Επιστημών Υγείας, Πανεπιστήμιο Πατρών.
October 23, 2021
ΟΠΤΙΚΕΣ ΛΑΒΙΔΕΣ: Η εργαλειοθήκη του μικρόκοσμου

Το 2018 η Σουηδική Ακαδημία Επιστημών τίμησε με το βραβείο Νόμπελ τον Αμερικανό φυσικό Αrthur Ashkin για “το πρωτοποριακό ερευνητικό του έργο στις οπτικές λαβίδες και τις εφαρμογές τους στη βιολογία”, όπως λιτά και περιεκτικά ανέφερε η ανακοίνωση. Ο Ashkin εφεύρε τις οπτικές λαβίδες οι οποίες αποτελούν ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό εργαλείο το οποίο, με τη βοήθεια φωτός λέιζερ, μας επιτρέπει να χειριζόμαστε την κίνηση ατόμων, σωματιδίων, ιών και κυττάρων ανοίγοντας το δρόμο για πρωτόγνωρες και επαναστατικές εφαρμογές. Στις βασικές αρχές λειτουργίας και τις κυριότερες εφαρμογές των οπτικών λαβίδων αναφέρεται αυτό το άρθρο. Με τον όρο “λαβίδα” εννοούμε συνήθως ένα εργαλείο το οποίο μας βοηθάει να χειριζόμαστε πράγματα τα οποία δεν είναι δυνατόν, για διάφορους λόγους, να τα αγγίξουμε με γυμνό χέρι. Πολλές φορές ο χειρισμός των λαβίδων απαιτεί ιδιαίτερα λεπτές κινήσεις και αυξημένη επιδεξιότητα γιατί είναι πιθανόν να ελλοχεύουν διάφοροι κίνδυνοι. Κλασικό παράδειγμα η περίπτωση της χειρουργικής ιατρικής όπου οι γιατροί έρχονται, μέσω των λαβίδων, σε επαφή με πολύ ευαίσθητα όργανα. Τα περισσότερα, όμως, παραδείγματα χρήσης λαβίδων, σε τελική ανάλυση, αφορούν στο χειρισμό αντικειμένων της καθημερινής μας ζωής ή, όπως επιστημονικά καλούμε, του μακρόκοσμου. Στις μέρες μας αναπτύσσονται τεχνικές οι οποίες μας δίνουν την δυνατότητα κατασκευής λαβίδων για το μικρόκοσμο. Πρόκειται για μηχανισμούς με την βοήθεια των οποίων μπορούμε και χειριζόμαστε την κίνηση και τη θέση σωματιδίων με διαστάσεις από μερικά χιλιοστά έως και μερικά δισεκατομμυριοστά του μέτρου όπως πολύ παραστατικά φαίνεται στην Εικ.1. Η λειτουργία αυτών των μηχανισμών βασίζεται στην αλληλεπίδραση φωτός λέιζερ με τα σωματίδια γι’ αυτό και είναι γνωστοί, στην διεθνή βιβλιογραφία, με τον όρο οπτικές λαβίδες (optical tweezers).Εικόνα 1:   Η κλίμακα των σωματιδίων, τα οποία μπορούμε να χειριστούμε με οπτικές λαβίδες και κάποια τυπικά παραδείγματα από αυτά. Η κλίμακα δίνεται σε τιμές των μηκών κύματος του φωτός, το οποίο χρησιμοποιείται για την παγίδευση των σωματιδίων (Jones, 2016).Η ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Για να κατανοήσουμε τη φυσική των οπτικών λαβίδων θα πρέπει να διακρίνουμε δύο βασικές περιπτώσεις. Η διάκριση αυτή καθορίζεται από το λόγο της διαμέτρου δ του σωματιδίου ως προς το μήκος κύματος λ της δέσμης του φωτός που χρησιμοποιούμε. Στην περίπτωση που το μέγεθος του σωματιδίου είναι αρκετά μεγαλύτερο από το μήκος κύματος (δ/λ>>1), η αλληλεπίδραση σωματιδίου -δέσμης μπορεί να περιγραφεί με όρους γεωμετρικής οπτικής (σκέδαση Mie). Στην αντίθετη περίπτωση (δ/λ<<1), η αλληλεπίδραση σωματιδίου – δέσμης μπορεί να περιγραφεί με όρους κυματικής οπτικής (σκέδαση Rayleigh). Στο ενδιάμεσο όριο, όπου το μέγεθος του σωματιδίου είναι συγκρίσιμο με το μήκος κύματος, η μελέτη της αλληλεπίδρασης απαιτεί αναλυτική επίλυση των εξισώσεων Maxwell.

Εν γένει, οι δυνάμεις που ασκεί μια οπτική λαβίδα σε ένα σωματίδιο είναι (σε μεγάλο βαθμό) δύο ειδών: (α) Η δύναμη που προέρχεται από απορρόφηση και ανάκλαση φωτονίων, οπότε σχετίζεται με την αρχή διατήρηση της ορμής και ονομάζεται δύναμη σκέδασης (scattering force). Η δύναμη αυτή μπορεί να επιβραδύνει ή να επιταχύνει την ατομική κίνηση, είναι ανάλογη της ισχύος του λέιζερ και κυριαρχεί στην περίπτωση που το μέγεθος του σωματιδίου είναι αρκετά μεγαλύτερο από το μήκος κύματος του λέιζερ. (β) Η δύναμη που προέρχεται από την πόλωση του σωματιδίου μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ, γνωστή ως οπτική διπολική δύναμη (optical dipole force) η οποία είναι συντηρητική δύναμη και προέρχεται από μια δυναμική ενέργεια (γνωστή ως οπτική δυναμική ενέργεια) που είναι ανάλογη της έντασης της δέσμης λέιζερ. Η δύναμη αυτή κυριαρχεί στην περίπτωση που το μέγεθος του σωματιδίου είναι πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος και είναι υπεύθυνη για τον περιορισμό (παγίδευση) του σωματιδίου σε μια περιοχή του χώρου.

Η λειτουργία των οπτικών λαβίδων, στην περίπτωση μεγάλων σωματιδίων, είναι δυνατόν να ερμηνευθεί και με βάση την κυματική φύση του φωτός καθώς, σε αυτήν την περίπτωση το μήκος κύματος είναι πολύ μικρό σε σύγκριση με τις διαστάσεις του σωματιδίου οπότε η δέσμη λέιζερ μπορεί να θεωρηθεί ως μια δέσμη ακτινών γεγονός που μας επιτρέπει να καταφύγουμε στα εργαλεία της γεωμετρικής οπτικής. Εδώ το κυρίαρχο φυσικό φαινόμενο είναι η διάθλαση του φωτός. Στις οπτικές λαβίδες φροντίζουμε τα σωματίδια να είναι διαφανή και ο δείκτης διάθλασής τους να είναι υψηλότερος από αυτόν του μέσου μέσα στο οποίο τα σωματίδια είναι εμβαπτισμένα. Με άλλα λόγια το σωματίδιο λειτουργεί, στην ουσία, σαν ένας φακός για τη φωτεινή δέσμη. Όταν λοιπόν η πορεία του φωτός αλλάξει, καθώς περνά μέσα από το σωματίδιο, ταυτόχρονα μεταβάλλεται και η ορμή-ενέργειά της δέσμης. Λόγω της αρχής διατήρησης της ορμής, μια ίση και αντίθετη μεταβολή θα προκληθεί στην ορμή του σωματιδίου. Αυτό έχει σαν συνέπεια να ασκηθεί μια δύναμη στο σωματίδιο.Εικόνα 2:   Η προέλευση της δύναμης που ασκεί η οπτική λαβίδα σε ένα σωματίδιο μεγάλων διαστάσεων σε σύγκριση με το μήκος κύματος. Το σωματίδιο διαθλά το φως αλλάζοντάς του την κατεύθυνση άρα και την ορμή. Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, το σωματίδιο θα μεταβάλλει στην αντίθετη κατεύθυνση την ορμή του. Συνεπώς θα ασκηθεί στο σωματίδιο μια δύναμη.Στην περίπτωση που το σωματίδιο έχει μικρές διαστάσεις σε σύγκριση με το μήκος κύματος τότε πολώνεται ηλεκτρικά εξαιτίας του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου της δέσμης λέιζερ. Λόγω του μικρού μεγέθους ο κυρίαρχος όρος είναι ο διπολικός και το σωματίδιο συμπεριφέρεται ως ηλεκτρικό δίπολο και αποκτά μια δυναμική ενέργεια. Στην πράξη κάθε δέσμη λέιζερ έχει ένα χωρικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικά πεδίο τόσο κατά μήκος του άξονα διάδοσης όσο και στο εγκάρσιο επίπεδο με αποτέλεσμα η δυναμική ενέργεια του σωματιδίου να μεταβάλλεται στο χώρο (ή σε μια πιο μαθηματική γλώσσα να έχει μια χωρική βαθμίδα). Το τελευταίο είναι απαραίτητο για να εμφανιστεί μια δύναμη που αντιστοιχεί σε αυτή τη δυναμική ενέργεια. Για αυτό το λόγο στη βιβλιογραφία η διπολική δύναμη είναι γνωστή και ως δύναμη βαθμίδας (gradient force). Το μέτρο αυτής της δύναμης εξαρτάται από το πόσο ισχυρή είναι η βαθμίδα της δυναμικής ενέργειας. Όταν εστιάζουμε ισχυρά μια δέσμη την περιορίζουμε στο χώρο με αποτέλεσμα η βαθμίδα της έντασής της και κατά συνέπεια της δυναμικής ενέργειας να είναι πολύ μεγάλη και η διπολική δύναμη να είναι ισχυρή. Η κατεύθυνση της διπολικής δύναμης εξαρτάται από τη σχέση του δείχτη διάθλασης του υλικού του σωματιδίου ως προς αυτόν του μέσου μέσα στο οποίο εμβαπτίζουμε το σωματίδιο. Αν το σωματίδιο έχει υψηλότερο δείχτη διάθλασης τότε κατευθύνεται προς τις περιοχές που η ένταση της δέσμης είναι ισχυρή. Στην αντίθετη περίπτωση κατευθύνεται προς τις περιοχές που η ένταση είναι ασθενής. Στις Εικ. 3 δίνουμε την μεταβολή της έντασης μιας δέσμης λέιζερ στο χώρο.

Εικόνα 3:   Η ένταση μιας συμβατικής δέσμης λέιζερ περιγράφεται από μια Γκαουσιανή χωρική συνάρτηση, οποία περιλαμβάνει τρεις βασικές παραμέτρους: τη μέγιστη ένταση Ι_ο που έχουν όλα τα σημεία της δέσμης που βρίσκονται πάνω στον άξονα διάδοσης/συμμετρίας της (x = y = 0), το εύρος δέσμης (beam waist) w₀ που αντιστοιχεί στην απόσταση από τον άξονα διάδοσης στην οποία η ένταση λαμβάνει την τιμή Ι_ο/e² και το μήκος Rayleigh z_R (Rayleigh range/length) που αντιστοιχεί στην απόσταση κατά μήκος του άξονα διάδοσης όπου η ένταση της δέσμης πέφτει στο μισό της μέγιστης τιμής. Οι δύο τελευταίοι παράμετροι συνδέονται μεταξύ τους και με το μήκος κύματος λ με τη σχέση: z_R= πw²₀/λ.Οι οπτικές λαβίδες μπορούν να παγιδεύουν σωματίδια με διαστάσεις που κυμαίνονται από αυτήν ενός ατόμου έως και μερικά εκατομμυριοστά του μέτρου. Οι δυνάμεις που ασκούνται από τις οπτικές λαβίδες στα σωματίδια έχουν μέτρο που μπορεί να υπερβεί τα 100 pN (10^-12 Ν) (Litvinov, 2002). Για να έχουμε μια αίσθηση, το μέγεθος αυτής της δύναμης είναι περίπου εκατό φορές μεγαλύτερο από το βάρος ενός βακτηρίουΟ ΔΡΟΜΟΣ ΠΡΟΣ ΤΙΣ ΟΠΤΙΚΕΣ ΛΑΒΙΔΕΣ

Οι οπτικές λαβίδες έλκουν την καταγωγή τους από ένα ιστορικό πείραμα που πραγματοποιήθηκε το 1970 από τον Αshkin στα Bell Labs στις ΗΠΑ (Ashkin, 1970). Η αιτία που οδήγησε τον Ashkin στην εκτέλεσή του ήταν, απλά και μόνο, η περιέργεια για ένα αποτέλεσμα που είχε ανακοινώσει κάποιος διδακτορικός φοιτητής σε ένα συνέδριο. Στο πείραμα αυτό ο Ashkin πέτυχε την μετακίνηση μικροσκοπικών σφαιριδίων από καουτσούκ με τη βοήθεια μιας δέσμης λέιζερ. Οι διαστάσεις των σφαιριδίων ήταν περίπου είκοσι εκατομμυριοστά του μέτρου (20 μm). Στο πείραμα αυτό η δύναμη από τη δέσμη του λέιζερ εξισορρόπησε την επίδραση της βαρύτητας πάνω στα σφαιρίδια. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό στη βιβλιογραφία ως οπτική ανύψωση (optical levitation). Ενδεικτικό της σημασίας αυτού του πειράματος είναι οι εκατοντάδες αναφορές που έχει λάβει στη βιβλιογραφία το άρθρο στο οποίο αναφέρθηκαν τα αποτελέσματά του. Από την ερευνητική ομάδα του Ashkin έγιναν και τα πρώτα βιολογικά πειράματα με οπτικές λαβίδες που περιλάμβαναν τη σύλληψη βακτηρίων και μικρού αριθμού ιών σε ποικιλίες καπνού καθώς και τον χειρισμό της κίνησης κυττάρων και κυτταρικών οργανιδίων.

οπτική λαβίδα εφευρέθηκε το 1980 από τον Ashkin και τον S. Chu όταν κατόρθωσαν να μετακινήσουν, και ταυτόχρονα, να παγιδεύσουν σε μια μικρή περιοχή, μικρά διηλεκτρικά σφαιρίδια (Ashkin, 1986). Ο Chu λίγα χρόνια μετά θα χρησιμοποιήσει τις ίδιες τεχνικές για να παγιδεύσει άτομα. Για αυτό το επίτευγμα o Chu θα μοιραστεί το βραβείο Νόμπελ φυσικής το 1997.

Στα σύγχρονα πειράματα για να μπορούμε να εξουδετερώσουμε την επίδραση του βάρους χρησιμοποιούμε υγρά μέσα (π.χ. νερό), στα οποία τα εμβαπτιζόμενα σωμάτια αιωρούνται λόγω της επίδρασης της άνωσης. Η χρήση του νερού προστατεύει τα σωμάτια, ιδιαίτερα αν αυτά είναι τμήματα βιολογικών ιστών, από καταστροφές τις οποίες μπορεί να προκαλέσει η υπερθέρμανση από την ακτινοβολία της δέσμης λέιζερ.

Εν γένει οι οπτικές λαβίδες βασίζονται στην χρήση του αντικειμενικού φακού ενός μικροσκοπίου. Ο φακός εστιάζει τη δέσμη και μας δίνει μια ισχυρή δύναμη στην εστία του η οποία μπορεί να παγιδεύσει το σωματίδιο σε αυτήν την περιοχή. Εντούτοις η ισχυρή εστίαση περιορίζεται από το λεγόμενο όριο περίθλασης (diffraction limit), δηλαδή από την αδυναμία του μικροσκοπίου να επιτύχει ανάλυση δύο σημείων των οποίων η απόσταση είναι μικρότερη από το ήμισυ του μήκους κύματος. Ως αποτέλεσμα το μέγεθος της περιοχής εστίασης είναι της τάξης μεγέθους του μήκους κύματος δηλαδή μερικές εκατοντάδες νανόμετρα. Αυτό περιορίζει την ποιότητα και ακρίβεια της παγίδευσης. Είναι αξιοσημείωτο το γεγονός ότι η ίδια δέσμη λέιζερ που χρησιμοποιούμε για την παγίδευση των σωματιδίων εισάγεται ταυτόχρονα σε ένα συμβατικό οπτικό μικροσκόπιο ώστε να μπορούμε να παρατηρήσουμε την κίνηση των σωματιδίων.

Mία ακτίνα λέιζερ ισχύος περίπου 1 mW είναι αρκετή για την παγίδευση ενός διαφανούς σωματιδίου, σαν αυτά που απαντώνται στα βιολογικά δείγματα. Γενικά μπορούμε να παγιδεύουμε μια ποικιλία σωματιδίων μεταβάλλοντας απλά το μήκος κύματος. Στις περισσότερες οπτικές λαβίδες χρησιμοποιούμε λέιζερ Nd:YAG (είδος ερυθρού πολύτιμου λίθου με προσμίξεις ιόντων νεοδυμίου) επειδή έχουν πολύ καλή ευστάθεια δέσμης και, φυσικά, λόγω της χαμηλής απορρόφησης της ακτινοβολίας μήκους κύματος 1064 nm (στο εγγύς υπέρυθρο) από τα βιολογικά υλικά.Στην περίπτωση που το μέγεθος ενός σωματιδίου είναι αρκετά μεγαλύτερο από το μήκος κύματος της δέσμης λέιζερ, το θεωρητικό όριο του μεγέθους των δυνάμεων που ασκεί μια οπτική λαβίδα (μήκους κύματος λ) σε ένα σωματίδιο καθορίζεται από την ορμή h/λ ανά φωτόνιο κατά την απορρόφησή του από το σωματίδιο ή 2h/λ κατά την ανάκλασή του. Στην πράξη, εντούτοις, το όριο είναι περίπου 0,2-0,5 h/λ ενώ στην περίπτωση ενός βακτηρίου με χαμηλό δείκτη διάθλασης μπορεί να φτάσει και την τιμή 0,01 h/λ ανά φωτόνιο. Για να έχουμε μια ποσοτική εκτίμηση της δύναμης ας υποθέσουμε πως διαθέτουμε μια δέσμη λέιζερ ισχύος P και συχνότητας f. Αυτό σημαίνει πως ο αριθμός των φωτονίων που μας παρέχει η δέσμη ανά δευτερόλεπτο είναι ίσος με P/hf. H ορμή που μεταφέρει κάθε ένα από αυτά τα φωτόνια είναι ίση με hλ ή hf/c (όπου c η ταχύτητα του φωτός). Αν υποθέσουμε πως αυτά τα φωτόνια ανακλώνται πάνω σε ένα σωματίδιο τότε επιφέρουν σε αυτό μια μεταβολή της ορμής ίση με 2 hf/c. Συνεπώς για τη δύναμη που ασκείται πάνω στο σωματίδιο θα ισχύει:

2(P/hf)(hf/c) = 2P/c,

Όπως είναι εμφανές η δύναμη που ασκεί μια οπτική λαβίδα σχετίζεται με τη διαθέσιμη ισχύ. Για παράδειγμα για διαθέσιμη ισχύ 1 mW η δύναμη είναι της τάξης των 7 pN (10^-12 N). Φυσικά σε ένα πείραμα δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολύ υψηλή ισχύ, ιδιαίτερα στην περίπτωση που χρησιμοποιούμε βιολογικά σωματίδια, καθώς αυτό επιφέρει υπερθέρμανση των σωματιδίων και πιθανή καταστροφή τους.ΟΙ ΟΠΤΙΚΕΣ ΛΑΒΙΔΕΣ ΣΤΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ

Οι οπτικές λαβίδες έχουν μεγάλες βιολογικές εφαρμογές που αφορούν στην παγίδευση, κίνηση και τοποθέτηση μια μεγάλης ποικιλίας μεμονωμένων κυττάρων και υποκυτταρικών σωματιδίων. Η εφαρμογή των οπτικών λαβίδων στην κυτταρική βιολογία είναι εφικτή γιατί τα περισσότερα κύτταρα, παράσιτα και άλλοι μικροοργανισμοί είναι διαφανή στις ακτινοβολίες του ορατού φάσματος.Στην περίπτωση ενός διπόλου η δυναμική ενέργεια U είναι ανάλογη της έντασης η οποία για μια Γκαουσιανή δέσμη λέιζερ έχει κυλινδρική συμμετρία και δίνεται από τη σχέση:

(1) $\begin{equation*} U \propto \frac{I_{0}}{\left(1+z^{2} / z_{R}^{2}\right)} e^{-\frac{2 \rho^{2}}{w_{0}^{2}\left(1+z^{2} / z_{R}^{2}\right)}}\end{equation*}$

Είναι προφανές πως από μια τέτοια δυναμική ενέργεια θα προκύψουν δύο συνιστώσες για την διπολική δύναμη. Η μία έχει αξονική διεύθυνση και κοντά στην εστία (z = 0, ) δίνεται από τη σχέση:

(2) $\begin{equation*} F_{\rho}=-\frac{\partial U}{\partial \rho} \propto-\frac{4 I_{0}}{w_{0}^{2}} \rho \end{equation*}$

Η άλλη έχει αξονική διεύθυνση και κοντά στην εστία δίνεται από τη σχέση:

(3) $\begin{equation*} F_{z}=-\frac{\partial U}{\partial z} \propto-\frac{2 I_{0}}{z_{R}^{2}} \end{equation*}$

Είναι προφανές πως οι δύο δυνάμεις έχουν το χαρακτήρα δύναμης επαναφοράς ελατηρίου με αποτέλεσμα το σωματίδιο να τείνει να ισορροπήσει κοντά στην εστία (όταν το σωματίδιο έχει υψηλότερο δείχτη διάθλασης από το μέσο στο οποίο είναι εμβαπτισμένο). Από τις παραπάνω σχέσεις είναι επίσης προφανές πως όταν εστιάζουμε ισχυρά τη δέσμη οι τιμές των και ελαττώνονται δραστικά και αυτό οδηγεί σε μεγαλύτερες τιμές των σταθερών επαναφοράς άρα και ισχυρότερη παγίδευση.Η περίοδος μετά την ανακάλυψη της οπτικής λαβίδας χαρακτηρίστηκε από μια έντονη ερευνητική δραστηριότητα. Το 1989 η ομάδα του S. M. Block έκανε τις πρώτες ακριβείς μετρήσεις της ελαστικότητας των μαστίγιων των βακτηρίων (Block, 1989) με τη βοήθεια οπτικών λαβίδων. Αυτές οι μετρήσεις άνοιξαν τον δρόμο για την χρήση των οπτικών λαβίδων ως μεταδοτών δυνάμεων σε κυτταρικό επίπεδο.

Το πείραμα της ομάδας του Block ακολούθησαν μια σειρά άλλα ενδιαφέροντα πειράματα. Στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ εκτελέστηκαν νέα πειράματα για τη μέτρηση της ελαστικότητας του μαστίγιου των βακτηρίων. Στο Βασιλικό Κολλέγιο (King’s College) του Πανεπιστημίου του Λονδίνου οι οπτικές λαβίδες αξιοποιήθηκαν για να μετρηθούν οι δυνάμεις που ασκούνται από μεμονωμένες μυϊκές ίνες. Στη Γλασκόβη έχουν γίνει προσπάθειες χρήσης οπτικών λαβίδων για τη μελέτη και απομόνωση παρασίτων στο νερό. Στη Γκρενόμπλ τις χρησιμοποίησαν στο χειρισμό μαγνητικών σωματιδίων ενώ στο Πρίνστον (Princeton) έχουν μετρηθεί οι ελαστικές ιδιότητες των ελίκων του DNA (Wang, 1997). Τέλος στο Πολυτεχνείο του Worcester στη Μασαχουσέτη έκοψαν με τη βοήθεια λέιζερ ένα κύτταρο και στη συνέχεια, με τη βοήθεια μιας λαβίδας, εμφύτευσαν ένα απλό βακτήριο μέσα σε αυτό (Grier, 2003). Οι βιολογικές εφαρμογές των οπτικών λαβίδων περιλαμβάνουν ακόμη την μέτρηση της αντίστασης της ουράς των βακτηρίων, την μέτρηση των δυνάμεων που ασκούνται από πρωτεΐνες, τη μέτρηση της διάτασης των μορίων του DNA και την κατασκευή ενός οπτικού ψαλιδιού για την διάσχιση κυτταρικών σωματιδίων (Bayles, 1993).

Ιδιαίτερης σημασίας είναι η χρήση των οπτικών λαβίδων στην κατά βούληση ανάπτυξη των νευρώνων όπου η μηχανική παραμόρφωση της κυτταρικής μεμβράνης επηρεάζει εμφανώς την ανάπτυξη και την κινητικότητα των κυττάρων. Σε αυτήν την περίπτωση απαιτείται ακριβής και ενδελεχής μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των κυττάρων. Επίσης, μεγάλης σημασίας είναι η ανάπτυξη της οπτικής χρωματογραφίας (optical chromatography) που αφορά τον διαχωρισμό διαφορετικών σωματιδίων που είναι εμβαπτισμένα σε κάποιο ρευστό μέσο καθώς και της οπτορευστολογίας (optofluidics) η οποία μελετά την παγίδευση σωματιδίων από οπτικές λαβίδες και την μεταφορά και διοχέτευσή τους στα κυτταρικά ρευστά (Jones, 2016).

Οι οπτικές λαβίδες έχουν αποδειχθεί ιδανικό εργαλείο για τη μελέτη της δυναμικής των λεγόμενων μοριακών μηχανών (molecular machines), ένα παράδειγμα των οποίων είναι το μόριο της μυοσίνης. Μια μοριακή μηχανή λειτουργεί χάρη στη χημική ενέργεια που απελευθερώνεται από υδρόλυση τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP), η οποία τελικά μετασχηματίζεται σε μια κίνηση των νημάτων ακτίνης και μυοσίνης που καθορίζει τη συστολή μυών. Τα πρώτα πειράματα προς αυτήν την κατεύθυνση πραγματοποιήθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 1990 (Jones, 2016).

Είναι σημαντικό να κατανοηθεί ότι με τις οπτικές λαβίδες η μελέτη των βιολογικών υλικών περνά σε ένα διαφορετικό ποιοτικό επίπεδο. Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του ‘80 η γνώση μας για τις μηχανικές ιδιότητες των βιολογικών υλικών προερχόταν από μετρήσεις πάνω σε ορισμένες ποσότητες υλικού. Στη συνέχεια οι ιδιότητες των μεμονωμένων μορίων εξάγονταν από μοντελοποίηση και χρήση στατιστικών μεθόδων. Σήμερα έχουμε τη δυνατότητα να εξετάζουμε αυτές τις ιδιότητες και να εκτελούμε μετρήσεις πάνω σε μεμονωμένα μόρια, οπότε αναδεικνύουμε φαινόμενα και ιδιότητες που πιθανόν να «χάνονταν» από μια στατιστική αντιμετώπιση, όπως οι ιδιαίτερες απόψεις των πολιτών χάνονται πίσω από τους «μέσους όρους» των δημοσκοπήσεων.ΟΙ ΟΠΤΙΚΕΣ ΛΑΒΙΔΕΣ ΣΤΗ ΜΙΚΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗ

Οι οπτικές λαβίδες αποτελούν αναπόσπαστο εργαλείο της μικρο- και νανομηχανικής. Η χρήση των οπτικών λαβίδων σε μικροσκοπικές μηχανές απέκτησε νέες προοπτικές όταν χρησιμοποιήθηκαν σε αυτές λέιζερ με οπτικούς στροβίλους (optical vortex beams). Πρόκειται για δέσμες λέιζερ των οποίων τα φωτόνια φέρουν, ως προς τον άξονα διάδοσης της δέσμης, εκτός από ορμή και στροφορμή (Allen, 1992). Η στροφορμή μάλιστα κάθε φωτονίου είναι ίση lℏ όπου l=±1, ±2, … και η ανηγμένη σταθερά του Planck (ℏ=h/2π). Οι δέσμες αυτές είναι ικανές όχι μόνο να μετακινήσουν σωματίδια αλλά και να τα περιστρέψουν. Το πλεονέκτημα αυτών των δεσμών είναι ότι μπορούν να λειτουργούν σε χαμηλή ισχύ και συνεπώς δεν κινδυνεύουν οι μικροοργανισμοί από καταστροφή. Το φαινόμενο της περιστροφής σωματιδίων με χρήση τέτοιων δεσμών παρατηρήθηκε, για πρώτη φορά, το 1995 σε μικρές σφαίρες από γυαλί και τεφλόν εμβαπτισμένες σε νερό ή αλκοολικό διάλυμα (He, 1995).Εικόνα 4: Είκοσι έξι σφαιρίδια από πολυστυρένιο με διάμετρο τρία εκατομμυριοστά του μέτρου (3 μm), παγιδευμένα σε μορφή «κολιέ» με τη βοήθεια ενός οπτικού στροβίλου. Ευγενική προσφορά του καθηγητή K. Dholakia επικεφαλής του Optical Manipulation Group του Πανεπιστήμιου St. Andrew’s του Ηνωμένου Βασίλειου.Οι οπτικές λαβίδες με οπτικούς στροβίλους προσφέρουν το ιδανικό περιβάλλον για τη μελέτη των διαφόρων τύπων στροφορμής λόγω των περίπλοκων ροπών που ασκούν. Οι ροπές αυτές είναι αρκετά ισχυρές ώστε να προκαλέσουν την περιστροφή μικροσκοπικών σωματιδίων. Το πρώτο τέτοιο επίτευγμα ήταν η δημιουργία ενός οπτικού κλειδιού σύσφιξης (optical spanner). Σε αυτό το πείραμα σωματίδια από τεφλόν ακτινοβολήθηκαν από έναν κυκλικά πολωμένο οπτικό στρόβιλο και τέθηκαν σε περιστροφή (Simpson, 1997). Εξαιρετικά ενδιαφέρον, από την πλευρά της φυσικής, είναι το γεγονός πως η κυκλική πόλωση, ανάλογα τη φορά της (δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη) συνεισέφερε, ανά φωτόνιο, μια πρόσθετη μονάδα στροφορμής ±ℏ στα σωματίδια. Δηλαδή αν ο οπτικός στρόβιλος ήταν δεξιόστροφα (αριστερόστροφα) πολωμένος τα σωματίδια από τεφλόν αποκτούσαν μια στροφορμή (l±1)h- ανά φωτόνιο μετά την αλληλεπίδραση με τη δέσμη.

Από τους πρωτοπόρους σε σχετικά πειράματα ήταν η ομάδα της H. Rubinsztein-Dunlop του Πανεπιστημίου του Queensland στην Αυστραλία. Σε ένα από αυτά τα πειράματα παρουσιάστηκε μια μοντέρνα εκδοχή του περίφημου πειράματος του Beth (Beth, 1936) o οποίος είχε μετρήσει τη ροπή που ασκείται σε ένα μικρό πλακίδιο από χαλαζία όταν αυτό ακτινοβοληθεί από κυκλικά πολωμένο φως (Friese 1998). Σε μια σειρά άλλων πειραμάτων, οι P. Galajda και P. Ormos της Ουγγρικής Ακαδημίας Επιστημών στο Szeged (Galajda, 2001) και η ομάδα του E. Higurashi στο οπτοηλεκτρονικό εργαστήριο της ΝΤΤ στην Ιαπωνία, απέδειξαν ότι η ροπή που ασκεί η ακτινοβολία μπορεί εύκολα να κάνει τα μόρια να συμπεριφέρονται σαν λεπίδες ανεμιστήρα (Higurashi, 1999). Ανάλογες τεχνικές έχουν χρησιμοποιηθεί στην περιστροφή και στοίχιση των χρωματοσωμάτων σε κινέζικα χάμστερ αλλά και σε ομάδες ραβδόμορφων σωματιδίων (Paterson, 2001).

Το 2018 παρουσιάστηκε μια θεαματική εφαρμογή οπτικών λαβίδων που μετέτρεψε σε πραγματικότητα μια πρόβλεψη που έκανε ο Feynman πριν από εξήντα χρόνια (Feynman, 2011). Ο Feynman είχε προτείνει μια διάταξη, γνωστή ως γρανάζι του Feynman (Feynman’s ratchet). Πρόκειται για μια υποθετική μικροσκοπική μηχανή θερμότητας που μετατρέπει τις θερμικές διακυμάνσεις σε ωφέλιμο μηχανικό έργο όταν έρχεται σε θερμική επαφή με δύο δεξαμενές θερμότητας σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτή η μηχανή, σύμφωνα με τον Feynman, αποτελείται από ένα σετ μικροσκοπικών λεπίδων που συνδέονται με το ένα άκρο ενός άξονα. Αυτές οι λεπίδες βομβαρδίζονται συνεχώς από τα μόρια ενός αερίου που περικλείεται σε ένα δοχείο. Το άλλο άκρο του άξονα συνδέεται με γρανάζι και μπορεί συνεπώς να περιστραφεί μόνο κατά μία φορά. Η πειραματική εφαρμογή αυτής της μικρομηχανής κατέστη δυνατή έπειτα από μια συνεργασία μεταξύ Αμερικανών και Κινέζων ερευνητών σε ένα πείραμα όπου έγινε χρήση 19 οπτικών λαβίδων (Bang, 2018).ΜΟΝΤΕΛΑ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΘΕΜΕΛΙΑΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ.

Ο πιο «παράξενος» νόμος στη φυσική είναι ο διαβόητος Δεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος καθώς δεν έχει, μέχρι τώρα, διαψευσθεί και κυρίως καμία αναθεώρηση της φυσικής, δεν τον έχει αγγίξει. Σύμφωνα με αυτόν το νόμο κάθε απομονωμένο θερμοδυναμικό σύστημα χαρακτηρίζεται από μια ποσότητα την εντροπία (ουσιαστικά ένα μέτρο της αταξίας του συστήματος) η οποία σε όλες τις αυθόρμητες μεταβολές του συστήματος δεν μπορεί να μειώνεται καθώς αυτό φτάνει σε μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας όπου η εντροπία του γίνεται μέγιστη.

Οι οπτικές λαβίδες, χρησιμοποιήθηκαν σε ένα πείραμα με κολλοειδή σωμάτια στο οποίο παρατηρήθηκαν αποκλίσεις από το Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Ο D. Evans από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Αυστραλίας στην Καμπέρα με τους συνεργάτες του έδειξαν ότι σε ένα μικροσκοπικό σύστημα και σε μικρό χρονικό διάστημα η εντροπία μπορεί να ελαττωθεί, αντί να αυξηθεί (Wang, 2002). Αυτό το συμπέρασμα έχει σημαντικές συνέπειες στη λειτουργία των νανομηχανών. Ας δούμε το γιατί.

Από τη θερμοδυναμική γνωρίζουμε πως η συνεχής μείωση του μεγέθους των μηχανών έχει ένα θεμελιώδες όριο: όταν το έργο το οποίο παράγεται σε κάθε κύκλο μηχανής είναι συγκρίσιμο με την ενέργεια των θερμικών διακυμάνσεων του περιβάλλοντος, τότε μια τέτοια μηχανή, σε μικρές χρονικές κλίμακες, μπορεί να αντιστρέψει τη λειτουργία της. Αυτό πρακτικά σημαίνει πως θερμότητα από το περιβάλλον, μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμο μηχανικό έργο, κάνοντας την νανομηχανή να λειτουργεί αντίστροφα. Οι επιστήμονες δεν είχαν δώσει προσοχή σε αυτό το ενδεχόμενο. Μια πιθανή εξήγηση ήταν η απουσία ποσοτικής περιγραφής της παραγωγής εντροπίας σε μηχανές τόσο μικρών διαστάσεων. Το μόνο που είχαμε στα χέρια μας ήταν ο Δεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος, ο οποίος, ουσιαστικά αφορά τη θερμοδυναμική μεγάλων συστημάτων, για μεγάλους χρόνους, όπου αναγκαστικά έχουμε αύξηση της εντροπίας. Το πρόβλημα αυτό λύθηκε το 1993 όταν διατυπώθηκε από τους Evans και Searles το Θεώρημα των Διακυμάνσεων το οποίο προβλέπει μια ποσοτική περιγραφή των παραβιάσεων του Δεύτερου Θερμοδυναμικού Νόμου (Evans, 1994).

Οι οπτικές λαβίδες έχουν συμβάλλει στην πειραματική επαλήθευση όλων των περιορισμών που σχετίζονται με τη λειτουργία νανομηχανών. Το 2012, οι V. Blickle και C. Bechinger κατάφεραν να κατασκευάσουν μια μικροσκοπική μηχανή παγιδεύοντας ένα κολλοειδές σωματίδιο με τη βοήθεια οπτικών λαβίδων (Blickle, 2012). Αυτός κινητήρας λειτούργησε στην πραγματικότητα ακολουθώντας μια μικροσκοπική εκδοχή του γνωστού θερμοδυναμικού κύκλου Stirling που συνίσταται από δύο ισόθερμες και δύο ισόχωρες αντιστρεπτές διαδικασίες.

Η δυναμική των παγιδευμένων σωματιδίων μέσα στις οπτικές λαβίδες προκύπτει από έναν συνδυασμό μιας ντετερμινιστικής κίνηση που καθορίζεται από τις δυνάμεις που ασκούνται από την οπτική λαβίδα και μιας χαοτικής κίνησης Brown που επιβάλλεται από τις τυχαίες συγκρούσεις των σωματιδίων με τα μόρια του μέσου στο οποίο αυτά εμβαπτίζονται. Η συνύπαρξη αυτών των δύο διαφορετικού χαρακτήρα κινήσεων καθιστά τις οπτικές λαβίδες μια ιδανική πλατφόρμα για την εξερεύνηση των θεμελιωδών φαινομένων της στατιστικής φυσικής. Μεταξύ αυτών των φαινομένων είναι οι ρυθμοί Kramers, ο στοχαστικός συντονισμός, η κρυστάλλωση μορίων, τα τυχαία δυναμικά και η ακανόνιστη διάχυση.

Οι ρυθμοί Kramers σχετίζονται με τη δυναμική με την οποία αναπτύσσονται θερμικά επαγόμενες μεταβάσεις που απαντώνται στη φυσική, τη χημεία και τη βιολογία. Το φαινόμενο του στοχαστικού συντονισμού εμφανίζεται σε ορισμένα συστήματα όταν η παρουσία θορύβου μπορεί να επιταχύνει τον ρυθμό με τον οποίο ένα σύστημα αποκρίνεται σε ένα εξωτερικό περιοδικό σήμα. Τα τυχαία δυναμικά, δηλαδή εκείνα στα οποία δεν υπάρχει περιοδικότητα στο δυναμικό τοπίο, είναι ένας βασικός μηχανισμός για την κατανόηση φαινομένων που ξεκινούν από την ακανόνιστη διάχυση των μορίων εντός του κυτταροπλάσματος έως την εμφάνιση μιας κίνησης τύπου Brown σε αστέρια μέσα στους γαλαξίες.

Οι οπτικές λαβίδες έχουν επίσης συμβάλει στην έρευνα και μελέτη των επιφανειακών πλασμονίων και των εφαρμογών τους. Τα επιφανειακά πλασμόνια είναι τα κβάντα των συλλογικών ταλαντώσεων στο πλάσμα, δηλαδή των ελεύθερων ηλεκτρόνιων των μετάλλων και αναπτύσσονται είτε σε λείες διεπιφάνειες μεταξύ διηλεκτρικών υλικών και μετάλλων ή σε χωρικά οριοθετημένες γεωμετρικές δομές όπως τα νανοσωματίδια. Οι πολύ μικρές διαστάσεις αυτών των περιοχών παρέχουν ένα ευνοϊκό περιβάλλον για την ανάπτυξη πλασμονίων, που χαρακτηρίζονται από ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία εντοπισμένα σε περιοχές του χώρου με διαστάσεις μικρότερες από τις όριο περίθλασης στο οποίο έχουμε αναφερθεί προηγουμένως. Σε αυτήν την περίπτωση, τα πλασμόνια αλληλεπιδρούν ισχυρά με νανοσωματίδια, και κατά συνέπεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή οπτικών λαβίδων.ΟΙ ΟΠΤΙΚΕΣ ΛΑΒΙΔΕΣ ΣΤΑ ΚΟΛΛΟΕΙΔΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΧΗΜΕΙΑ

Τα κολλοειδή είναι συστήματα τα οποία αποτελούνται από σωματίδια τα μεγέθη των οποίων κυμαίνονται από ένα νανόμετρο (10^-9 m) έως μερικά μικρόμετρα (10^-6 m) και είναι διασκορπισμένα σε ένα μέσο ξενιστή που μπορεί να είναι υγρό ή αέριο. Η δυναμική των κολλοειδών συστημάτων καθορίζεται κυρίως από την κίνηση Brown. Σε αυτά τα συστήματα αναδύονται ενδιαφέρουσες υδροδυναμικές και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις που μπορούν να οδηγήσουν τα σωματίδια στο σχηματισμό εξαιρετικά περίπλοκων δομών.

Οι οπτικές λαβίδες έχουν αποδειχθεί, για άλλη μια φορά, ότι είναι το ιδανικό εργαλείο για τη μελέτη αυτών των φαινομένων. Τα πρώτα σχετικά πειράματα πραγματοποιήθηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1990 (Burns, 1990). Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται πειράματα στα οποία εκδηλώθηκαν πολύ ενδιαφέροντα φαινόμενα σε συνθήκες μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία, όπως η εμφάνιση αυτοοργάνωσης με την αυθόρμητη ανάδυση απροσδόκητων σχηματισμών από κολλοειδή σωματίδια.

Μια σημαντική κατηγορία κολλοειδών συστημάτων είναι τα αεροζόλ. Σε ένα αεροζόλ διασκορπίζονται μικροσκοπικά στερεά και υγρά σωματίδια σε ένα αέριο. Η μελέτη των αεροζόλ έχει μεγάλη σημασία σε τομείς όπως η χημεία της ατμόσφαιρας και σε εφαρμογές όπως η βελτίωση της ποιότητας της καύσης στους κινητήρες. Με τη βοήθεια οπτικών λαβίδων μπορούμε να παγιδεύουμε αυτά τα συστήματα και να μελετήσουμε εκείνες τις χημικές και φυσικές ιδιότητές τους που σχετίζονται με τις επιπτώσεις τους στο περιβάλλον, όπως η σύνθεσή τους και το μέγεθος των σωματιδίων.

Οι οπτικές λαβίδες μπορούν να αξιοποιηθούν στο χειρισμό σταγονιδίων, κυστών και των μεμβράνων τους, και να οδηγήσουν ένα πλήθος από αυτά σε συσσωμάτωση. Μπορούμε έτσι να σχηματίσουμε μεγαλύτερα σταγονίδια και κύστες, ενώ ταυτόχρονα διασφαλίζουμε και την διασπορά των συστατικών τους. Αυτή η ικανότητα μετατρέπει πραγματικά τα σταγονίδια και τις κύστες σε «φορητά δοχεία» ικανά να αποθηκεύσουν εξαιρετικά μικρές ποσότητες (της τάξης του τρισεκατομμυριοστού του λίτρου, 10^-9 ml) από επιθυμητά χημικά αντιδραστήρια. Ακόμα πιο αξιοσημείωτο είναι ότι οι οπτικές λαβίδες επιτρέπουν την παρατήρηση σε πραγματικό χρόνο αυτών των αντιδράσεων μέσω τεχνικών φασματοσκοπίας γεγονός που μας επιτρέπει να κατανοήσουμε σε βάθος το φαινόμενο της ανάμιξης διαφορετικών ουσιών. Με τη βοήθεια οπτικών λαβίδων έχει ανοίξει ο δρόμος για την ανάπτυξη της μικροχημείας (microchemistry).

Η δυνατότητα να χειριζόμαστε την κίνηση μεμονωμένων ατόμων με τη βοήθεια των οπτικών λαβίδων προοικονομεί τεκτονικές αλλαγές στη χημεία και συγκεκριμένα στη διαύγαση της δυναμικής των χημικών αντιδράσεων. Μέχρι σήμερα όσα γνωρίζουμε για αυτές προέρχονται από πειράματα που περιλαμβάνουν τεράστιους αριθμούς μορίων. Σε αυτήν την περίπτωση ο σχηματισμός των μορίων είναι αποτέλεσμα τυχαίων κρούσεων μεταξύ των ατόμων. Το αποτέλεσμα είναι να μας διαφεύγουν κρίσιμες λεπτομέρειες, όπως για παράδειγμα το κατά πόσο η δυναμική της χημικής αντίδρασης διαφέρει ανάλογα με τη διαφορετική κβαντική κατάσταση που βρίσκονται τα άτομα ή μόρια. Σήμερα, χάρη στις οπτικές λαβίδες, έχουμε στη διάθεσή μας τους κβαντικούς συναρμολογητές (quantum assemblers). Πρόκειται για διατάξεις που περιλαμβάνουν τις οπτικές λαβίδες που μας βοηθούν να συνθέσουμε ένα μόριο από διαφορετικά άτομα και τις οπτικές λαβίδες που μας βοηθούν να παγιδεύουμε τα εν λόγω άτομα. Μια τέτοια περίπτωση έχουμε πρόσφατα με τη σύνθεση ενός μεμονωμένου μορίου NaCs αφού πρώτα απομονώσαμε με δυο διαφορετικές οπτικές λαβίδες ένα άτομο νατρίου (Na) και ένα άτομο κεσίου (Cs) (Liu, 2018). Αμέσως μετά η ίδια ερευνητική ομάδα κατόρθωσε να τοποθετήσει το συντιθέμενο μόριο σε μια συγκεκριμένη εσωτερική κβαντική κατάσταση (Liu, 2019).ΕΠΙΛΟΓΟΣ – ΟΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΈΣ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΛΑΒΙΔΩΝ

Το μέλλον των οπτικών λαβίδων διαγράφεται λαμπρό. Για παράδειγμα, στη βιομηχανία το ενδιαφέρον για την οργάνωση μίκρο- και νάνο- συστατικών σε μεγαλύτερες δομές πηγάζει από πολλές πλευρές όπως η κατασκευή νέων χημικών αισθητήρων και η συναρμολόγηση ηλεκτρομηχανικών συστημάτων με πολύ μικρές διαστάσεις. Ακόμη υπάρχουν σοβαρές προοπτικές εφαρμογών στη βιομηχανική όπως, για παράδειγμα, στην προσπάθεια ελέγχου της οργάνωσης των κυττάρων κατά την διάρκεια ανάπτυξης ιστών και οργάνων. Οι οπτικές λαβίδες αφήνουν μεγάλες υποσχέσεις για την χειρουργική σε επίπεδο κυττάρου σε εφαρμογές όπως, για παράδειγμα, η τροποποίηση των χρωμοσωμάτων ζωντανών κυττάρων. Σε μεγαλύτερη κλίμακα μπορούν να αποδειχτούν χρήσιμες στη συλλογή μεμονωμένων μικροβίων από ετερογενείς πληθυσμούς ενώ η ικανότητά τους να μετακινούν με ακρίβεια κύτταρα έχει οδηγήσει σε κλινικές εφαρμογές όπως η in vitro γονιμοποίηση. Τέλος, όπως βλέπουμε στην Εικ. 1, με τις οπτικές λαβίδες μπορούμε να χειριστούμε σωματίδια σε μια μεγάλη κλίμακα μεγεθών, από άτομα που συμπεριφέρονται κβαντικά έως και κύτταρα που συμπεριφέρονται κλασικά. Με αυτόν τον τρόπο οι οπτικές λαβίδες αναδεικνύονται σε ένα πολύ αποτελεσματικό εργαλείο το οποίο μας παρέχει τη δυνατότητα να ερευνήσουμε και να διαυγάσουμε το όριο ανάμεσα στον κλασικό και τον κβαντικό κόσμο. Και εδώ, τα επόμενα χρόνια, οι προσδοκίες είναι πολύ μεγάλες.ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Η κεντρική εικόνα του άρθρου αποτελεί καλλιτεχνική προσαρμογή της εικόνας από το άρθρο https://physics.aps.org/articles/v11/100. Η προσαρμογή έγινε από τον ζωγράφο Παναγιώτη (Τάκη) Βαρελά, μέλος του ΔΣ του Εθνικού Μουσείου Σύγχρονης Τέχνης (ως εκπρόσωπος του Επιμελητήριου Εικαστικών Τεχνών Ελλάδας). Η συντακτική επιτροπή του InS ευχαριστεί τον κ. Βαρελά για την προσφορά του. Η εικόνα αναπαριστά τον εφελκυσμό μονόκλωνου DNA προσαρτημένου σε δύο σφαιρίδια με χρήση ισάριθμων οπτικών λαβίδων.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Allen L., Beijersbergen M. W., Spreeuw R. J. C., and Woerdman J. P., 1992. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes. Phys. Rev. A 45, p. 8185. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.45.8185

Ashkin Α., 1970. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure. Phys. Rev. Lett. 24, p. 156. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.24.156

Ashkin A., Dziedzic J. M., Bjorkholm J. M., and Chu S., 1986. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt. Lett. 11, p. 288. https://doi.org/10.1364/OL.11.000288

Bang J., Pan R., Hoang T. M., Ahn J., Jarzynski C., Quan H. T., and Li T., 2018. Experimental realization of Feynman’s ratchet. New J. Phys. 20, 103032. https://doi.org/10.1088/1367-2630/aae71f

Bayles C. J, Aist J. R., and Berns M. W., 1993. The mechanics of anaphase-B in A basidomycete as revealed by laser microbeam microsurgery. Exp. Mycology 17, p. 191. https://doi.org/10.1006/emyc.1993.1018

Beth R. A., 1936. Mechanical detection and measurement of the angular momentum of light. Phys. Rev. 50, p. 115. https://doi.org/10.1103/PhysRev.50.115

Blickle V. and Bechinger C., 2012. Realization of a micrometre-sized stochastic heat engine. Nature Phys. 8, p.143. https://doi.org/10.1038/nphys2163

Block S. M., Blair D. F., and Berg H. C., 1989. Compliance of bacterial flagella measured with optical tweezers. Nature 338, p. 514. https://doi.org/10.1038/338514a0

Burns M. M., Fournier J.-M., and Golovchenko J. A., 1990. Optical matter: crystallization and binding in intense optical fields. Science 249, p. 749. 10.1126/science.249.4970.749

Evans D. J. and Searle D. J., 1994. Equilibrium microstates which generate second law violating steady states. Phys. Rev. E 50, p.1645. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.50.1645

Feynman R. P., Leighton R. B., and Sands M., 2011. The Feynman Lectures on Physics, The New Millennium Edition. V.I-46. https://www.feynmanlectures.caltech.edu/

Friese M. E. J., Nieminen T. A., Heckenberg N. R., and Rubinsztein-Dunlop H., 1998. Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles. Nature 394, p.348. https://doi.org/10.1038/28566

Galajda P. and P. Ormos P., 2001. Complex micromachines produced and driven by light. Appl. Phys. Lett. 78, p. 249. https://doi.org/10.1063/1.1339258

Grier D., 2003. A revolution in optical manipulation. Nature 424, p. 810. https://doi.org/10.1038/nature01935

He H., Friese M. E. J., Heckenberg N. R., and Rubinsztein-Dunlop H., 1995. Direct observation of transfer of angular momentum to absorptive particles from a laser beam with a phase singularity. Phys. Rev. Lett. 75, p. 826. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.826

Higurashi E., Sawada R., and Ito T., 1999. Optically induced angular alignment of trapped birefringent micro-objects by linearly polarized light. Phys. Rev. E 59, p. 3676. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.59.3676

Jones P. H., Maragό O., and Volpe G., 2016. Optical Tweezers: Principles and Applications. Cambridge, USA: Cambridge Universiy Press. https://www.cambridge.org/core/books/optical-tweezers/D2D5FD82066E9FF88284C89095A2CB60

Litvinov R. I., Shuman H., Bennett J. S., and Weisel J. W., 2002. Binding strength and activation state of single fibrinogen-integrin pairs on living cells. Proc. Natl. Acad. Sci. 99, p. 7426. https://doi.org/10.1073/pnas.112194999

Liu L. R., Hood J. D., Yu Y., Zhang J. T., Hutzler N. R., Rosenband T., and Ni K.-K., 2018. Building one molecule from a reservoir of atoms. Science 360, p. 900. https://science.sciencemag.org/content/360/6391/900

Liu L. R., Hood J. D., Yu Y., Zhang J. T., Wang K., Lin Y.-W., Rosenband T., and Ni K.-K., 2019. Molecular assembly of ground-state cooled single atoms. Phys. Rev. X 9, 021039. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021039

Paterson L., MacDonald M. P., Arlt J., Sibbett W., Bryant P. E., and Dholakia K., 2001. Controlled rotation of optically trapped microscopic particles. Science 292(5518), p. 912. 10.1126/science.1058591

Simpson N. B., Dholakia K., Allen L., and Padgett M. J., 1997. Mechanical equivalence of spin and orbital angular momentum of light: an optical spanner. Opt. Lett. 22, p. 52–54. https://doi.org/10.1364/OL.22.000052

Wang M. D., Hong Y., Landick R., Gelles J.and Block S. M., 1997. Stretching DNA with Optical Tweezers. Biophysical Journal 22, p. 1335. 10.1016/S0006-3495(97)78780-0

Wang G. M., Sevick E. M., Mittag E., Searles D. J., and Evans D. J., 2002. Experimental demonstration of violations of the second law of thermodynamics for small systems and short time scales. Phys. Rev.

Lett. 89, 050601. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.050601

September 8, 2021
InScience – Συνέντευξη Βασίλη Ζουμπουρλή

Το InScience παρουσιάζει μια συνέντευξη με τον Διευθυντή Ερευνών στην Μοριακή Βιολογία του Καρκίνου και των Βλαστικών Κυττάρων στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών, Βασίλη Ζουμπουρλή.

Κεφάλαια της Συνέντευξης

00:00:16 Εισαγωγή

00:01:29 Βιογραφικά στοιχεία

00:03:25 Το περιεχόμενο του βιβλίου

00:17:14 Μήπως το βιβλίο εκδόθηκε αρκετά νωρίς;

00:22:40 Τι είναι μια πανδημία;

00:31:43 Ο ιός ως «αόρατος» εχθρός

00:35:17 Η ιστορία των πανδημιών

00:42:05 Ποια τα σημαντικά ζητήματα στην αντιμετώπιση της πανδημίας

00:47:49 Η εμπειρία του από την έρευνα πάνω στο AIDS

00:55:36 Προσωπικές αναμνήσεις

August 1, 2021