InScience Magazine

Tag: Popularization of science

  • Podcast: Η εισαγωγή από το βιβλίο του Κώστα Γαβρόγλου «Η Δίκη του Γαλιλαίου. Επιστημονικές, θεολογικές και κοινωνικές διαστάσεις της».

    Podcast: Η εισαγωγή από το βιβλίο του Κώστα Γαβρόγλου «Η Δίκη του Γαλιλαίου. Επιστημονικές, θεολογικές και κοινωνικές διαστάσεις της».

    Σε αυτό το podcast το InScience παρουσιάζει την εισαγωγή από το βιβλίο του Κώστα Γαβρόγλου «Η Δίκη του Γαλιλαίου. Επιστημονικές, θεολογικές και κοινωνικές διαστάσεις της».

    Το βιβλίο εκδόθηκε το 2025 από τις ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ.

    Την επιμέλεια του podcast είχε η Ομάδα Αφήγησης Παραμυθανθός

    Αφηγητής: Δημήτρης Μάλλης

    Μουσική επένδυση: No copyright music by Monda Music

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

  • ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΩΝΤΑΣ ΤΟ ΣΚΟΤΕΙΝΟ ΣΥΜΠΑΝ – ΜΕΡΟΣ 2: O ΑΟΡΑΤΟΣ ΣΚΕΛΕΤΟΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

    ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΩΝΤΑΣ ΤΟ ΣΚΟΤΕΙΝΟ ΣΥΜΠΑΝ – ΜΕΡΟΣ 2: O ΑΟΡΑΤΟΣ ΣΚΕΛΕΤΟΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

     

    A dense starfield in the Milky Way showing dark dust nebulae silhouetted against millions of background stars, with several bright foreground stars displaying diffraction spikes and warm reddish-brown interstellar dust clouds scattered throughout
    Dark absorption nebulae appear as irregular dark patches against a rich stellar background, with reddish-brown interstellar dust clouds and prominent foreground stars of varying colors and magnitudes.

     

    Το νεφέλωμα του Σκοτεινού Λύκου (The Dark Wolf Nebula). Το νεφέλωμα αυτό βρίσκεται στον σχετικά άγνωστο αστερισμό του Λύκου, ανάμεσα στους πιο διάσημους Σκορπιό και Κένταυρο, με το όνομα Barnard 228. Βρίσκεται μόλις 500 έτη φωτός από τη Γη, μια από τις πιο κοντινές δομές κοσμικής σκόνης σε εμάς. Ευγενική προσφορά στο InS του Απόστολου Κυριαζή.

    ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΩΝΤΑΣ ΤΟ ΣΚΟΤΕΙΝΟ ΣΥΜΠΑΝ:

    ΜΕΡΟΣ 2: O ΑΟΡΑΤΟΣ ΣΚΕΛΕΤΟΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ

    Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος, Αναπληρωτής Καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ

    Στο πρώτο μέρος αυτής της σειράς ακολουθήσαμε την ιστορία της σκοτεινής ύλης: από τους αρχαίους «αόρατους κόσμους» μέχρι τις πρώτες αστρονομικές ενδείξεις για την ύπαρξη μιας «αδιόρατης μάζας». Σε αυτό το άρθρο εξετάζουμε τι γνωρίζουμε σήμερα για τη σκοτεινή ύλη μέσα από τέσσερις φαινομενικά απλές ερωτήσεις: Γιατί πιστεύουμε ότι υπάρχει; Πού βρίσκεται; Πότε δημιουργήθηκε; Και τι μπορεί να είναι;

    Κοιτώντας το νυχτερινό ουρανό διακρίνουμε με γυμνό μάτι μερικές χιλιάδες άστρα, ένα ελάχιστο δείγμα από τα εκατοντάδες δισεκατομμύρια που περιέχει ο Γαλαξίας μας. Ανάμεσα τους, κάποιες αμυδρές κηλίδες προδίδουν την παρουσία άλλων γαλαξιών, οι οποίοι κι αυτοί αποτελούνται από δισεκατομμύρια άστρα.

    Τι θα συνέβαινε αν εξαφανίζονταν όλα αυτά τα άστρα και οι γαλαξίες, τα νέφη αερίου, όλη η ορατή ύλη; Η απάντηση δεν είναι τόσο δραματική όσο θα περίμενε κανείς. Η ορατή ύλη αποτελεί μόνο το 5% της μάζας του Σύμπαντος, ενώ το υπόλοιπο 95% αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια, που απωθεί τους γαλαξίες, και σκοτεινή ύλη που δημιουργεί εστίες βαρυτικής έλξης, έναν αόρατο σκελετό πάνω στον οποίο δημιουργούνται οι γαλαξίες. Αντίθετα, αν εξέλιπε η συνήθης ορατή ύλη, το Σύμπαν θα γινόταν σκοτεινό αλλά ο σκελετός της σκοτεινής ύλης θα παρέμενε στη θέση του. Αν, αντίθετα, εξαφανιζόταν η σκοτεινή ύλη δε θα υπήρχε σκελετός. Το Σύμπαν θα εξελισσόταν πολύ διαφορετικά και οι δομές που θα σχηματίζονταν θα ήταν πολύ πιο διάχυτες, κάτι τελείως διαφορετικό απ’ αυτό που παρατηρούμε (βλ. Εικ. 1).

    Από τι λοιπόν είναι φτιαγμένος αυτός ο σκελετός και πώς ξέρουμε ότι υπάρχει;

    A large-scale cosmological N-body simulation of the cosmic web at 21.40 billion years and redshift z=0.00, showing the distribution of dark matter particles as green dots against a black background, spanning 200 megaparsecs in comoving coordinates
    Simulation of the large-scale structure of the universe at 13.70 Gyr (redshift z=0.00), showing the cosmic web of dark matter filaments, voids, and galaxy clusters rendered as green luminous threads on a black background, with a 200 Megaparsec scale bar in comoving coordinates
    A visualization of the cosmic web at 13.70 billion years (z = 0.00), generated by the Cosmic Web Explorer (nicosmo.github.io/cosmic_web_explorer). Green filaments trace the distribution of dark matter and galaxies across a field spanning hundreds of megaparsecs, revealing the sponge-like network of voids, sheets, filaments, and nodes that defines the large-scale structure of the universe.
    Two fan-shaped redshift survey maps displayed in a circular projection showing the large-scale structure of the universe, with thousands of galaxies plotted as green and orange dots forming filaments, walls, and voids across redshift values from z=0.02 to z=0.14, labeled with right ascension hour markers from 0h to 20h
    All-sky redshift survey showing the distribution of galaxies in two slices of the universe (northern and southern hemispheres). Orange dots indicate brighter or more massive galaxies; green dots represent fainter ones. The filamentary cosmic web structure — clusters, filaments, and voids — is clearly visible out to redshift z ≈ 0.14.

    Εικόνα 1: Σύγκριση της δομής μεγάλης κλίμακας για διαφορετικές ποσότητες σκοτεινής ύλης. Κάθε φωτεινή κουκίδα αντιστοιχεί σε έναν γαλαξία. Οι δύο πρώτες εικόνες αντιστοιχούν σε προσομοιώσεις: στην πρώτη η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης είναι πολύ μικρότερη από την παρατηρούμενη, ενώ στη δεύτερη έχει την τιμή που μετράμε στο Σύμπαν μας. Στην τρίτη εικόνα φαίνεται η πραγματική κατανομή γαλαξιών που χαρτογράφησε το Sloan Digital Sky Survey. [Πηγές: https://nicosmo.github.io/cosmic_web_explorer/, https://www.sdss4.org/science/]

    ΠΩΣ ΞΕΡΟΥΜΕ ΟΤΙ ΥΠΑΡΧΕΙ ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ;

    Οι ενδείξεις για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης είναι πολλές και εκτείνονται σε διαφορετικές κλίμακες παρατήρησης. Ξεκινώντας απ’ τις μικρότερες κλίμακες παρατήρησης, η κύρια ένδειξη προέρχεται απ’ τις ταχύτητες περιστροφής των γαλαξιών. Όπως αναλύσαμε στο προηγούμενο άρθρο, οι Horace Babcock, Vera Rubin, Kent Ford και Robert Thonnard, μέτρησαν την ταχύτητα περιστροφής του γαλαξία της Ανδρομέδας (Babcock, 1939; Rubin & Ford, 1970) καθώς και 21 άλλων γαλαξιών (Rubin et al., 1978) και βρήκαν πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες απ’ αυτές που θα μπορούσε να συγκρατήσει σε τροχιά η ορατή μάζα του γαλαξία (βλ. Εικ. 2). Με άλλα λόγια, οι μετρήσεις τους υπέδειξαν την ύπαρξη μιας επιπλέον συνιστώσας ύλης που διαθέτει βαρυτικές αλληλεπιδράσεις αλλά δεν ακτινοβολεί[^1].

    Graph showing galaxy rotation curve with velocity in km/s on the vertical axis and distance in light years on the horizontal axis, comparing observed stellar and 21-cm hydrogen measurements against the expected velocity curve from visible disk matter, overlaid on a galaxy image
    Observed rotational velocities of stars and gas (via 21-cm hydrogen emissions) remain nearly flat with increasing distance from the galactic center, diverging sharply from the declining curve predicted by visible matter alone — strong evidence for the existence of dark matter.
    Graph showing rotational velocity curves (km/s) versus distance from nucleus (kpc) for four spiral galaxies: Sbc-Sc NGC 7541, Sbc-Sc NGC 801, Sc NGC 2998, and Sc NGC 3672, each rising steeply near the nucleus then remaining relatively flat at large radii
    Rotational velocity profiles of spiral galaxies NGC 7541, NGC 801, NGC 2998, and NGC 3672 plotted against distance from the nucleus in kiloparsecs, illustrating the characteristic flat rotation curves indicative of dark matter halos.

    Εικόνα 2: (Πάνω) Μετρήσεις της ταχύτητας περιστροφής του γαλαξία του τριγώνου στο ορατό (κίτρινες κουκίδες) και σε ραδιοσυχνότητες (μπλε κουκίδες). Η πρόβλεψη της ταχύτητας περιστροφής βάσει της μετρούμενης φωτεινής μάζας του γαλαξία φαίνεται με γκρι διακεκομένη γραμμή. (Κάτω) Μετρήσεις ταχυτήτων περιστροφής διαφόρων γαλαξιών από το (Rubin et al, 1978). [Πηγές: https://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy_rotation_curve#/media/File:Rotation_curve_of_spiral_galaxy_Messier_33_(Triangulum).png, (Rubin et al, 1978)]

    Με την εξέλιξη των τεχνικών παρατήρησης, στα τέλη της δεκαετίας του 1930, οι αστρονόμοι άρχισαν να ανακαλύπτουν σφαιροειδείς γαλαξίες νάνους, οι οποίοι είναι πολύ αμυδροί, περιέχουν λίγα άστρα και περιφέρονται γύρω απ’ τον Γαλαξία μας. Οι ταχύτητες των αστέρων στο εσωτερικό των γαλαξιών νάνων είναι τόσο μεγάλες που υποδεικνύουν ότι οι γαλαξίες αυτοί αποτελούνται κυρίως από σκοτεινή ύλη (Mateo, 1998).

    Αργότερα προσομοιώσεις της γαλαξιακής δυναμικής έδειξαν ότι χωρίς την παρουσία σκοτεινής ύλης οι τροχιές των αστέρων του γαλαξιακού δίσκου θα γίνονταν χαοτικές μετά από λίγες περιόδους περιστροφής και για να εξασφαλιστεί η δυναμική ευστάθεια χρειάζεται μια σφαιρική άλως σκοτεινής ύλης (Ostriker & Peables, 1973).

    Περνώντας σε διαγαλαξιακές κλίμακες, υπάρχουν δύο σημαντικές ενδείξεις για την ύπαρξη σκοτεινής ύλης. Η πρώτη έχει να κάνει με τις ταχύτητες των γαλαξιών στο εσωτερικό γαλαξιακών σμηνών, όπως παρατηρήθηκε για πρώτη φορά απ’ τους Lundmark και Zwicky (Lundmark, 1930, Zwicky, 1933, Zwicky, 1937) (βλ. προηγούμενο άρθρο).

    Η πιο ξεκάθαρη αστρονομική ένδειξη για την ύπαρξη σκοτεινής ύλης[^2] είναι η παρατήρηση του Σμήνους Σφαίρα (βλ. Εικ. 3). Το Σμήνος Σφαίρα είναι το αποτέλεσμα της σύγκρουσης δύο σμηνών γαλαξιών που έγινε περίπου πριν από 150 εκατομμύρια χρόνια. Καθώς η συνήθης (ορατή) ύλη αλληλεπιδρά ισχυρά με τον εαυτό της, τα θερμά αέρια που περιέβαλαν τα δύο υποσμήνη συγκρούστηκαν και επιβραδύνθηκαν δημιουργώντας ένα εντυπωσιακό ωστικό κύμα. Αντιθέτως, παρατηρήσεις μέσω βαρυτικής εστίασης έδειξαν ότι το κέντρο μάζας των σμηνών δε συμπίπτει με το κέντρο μάζας των θερμών αερίων. Είναι σαν να διήλθε το ένα σμήνος μέσα από το άλλο χωρίς να συμβεί τίποτα. Για να εξηγηθεί αυτή η παρατήρηση, πρέπει να υποθέσουμε ότι μεγάλο μέρος της μάζας των γαλαξιακών σμηνών βρίσκεται υπό μορφή σκοτεινής ύλης, η οποία δεν αλληλεπιδρά ισχυρά.

    Composite image of the Bullet Cluster (1E 0657-558) showing two colliding galaxy clusters with pink X-ray-emitting hot gas detected by Chandra overlaid on a blue dark matter map derived from gravitational lensing, set against a deep-field background of thousands of galaxies and stars, with a 1.5 arcminute scale bar
    This composite image of galaxy cluster 1E 0657-558 (the Bullet Cluster) combines Chandra X-ray Observatory data (pink) showing hot gas, Hubble Space Telescope optical data, and a gravitational lensing dark matter map (blue). The separation of the dark matter (blue) from the normal baryonic matter (pink) during the collision provides strong observational evidence for the existence of dark matter. Scale bar indicates 1.5 arcminutes. Credit: NASA/CXC/CfA.

    Εικόνα 3: Απεικόνιση του Σμήνους Σφαίρα. Η ροζ περιοχή αντιστοιχεί στην ορατή μάζα των δύο σμηνών που συγκρούστηκαν, η οποία έχει ανακατασκευαστεί από παρατηρήσεις στην περιοχή των ακτίνων Χ, ενώ η μπλε περιοχή απεικονίζει τη βαρυτική μάζα των δύο σμηνών και έχει κατασκευαστεί μέσω βαρυτικής εστίασης. [Πηγή https://en.wikipedia.org/wiki/Bullet_Cluster]

    Η σκοτεινή ύλη αφήνει τα ίχνη της και σε κοσμολογικές κλίμακες: στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, στις βαρυονικές ακουστικές ταλαντώσεις, στη δομή μεγάλης κλίμακας και στην αρχέγονη πυρηνοσύνθεση.

    Για να κατανοήσουμε τα δύο πρώτα, πρέπει να πάμε πίσω στο χρόνο 370.000 χρόνια περίπου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, λίγο πριν δημιουργηθούν τα πρώτα άτομα υδρογόνου. Το Σύμπαν ήταν γεμάτο από μία θερμή σούπα από ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια και φωτόνια. Όσο η θερμοκρασία του Σύμπαντος ήταν μεγαλύτερη από περίπου 3.000 βαθμούς Κέλβιν, τα ηλεκτρόνια είχαν πολύ μεγάλη ενέργεια για να σχηματίσουν άτομα και επομένως κινούνταν ελεύθερα. Τα φωτόνια σκεδάζονταν συνεχώς πάνω στα ηλεκτρόνια και στα πρωτόνια, κι επομένως δεν μπορούσαν να διανύσουν μεγάλες αποστάσεις, κάτι που έκανε το Σύμπαν αδιαφανές. Όταν η θερμοκρασία έπεσε κάτω από τους 3.000 βαθμούς, τα πρωτόνια δέσμευσαν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σχηματίζοντας τα πρώτα άτομα υδρογόνου που ήταν ηλεκτρικά ουδέτερα, σε μια διαδικασία που ονομάζεται επανασύνδεση (recombination). Από εκείνη τη στιγμή το Σύμπαν έγινε διαφανές και τα αρχέγονα φωτόνια άρχισαν να ταξιδεύουν ελεύθερα προς όλες τις κατευθύνσεις, δημιουργώντας αυτό που ονομάζουμε μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου.

    Πώς επηρεάζει λοιπόν η σκοτεινή ύλη την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου; Αρχικά φανταστείτε ότι το αρχέγονο Σύμπαν δεν ήταν απόλυτα ομοιογενές. Μικροσκοπικές διακυμάνσεις είχαν δημιουργήσει περιοχές ελάχιστα πυκνότερες από τις γειτονικές τους. Αυτές οι περιοχές δρούσαν ως εστίες βαρυτικής έλξης (σκεφτείτε ένα πηγάδι σαν αυτό που φαίνεται στην Εικ. 4), η οποία ανάγκαζε το πλάσμα ηλεκτρονίων, πρωτονίων και φωτονίων να συμπιέζεται. Η συμπίεση αυτή θέρμαινε το πλάσμα, το οποίο με τη σειρά του άρχιζε να εκτονώνεται, δημιουργώντας έτσι μια ταλάντωση γύρω από τις περιοχές μεγαλύτερης πυκνότητας, όπως φαίνεται στην Εικ. 4.

    Diagram showing two orange spheres on a curved blue surface with gravity labeled at the top and pressure represented by a pink coiled spring wave beneath the curve
    Illustration of the balance between gravitational force pulling masses downward and pressure acting upward along a curved surface.

    Εικόνα 4: Το ενεργειακό πηγάδι που αντιστοιχεί στη βαρυτική δύναμη που ασκούν οι περιοχές του πλάσματος ηλεκτρονίων και πρωτονίων σε περιοχές μεγαλύτερης πυκνότητας. Τα σωματίδια του πλάσματος απεικονίζονται ως κίτρινες μάζες και τα φωτόνια δρουν ως ένα ελατήριο που δημιουργεί απωστική δύναμη. [Πηγή https://background.uchicago.edu/~whu/intermediate/gravity.html]

    Κατά τη διαδικασία σχηματισμού ατόμων, το πλάσμα βρισκόταν σε διαφορετική φάση ταλάντωσης σε κάθε περιοχή, δηλαδή σε κάποιες περιοχές βρισκόταν στο σημείο μέγιστης συμπίεσης, σε κάποιες άλλες σε περιοχή ελάχιστης συμπίεσης κλπ. Ως αποτέλεσμα, τα φωτόνια από διαφορετικές περιοχές αποδεσμεύτηκαν από το πλάσμα έχοντας διαφορετικές ενέργειες. Κατά συνέπεια τα φωτόνια της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου που φτάνουν στα τηλεσκόπια μας από διαφορετικές περιοχές του Σύμπαντος έχουν διαφορετικές ενέργειες.

    Μετρώντας αυτές τις ενέργειες σε διάφορα σημεία του ουρανού παίρνουμε ένα φάσμα όπως αυτό που φαίνεται στην Εικ. 5. Οι κορυφές αυτού του φάσματος έχουν άμεση σχέση με την ταλάντωση του πλάσματος που εξηγήσαμε παραπάνω. Συγκεκριμένα, οι δύο πρώτες αντιστοιχούν σε περιοχές όπου το πλάσμα είχε εκτελέσει μία πλήρη ταλάντωση και βρισκόταν σε μέγιστη συμπίεση (1η κορυφή) ή μέγιστη αποσυμπίεση (2η κορυφή). Η 3η κορυφή αντιστοιχεί σε περιοχές όπου το πλάσμα είχε εκτελέσει δύο ταλαντώσεις και βρισκόταν σε κατάσταση μέγιστης συμπίεσης κ.ο.κ.

    Τι σχέση έχει αυτό με τη σκοτεινή ύλη; Η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με το πλάσμα αλλά αυξάνει τη βαρυτική έλξη στις περιοχές μεγαλύτερης πυκνότητας, και άρα το ύψος του πηγαδιού στην Εικ. 4, με συνέπεια να αλλάζει το ύψος των κορυφών που βλέπουμε στο φάσμα της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (βλ. Εικ. 5). Επομένως μετρώντας αυτό το φάσμα όχι μόνο μπορούμε να συμπεράνουμε αν υπάρχει σκοτεινή ύλη αλλά και να υπολογίσουμε με μεγάλη ακρίβεια την πυκνότητα της.

    Graph of cosmic microwave background temperature fluctuations in µK² plotted against angular scale and multipole moment ℓ, showing the first acoustic peak near ℓ=200 at roughly 5500 µK², followed by smaller secondary and tertiary peaks, with red data points and a teal theoretical curve
    The angular power spectrum of CMB temperature fluctuations showing acoustic peaks across multipole moments from ℓ=2 to ℓ=2500, corresponding to angular scales from 90° down to 0.07°. The shaded region at large angular scales reflects cosmic variance.

    Εικόνα 5: Το φάσμα της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Ο άξονας των y αντιστοιχεί στη διαφορά ενέργειας δύο φωτονίων σε δύο σημεία του ουράνιου θόλου ενώ ο άξονας των x αντιστοιχεί στην απόσταση αυτών των σημείων (αριστερά βρίσκονται τα σημεία με μεγάλες αποστάσεις ενώ δεξιά τα σημεία με μικρές αποστάσεις). [Πηγή https://sci.esa.int/web/planck/-/51555-planck-power-spectrum-of-temperature-fluctuations-in-the-cosmic-microwave-background]

    Ας επιστρέψουμε τώρα στις ταλαντώσεις του πλάσματος γύρω απ’ τις περιοχές υψηλότερης πυκνότητας με μια χαρακτηριστική ταχύτητα. Όταν δημιουργούνται τα πρώτα άτομα, τα φωτόνια αποσυζεύγονται από το πλάσμα και το ακουστικό κύμα παύει να διαδίδεται, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια του πλάσματος να σταματήσουν να διαδίδονται προς τα έξω. Κατ’ αναλογία, σκεφτείτε ότι ρίχνουμε ένα βότσαλο σε μια λίμνη, δημιουργείται ένα κύμα στην επιφάνεια της και ξαφνικά το κύμα αυτό παγώνει. Η απόσταση που θα έχει διανύσει το ακουστικό κύμα στα 370.000 χρόνια που μεσολάβησαν απ’ τη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι την εποχή επανασύνδεσης αντιστοιχεί, στο σημερινό Σύμπαν, σε μια ακτίνα 150 Mpc[^3]. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια του πλάσματος θα συγκεντρωθούν κατά προτίμηση σε αποστάσεις 150 Mpc γύρω απ’ τις περιοχές υψηλότερης πυκνότητας, όπως φαίνεται στην Εικ. 6. Τα σημεία πάνω στην ακτίνα αυτή θα δημιουργήσουν αργότερα τις εστίες γύρω απ’ τις οποίες θα σχηματιστούν τα πρώτα άτομα υδρογόνου τα οποία με τη σειρά τους θα σχηματίσουν τους πρώτους γαλαξίες. Συνεπώς σύμφωνα με την παραπάνω εικόνα περιμένουμε οι γαλαξίες που παρατηρούμε σήμερα να βρίσκονται σε κελύφη ακτίνας 150 Mpc. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως βαρυονικές ακουστικές ταλαντώσεις.

    Πώς σχετίζεται αυτό με τη σκοτεινή ύλη; Η εξήγηση είναι η εξής: Η ποσότητα της σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν επηρεάζει το πόσο γρήγορα διαδίδεται το ακουστικό κύμα κι επομένως τη χαρακτηριστική ακτίνα μεταξύ των γαλαξιών. Επομένως η κατανομή των γαλαξιών στο Σύμπαν μπορεί να μας δώσει πληροφορίες για την ύπαρξη σκοτεινής ύλης και την πυκνότητα της.

    Εικόνα 6: Σχηματική αναπαράσταση των βαρυονικών ακουστικών ταλαντώσεων. [Πηγή https://www.astro.ucla.edu/~wright/BAO-cosmology.html]

    Εικόνα 6: Σχηματική αναπαράσταση των βαρυονικών ακουστικών ταλαντώσεων. [Πηγή https://www.astro.ucla.edu/~wright/BAO-cosmology.html]

    ΠΟΥ ΒΡΙΣΚΕΤΑΙ;

    Η σκοτεινή ύλη δεν γεμίζει το Σύμπαν σαν μια ομοιόμορφη ομίχλη. Η βαρύτητα την έχει συγκεντρώσει σε άλω: τεράστιες, αόρατες δομές μέσα στις οποίες φωλιάζουν οι γαλαξίες. Ο Γαλαξίας μας, για παράδειγμα, περιβάλλεται από ένα μεγάλο σκοτεινό περίβλημα που δεν μπορούμε να το παρατηρήσουμε άμεσα αλλά το ανακατασκευάζουμε από τη βαρυτική επίδραση του στην κίνηση των άστρων, των αερίων και των δορυφόρων γαλαξιών.

    Το κυρίαρχο μοντέλο (Drukier et al., 1986) που έχει αναδυθεί από παρατηρήσεις και προσομοιώσεις προβλέπει ότι η σκοτεινή ύλη σχηματίζει ομοιογενείς και ισότροπες σφαιρικές άλωες γύρω απ’ τους γαλαξίες όπως φαίνεται στην Εικ. 7. Παρ’ όλα αυτά, σύγχρονες αστρονομικές παρατηρήσεις έχουν αποκαλύψει ότι ο Γαλαξίας μας έχει συγχωνευτεί με μικρότερους δορυφόρους γαλαξίες όπως ο γαλαξίας του Τοξότη και ο Εγκέλαδος, οι οποίοι δημιουργούν ποτάμια από αστρική ύλη που διασχίζουν το Γαλαξία μας. Είναι εύλογο να υποθέσουμε ότι τέτοιες συγχωνεύσεις γαλαξιών μπορεί να διαταράσσουν τη σφαιρική άλω, δημιουργώντας ακόμα και ροές σκοτεινής ύλης.

    Diagram of the Milky Way galaxy showing three labeled structural components: the flat spiral thin disk at the center, surrounded by a glowing inner halo, and a larger diffuse outer halo extending across the image, set against a black starfield

    Obraz galaktyki spiralnej. Przerywane kręgi wyznaczają możliwy zakres zgrupowania wokół niej ciemnej materii.

    Εικόνα 7: Απεικόνιση της κατανομής της σκοτεινής ύλης γύρω από έναν γαλαξία. Στα αριστερά φαίνεται το Καθιερωμένο Πρότυπο άλω (σφαιρική κατανομή) ενώ δεξιά φαίνεται ένα εναλλακτικό μοντέλο το οποίο αποτελείται από δύο συνιστώσες. [Πηγές https://skyandtelescope.org/astronomy-news/dark-halos-and-warped-disks/, https://www.ncbj.gov.pl/en/aktualnosci/what-shape-dark-matter-halo]

    ΤΙ (ΔΕΝ) ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΕΙΝΑΙ;

    Το ερώτημα αυτό αποτελεί ένα απ’ τα κύρια ανοικτά ζητήματα της φυσικής υψηλών ενεργειών και της κοσμολογίας, η λύση του οποίου ενδέχεται να επιφέρει ριζικές αλλαγές στον τρόπο που κατανοούμε τον κόσμο. Παρότι ξέρουμε (ή ακριβέστερα μπορούμε να εξάγουμε από παρατηρήσεις) πού βρίσκεται, πότε δημιουργήθηκε και ποιες ιδιότητες πρέπει να έχει, εντούτοις, δε γνωρίζουμε τι ακριβώς είναι, από τι αποτελείται. Οπότε ας δούμε αρχικά τι δεν μπορεί να είναι.

    Πρώτον, για να παρατηρούμε σκοτεινή ύλη σήμερα, θα πρέπει να είναι σταθερή ή εξαιρετικά μακρόβια, με χρόνο ζωής της τάξης της ηλικίας του Σύμπαντος. Δεύτερον, γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη πρέπει να είναι μη σχετικιστική, δηλαδή να κινείται με μικρές ταχύτητες, έτσι ώστε να παγιδεύεται στα βαρυτικά πηγάδια που δημιουργούν τους πρώτους γαλαξίες. Αν η ταχύτητα της σκοτεινής ύλης είναι πολύ μεγάλη δυσκολεύει τη δημιουργία δομών, όπως ένα γρήγορο κύμα σβήνει τα ίχνη στην άμμο. Αυτό αποκλείει, παραδείγματος χάριν, τα νετρίνα του Kαθιερωμένου Προτύπου (Standard Model) ως υποψήφια σωματίδια σκοτεινής ύλης.

    Αν η κυρίαρχη σκοτεινή ύλη έφερε ηλεκτρικό φορτίο ή φορτίο χρώματος, θα σκεδαζόταν πάνω στο αρχέγονο πλάσμα, θα έχανε ενέργεια, θα ακτινοβολούσε ή θα σχημάτιζε δεσμευμένες καταστάσεις. Δεν θα σχημάτιζε τις διάχυτες άλωες που παρατηρούμε στον Γαλαξία μας και στο Σμήνος της Σφαίρας. Απ’ αυτό συμπεραίνουμε ότι η σκοτεινή ύλη πρέπει να μην αλληλεπιδρά με τις ηλεκτρομαγνητικές[^4] και τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Θεωρητικά, θα μπορούσε να αλληλεπιδρά με τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις του Καθιερωμένου Προτύπου και με το μποζόνιο Higgs (Higgs boson), παρ’ όλα αυτά έρευνες για σκοτεινή ύλη (που θα αναλύσουμε στο τρίτο μέρος της σειράς) έχουν περιορίσει πολύ αυτές τις πιθανότητες.

    Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι αν η σκοτεινή ύλη αποτελείται από στοιχειώδη σωματίδια, τότε αυτά πρέπει να έχουν μάζα, να έχουν τεράστιο χρόνο ημιζωής και πρέπει να μην αλληλεπιδρούν ούτε μέσω των ηλεκτρομαγνητικών ούτε μέσω των ισχυρών αλληλεπιδράσεων. Καθώς κανένα απ’ τα σωματίδια που γνωρίζουμε μέχρι στιγμής δεν διαθέτει αυτές τις ιδιότητες, συμπεραίνουμε ότι η σκοτεινή ύλη θα πρέπει να αποτελείται από ένα νέο είδος σωματιδίου!

    Τι θα μπορούσε λοιπόν να είναι; Το εύρος των υποψηφίων είναι εντυπωσιακό: από πεδία με κυματικές ιδιότητες και απειροελάχιστη μάζα μέχρι μακροσκοπικά αντικείμενα. Για να τα εξετάσουμε όλα θα χρειαζόμασταν πολλά άρθρα. Εδώ θα σταθούμε σε μερικές χαρακτηριστικές οικογένειες (βλ. Εικ. 8).

    Comprehensive chart showing the dark matter mass spectrum from 10⁻²¹ eV to 10³⁰ eV, divided into wave-like candidates (blue, lower masses) such as QCD axions, axion-like particles, ultralight scalar fields, and dark photons, and particle-like candidates (orange, higher masses) such as WIMPs, sterile neutrinos, gravitinos, Q-balls, and WIMPzilla, with corresponding scales for wavelength, frequency, and mass in grams shown along the top axes.
    The landscape of dark matter candidate masses spanning over 50 orders of magnitude, from ultralight wave-like fields to macroscopic particle-like objects. Credit: Ciaran O’Hare.

    Εικόνα 8: Ενδεικτικός χάρτης υποψηφίων σωματιδίων για τη σκοτεινή ύλη σε λογαριθμική κλίμακα μάζας. Στα αριστερά βρίσκονται πολύ ελαφρά σωματίδια που συμπεριφέρονται ως κύματα και στα δεξιά όλο και βαρύτερα σωματίδια ή μακροσκοπικά αντικείμενα. Η τεράστια έκταση του άξονα δείχνει πόσο λίγο γνωρίζουμε ακόμη για τη μικροσκοπική της κλίμακα. [Πηγή https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dark_matter_candidates.pdf]

    Μια απ’ τις σημαντικότερες κατηγορίες είναι αυτό που ονομάζεται WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, δηλ. Ασθενώς Αλληλεπιδρόν Μαζικό Σωματίδιο). Αυτά τα σωματίδια έχουν μάζες παρόμοιες με τις μάζες των γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων και αλληλεπιδρούν με αλληλεπιδράσεις που έχουν ισχύ συγκρίσιμη με εκείνη της ασθενής αλληλεπίδρασης του Καθιερωμένου Προτύπου. Τέτοια σωματίδια εμφανίζονται σε υπερσυμμετρικές θεωρίες, θεωρίες ενοποίησης με επιπλέον διαστάσεις, θεωρίες με επιπλέον μποζόνια Higgs, θεωρίες που προσπαθούν να εξηγήσουν το πρόβλημα της συμμετρίας σωματιδίου-αντισωματιδίου στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις (αξιόνια) κ.λπ. (Cirelli et al., 2026).

    Μια άλλη πιθανότητα είναι η σκοτεινή ύλη να μην αποτελείται από στοιχειώδη σωματίδια, αλλά από μακροσκοπικά αντικείμενα τα οποία δεν εκπέμπουν φως, όπως καφέ νάνοι, αρχέγονες μαύρες τρύπες, ορφανοί πλανήτες κλπ. Μελέτες (Green & Kavanagh, 2021, Tisserand et al, 2007) που βασίζονται στο φαινόμενο της βαρυτικής εστίασης, στη δυναμική των αστρικών τροχιών και στα βαρυτικά κύματα έχουν αποδείξει ότι η σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να αποτελείται αποκλειστικά από τέτοια αντικείμενα[^5].

    Τέλος, όπως αναφέραμε παραπάνω, μια τρίτη περίπτωση είναι η σκοτεινή ύλη να μην είναι «σκοτεινή ύλη», αλλά μια τροποποίηση της βαρυτικής δύναμης σε μεγάλες αποστάσεις. Βέβαια τέτοιες θεωρίες έχουν μεγάλη δυσκολία να εξηγήσουν το σύνολο των παρατηρήσεων που διαθέτουμε σήμερα.

    Ίσως τελικά η ερώτηση «ποιο είναι το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης;» να είναι υπερβολικά στενή. Δεδομένου ότι ο ορατός κόσμος αποτελείται από πολλά διαφορετικά σωματίδια, ίσως είναι αφελές να θεωρούμε ότι ο σκοτεινός κόσμος αποτελείται από ένα και μόνο σωματίδιο.

    ΠΟΤΕ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΘΗΚΕ;

    Αν και υπάρχουν πολλές διαφορετικές θεωρίες για το πώς και πότε ακριβώς δημιουργήθηκε η σκοτεινή ύλη, όλα σχεδόν τα μοντέλα προβλέπουν ότι θα πρέπει να έχει δημιουργηθεί πριν το σχηματισμό των πρώτων πυρήνων, για να είναι συμβατή με τις παρατηρήσεις που αναλύσαμε παραπάνω. Οι δύο επικρατέστεροι μηχανισμοί ονομάζονται freeze-out («πάγωμα») και freeze-in («ξεπάγωμα»).

    Όπως είδαμε παραπάνω, το αρχέγονο Σύμπαν μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και την εποχή του πληθωρισμού, αποτελούνταν από μία «σούπα» (πλάσμα) όλων των στοιχειωδών σωματιδίων. Όσο οι θερμοκρασίες ήταν πολύ υψηλές, συγκρούσεις δύο στοιχειωδών σωματιδίων μπορούσαν να παράγουν δύο άλλα στοιχειώδη σωματίδια. Με τεχνικούς όρους λέμε ότι μία αντίδραση εξαΰλωσης της μορφής $xx \leftrightarrow yy$ , όπου x, y δύο στοιχειώδη σωματίδια λάμβανε χώρα και προς τις δύο κατευθύνσεις. Καθώς όμως το Σύμπαν διαστελλόταν, η θερμοκρασία του μειωνόταν με αποτέλεσμα οι συγκρούσεις μεταξύ των σωματιδίων να γίνονταν με όλο και μικρότερη κινητική ενέργεια. Όταν η ενέργεια αυτή γινόταν μικρότερη απ’ την ενέργεια ηρεμίας ενός σωματιδίου (ας πούμε του y), ο αριθμός των σωματιδίων x άρχισε να μειώνεται γιατί οι αντιδράσεις εξαΰλωσης $xx \rightarrow yy$ γίνονταν μόνο προς τη μία φορά (καθώς τα σωματίδια y δεν είχαν αρκετή κινητική ενέργεια ώστε να παράγουν τα σωματίδια x).

    Αν η αντίδραση $xx \rightarrow yy$ γινόταν με πολύ μεγάλο ρυθμό, τα σωματίδια x μπορούσαν να εξαϋλωθούν ολοσχερώς. Τέτοια περίπτωση είναι η εξαΰλωση ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων σε δύο φωτόνια $e^{+} e^{-} \rightarrow \gamma\gamma$ . Καθώς τα ηλεκτρόνια είναι λίγο περισσότερα απ’ τα ποζιτρόνια (λόγω ασυμμετρίας ύλης-αντιΰλης), όλα τα ποζιτρόνια εξαϋλώθηκαν. Αν όμως ο ρυθμός με τον οποίο γίνεται η αντίδραση $xx \rightarrow yy$ ήταν μικρότερος απ’ το ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος, τότε η αντίδραση $xx \rightarrow yy$ σταματούσε και ο αριθμός των σωματιδίων x «πάγωνε» (παρέμενε σταθερός). Αυτός είναι ο μηχανισμός freeze-out (Εικ. 9). Στην ίδια εικόνα αν θεωρήσουμε ότι τα σωματίδια x είναι σωματίδια σκοτεινής ύλης και τα σωματίδια y είναι τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου, καταλαβαίνουμε ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης παγώνει σε μια συγκεκριμένη τιμή (την οποία μπορούμε να μετρήσουμε με μεγάλη ακρίβεια από αστρονομικές παρατηρήσεις).

    Στον μηχανισμό freeze-in συμβαίνει το αντίστροφο. Τα σωματίδια x, τα οποία αποτελούν τη σκοτεινή ύλη, αρχικά υπάρχουν σε αμελητέα ποσότητα. Παράγονται σταδιακά από τις αντιδράσεις των σωματιδίων του πλάσματος, π.χ. $yy \rightarrow xx$ , ή από διασπάσεις βαρύτερων σωματιδίων $y \rightarrow xx$ . Σε αυτά τα μοντέλα η αλληλεπίδραση των x με το πλάσμα είναι τόσο ασθενής, ώστε ο ρυθμός παραγωγής των παραγόμενων σωματιδίων να είναι πολύ μικρός.

    Καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν, η πυκνότητα των σωματιδίων y μειωνόταν, και οι αντιδράσεις που μπορούσαν να παράγουν τα σωματίδια σκοτεινής ύλης x γίνονταν ολοένα και σπανιότερες. Όταν ο ρυθμός παραγωγής τους έγινε μικρότερος από τον ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος, η παραγωγή τους σταμάτησε. Έτσι η πυκνότητα τους «πάγωσε» σε μια μικρή τιμή. Επομένως, ενώ στο freeze-out η σκοτεινή ύλη απομένει επειδή παύει να εξαϋλώνεται, στο freeze-in απομένει επειδή παύει να παράγεται.

    Log-log plot of dark matter yield Y versus x = m/T showing the equilibrium abundance (solid black curve decreasing steeply) and three pairs of colored curves (blue, green, red) representing different annihilation cross-sections; dashed lines show freeze-in or non-equilibrium initial yields rising with arrows, while solid colored lines show freeze-out solutions dropping after x ≈ 20 with a downward arrow, illustrating the interplay between freeze-out and freeze-in mechanisms
    Evolution of the comoving dark matter yield Y as a function of x = m/T. The black curve denotes the equilibrium (Boltzmann-suppressed) abundance. Dashed colored curves (red, green, blue) represent freeze-in yield build-up, while solid colored curves show the freeze-out solutions. Arrows indicate the direction of yield evolution relative to equilibrium for increasing annihilation cross-section.

    Εικόνα 9: Απεικόνιση των μηχανισμών freeze-out (συνεχείς γραμμές) και freeze-in (διακεκομμένες γραμμές). Στο μηχανισμό freeze-out, η πυκνότητα των σωματιδίων (Y) μειώνεται μέχρις ότου ο ρυθμός εξαΰλωσης να γίνει μικρότερος απ’ το ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος και τότε η πυκνότητα των σωματιδίων παγώνει. Στο μηχανισμό freeze-in γίνεται το αντίθετο. Η πυκνότητα των σωματιδίων είναι αρχικά πολύ μικρή και η σκοτεινή ύλη παράγεται (“ξεπαγώνει”) από αντιδράσεις ή διασπάσεις άλλων σωματιδίων, έως ότου ο ρυθμός παραγωγής της να γίνει μικρότερος απ’ το ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος. [Πηγή https://www.particlebites.com/?p=7132]

    ΕΝ ΚΑΤΑΚΛΕΙΔΙ

    Η σκοτεινή ύλη είναι ένα απ’ τα μεγαλύτερα ανοικτά προβλήματα και ένα απ’ τα μεγαλύτερα παράδοξα της σύγχρονης φυσικής: ενώ γνωρίζουμε τόσα πολλά για τις ιδιότητες της, δε γνωρίζουμε καθόλου από τι αποτελείται.

    Τα τελευταία χρόνια, δεκάδες πειράματα προσπαθούν να ανακαλύψουν κάποια ένδειξη για την ύπαρξη σκοτεινής ύλης είτε μέσω της παραγωγής της σε επιταχυντές σωματιδίων είτε μέσω των αλληλεπιδράσεων της στον Γαλαξία. Τα πειράματα αυτά θα τα αναλύσουμε στο επόμενο άρθρο της σειράς.

    ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] Πρέπει να σημειωθεί ότι αν θεωρήσουμε τις μετρήσεις των ταχυτήτων περιστροφής ξεχωριστά από τις υπόλοιπες ενδείξεις σκοτεινής ύλης, υπάρχουν εναλλακτικές θεωρίες που μπορούν να εξηγήσουν τις ταχύτητες περιστροφής, όπως η τροποποιημένη Νευτώνεια δυναμική (MOND). Παρόλα αυτά, τέτοιες θεωρίες δεν μπορούν να εξηγήσουν ταυτόχρονα όλες τις υπόλοιπες ενδείξεις για την ύπαρξη σκοτεινής ύλης. ↩

    [2] Η παρατήρηση του Σμήνους Σφαίρα είναι πολύ δύσκολο να εξηγηθεί από εναλλακτικές θεωρίες χωρίς την παραδοχή της σκοτεινής ύλης. ↩

    [3] Το Mpc (Megaparcec) είναι μονάδα μέτρησης αποστάσεων στην αστρονομία και αντιστοιχεί σε $3{,}09\times 10^{19}$ km χιλιόμετρα. ↩

    [4] Για την ακρίβεια υπάρχει μια δυνατότητα η σκοτεινή ύλη να φέρει ένα πολύ μικρό ηλεκτρικό φορτίο. Στην περίπτωση που η σκοτεινή ύλη αποτελείται από ένα μόνο είδος σωματιδίων, το ηλεκτρικό τους φορτίο θα πρέπει να είναι λιγότερο από ένα δεκάκις δισεκατομμυριοστό του ηλεκτρικού φορτίου του ηλεκτρονίου. ↩

    [5] Μοναδική εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση η σκοτεινή ύλη να αποτελείται από αρχέγονες μαύρες τρύπες που έχουν μάζα περίπου όσο ένας αστεροειδής. ↩

    ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΛΛΗΝΙΚΗ

    Bartusiak, M., 2022. H Μέρα που ανακαλύψαμε το Σύμπαν, Θεασσαλονίκη: ΡΟΠΗ, ISBN:9786185289706.

    Randall, L., 2019. Η σκοτεινή ύλη και η εξαφάνιση των δεινοσαύρων: Η εκπληκτική συνέχεια του Σύμπαντος, Θεασσαλονίκη: ΡΟΠΗ, ISBN13: 9786185289416.

    ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ

    Babcock, H., 1939.The rotation of the Andromeda Nebula, Lick Observatory bulletin ; no. 498, DOI: 10.5479/ADS/bib/1939LicOB.19.41B

    Benson, A., J., 2010. Galaxy formation theory. Physics Reports, 495(2-3), pp.33-86. DOI: 10.1016/j.physrep.2010.06.001

    Cirelli, M., Strumia, A. and Zupan, J., 2026. Dark matter. SciPost Physics Reviews, p.001. DOI:10.21468/SciPostPhysRev.1

    Clegg, B., 2019. Dark matter and dark energy: the hidden 95% of the universe. Icon Books.

    Drukier, A., K., Freese, K., Spergel, D., N., 1986. Detecting cold dark matter candidates. Phys. Rev. D 33, 3495. DOI: 10.1103/PhysRevD.33.3495

    Freese, K., 2014. The cosmic cocktail: three parts dark matter, Princeton: Princeton University Press, ISBN:0691153353.

    Green, A., M., and Kavanagh, B., J., 2021. Primordial Black Holes as a dark matter candidate. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 48(4), p.043001. DOI: 10.1088/1361-6471/abc534

    Lundmark, K., 1930. Über die Bestimmung der Entfernungen, Dimensionen, Massen und Dichtigkeit fur die nächstgelegenen anagalacktischen Sternsysteme. Meddelanden fran Lunds Astronomiska Observatorium Series I, Vol. 125, p. 1-13. https://ui.adsabs.harvard.edu/scan/manifest/1930MeLuF.125….1L

    Mateo, M., Olszewski, E., W., Vogt, S., S. and Keane, M., J., 1998. The internal kinematics of the Leo I dwarf spheroidal galaxy: dark matter at the fringe of the Milky Way. The Astronomical Journal, 116(5), pp.2315-2327. DOI: 10.1086/300618

    Ostriker, J., P. and Peebles, P., J., 1973. A numerical study of the stability of flattened galaxies: or, can cold galaxies survive? Astrophysical Journal, Vol. 186, pp. 467-480, 186. DOI: 10.1086/152513

    Panek, R., 2012. The 4-Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality. Simon and Schuster. ISBN: 0618982442

    Rubin, V., C. and Ford Jr, W., K., 1970. Rotation of the Andromeda nebula from a spectroscopic survey of emission regions. Astrophysical Journal, vol. 159, p. 379, 159, p.379. DOI: 10.1086/150317

    Rubin, V., C., Ford Jr, W., K. and Thonnard, N., 1978. Extended rotation curves of high-luminosity spiral galaxies. IV-Systematic dynamical properties, SA through SC. Astrophysical Journal, Part 2-Letters to the Editor, vol. 225, Nov. 1, 225, pp.L107-L111. DOI: 10.1086/182804.

    Tisserand, P., Le Guillou, L., Afonso, C., Albert, J., N., Andersen, J., Ansari, R., Aubourg, É., Bareyre, P., Beaulieu, J., P., Charlot, X. and Coutures, C., 2007. Limits on the Macho Content of the Galactic Halo from the EROS-2 Survey of the Magellanic Clouds. Astronomy & Astrophysics, 469(2), pp.387-404. DOI: 10.1051/0004-6361:20066017

    Zwicky, F., 1933. Die rotverschiebung von extragalaktischen nebeln. Helvetica Physica Acta, Vol. 6, p. 110-127. DOI: 10.1007/s10714-008-0707-4

    Zwicky, F., 1937. On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae. Astrophysical Journal, vol. 86, p. 217. DOI: 10.1086/143864

  • Στα Χνάρια του Δαρβίνου: Μια συνέντευξη με την συγγραφέα Μαρία Ζαρίμη

    Στα Χνάρια του Δαρβίνου: Μια συνέντευξη με την συγγραφέα Μαρία Ζαρίμη

    ΣΤΑ ΧΝΑΡΙΑ ΤΟΥ ΔΑΡΒΙΝΟΥ: ΜΙΑ ΣΥΝΕΝΤΕΥΞΗ ΜΕ ΤΗΝ ΣΥΓΓΡΑΦΕΑ ΜΑΡΙΑ ΖΑΡΙΜΗ

    Η Μαρία Ζαρίμη είναι Honorary Associate στο School of Languages and Cultures, Faculty of Arts and Social Sciences, The University of Sydney, Australia. Η έρευνά της κινείται στη διασταύρωση της επιστήμης και της λογοτεχνίας, με έμφαση στη νεοελληνική λογοτεχνία και την πρόσληψη της θεωρίας της εξέλιξης στην Ελλάδα. Είναι συγγραφέας του βιβλίου «Darwin’s Footprint: Cultural Perspectives on Evolution in Greece (1880–1930s)», το οποίο κυκλοφόρησε το 2025 στα ελληνικά, σε μεταφρασμένη και αναθεωρημένη έκδοση, με τίτλο «Στα χνάρια του Δαρβίνου: Πολιτισμικές οπτικές για την εξελικτική θεωρία στην Ελλάδα (δεκ. 1880–δεκ. 1930)», από τις Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. Στη συνέντευξη που ακολουθεί παίρνουμε αφορμή από αυτήν την έκδοση για να συζητήσουμε μαζί της την υποδοχή μιας μεγάλης επιστημονικής θεωρίας στην Ελλάδα και τα αποτυπώματά της στην πολιτιστική παραγωγή της χώρας.

    InS: Τι ήταν αυτό που σας οδήγησε να μελετήσετε ειδικά την πρόσληψη της θεωρίας της εξέλιξης στην Ελλάδα της περιόδου 1880–1930;

    Αυτό που με οδήγησε σε αυτό το θέμα ήταν η συνειδητοποίηση ότι ο δαρβινισμός δεν παρέμεινε περιορισμένος στη βιολογία. Από τα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα και μετά, οι εξελικτικές ιδέες άρχισαν να περνούν σε πολλούς τομείς της δημόσιας κουλτούρας: στη λογοτεχνία, την εκπαίδευση, τη θρησκεία, τη δημοσιογραφία, το γλωσσικό ζήτημα, τις συζητήσεις για το φύλο, καθώς και τις αντιλήψεις για την εθνική πρόοδο. Αυτό που με ενδιέφερε ήταν να εξετάσω πώς μια επιστημονική θεωρία γίνεται μέρος της ευρύτερης πνευματικής ζωής μιας κοινωνίας.

    Η περίοδος 1880–1930 είναι ιδιαίτερα πλούσια, επειδή συμπίπτει με μια διαμορφωτική φάση της νεοελληνικής πολιτισμικής και εθνικής αυτοσυνειδησίας. Στην Ελλάδα συζητούνταν έντονα ζητήματα εκπαίδευσης, γλωσσικής μεταρρύθμισης, σχέσης με την Ευρώπη, νοήματος της νεωτερικότητας, καθώς και σχέσης ανάμεσα στην επιστήμη και τη θρησκευτική παράδοση. Το έργο του Δαρβίνου μπήκε σε αυτό το περιβάλλον όχι ως μια απομονωμένη επιστημονική θεωρία, αλλά ως μέρος μιας πολύ ευρύτερης ευρωπαϊκής συζήτησης για τη ζωή, την καταγωγή του ανθρώπου, την κληρονομικότητα, την πρόοδο, τον αγώνα, τον εκφυλισμό και την κοινωνική εξέλιξη.

    Η επιλογή αυτής της περιόδου αντανακλά επίσης την ευρύτερη διεθνή ιστορία της εξελικτικής σκέψης. Το έργο του Δαρβίνου On the Origin of Species εκδόθηκε το 1859, ενώ το The Descent of Man το 1871, φέρνοντας στο επίκεντρο του δημόσιου διαλόγου το ζήτημα της καταγωγής του ανθρώπου και της συνέχειας ανάμεσα στον άνθρωπο και τα ζώα. Μέχρι τη δεκαετία του 1880, οι ιδέες αυτές είχαν ήδη αρχίσει να κυκλοφορούν πέρα από τους στενά επιστημονικούς κύκλους. Στην Ελλάδα μπήκαν σε έναν πολιτισμικό χώρο όπου η λογοτεχνία αποτελούσε ένα από τα κύρια πεδία μέσα στα οποία οι νέες ιδέες δοκιμάζονταν, μεταφράζονταν, αμφισβητούνταν και φαντασιακά αναπλάθονταν. Η έρευνά μου, επομένως, θέτει το ερώτημα: τι συνέβη όταν ο δαρβινισμός μπήκε στη νεοελληνική λογοτεχνία και στον δημόσιο λόγο;

    InS: Ο αγγλικός τίτλος του βιβλίου σας, «Darwin’s Footprint», υποδηλώνει ένα ίχνος περισσότερο παρά μια άμεση επιρροή. Τι σημαίνει αυτή η επιλογή και πώς αποτυπώνεται στην ελληνική περίπτωση;

    Επέλεξα συνειδητά τον τίτλο Darwin’s Footprint. Δεν ήθελα να υποδηλώσω ότι κάθε αναφορά στην ανάπτυξη, στον αγώνα, στην κληρονομικότητα, στον εκφυλισμό ή στην πρόοδο στη νεοελληνική λογοτεχνία αποτελεί άμεσο και συνειδητό δάνειο από τον Δαρβίνο. Η διαδικασία ήταν πολύ πιο σύνθετη. Ο δαρβινισμός στην Ελλάδα έφτασε συχνά με έμμεσους τρόπους: μέσα από μεταφράσεις και περιοδικά, αλλά και μέσα από την εκλαϊκευμένη επιστήμη, γαλλικούς και γερμανικούς διαύλους, τη λογοτεχνική κριτική και ευρύτερες ευρωπαϊκές πνευματικές συζητήσεις.

    Με το “ίχνος” εννοώ κάτι που μπορεί να είναι άλλοτε καθαρό, άλλοτε μερικό και άλλοτε μετασχηματισμένο. Στην ελληνική περίπτωση, το ίχνος του Δαρβίνου είναι ορατό όχι μόνο εκεί όπου ο Δαρβίνος κατονομάζεται ρητά, αλλά και εκεί όπου η εξελικτική γλώσσα εμφανίζεται σε συζητήσεις για την κληρονομικότητα, τον αγώνα, την προσαρμογή, τον εκφυλισμό, την πρόοδο, τη ζωικότητα του ανθρώπου ή τη σχέση ανάμεσα στη φύση και τον πολιτισμό.

    Είναι επίσης σημαντικό ότι ο «δαρβινισμός» την περίοδο αυτή σπάνια σήμαινε μόνο τη θεωρία του ίδιου του Δαρβίνου για τη φυσική επιλογή. Συχνά περιλάμβανε συγγενή ρεύματα, όπως τον σπενσεριανό εξελικτισμό, τη λαμαρκική κληρονομικότητα, τον μονισμό του Χαίκελ, τη ρητορική του κοινωνικού δαρβινισμού και, αργότερα, τον ευγονικό λόγο. Γι’ αυτό η πολιτισμική ιστορία του δαρβινισμού χρειάζεται να είναι προσεκτική στα ίχνη, στους μετασχηματισμούς και στις ιδεολογικές ή λογοτεχνικές οικειοποιήσεις, και όχι μόνο στην ακριβή επιστημονική θεωρία. Η δημόσια περιγραφή του βιβλίου μου αντανακλά επίσης αυτό το εύρος, καθώς σημειώνει ότι εξετάζει την επίδραση του δαρβινισμού στη νεοελληνική πολιτισμική και πνευματική ιστορία, και ιδιαίτερα στη λογοτεχνία.

    InS: Ποια ήταν η πρώτη επαφή της ελληνικής διανόησης με τις ιδέες του Δαρβίνου και μέσα από ποιους διαύλους μεταφέρθηκαν αυτές στην ελληνική κοινωνία;

    Η πρώτη επαφή της ελληνικής διανόησης με τις ιδέες του Δαρβίνου δεν υπήρξε ένα μεμονωμένο γεγονός, αλλά μια σταδιακή διαδικασία πρόσληψης. Ο δαρβινισμός έφθασε στην ελληνική πνευματική ζωή μέσα από πολλαπλούς διαύλους: ευρωπαϊκά βιβλία και περιοδικά, τον ελληνικό περιοδικό Τύπο, εκπαιδευτικές συζητήσεις, δημόσιες διαλέξεις, επιστημονική αλληλογραφία, μεταφράσεις, καθώς και τα κείμενα διανοουμένων που μεσολαβούσαν για τη μεταφορά ξένων επιστημονικών ιδεών στο ελληνικό αναγνωστικό κοινό.

    Οι Έλληνες λόγιοι και συγγραφείς ήταν συχνά πολύγλωσσοι, και πολλοί γνώρισαν τις δαρβινικές και εξελικτικές ιδέες μέσα από γαλλικές, γερμανικές ή άλλες ευρωπαϊκές πηγές, και όχι απευθείας από τα αγγλικά. Αυτό έχει σημασία, επειδή οι ιδέες αυτές συχνά φιλτράρονταν μέσα από τις πνευματικές ανησυχίες των αντίστοιχων πολιτισμικών πλαισίων. Με άλλα λόγια, αυτό που έφθασε στην Ελλάδα δεν ήταν πάντοτε ο Δαρβίνος αυτούσιος, αλλά ο Δαρβίνος όπως είχε ήδη ερμηνευθεί μέσα από ευρωπαϊκές συζητήσεις για τον υλισμό, την πρόοδο, τη θρησκεία, την κληρονομικότητα και την κοινωνία.

    Υπήρξαν επίσης πρώιμοι επιστημονικοί δίαυλοι. Η αλληλογραφία του Γερμανού βοτανολόγου Τέοντορ φον Χελδράιχ με τον Δαρβίνο, για παράδειγμα, έχει συζητηθεί στη σχετική έρευνα για την πρώιμη πρόσληψη του δαρβινισμού στην Ελλάδα. Παράλληλα, ο ελληνικός δημόσιος λόγος περιλάμβανε περιοδικά όπως ο Προμηθεύς, όπου οι θρησκευτικές και επιστημονικές αντιπαραθέσεις μπορούσαν να λάβουν έντονη μορφή. Για τους σκοπούς της δικής μου έρευνας, όμως, το κρίσιμο σημείο είναι ότι ο δαρβινισμός μπήκε όχι μόνο στους επιστημονικούς θεσμούς, αλλά και στην ευρύτερη λογοτεχνική και πνευματική κουλτούρα της Ελλάδας.

    InS: Σε ποιο βαθμό η υποδοχή της εξελικτικής θεωρίας στην Ελλάδα διαφοροποιήθηκε από αντίστοιχες εξελίξεις στη Δυτική Ευρώπη;

    Οι διαφοροποιήσεις εντοπίζονται κυρίως στο ελληνικό πολιτισμικό πλαίσιο. Στη Βρετανία, ο δαρβινισμός αναδύθηκε μέσα σε μια ισχυρή επιστημονική κουλτούρα και σε άμεση σχέση με τις συζητήσεις γύρω από τη φυσική θεολογία, τη γεωλογία και τη βικτωριανή κοινωνική σκέψη. Στη Γερμανία, συνδέθηκε συχνά με τον μονισμό, τον υλισμό και τη φιλοσοφική βιολογία. Στη Γαλλία, τα λαμαρκικά και νεολαμαρκικά ρεύματα είχαν ιδιαίτερη σημασία. Η Ελλάδα δέχθηκε την εξελικτική θεωρία μέσα από αυτές τις ήδη σύνθετες ευρωπαϊκές συζητήσεις, αλλά την ερμήνευσε σε σχέση με τις δικές της ανησυχίες: την εθνική ταυτότητα, την εκπαίδευση, την ορθόδοξη παράδοση, το γλωσσικό ζήτημα και την επιθυμία για πολιτισμικό και επιστημονικό εκσυγχρονισμό.

    Η πρόσληψη του δαρβινισμού στην Ελλάδα υπήρξε μεταγενέστερη σε σχέση με άλλες ευρωπαϊκές χώρες. Πράγματι, το On the Origin of Species μεταφράστηκε στα ελληνικά μόλις το 1915 από τον λογοτέχνη Νίκο Καζαντζάκη, περισσότερο από μισό αιώνα μετά την πρώτη έκδοση του έργου του Δαρβίνου. Ο εξελικτικός βιολόγος Κώστας Κριμπάς υποστηρίζει ότι αυτό οφειλόταν στο περιορισμένο ενδιαφέρον στην Ελλάδα για τις φυσικές επιστήμες, την έρευνα στη φύση και, γενικότερα, στον περιορισμένο αριθμό των αστών Ελλήνων, καθώς και στην σχεδόν ανύπαρκτη επιστημονική κοινότητα.

    Η Ελλάδα δεν διέθετε την ίδια θεσμική επιστημονική υποδομή με τις μεγάλες δυτικοευρωπαϊκές δυνάμεις. Αυτό σήμαινε ότι η δημόσια ζωή του δαρβινισμού διαμορφώθηκε συχνά από εκπαιδευτικούς, δημοσιογράφους, λογοτέχνες, μεταφραστές και διανοουμένους, και όχι μόνο από επαγγελματίες βιολόγους. Γι’ αυτό η λογοτεχνία αποκτά ιδιαίτερη σημασία. Δείχνει ότι η εξελικτική σκέψη δεν μεταφέρθηκε απλώς στην Ελλάδα, αλλά αναπλάστηκε φαντασιακά μέσα στη νεοελληνική πολιτισμική ζωή.

    InS: Το βιβλίο σας εξετάζει τις «πολιτισμικές προσεγγίσεις» της εξέλιξης. Πώς ορίζετε τον όρο «πολιτισμική πρόσληψη» και γιατί είναι σημαντικός για την ιστορία της επιστήμης;

    Με τον όρο «πολιτισμική πρόσληψη» εννοώ τη διαδικασία μέσα από την οποία μια επιστημονική θεωρία γίνεται δεκτή, ερμηνεύεται, μεταφράζεται, προσαρμόζεται, αμφισβητείται, μετασχηματίζεται και χρησιμοποιείται μέσα σε μια κοινωνία. Μια θεωρία δεν ταξιδεύει ως ένα ουδέτερο αντικείμενο, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για μια βιολογική θεωρία τέτοιου μεγέθους. Εισέρχεται στις κοινωνίες μέσα από τη γλώσσα, τους θεσμούς, την εκπαίδευση, τη θρησκεία, την πολιτική, τη λογοτεχνία, τη δημοσιογραφία και τον δημόσιο διάλογο.

    Η φράση «πολιτισμικές οπτικές» στον τίτλο του βιβλίου μου είναι, επομένως, πολύ σημαντική. Δεν εξετάζω μόνο αν ο δαρβινισμός κατανοήθηκε ή παρερμηνεύθηκε επιστημονικά στην Ελλάδα. Με ενδιαφέρει κυρίως τι ήρθε να σημαίνει ο δαρβινισμός μέσα στη νεοελληνική πολιτισμική ζωή. Πώς χρησιμοποιήθηκε για να σκεφτούν οι Έλληνες ζητήματα όπως το έθνος, η οικογένεια, το φύλο, η θρησκεία, η γλώσσα, η κοινωνική ιεραρχία, η εκπαίδευση και η λογοτεχνική μορφή;

    Αυτό έχει σημασία για την ιστορία της επιστήμης, επειδή οι επιστημονικές ιδέες δεν κυκλοφορούν σε κενό. Ζουν επίσης μέσα σε μεταφορές, μυθιστορήματα, ποιήματα, λόγους, πολεμικές και δημόσιες αντιπαραθέσεις. Η πολιτισμική πρόσληψη του δαρβινισμού μάς βοηθά να δούμε πώς η επιστήμη αποκτά κοινωνικό νόημα. Μας βοηθά επίσης να διακρίνουμε ανάμεσα στη βιολογική θεωρία του Δαρβίνου και στις πολλές ιδεολογικές, λογοτεχνικές και μεταφορικές χρήσεις του «δαρβινισμού». Αυτή η διάκριση είναι ιδιαίτερα σημαντική, επειδή η πολιτισμική μετέπειτα ζωή του δαρβινισμού υπήρξε συχνά πολύ ευρύτερη, και μερικές φορές πολύ πιο προβληματική, από την ίδια την επιστημονική θεωρία.

    InS: Ποιες κοινωνικές, πολιτικές ή ιδεολογικές συνθήκες επηρέασαν περισσότερο τον τρόπο με τον οποίο έγινε αντιληπτός ο Δαρβινισμός στην Ελλάδα;

    Αρκετές συνθήκες διαμόρφωσαν την πρόσληψη του δαρβινισμού στην Ελλάδα. Η πρώτη ήταν το ζήτημα της εθνικής ταυτότητας. Η Ελλάδα ήταν ένα σχετικά νέο νεωτερικό κράτος, και η περίοδος που μελετώ χαρακτηρίζεται από έντονη ενασχόληση με την εθνική συνέχεια, τον εκσυγχρονισμό, την εκπαίδευση και τη θέση της Ελλάδας μέσα στην Ευρώπη.

    Μια δεύτερη συνθήκη ήταν το γλωσσικό ζήτημα. Η αντιπαράθεση ανάμεσα στη δημοτική και την καθαρεύουσα δεν ήταν μόνο γλωσσική· ήταν επίσης κοινωνική, εκπαιδευτική, πολιτική και ιδεολογική. Περιλάμβανε ανταγωνιστικές αντιλήψεις για το έθνος: αν δηλαδή η εθνική γλώσσα έπρεπε να θεμελιωθεί στη ζωντανή ομιλία του λαού ή σε μια εξιδανικευμένη συνέχεια με την αρχαία ελληνική. Εξελικτικές ιδέες μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και από τις δύο πλευρές, επειδή η ίδια η γλώσσα μπορούσε να νοηθεί ως ένας ζωντανός οργανισμός που αναπτύσσεται, προσαρμόζεται ή εκφυλίζεται.

    Μια τρίτη συνθήκη ήταν η σχέση ανάμεσα στην επιστήμη και τη θρησκεία. Ο δαρβινισμός μπορούσε να θαυμάζεται ως σύγχρονη επιστήμη, αλλά μπορούσε επίσης να προκαλεί φόβο όταν ταυτιζόταν με τον υλισμό, την αθεΐα ή την ηθική απειλή. Τέλος, σημαντικά ήταν και τα ζητήματα του φύλου, της κληρονομικότητας και του εκφυλισμού. Ο εξελικτικός λόγος μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να συζητηθεί το μέλλον της οικογένειας, η εκπαίδευση των γυναικών, οι ταξικές διαφορές και η βιολογική ή ηθική υγεία της κοινωνίας. Πρόκειται ακριβώς για εκείνες τις περιοχές όπου το επιστημονικό λεξιλόγιο αποκτά μεγάλη πολιτισμική δύναμη, αλλά και ιδεολογικό κίνδυνο.

    InS: Υπήρξαν ελληνικές προσωπικότητες —επιστήμονες, διανοούμενοι, λογοτέχνες ή εκπαιδευτικοί— που διαδραμάτισαν καθοριστικό ρόλο στη διάδοση ή την κριτική των εξελικτικών ιδεών; Στο βιβλίο διαφαίνεται μια ιδιαίτερη έμφαση στον Γρηγόριο Ξενόπουλο. Γιατί;

    Ναι. Όπως θα διαβάσετε στο βιβλίο μου, η διάδοση και η κριτική των εξελικτικών ιδεών στην Ελλάδα αφορούσε ένα ευρύ φάσμα προσώπων: επιστήμονες, εκπαιδευτικούς, δημοσιογράφους, μεταφραστές, θεολόγους, πολιτικούς, λογοτέχνες και άλλους διανοουμένους. Ένα από τα στοιχεία που με ενδιέφεραν περισσότερο ήταν ότι οι λογοτέχνες δεν υπήρξαν απλώς παθητικοί αποδέκτες της επιστήμης. Ήταν ενεργοί ερμηνευτές της. Συνέβαλαν στη μεταφορά των επιστημονικών ιδεών στη δημόσια κουλτούρα.

    Ο Γρηγόριος Ξενόπουλος είναι ιδιαίτερα σημαντικός, επειδή γνωρίζουμε τεκμηριωμένα ότι είχε διαβάσει τα βασικά έργα του Δαρβίνου στο σύνολό τους. Επομένως, γνώριζε τον Δαρβίνο από πρώτο χέρι και όχι μόνο μέσα από τις ερμηνείες άλλων. Επιπλέον, βρισκόταν στο σημείο όπου συναντώνται η λογοτεχνία, η δημοσιογραφία, η εκπαίδευση και ο δημόσιος διάλογος. Δεν ήταν μόνο μυθιστοριογράφος και θεατρικός συγγραφέας, αλλά και σημαντικός κριτικός και εκδότης, που απευθυνόταν σε ένα ευρύ αναγνωστικό κοινό. Υπήρξε αρχισυντάκτης της Διάπλασης των Παίδων από το 1896 έως το 1947, όπου έγραφε με το ψευδώνυμο «Φαίδων» στη στήλη «Αθηναϊκαί Επιστολαί». Παρότι επρόκειτο για παιδικό περιοδικό, διαβαζόταν ευρύτατα. Ένα από τα ζητήματα με τα οποία ασχολήθηκε σε σημαντικό βαθμό ήταν ο δαρβινισμός, όπως αναλύω στο βιβλίο μου. Βεβαίως, εξετάζω επίσης και αρκετά μυθιστορήματά του, στα οποία αξιοποιεί δαρβινικά και μεταδαρβινικά θέματα.

    Στο έργο του Ξενόπουλου, ο δαρβινισμός και οι συγγενείς εξελικτικές ιδέες δεν εμφανίζονται μόνο ως ρητές αναφορές. Λειτουργούν και ως τρόποι οργάνωσης του ανθρώπινου χαρακτήρα και της κοινωνικής μοίρας. Αυτό τον καθιστά μια ιδιαίτερα αποκαλυπτική περίπτωση. Μια αυστηρά επιστημονική ιστορία του δαρβινισμού ίσως να τον παρέβλεπε, αλλά μια πολιτισμική ιστορία δεν μπορεί να το κάνει. Στο βιβλίο μου του αφιερώνω σημαντική προσοχή ακριβώς επειδή δείχνει πώς ο εξελικτικός λόγος μετακινήθηκε στη μυθοπλασία και στη δημόσια κουλτούρα.

    InS: Ποιος ήταν ο ρόλος της εκπαίδευσης και του σχολείου στη διαμόρφωση της δημόσιας εικόνας της εξέλιξης εκείνη την εποχή;

    Στην Ελλάδα, κατά την περίοδο που εξετάζω, η εκπαίδευση είχε έντονα εθνικό ρόλο. Τα σχολεία δεν αναμενόταν μόνο να μεταδίδουν γνώσεις, αλλά και να διαμορφώνουν πολίτες, να καλλιεργούν την εθνική ταυτότητα και να διατηρούν την αντίληψη της πολιτισμικής συνέχειας. Γι’ αυτό η εξέλιξη μπορούσε να γίνει ένα ευαίσθητο θέμα. Έθετε ερωτήματα για την καταγωγή του ανθρώπου, τη σχέση ανάμεσα στον άνθρωπο και τα ζώα, την ηθική, τη θρησκεία και την αυθεντία της σύγχρονης επιστήμης.

    Στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, τα ελληνικά εκπαιδευτικά κείμενα έτειναν να κάνουν μόνο γενικές αναφορές στην εξέλιξη, συχνά χωρίς να κατονομάζουν άμεσα τον δαρβινισμό. Ένα αποκαλυπτικό επεισόδιο είναι η περίπτωση του Ανώτερου Δημοτικού Παρθεναγωγείου στον Βόλο, του προοδευτικού σχολείου θηλέων που συνδέθηκε με τον φιλελεύθερο εκπαιδευτικό και δημοτικιστή Αλέξανδρο Δελμούζο. Το σχολείο έκλεισε το 1911, έπειτα από πιέσεις συντηρητικών τοπικών και θρησκευτικών κύκλων. Ανάμεσα στις κατηγορίες που διατυπώθηκαν για τη διδασκαλία του ήταν η αθεΐα, η χρήση της δημοτικής γλώσσας και η υποτιθέμενη εισαγωγή δαρβινικών ιδεών. Η υπόθεση οδηγήθηκε αργότερα σε δίκη στο Ναύπλιο, το 1914, όπου οι κατηγορούμενοι αθωώθηκαν.

    Το επεισόδιο αυτό δείχνει ότι η εξέλιξη δεν ήταν απλώς ένα βιολογικό θέμα. Στο ελληνικό εκπαιδευτικό πλαίσιο μπορούσε να εμπλακεί με ευρύτερες ανησυχίες γύρω από τη θρησκεία, τη γλώσσα, το φύλο και τον εκσυγχρονισμό. Η αντιπαράθεση γύρω από το σχολείο του Βόλου είναι ιδιαίτερα εντυπωσιακή, επειδή ο δαρβινισμός, ο δημοτικισμός και η προοδευτική παιδαγωγική αντιμετωπίστηκαν σχεδόν ως μέρη της ίδιας πολιτισμικής απειλής.

    Σήμερα, βέβαια, η κατάσταση είναι πολύ διαφορετική. Η εξέλιξη περιλαμβάνεται ρητά στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση στην Ελλάδα. Το σημερινό διδακτικό υλικό περιλαμβάνει τη φυσική επιλογή, τις ενδείξεις για την κοινή εξελικτική ιστορία, τη φυλογένεση, τις παρανοήσεις γύρω από την εξέλιξη και την εξέλιξη του ανθρώπινου είδους. Πρόκειται για σημαντική αλλαγή σε σχέση με την επιφυλακτική ή έμμεση αντιμετώπιση της παλαιότερης περιόδου. Την ίδια στιγμή, η εξέλιξη εξακολουθεί να καταλαμβάνει σχετικά περιορισμένη θέση στο ευρύτερο πρόγραμμα της βιολογίας. Θα έλεγα, λοιπόν, ότι δεν είναι πλέον απούσα ή απλώς υπόρρητη, αλλά η διδασκαλία της παραμένει συγκεντρωμένη σε συγκεκριμένες ενότητες, αντί να λειτουργεί ως οργανωτικό πλαίσιο για τη βιολογική εκπαίδευση συνολικά.

    InS: Πώς αντιμετώπισε η ελληνική θρησκευτική σκέψη τις δαρβινικές ιδέες; Παρατηρείτε κυρίως αντιπαράθεση ή και μορφές διαλόγου;

    Στην ελληνική περίπτωση, η στάση της θρησκευτικής σκέψης απέναντι στον δαρβινισμό δεν μπορεί να περιοριστεί σε μια απλή αντίθεση ανάμεσα στην επιστήμη και τη θρησκεία. Υπήρξαν ασφαλώς έντονες αντιδράσεις απέναντι στις δαρβινικές ιδέες, ιδιαίτερα όταν αυτές συνδέονταν με τον υλισμό, την αθεΐα ή την άρνηση της θείας δημιουργίας. Το πιο ευαίσθητο ζήτημα ήταν η καταγωγή του ανθρώπου: η ιδέα ότι ο άνθρωπος μοιράζεται κοινή καταγωγή με άλλα ζώα άγγιζε άμεσα ζητήματα που αφορούσαν την ψυχή, τη μοναδικότητα του ανθρώπου, την ηθική και την ερμηνεία της Γένεσης.

    Ταυτόχρονα, είναι σημαντικό να διακρίνουμε τη βιολογική θεωρία του Δαρβίνου από τα ευρύτερα φιλοσοφικά και ιδεολογικά νοήματα που συχνά της αποδίδονταν. Σε πολλές περιπτώσεις, η αντίθεση δεν στρεφόταν τόσο στις τεχνικές λεπτομέρειες της εξελικτικής θεωρίας όσο στην ευρύτερη κοσμοθεωρία που θεωρούνταν ότι εκπροσωπούσε ο δαρβινισμός.

    Στην περίοδο που εξετάζω, συναντούμε επιμέρους τοποθετήσεις από κληρικούς, θεολόγους, εκπαιδευτικούς και διανοουμένους, οι οποίες κυμαίνονται από την απόρριψη μέχρι πιο προσεκτικές προσπάθειες να διαχωριστεί η επιστήμη από την υλιστική φιλοσοφία. Θα ήμουν όμως επιφυλακτική στο να περιγράψω αυτή την κατάσταση ως έναν σταθερό διάλογο ανάμεσα στον δαρβινισμό και την Ελληνική Ορθοδοξία ως θεσμό. Ως προς την Ελληνική Ορθοδοξία, δεν υπήρξε επίσημη δογματική αποδοχή ή απόρριψη της θεωρίας του Δαρβίνου. Άτομα και ομάδες εντός ή κοντά στην Εκκλησία διατύπωσαν κατά καιρούς απόψεις, αλλά αυτές δεν συνιστούσαν επίσημη εκκλησιαστική θέση.

    Έτσι, για την περίοδο που εξετάζω, η εικόνα είναι λιγότερο μια εικόνα σταθερού θεσμικού διαλόγου και περισσότερο μια εικόνα περιστασιακών αντιπαραθέσεων, ατομικών τοποθετήσεων και απουσίας επίσημης εκκλησιαστικής θέσης απέναντι στη θεωρία του Δαρβίνου.

    InS: Κατά την έρευνά σας, υπήρξε κάποιο εύρημα ή κάποιο ιστορικό τεκμήριο που σας εξέπληξε ιδιαίτερα;

    Ναι, υπήρξαν δύο συναφή ιστορικά τεκμήρια που με εξέπληξαν και με συγκλόνισαν ιδιαίτερα. Συνδέονταν με το μυθιστόρημα του Αλέξανδρου Παπαδιαμάντη Η Φόνισσα, του 1903. Το έργο έχει στο κέντρο του τη δολοφονία μικρών κοριτσιών στο νησί της Σκιάθου και ανοίγει πολύ επώδυνα ζητήματα γύρω από τη φτώχεια, το φύλο και το βάρος που θεωρούνταν ότι αποτελούσαν οι κόρες σε μια βαθιά πατριαρχική κοινωνία.

    Γνώριζα ήδη ότι, στην Ελλάδα εκείνης της εποχής, τα ποσοστά εγκατάλειψης θηλυκών βρεφών ήταν υψηλότερα σε σύγκριση με τα αρσενικά βρέφη, κυρίως λόγω της μειονεκτικής θέσης των γυναικών, ιδιαίτερα των φτωχών. Το ενδιαφέρον μου για τη Φόνισσα αναπτύχθηκε επειδή ο Δαρβίνος, στο The Descent of Man, είχε γράψει για τη γυναικεία βρεφοκτονία και τη διάδοσή της σε διαφορετικές κοινωνίες. Αυτό με οδήγησε να εξετάσω τη Φόνισσα από κοινωνική, εξελικτική και ευγονική οπτική.

    Κατά την έρευνά μου εντόπισα δύο επιστολές από τα τέλη της δεκαετίας του 1880 που αφορούσαν τη γυναικεία βρεφοκτονία. Δημοσιεύθηκαν στην Εφημερίδα των Κυριών, την εφημερίδα των γυναικών που εξέδιδε η περίφημη Ελληνίδα φεμινίστρια Καλλιρρόη Παρρέν. Μία από τις ανώνυμες επιστολές περιέγραφε τη δεινή θέση των πάμφτωχων γυναικών της αγροτικής Ελλάδας και αναφερόταν στη φρίκη των γυναικών που ξυλοκοπούνταν από τους συζύγους τους επειδή είχαν γεννήσει κόρες. Στο βιβλίο μου παραθέτω από αυτή την επιστολή, συμπεριλαμβάνοντας τις σκληρές περιγραφές της για θηλυκά βρέφη που θανατώνονταν με τρόπους που τα παρομοίαζαν με ζώα.

    Η ανάγνωση αυτού του υλικού με επηρέασε βαθιά. Ως μητέρα, το βρήκα πολύ δύσκολο να το αντιμετωπίσω. Αυτό που με συγκλόνισε δεν ήταν μόνο η ίδια η βία, αλλά και η κοινωνική απόγνωση πίσω από αυτήν: ο φόβος ότι μια φτωχή οικογένεια δεν μπορούσε να συντηρήσει ακόμη μία κόρη και ότι το ίδιο το κορίτσι ίσως να ήταν καταδικασμένο σε μια ζωή φτώχειας και δυστυχίας. Για μένα, αυτή ήταν μία από τις στιγμές όπου η έρευνα έπαψε να είναι μόνο μια πνευματική διερεύνηση του δαρβινισμού, της λογοτεχνίας και της κοινωνικής σκέψης, και έγινε μια αναμέτρηση με το βιωμένο μαρτύριο των γυναικών και των παιδιών στον ιστορικό κόσμο που αποκαλύπτουν αυτά τα κείμενα.

    InS: Σε ποιο βαθμό η συζήτηση γύρω από την εξέλιξη συνδέθηκε στην Ελλάδα με ευρύτερα ζητήματα ταυτότητας, εκσυγχρονισμού και εθνικής αυτοαντίληψης;

    Η σύνδεση ήταν πολύ ισχυρή. Η εξελικτική θεωρία έφθασε στην Ελλάδα σε μια εποχή κατά την οποία οι διανοούμενοι αναρωτιούνταν τι σήμαινε για την Ελλάδα να είναι ταυτόχρονα νεωτερική, ευρωπαϊκή, ορθόδοξη, αρχαία και σύγχρονη. Ο δαρβινισμός μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να σκεφτούν όλες αυτές τις εντάσεις.

    Η γλώσσα της εξέλιξης μεταφερόταν εύκολα στη συλλογική ζωή. Τα έθνη μπορούσαν να περιγραφούν ως οργανισμοί που αναπτύσσονται, αγωνίζονται, επιβιώνουν, προσαρμόζονται ή εκφυλίζονται. Οι γλώσσες μπορούσαν επίσης να νοηθούν ως ζωντανοί οργανισμοί. Οι κοινωνίες μπορούσαν να χαρακτηριστούν προοδευτικές ή καθυστερημένες. Αυτές οι μεταφορές καθιστούσαν την εξελικτική σκέψη ελκυστική στις συζητήσεις περί εκσυγχρονισμού, αλλά την καθιστούσαν και επικίνδυνη, επειδή βιολογικές έννοιες μπορούσαν να μεταφερθούν υπερβολικά γρήγορα στο κοινωνικό ή εθνικό πεδίο.

    Στην Ελλάδα, επομένως, η πρόσληψη του δαρβινισμού δεν αφορούσε απλώς την επιστήμη. Ήταν μέρος μιας ευρύτερης συζήτησης για την εθνική αυτοαντίληψη. Μπορούσε η Ελλάδα να γίνει επιστημονικά και πολιτισμικά σύγχρονη χωρίς να χάσει τη θρησκευτική, γλωσσική και ιστορική της ταυτότητα; Μπορούσε η σύγχρονη επιστήμη να ενσωματωθεί στην ελληνική εκπαίδευση και λογοτεχνία; Μπορούσε η εξελικτική σκέψη να χρησιμοποιηθεί για να ενισχύσει, και όχι να αποδυναμώσει, την ιδέα της εθνικής ανάπτυξης; Αυτά ήταν μερικά από τα ευρύτερα ερωτήματα που βρίσκονταν πίσω από την πρόσληψη του δαρβινισμού.

    InS: Πιστεύετε ότι υπάρχουν ακόμη σήμερα απόηχοι εκείνης της πρώιμης πρόσληψης του Δαρβινισμού στον ελληνικό δημόσιο λόγο;

    Ναι, αλλά με διαφορετικές μορφές. Σήμερα, η εξελικτική θεωρία αποτελεί θεμέλιο της σύγχρονης βιολογίας, όμως η δημόσια πρόσληψή της δεν καθορίζεται ποτέ μόνο από την επιστημονική συναίνεση. Πολλά από τα παλαιότερα ερωτήματα παραμένουν αναγνωρίσιμα: Πώς πρέπει να διδάσκεται η επιστήμη; Πώς πρέπει να σχετίζεται η επιστημονική γνώση με τη θρησκευτική πίστη; Απειλεί η εξέλιξη την ανθρώπινη αξιοπρέπεια ή μπορεί να εμβαθύνει την κατανόησή μας για τη ζωή; Πώς διαπραγματεύονται οι κοινωνίες την επιστημονική αυθεντία σε στιγμές δημόσιας αντιπαράθεσης;

    Μπορούμε επίσης να δούμε απόηχους στον τρόπο με τον οποίο το επιστημονικό λεξιλόγιο κυκλοφορεί μεταφορικά. Λέξεις όπως εξέλιξη, προσαρμογή, μετάλλαξη, επιβίωση, επιλογή και εκφυλισμός χρησιμοποιούνται συχνά πολύ πέρα από τη βιολογία. Εμφανίζονται στην πολιτική, την οικονομία, την τεχνολογία, τον πολιτισμό και την καθημερινή γλώσσα. Αυτό δεν είναι κατ’ ανάγκην λανθασμένο, αλλά χρειάζεται προσοχή. Οι επιστημονικές μεταφορές μπορούν να φωτίσουν, αλλά μπορούν επίσης και να παραμορφώσουν.

    Η πρώιμη ελληνική πρόσληψη του δαρβινισμού μάς υπενθυμίζει ότι ο δημόσιος λόγος γύρω από την επιστήμη είναι πάντοτε πολιτισμικά διαμεσολαβημένος. Οι άνθρωποι δεν ανταποκρίνονται μόνο στα επιστημονικά δεδομένα· ανταποκρίνονται και σε αυτό που μια θεωρία φαίνεται να υπονοεί για τον άνθρωπο, την κοινωνία, τη θρησκεία και το μέλλον. Αυτό ισχύει και σήμερα, είτε το θέμα είναι η εξέλιξη, είτε η γενετική, η κλιματική επιστήμη, η τεχνητή νοημοσύνη ή η δημόσια υγεία.

    InS: Τι μπορεί να προσφέρει σήμερα η ιστορική μελέτη της εξέλιξης σε μια εποχή όπου η σχέση επιστήμης και κοινωνίας επαναδιαπραγματεύεται συνεχώς;

    Η ιστορική μελέτη της εξέλιξης δείχνει ότι οι επιστημονικές θεωρίες δεν εισέρχονται στην κοινωνία σε καθαρή ή ουδέτερη μορφή. Ερμηνεύονται μέσα από υπάρχουσες αξίες, φόβους, ελπίδες, θεσμούς και γλώσσες. Αυτό δεν αποτελεί αδυναμία της επιστήμης· είναι μέρος του τρόπου με τον οποίο οι κοινωνίες έρχονται σε επαφή με τη νέα γνώση.

    Η ιστορία μάς βοηθά επίσης να διακρίνουμε ανάμεσα σε μια επιστημονική θεωρία και στις ιδεολογικές χρήσεις που έγιναν ή γίνονται στο όνομά της. Η βιολογική θεωρία του Δαρβίνου συχνά συγχέεται με τον κοινωνικό δαρβινισμό, τον ρατσισμό, την ευγονική ή με απλουστευτικές αντιλήψεις περί ανταγωνισμού. Μια ιστορική προσέγγιση μας επιτρέπει να δούμε πώς προέκυψαν αυτές οι οικειοποιήσεις και γιατί υπήρξαν πειστικές σε συγκεκριμένα ιστορικά συμφραζόμενα.

    Τέλος, η ιστορία της εξέλιξης μας υπενθυμίζει ότι η επιστήμη και η κοινωνία βρίσκονται πάντοτε σε διάλογο. Οι επιστημονικές ιδέες μπορούν να κλονίσουν καθιερωμένες πεποιθήσεις, αλλά μπορούν επίσης να εμπλουτίσουν τον πολιτισμό. Οι ανθρωπιστικές επιστήμες όπως η λογοτεχνία, η ιστορία, η φιλοσοφία, η θεολογία και οι πολιτισμικές σπουδές, μας βοηθούν να κατανοήσουμε όχι αν η επιστήμη είναι αληθής με τεχνικούς όρους, αλλά πώς η επιστημονική αλήθεια αποκτά νόημα μέσα στις ανθρώπινες κοινωνίες.

    InS: Αν έπρεπε να συνοψίσετε σε μία βασική ιδέα αυτό που θα θέλατε να κρατήσει ο Έλληνας αναγνώστης από το βιβλίο σας, ποια θα ήταν αυτή;

    Θα ήθελα ο Έλληνας αναγνώστης να κρατήσει ότι ο δαρβινισμός δεν ήταν ξένος προς τη νεοελληνική πολιτισμική ζωή. Δεν παρέμεινε έξω από τη λογοτεχνία, τη θρησκεία, την εκπαίδευση ή τον δημόσιο διάλογο. Εισήλθε στην ελληνική πνευματική ζωή με τρόπους σύνθετους, άνισους και δημιουργικούς.

    Το βιβλίο δεν αφορά απλώς το αν οι Έλληνες αποδέχθηκαν ή απέρριψαν τον Δαρβίνο. Αφορά το πώς η εξελικτική σκέψη έγινε μέρος της γλώσσας μέσα από την οποία οι Έλληνες συζήτησαν τον εαυτό τους: την κοινωνία τους, το έθνος τους, τη λογοτεχνία τους, τα σώματά τους, το μέλλον τους και τη θέση τους μέσα στη φύση.

    Έτσι, η βασική ιδέα είναι η εξής: ο δαρβινισμός άφησε ίχνη στον νεοελληνικό πολιτισμό, και αυτά τα ίχνη αποκαλύπτουν πολλά όχι μόνο για την επιστήμη, αλλά και για τη νεότερη Ελλάδα. Δείχνουν πώς μια κοινωνία δέχεται μια ισχυρή επιστημονική θεωρία και τη μετασχηματίζει μέσα από τις δικές της ιστορικές ανησυχίες.

    InS: Στον χώρο της βιολογίας εμφανίστηκαν «αντίπαλες» θεωρίες, όπως ο λαμαρκισμός. Υπήρχαν «χνάρια» αυτών των «αντίπαλων» θεωριών στην ελληνική λογοτεχνική παραγωγή;

    Ναι, και αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό σημείο. Η περίοδος από τα τέλη του δέκατου ένατου έως τις αρχές του εικοστού αιώνα δεν ήταν μια εποχή κατά την οποία η δαρβινική φυσική επιλογή είχε το αδιαμφισβήτητο κύρος που έχει στη σύγχρονη εξελικτική βιολογία. Η εξέλιξη ως γενική ιδέα συζητούνταν ευρύτατα, αλλά ο μηχανισμός της εξέλιξης παρέμενε αντικείμενο αντιπαράθεσης. Ο λαμαρκισμός, ο νεολαμαρκισμός, η ορθογένεση, ο μεταλλαξισμός, ο βιταλισμός και η θεϊστική εξέλιξη κυκλοφορούσαν όλα σε διαφορετικές μορφές.

    Οι ιστορικοί συχνά αποκαλούν αυτή την περίοδο «έκλειψη του δαρβινισμού»: όχι επειδή η εξέλιξη εξαφανίστηκε, αλλά επειδή η φυσική επιλογή συχνά αμφισβητήθηκε ή συμπληρώθηκε από ανταγωνιστικές εξηγήσεις. Σε αυτές περιλαμβάνονταν η κληρονομικότητα των επίκτητων χαρακτηριστικών, η αιφνίδια μετάλλαξη, μορφές εξέλιξης που θεωρούνταν ότι καθοδηγούνται από κάποιον σκοπό, καθώς και θεωρίες εσωτερικά κατευθυνόμενης εξέλιξης, όπως η δημιουργική εξέλιξη του Henri Bergson.

    Αυτό έχει μεγάλη σημασία για τη λογοτεχνία. Οι λογοτέχνες συχνά έλκονταν λιγότερο από την αυστηρή έννοια της φυσικής επιλογής και περισσότερο από ευρύτερες εξελικτικές ιδέες που μπορούσαν να αποκτήσουν ηθικό, κοινωνικό ή πνευματικό νόημα. Ο λαμαρκισμός, για παράδειγμα, ήταν πολιτισμικά ελκυστικός επειδή έδινε σημασία στο περιβάλλον, στη συνήθεια, στην εκπαίδευση, στην προσπάθεια και στην επίκτητη αλλαγή. Στη λογοτεχνία, αυτό μπορούσε να στηρίξει αφηγήσεις για την προσωπική βελτίωση, την κοινωνική μεταρρύθμιση, τον εκφυλισμό ή τη διαμόρφωση των μελλοντικών γενεών. Επομένως, ναι: τα «χνάρια» στην ελληνική λογοτεχνία δεν είναι μόνο δαρβινικά με τη στενή έννοια. Ανήκουν σε μια ευρύτερη εξελικτική φαντασία.

    InS: Υπάρχουν άλλα μεγάλα βήματα της επιστήμης, όπως για παράδειγμα η θεωρία της σχετικότητας ή η κβαντική μηχανική, που να έχουν επηρεάσει τους Έλληνες λογοτέχνες;

    Πρόκειται για ένα πολύ ενδιαφέρον ερώτημα, αλλά θα το απαντούσα με μεγαλύτερη επιφύλαξη από ό,τι στην περίπτωση του δαρβινισμού. Η θεωρία του Δαρβίνου εισήλθε στη λογοτεχνία σχετικά εύκολα, επειδή άγγιζε άμεσα τη ζωή, την καταγωγή του ανθρώπου, την κληρονομικότητα, τη σεξουαλικότητα, τον θάνατο, τη ζωικότητα, τον αγώνα και τη σχέση ανάμεσα στον άνθρωπο και τη φύση. Η θεωρία της σχετικότητας και η κβαντική θεωρία είναι διαφορετικές περιπτώσεις. Η λογοτεχνική τους επίδραση είναι συχνά πιο έμμεση, φιλοσοφική, μεταφορική ή μορφική. Έχω υπόψη μου περιπτώσεις Ελλήνων λογοτεχνών των οποίων το έργο έχει μελετηθεί σε σχέση με τέτοια ζητήματα. Εδώ μπορώ να αναφέρω δύο.

    Από όσο γνωρίζω, στην ελληνική περίπτωση ο Νίκος Καζαντζάκης αποτελεί μια σημαντική μορφή προς εξέταση. Στην Ασκητική, για παράδειγμα, αναπτύσσει ένα κοσμικό όραμα της ζωής ως αγώνα: ύλη, ζωή, πνεύμα, άνοδος, διάλυση και η ανθρώπινη προσπάθεια να αντισταθεί στη φθορά και να δημιουργήσει νόημα. Ορισμένοι μελετητές έχουν συνδέσει αυτή την οπτική με σύγχρονες φυσικές ιδέες, συμπεριλαμβανομένης της εντροπίας και του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Θα ήμουν επιφυλακτική στο να πω ότι ο Καζαντζάκης «εφάρμοζε» άμεσα τη σύγχρονη φυσική. Ωστόσο, το έργο του ανήκει σαφώς σε ένα πνευματικό κλίμα του εικοστού αιώνα, μέσα στο οποίο η βιολογία, η κοσμολογία, η ενέργεια, η ύλη και το πνεύμα επανεξετάζονταν από κοινού.

    Μια άλλη πιθανή περίπτωση είναι ο Οδυσσέας Ελύτης, ιδιαίτερα σε σχέση με τον χρόνο, την τύχη, το φως και τη δομή της ποιητικής αντίληψης. Ορισμένες κριτικές προσεγγίσεις έχουν συνδέσει την επεξεργασία του χρόνου στον Ελύτη με τη σύγχρονη φυσική, συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας της σχετικότητας, καθώς και την επεξεργασία της τύχης με την κβαντική θεωρία. Και εδώ, όμως, χρειάζεται να διακρίνουμε ανάμεσα στην άμεση επίδραση και στο ευρύτερο πνευματικό κλίμα.

    Θα έλεγα, επομένως, ότι ναι, η σύγχρονη φυσική μπορεί να έχει αφήσει ίχνη στη νεοελληνική λογοτεχνία, αλλά πρόκειται για ένα πεδίο που απαιτεί πολύ προσεκτική έρευνα. Στην περίπτωση του δαρβινισμού, οι βιολογικές και κοινωνικές συνέπειες είναι συχνά ορατές στα λογοτεχνικά θέματα και στις δημόσιες συζητήσεις. Στην περίπτωση της σχετικότητας και της κβαντικής θεωρίας, τα ίχνη μπορεί να είναι πιο λεπτά: στις ιδέες για τον χρόνο, την αβεβαιότητα, την παρατήρηση, την αιτιότητα, την κοσμολογία και την αστάθεια της ίδιας της πραγματικότητας.

    InS: Ποια επόμενα ερευνητικά ερωτήματα ανοίγει για εσάς το βιβλίο αυτό; Υπάρχουν πτυχές της ελληνικής ιστορίας της επιστήμης που θεωρείτε ακόμη ανεξερεύνητες;

    Ένας τομέας που θεωρώ ότι αξίζει περαιτέρω προσοχής είναι η ιστορία της επιστημονικής μετάφρασης στην Ελλάδα. Δεν θα ήθελα να υποστηρίξω ότι η ελληνική επιστημονική μετάφραση είναι γενικά ανεπαρκής. Αντιθέτως, υπάρχουν πολύ σημαντικές και προσεκτικά δουλεμένες ελληνικές μεταφράσεις μεγάλων επιστημονικών έργων. Για παράδειγμα, το On the Origin of Species του Δαρβίνου εκδόθηκε στα ελληνικά από τις Εκδόσεις του Πανεπιστημίου Πατρών το 1998, ενώ το The Expression of the Emotions in Man and Animals εκδόθηκε από τις Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης το 2017. Οι Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης έχουν επίσης συμβάλει σημαντικά στη μετάφραση και διάδοση επιστημονικών και ευρύτερα ακαδημαϊκών έργων στα ελληνικά.

    Αυτό που με ενδιαφέρει, όμως, είναι η μετάφραση ως ιστορική διαδικασία. Ποια επιστημονικά έργα μεταφράστηκαν στα ελληνικά, πότε, από ποιες εκδόσεις, με ποια ορολογία και για ποιο αναγνωστικό κοινό; Επρόκειτο για πλήρεις μεταφράσεις, συντομεύσεις, διασκευές ή επανεκδόσεις παλαιότερων μεταφράσεων; Παρέμειναν διαθέσιμα και προσβάσιμα στους μεταγενέστερους αναγνώστες; Αυτά τα ερωτήματα έχουν σημασία, επειδή η μετάφραση μπορεί να διαμορφώσει τον τρόπο με τον οποίο μια επιστημονική θεωρία γίνεται κατανοητή σε οποιαδήποτε κοινωνία.

    Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το The Descent of Man του Δαρβίνου, ένα κεντρικό έργο για την ιστορία της ανθρώπινης εξέλιξης και της σεξουαλικής επιλογής. Η ιστορία της ελληνικής του μετάφρασης θέτει σημαντικά ερωτήματα σχετικά με την πληρότητα, την αντιστοιχία του κειμένου με τις καθιερωμένες αγγλικές εκδόσεις, την επανέκδοση και τη διαθεσιμότητά του. Γι’ αυτό θα έβλεπα την επιστημονική μετάφραση όχι ως δευτερεύον ζήτημα, αλλά ως έναν από τους βασικούς διαύλους μέσα από τους οποίους οι επιστημονικές ιδέες εισέρχονται στη δημόσια κουλτούρα.

    InS: Κυρία Ζαρίμη εκ μέρους του ΙnScience.gr θα ήθελα να σας ευχαριστήσω για αυτήν την τόσο ενδιαφέρουσα συνέντευξη.

    Σας ευχαριστώ κι εγώ θερμά για την πρόσκληση και για την ευκαιρία να συζητήσουμε αυτά τα ζητήματα. Είναι ιδιαίτερη χαρά για μένα να παρουσιαστεί το βιβλίο στο κοινό του InScience.gr, γιατί η ιστορία της πρόσληψης του δαρβινισμού στην Ελλάδα αφορά όχι μόνο την ιστορία της επιστήμης, αλλά και τη λογοτεχνία, την εκπαίδευση, τη θρησκεία και τον ευρύτερο πολιτισμικό μας διάλογο. Ελπίζω η συνέντευξη να συμβάλει σε μια πιο ανοιχτή και ουσιαστική συζήτηση γύρω από τη σχέση επιστήμης, λογοτεχνίας και κοινωνίας.

    ΣΗΜΕΙΩΣΗ

    Η συνέντευξη της κας Ζαρίμη παραχωρήθηκε στον Βασίλη Λεμπέση.

  • Ο περίεργος κόσμος των φωτονίων

    Ο περίεργος κόσμος των φωτονίων

    Document image

    Ήβη Αυξέντη

    Ένας από τους πιο συναρπαστικούς τομείς της φυσικής είναι η κβαντική φυσική που καταφέρνει να γίνει ακόμα πιο ενδιαφέρουσα όταν εφαρμοστεί στη μελέτη φαινομένων της οπτικής. Η κβαντική οπτική είναι ο κλάδος ο οποίος ασχολείται με τη συμπεριφορά των φωτονίων. Σήμερα έχουμε την δυνατότητα να ελέγξουμε μεμονωμένα φωτόνια, κάτι που δεν είναι εφικτό στα πλαίσια της κλασικής φυσικής, για να εξετάσουμε ακόμα και τα πιο «παράλογα» φαινόμενα της κβαντικής όπως η κβαντική σύμπλεξη και οι κβαντικές συσχετίσεις. Όταν φωτόνια με κβαντικές ιδιότητες αλληλεπιδρούν με την ύλη τότε αναδύονται φαινόμενα που ήταν αδιανόητο να συμβούν με κλασικές ακτίνες φωτός. Έχουμε πλέον την ευκαιρία να εφεύρουμε καινούργιες τεχνολογίες που μπορούν να ενισχύσουν τις δυνατότητες της βιολογίας και ιατρικής. Σε αυτό το άρθρο θα παρουσιάσουμε πώς η κβαντική οπτική μπορεί να αλλάξει τον τομέα της ακτινοδιαγνωστικής.

    Η σύγχρονη φυσική επιστήμη χαρακτηρίζεται από τεχνικές που πριν λίγα χρόνια ήταν αδιανόητες. Μετά από χρόνια τεχνολογικής εξέλιξης, τώρα έχουμε την δυνατότητα να ελέγξουμε ακόμα και τα πιο φευγαλέα είδη ύλης, τα φωτόνια. Με την χρήση του φωτός, έχουμε αποκτήσει την δυνατότητα να δούμε πέρα από αυτό που είναι δυνατόν με τα ανθρώπινα μάτια, από μικροσκοπικές βιολογικές δομές, όπως κύτταρα, έως και το εσωτερικό έμβιων οργανισμών. Αυτό δεν μας βοηθά μόνο στο να αποκτήσουμε πληροφορίες για τους βιολογικούς μηχανισμούς τους, αλλά έχει επίσης επιτρέψει τον έλεγχο της γενετικής τους δυναμικής. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την δυνατότητα να καταπολεμήσουμε ασθένειες και την δημιουργία νέων κλάδων όπως η οπτογενετική[1] (optogenetics).

    Γενικότερα, όσες τεχνολογίες χρησιμοποιούν τις δυνατότητες του φωτός ονομάζονται φωτονικές τεχνολογίες, και χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική και την βιολογία. Μια από τις πιο διαδεδομένες τεχνικές είναι αυτή της απορρόφησης ακτινοβολίας από την ύλη, η οποία έχει βοηθήσει την περαιτέρω ανάπτυξη της μικροσκοπίας. Για παράδειγμα, όταν βιολογικά δείγματα τοποθετούνται πάνω στο μικροσκόπιο, η ακτινοβολία από λέιζερ αλληλεπιδρά με τις υποατομικές δομές των δειγμάτων με αποτέλεσμα την διέγερση της ύλης. Μετά από ελάχιστο χρονικό διάστημα το διεγερμένο άτομο επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση, εκπέμποντας φωτόνια. Τα οπτικά μέρη του μικροσκοπίου συλλέγουν τα φωτόνια αυτά και η δομή των βιολογικών δειγμάτων μεγεθύνεται με αποτέλεσμα την παρατήρηση της.

    Η διέγερση της ύλης γίνεται εφικτή μόνο όταν φωτόνια με συγκεκριμένη ενέργεια αλληλεπιδρούν με τα άτομα της ύλης. Συνήθως, τα άτομα αυτά αρχικά βρίσκονται σε ένα από τα χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας (energy levels). Τα φωτόνια πρέπει να έχουν το σωστό μήκος κύματος ώστε τα άτομα να μπορέσουν να διεγερθούν σε ένα επίπεδο υψηλότερης ενέργειας αφού απορροφήσουν τα φωτόνια. Λόγω της ύπαρξης διάφορων ενεργειακών υποσταθμών ανάμεσα στα ξεχωριστά επίπεδα ενέργειας, κάποιες φορές η απορρόφηση δύο ή περισσότερο φωτονίων είναι αναγκαία για να διεγερθεί το άτομο στο επίπεδο με την υψηλότερη ενέργεια. Στην περίπτωση που χρειάζεται ένα ζευγάρι φωτονίων τότε το φαινόμενο ονομάζεται απορρόφηση δυο φωτονίων (two-photon absorption). Ένα παράδειγμα αυτού του φαινόμενου βλέπουμε στην Εικ.1.

    Document image

    Εικ.1. Εισερχομένη ακτινοβολία με συχνότητα ω απορροφάται από τα άτομα τα οποία διεγείρονται σε ένα επίπεδο υψηλότερης ενέργειας από το αρχικό. Στην συνέχεια επιστρέφουν στο αρχικό τους ενεργειακό επίπεδο αφού εκπέμψουν ένα φωτόνιο σε συχνότητα που καθορίζεται από τη διαφορά ενεργειακών σταθμών και σε ορισμένες περιπτώσεις με συχνότητα 2ω.

    Αν και αυτή η τεχνική μας επιτρέπει την απεικόνιση (imaging) δομών σε πολύ μικρές κλίμακες, συνοδεύεται από ορισμένους περιορισμούς. Το φαινόμενο ανήκει στη λεγόμενη μη γραμμική οπτική (nonlinear optics), όπου η ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από τα άτομα της βιολογικής ύλης είναι ανάλογη με το τετράγωνο της έντασης των εισερχόμενων φωτονίων (Georgiades et al., 1995). Αυτό σημαίνει ότι απαιτούνται πολύ υψηλές εντάσεις φωτός, ώστε να είναι πιθανή η ταυτόχρονη αλληλεπίδραση περισσότερων του ενός φωτονίων με το δείγμα. Ωστόσο, τέτοιες εντάσεις μπορεί να προκαλέσουν φθορά ή και καταστροφή του. Επιπλέον, η ενεργός διατομή απορρόφησης (absorption cross section), δηλαδή ένα μέτρο της πιθανότητας απορρόφησης φωτονίων από την ύλη, είναι εξαιρετικά μικρή. Ως αποτέλεσμα, η παραγόμενη ακτινοβολία είναι πολύ ασθενής και η ανίχνευσή της απαιτεί ιδιαίτερα ευαίσθητους ανιχνευτές.

    Για να ξεπεραστούν αυτές οι δυσκολίες, μια νέα τεχνική προτάθηκε το 1990 . Συγκεκριμένα, οι Javanainen και Gould πρότειναν αντί για την χρήση κλασσικής μορφής ακτινοβολίας για την διέγερση των ατόμων, την χρήση σύμπλεκτων φωτονίων (entangled photons) (Javanainen & Gould, 1990). Έκτοτε, έχουν ολοκληρωθεί πολυάριθμες μελέτες, οι οποίες επιβεβαίωσαν την θεωρία τους (Dickinson al., 2025; Varnavski et al., 2023). Η χρήση ζευγών συμπλεγμένων φωτονίων μπορεί όντως να αυξήσει την πιθανότητα απορρόφησης φωτονίων, κάνοντας το φαινόμενο πιο αποτελεσματικό. Μα τι είναι τα σύμπλεκτα φωτόνια και πως τα δημιουργούμε; Για να τα καταλάβουμε αυτά πρέπει αναφερθούμε σε ορισμένα από τα «παράξενα» φαινόμενα της κβαντικής μηχανικής.

    ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΛΕΞΗ, ΣΥΣΧΕΤΙΣΕΙΣ ΚΑΙ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΣΥΜΠΛΕΓΜΕΝΩΝ ΦΩΤΟΝΙΩΝ

    Η σύμπλεξη φωτονίων είναι ένα από αυτά τα κβαντικά φαινόμενα που δοκιμάζουν τα όρια της λογικής και φαντασίας μας. Σύμπλεκτα φωτόνια χρησιμοποιούνται σήμερα σε πειράματα που αφορούν το παράδοξο των Einstein-Podolsky-Rosen (EPR paradox) και την επαλήθευση της κβαντικής φύσης των παραγόμενων φωτονίων (Einstein et al., 1935). Ως γνωστόν, το EPR είναι ένα νοητικό πείραμα (gedankenexperiment) που σχεδιάστηκε για να διαψεύσει την κβαντική μηχανική και τις βασικές της αρχές, τονίζοντας ότι η υπέρθεση[2] (superposition principle) και η κβαντική σύμπλεξη[3] (quantum entanglement) παραβιάζουν τις αρχές της τοπικότητας[4] (locality) και της αβεβαιότητας[5] (uncertainty principle).

    Η κβαντική κατάσταση κάθε σύμπλεκτου φωτονίου δεν μπορεί να εκφραστεί μεμονωμένα, χωρίς την περιγραφή των υπόλοιπων φωτονίων που είναι συμπλεγμένα μαζί του. Λόγω της αλληλεπίδρασης αυτής, όταν εκτελούμε μια μέτρηση σε ένα φωτόνιο, η κατάσταση των υπολοίπων καθορίζεται ακαριαία ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι τα φωτόνια μεταξύ τους. Οι Einstein, Podolsky και Rοsen πίστευαν ότι με αυτό τον τρόπο τα φωτόνια επηρεάζουν το ένα το άλλο πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός, κάτι που η Θεωρία της Σχετικότητας απαγορεύει, συνεπώς η Κβαντική είναι μια ελλιπής θεωρία. Στην πραγματικότητα όμως όταν γίνεται μια αρχική μεμονωμένη μέτρηση, το αποτέλεσμά της είναι τυχαίο. Με άλλα λόγια, η μέτρηση θα μπορούσε να αποκαλύψει οποιαδήποτε από τις πιθανές καταστάσεις που θα μπορούσε να έχει το φωτόνιο, και δεν υπάρχει κάποιος τρόπος για να γνωρίζουμε ποια θα είναι εκ των προτέρων ώστε να στείλουμε μήνυμα στον άλλο παρατηρητή. Οι συσχετίσεις αυτές αποκαλύπτονται μόνο όταν συγκριθούν τα αποτελέσματα των μετρήσεων εκ των υστέρων, μέσω κλασικής επικοινωνίας (που περιορίζεται από την ταχύτητα του φωτός). Επομένως, δεν υπάρχει μετάδοση πληροφορίας με ταχύτητα μεγαλύτερη αυτής του φωτός. Με άλλα λόγια, η σύμπλεξη φαίνεται «μη τοπική» ως προς τις συσχετίσεις, αλλά παραμένει συμβατή με την τοπικότητα ως προς την αιτιότητα και τη μεταφορά πληροφορίας. Το 1964, τριάντα χρόνια μετά από τη δημοσίευση των ΕPR, ο John Stewart Bell με την διατύπωση του ελέγχου της ανισότητας του Bell (Bell’s inequality test) απέδειξε πως οι προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής δεν μπορούν να αναπαραχθούν από τοπικές θεωρίες με κρυφές μεταβλητές (Bell, 1964). Μέχρι σήμερα όλα τα πειράματα πάνω σε κβαντικά συστήματα που έχουν κάνει χρήση του κριτηρίου του Bell έχουν επιβεβαιώσει την εγκυρότητα των προβλέψεων της κβαντικής μηχανικής και την ύπαρξη συσχετίσεων (correlations) μεταξύ διαφόρων παραμέτρων των σύμπλεκτων φωτονίων (Bell, 1976; Clauser et al., 1978).

    Για να καταλάβουμε καλύτερα τις συσχετίσεις μεταξύ των σύμπλεκτων φωτονίων πρέπει να εστιάσουμε στον τρόπο που χρησιμοποιούμε για να τα παράγουμε. Στο εργαστήριο χρησιμοποιούμε το φαινόμενο της αυθόρμητης παραμετρικής μετατροπής προς χαμηλότερες συχνότητες (spontaneous parametric down conversion) όπου ένα φωτόνιο ενός λέιζερ μετατρέπεται σε ένα ζεύγος φωτονίων χαμηλότερης ενέργειας, σύμφωνα με τους νόμους της διατήρησης ενέργειας και ορμής. Αυτό σημαίνει πως η συνισταμένη της ορμής των παραχθέντων φωτονίων είναι ίση με την ορμή του αρχικού φωτονίου. Κάτι αντίστοιχο ισχύει και με την ενέργεια του ζεύγους φωτονίων. Σε πολλές περιπτώσεις τα δύο φωτόνια έχουν περίπου τη μισή ενέργεια το καθένα (επομένως και διπλάσιο μήκος κύματος), αλλά γενικά η ενέργεια κατανέμεται σύμφωνα με την αρχή διατήρηση της ενέργειας (Couteau, 2018). Μια απεικόνιση αυτού του φαινομένου βλέπουμε στη Εικ.2.

    Document image

    Εικ.2 Απεικόνιση δημιουργίας σύμπλεκτων φωτονίων. Φωτόνια από ένα λέιζερ διασχίζουν έναν κρύσταλλο, με μήκος L, και αλληλεπιδρούν με τα μόριά του. Δυο καινούργια φωτόνια δημιουργούνται (κόκκινα βέλη) με μισή ενέργεια από τα αρχικά. Τα δυο φωτόνια είναι συμπλεγμένα μεταξύ τους.

    Στην Εικ.2 δείχνουμε πώς τα σύμπλεκτα φωτόνια αναδύονται σε αντίθετες πλευρές γύρω από την ακτίνα του λέιζερ, σε ίσες αποστάσεις, γεγονός που πιστοποιεί την διατήρηση της ορμής. Στην πραγματικότητα όμως πολλά τέτοια ζευγάρια δημιουργούνται από διαφορετικά φωτόνια του λέιζερ και επειδή τα σύμπλεκτα φωτόνια ισαπέχουν μεταξύ τους, η κβαντική ακτινοβολία έχει την μορφή κώνου. Κάτι παρόμοιο ισχύει και για τα μήκη κύματος που θα έχει το συμπλεγμένο ζευγάρι. Για παράδειγμα, τα διάφορα φωτόνια από το λέιζερ θα έχουν ένα συγκεκριμένο φασματικό εύρος, με αποτέλεσμα κάθε ζεύγος που δημιουργείται να έχει συνολικά μήκος κύματος του οποίο το άθροισμά θα ισούται με το μήκος κύματος των φωτονίων λέιζερ.

    Αυτό μας φέρνει πίσω στην έννοια των συσχετίσεων καθώς και στη φύση της μέτρησης στην κβαντική μηχανική. Όταν εκτελούμε μια μέτρηση σε ένα σύστημα, το οποίο, ας υποθέσουμε, μπορεί να βρεθεί σε μια υπέρθεση δύο δυνατών καταστάσεων, τότε η αλληλεπίδραση με τη συσκευή μέτρησης διαταράσσει αυτήν την «απομόνωση» και το σύστημα καταρρέει σε μία από τις δύο πιθανές καταστάσεις του και παραμένει σε αυτήν. Αυτό οφείλεται στο ότι η μέτρηση, στην κβαντομηχανική, είναι μια μη αναστρέψιμη και εντελώς τυχαία διαδικασία. Ένα κβαντικό σύστημα έχει ένα σύνολο αποτελεσμάτων που προβλέπονται από την κατανομή πιθανότητας της κυματοσυνάρτησης (wavefunction). Η εξέλιξη της κυματοσυνάρτησης είναι ντετερμινιστική, αλλά το αποτέλεσμα μιας μέτρησης είναι εγγενώς πιθανοκρατικό[6]. Στην κβαντομηχανική αυτό είναι γνωστό με τον όρο κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης (collapse of wavefunction).

    Τα σύμπλεκτα φωτόνια στο παράδειγμά μας έχουν ένα φάσμα συχνοτήτων που μπορεί επίσης να «χαρτογραφηθεί» χωρικά μέσω της ορμής τους. Εκτελώντας μια μέτρηση σε ένα από τα δύο φωτόνια, η κυματοσυνάρτηση καταρρέει με αποτέλεσμα να γίνεται γνωστή και η κατάσταση στην οποία βρίσκεται το άλλο φωτόνιο του ζευγαριού. Στην περίπτωση αυτή, αν το μήκος κύματος ενός φωτονίου μετρηθεί τότε μαθαίνουμε το μήκος κύματος του άλλου καθώς επίσης και την θέση του. Αυτή η περίπτωση είναι γνωστή στη βιβλιογραφία ως χωροχρονική σύμπλεξη και την αξιοποιούμε για να βελτιώσουμε τα αποτελέσματα σε διάφορα φαινόμενα που αφορούν στην αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη.

    Χρησιμοποιώντας αυτά τα σύμπλεκτα φωτόνια μπορούμε, πλέον, να εξερευνήσουμε μικροσκοπικές ποσότητες ύλης χωρίς να καταστρέφουμε την ακεραιότητα της. Οι επιστήμονες έχουν αποδείξει ότι όταν ύλη απορροφά σύμπλεκτα φωτόνια τότε το φως φθορισμού (fluorescence) που θα εκπέμψει, ύστερα από την μετάβαση της σε ψηλότερο επίπεδο ενέργειας και την επιστροφή της σε ένα επίπεδο χαμηλότερης ενέργειας, είναι αρκετά περισσότερο από το φως που εκπέμπει όταν απορροφά ακτινοβολία από ένα λέιζερ. Όπως προαναφέραμε, η ακτινοβολία φθορισμού από την ύλη είναι ανάλογη του τετραγώνου της έντασης των εισερχομένων φωτονίων από το λέιζερ. Όταν όμως γίνει χρήση σύμπλεκτων φωτονίων η ακτινοβολία του εκπεμπόμενου φθορισμού είναι απλά ανάλογη της έντασης των σύμπλεκτων φωτονίων. Με άλλα λόγια, τα δύο σύμπλεκτα φωτόνια συμπεριφέρονται σαν ένα ενιαίο φωτόνιο! Η αιτία αυτού του «παράδοξου» φαινομένου βρίσκεται στη φύση των κβαντικών συσχετίσεών τους.

    ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΦΑΝΤΑΣΜΑΤΩΝ

    Εκτός από την βελτίωση του φαινόμενου αυτού, η κβαντική ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση αντικειμένων που δεν είναι καν μπροστά μας. Πιο συγκεκριμένα, οι συσχετίσεις των φωτονίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποκαλύψουν ολόκληρα αντικείμενα που δεν αλληλεπίδρασαν ποτέ με τα φωτόνια![7]

    Η πρώτη επίδειξη αυτού του φαινομένου έγινε από τους T. B. Pittman, Y. H. Shih, D. V. Strekalov, and A. V. Sergienko το 1995, και αργότερα έγινε γνωστό ως απεικόνιση φάντασμα (ghost imaging) (Pittman et al., 1995; Padgett et al., 2016). Στο πείραμα τους έδειξαν ότι μια εικόνα μπορεί να διαμορφωθεί από ζεύγη συσχετισμένων φωτονίων τα οποία είναι χωρικά διαχωρισμένα. Αναγνωρίζοντας ότι αυτή η διαπίστωση μπορεί να προκαλέσει σύγχυση, θα επιχειρήσουμε να αναλύσουμε το συγκεκριμένο φαινόμενο.

    Ένα απλοποιημένο πείραμα απεικόνισης φάντασμα φαίνεται στην Eικ. 3. Θεωρούμε φωτόνια που παράγονται μέσω αυθόρμητης παραμετρικής μετατροπής προς χαμηλότερες συχνότητες και διαχωρίζονται με την χρήση καθρεπτών. Κάποια από τα φωτόνια θα αλληλεπιδράσουν με ένα αντικείμενο πριν φτάσουν στο ανιχνευτή για μέτρηση ενώ τα υπόλοιπα θα ανιχνευτούν με μια κάμερα. Παραδόξως, καμία από τις δύο μετρήσεις από μόνη της δεν αρκεί για να δώσει την εικόνα του αντικειμένου. Όμως, όταν συγκρίνουμε τις μετρήσεις των δύο φωτονίων ταυτόχρονα (μια διαδικασία που λέγεται μέτρηση σύμπτωσης (coincidence measurement)), τότε αποκαλύπτεται η εικόνα του αντικειμένου. Με άλλα λόγια, η εικόνα σχηματίζεται χρησιμοποιώντας πληροφορία από φωτόνια που δεν συνάντησαν ποτέ το αντικείμενο! Αυτό είναι δυνατό χάρη στους ισχυρούς συσχετισμούς που υπάρχουν μεταξύ των δύο φωτονίων. Έτσι, ακόμη και αν μόνο τα μισά από τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με το αντικείμενο, μπορούμε τελικά να ανακατασκευάσουμε την εικόνα του.

    Document image

    Εικ. 3. Απεικόνιση του πειράματος ghost imaging. Μετά την δημιουργία σύμπλεκτων φωτονίων, τα φωτόνια διαχωρίζονται με τα μισά να αλληλεπιδρούν με ένα αντικείμενο ενώ τα υπόλοιπα να ανιχνεύονται απευθείας. Η εικόνα του αντικειμένου μπορεί να διαμορφωθεί έπειτα από μια μέτρηση σύμπτωσης.

    Σήμερα, η τεχνική της «απεικόνισης φάντασμα» αξιοποιείται για να βελτιώσει ακόμη περισσότερο τις δυνατότητες της μικροσκοπίας. Ένας από τους στόχους των επιστημόνων είναι να παρατηρούν με μεγαλύτερη ακρίβεια τις κινήσεις των μορίων. Τα μόρια δεν είναι ακίνητα: μπορούν να ταλαντώνονται κατά μήκος των δεσμών τους και να περιστρέφονται γύρω συγκεκριμένους άξονες. Κάθε τέτοια κίνηση έχει μια χαρακτηριστική «συχνότητα», σαν μια μοναδική υπογραφή. Αυτές οι συχνότητες αντιστοιχούν σε συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός, δημιουργώντας ένα «φάσμα» που μας επιτρέπει να ξεχωρίζουμε διαφορετικά μόρια. Συνήθως, αυτές οι πληροφορίες βρίσκονται στην περιοχή της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Εκεί όμως υπάρχει ένα πρόβλημα: η υπέρυθρη ακτινοβολία εκπέμπεται και από πολλές άλλες πηγές στο περιβάλλον,με αποτέλεσμα οι μετρήσεις να «αλλοιώνονται» από ανεπιθύμητο θόρυβο. Εδώ έρχεται η βοήθεια της κβαντικής φυσικής. Με τη χρήση ειδικών ζευγών συσχετισμένων φωτονίων, μπορούμε να κάνουμε το εξής έξυπνο τέχνασμα: το ένα φωτόνιο που αλληλεπιδρά με το μόριο έχει μήκος κύματος στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος, ενώ το άλλο -που δεν αλληλεπιδρά με το μόριο- έχει μήκος κύματος στην ορατή περιοχή του φάσματος και είναι πολύ πιο εύκολο να ανιχνευθεί με ακρίβεια. Παρόλο που ανιχνεύουμε μόνο το ορατό φωτόνιο, μπορούμε να αντλήσουμε πληροφορίες για το τι συνέβη στο υπέρυθρο (Manuzzato et al., 2024). Έτσι, καταγράφουμε την κίνηση των μορίων με πολύ λιγότερο σφάλμα και μεγαλύτερη αξιοπιστία.

    Τέλος, αξίζει να αναφέρουμε πως εκτός από την ανίχνευσή με χαμηλότερο θόρυβο, έχει αποδειχθεί ότι συσχετισμένα ζεύγη φωτονίων μπορούν να απεικονίσουν αντικείμενα ακόμα και σε συνθήκες εξαιρετικά χαμηλού φωτισμού (πολύ λίγα φωτόνια), διατηρώντας υψηλή ποιότητα εικόνας. Η βελτίωση της ανάλυσης της εικόνας είναι δυνατή ακριβώς εξαιτίας του κβαντικού χαρακτήρα των φωτονίων.

    ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

    Η κβαντική σύμπλεξη, αλλά και γενικότερα οι κβαντικοί συσχετισμοί, αποτελούν αντικείμενο έντονης έρευνας σε εργαστήρια φυσικής σε όλο τον κόσμο. Χάρη στις σύγχρονες εξελίξεις στην οπτική και τη φωτονική, οι επιστήμονες εξερευνούν συνεχώς νέες καταστάσεις και σχεδιάζουν πρωτότυπα πειράματα που ξεφεύγουν από τις παραδοσιακές προσεγγίσεις. Στόχος τους είναι να αναπτύξουν αξιόπιστες και πρακτικές τεχνολογίες που να μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην πράξη. Για τον λόγο αυτό, το ενδιαφέρον στρέφεται όλο και περισσότερο σε εφαρμογές με άμεσο αντίκτυπο, ενώ η συνεργασία μεταξύ διαφορετικών επιστημονικών πεδίων γίνεται ολοένα και πιο σημαντική. Ιδιαίτερα ελπιδοφόρα είναι η προοπτική εφαρμογών στην ιατρική και τη βιολογία, όπου αυτές οι τεχνολογίες θα μπορούσαν τα επόμενα χρόνια να προσφέρουν νέες δυνατότητες στη διάγνωση και τη μελέτη πολύπλοκων συστημάτων.

    ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] Οπτογενετική είναι ο κλάδος που εξερευνά τη δυνατότητα ελέγχου νευρικών κυττάρων, μορίων η άλλων μορφών βιολογικής ύλης με την χρήση ακτινών φωτός. Στον τομέα την νευρολογίας η οπτογενετική χρησιμοποιείται για την κατανόηση διάφορων λειτουργιών του εγκέφαλου όπως η λήψη αποφάσεων και η μάθηση. ↑ ↩
    [2] Η αρχή της υπέρθεσης των καταστάσεων (superposition principle) αφορά ένα σύστημα που έχει δύο ή περισσότερες δυνατές καταστάσεις (π.χ. ένας διακόπτης που μπορεί να είναι «ανοικτός» ή «κλειστός»). Σύμφωνα με αυτήν την αρχή το σύστημα συμπεριφέρεται εντελώς διαφορετικά στην κλασική και στην κβαντική του εκδοχή. Στη μεν κλασική εκδοχή μπορεί να βρίσκεται αποκλειστικά σε μια από τις δύο καταστάσεις, κάτι το οποίο πολύ εύκολα μπορούμε να το αποδεχτούμε. Ένας κβαντικό σύστημα όμως μπορεί να βρίσκεται σε μια κατάσταση που αποτελεί ταυτόχρονα ένα συνδυασμό των δύο δυνατών καταστάσεων. ↑ ↩
    [3] Πρόκειται για ένα φυσικό φαινόμενο που εμφανίζεται όταν δημιουργούνται ή αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κβαντικά σωματίδια ή σύνολα κβαντικών σωματιδίων με τέτοιο τρόπο ώστε η κβαντική κατάσταση κάθε σωματιδίου να μην μπορεί να περιγραφεί ανεξάρτητα από την κατάσταση των άλλων σωματιδίων, ακόμη και όταν τα δύο σωματίδια χωρίζονται από πολύ μεγάλες αποστάσεις. Η κατάσταση των σωματιδίων μπορεί να περιγραφεί μόνο ως κατάσταση ενός ενιαίου συστήματος. ↑ ↩
    [4] Eίναι η αρχή σύμφωνα με την οποία ένα φυσικό σύστημα μπορεί να επηρεαστεί άμεσα μόνο από το άμεσο περιβάλλον του. Με άλλα λόγια, καμία επιρροή ή πληροφορία δεν μπορεί να μεταδοθεί ακαριαία σε μεγάλες αποστάσεις· κάθε αλληλεπίδραση διαδίδεται με πεπερασμένη ταχύτητα, το πολύ ίση με την ταχύτητα του φωτός. ↑ ↩
    [5] Ένα χαρακτηριστικό της κβαντικής φυσικής είναι η ύπαρξη ζευγών φυσικών μεγεθών, όπως η θέση και η ορμή ενός σωματιδίου, που είναι ασυμβίβαστα, δηλαδή δεν μπορεί να τα μετρήσει κάποιος ταυτόχρονα με απόλυτη ακρίβεια. Το γινόμενο των αβεβαιοτήτων τέτοιων μεγεθών δεν μπορεί να γίνει ποτέ μικρότερο από μια συγκεκριμένη τιμή. Στην περίπτωση της θέσης και της ορμής η σχέση αβεβαιότητας έχει την μορφή ΔxΔp≥ℏ/2, όπου ℏ=h/2π η λεγόμενη ανηγμένη σταθερά του Planck (Τραχανάς, 2009). ↑ ↩
    [6] Με την έννοια πως το σύνολο των πιθανών αποτελεσμάτων είναι δεδομένο (όχι όμως το αποτέλεσμα μιας μεμονωμένης μέτρησης) και αλλάζει εάν μεταβληθούν με κάποιο τρόπο τα χαρακτηριστικά του συστήματος. ↑ ↩
    [7] Θα πρέπει να αναφέρουμε πως το φαινόμενο της απεικόνισης φάντασμα μπορεί να αναπαραχθεί και με κλασικό φως, η χρήση σύμπλεκτων φωτονίων οδηγεί σε συσχετίσεις που δεν μπορούν να εξηγηθούν από την κλασική φυσική και επιτρέπουν βελτιωμένη απόδοση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. ↑ ↩

    ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    ΕΛΛΗΝΙΚΗ

    Τραχανάς, Σ. (2009). ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ. Θεμελιώδεις Αρχές και Μέθοδοι – Κβαντικοί Υπολογιστές. Ηράκλειο: ΠΕΚ.

    ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ

    Bell, J., S., 1964. On the Einstein Podolsky Rosen paradox. Physics Physique Fizika 1(3), p.195. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysicsPhysiqueFizika.1.195

    Bell, J.S., 1976. Einstein-Podolsky-Rosen experiments. Proceedings of the Symposium on Frontier Problems in Hugh Energy Physics. Pisa. Επίσης στο Quantum mechanics, high energy physics and accelerators: selected papers of John S Bell (With Commentary), pp.768-77 (1995). https://www.informationphilosopher.com/solutions/scientists/bell/EPR_Experiments.pdf

    Couteau, C., 2018. Spontaneous parametric down-conversion. Contemporary Physics 59(3), pp.291-304. https://doi.org/10.1080/00107514.2018.1488463

    Clauser, J., F., and Shimony, A., 1978. Bell’s theorem. Experimental tests and implications. Reports on Progress in Physics 41(12), pp.1881-1927. 10.1088/0034-4885/41/12/002

    Dickinson, T., Afxenti, I., Astrauskaite, G., Hirsch, L., Nerenberg, S., Jedrkiewicz, O., Faccio, D., Müllenbroich, C., Gatti, A., Clerici, M. and Caspani, L., 2025. Quantum-enhanced second harmonic generation beyond the photon pairs regime. Science Advances 11(27). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw4820

    Einstein, A., Podolsky, B., and Rosen, N., 1935. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Physical Review 47(10), p.777. https://doi.org/10.1103/PhysRev.47.777

    Georgiades, N., P., Polzik, E., S., Edamatsu, K., Kimble, H.,J., and Parkins, A.S., 1995. Nonclassical excitation for atoms in a squeezed vacuum. Physical Review Letters 75(19), p.3426. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.3426

    Padgett, M., Aspden, R., Gibson, G., Edgar, M. and Spalding, G., 2016. Ghost imaging. Optics and Photonics News 27(10), pp.38-45. https://doi.org/10.1364/OPN.27.10.000038

    Pittman, T., B., Shih, Y., H., Strekalov, D., V., & Sergienko, A., V., 1995. Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement. Physical Review A, 52(5), R3429. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.52.R3429

    Manuzzato, E., Gandola, M., Perenzoni, M., Gasparini, L., and Passerone, R., 2024, June. Architectural modeling and experimental characterization of a SPAD-based imager developed for fast-quantum ghost imaging applications. In Annual Meeting of the Italian Electronics Society (pp. 228-237). Cham: Springer Nature Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-031-71518-1_26

    Varnavski, O., Giri, S., K., Chiang, T., M., Zeman I.,V., C.J., Schatz, G.,C., and Goodson III, T., 2023. Colors of entangled two-photon absorption. Proceedings of the National Academy of Sciences 120(35). https://doi.org/10.1073/pnas.2307719120

    Javanainen, J., and Gould, P.L., 1990. Linear intensity dependence of a two-photon transition rate. Physical Review A, 41(9), p.5088. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.41.5088

  • ΤΑ ΑΤΟΜΙΚΑ ΡΟΛΟΓΙΑ

    ΤΑ ΑΤΟΜΙΚΑ ΡΟΛΟΓΙΑ

    Βασίλης Λεμπέσης

    Στο άρθρο αυτό παρουσιάζουμε τους πιο ακριβείς χρονομετρητές: τα ατομικά ρολόγια. Τα μεγάλα θεωρητικά και πειραματικά επιτεύγματα των τελευταίων δεκαετιών στη φυσική των ψυχρών ατόμων έδωσαν τη δυνατότητα κατασκευής ρολογιών όπου η ακρίβεια μέτρησης του χρόνου ξεπερνάει στην κυριολεξία τη φαντασία.ΕΙΣΑΓΩΓΗ

    Το 1978 οι ΗΠΑ εκτόξευαν τον πρώτο από τους είκοσι τέσσερις δορυφόρους ενός τρομερά φιλόδοξου προγράμματος: του Παγκόσμιου Συστήματος Εντοπισμού ή πιο γνωστού από το αγγλικό αρκτικόλεξο GPS (Global Positioning System). Στην «αντίπερα όχθη», στη Σοβιετική Ένωση, το 1982, θα αρχίσει η κατασκευή του Παγκόσμιου Συστήματος Δορυφορικής Πλοήγησης (GLONASS-Global Navigation Satellite System) που είναι το δεύτερο εναλλακτικό σύστημα εντοπισμού με παγκόσμια κάλυψη. Σήμερα τόσο η Ευρώπη όσο και η Κίνα έχουν παρόμοια συστήματα, τα Galileo και BeiDou, αντίστοιχα, ενώ η Ιαπωνία και η Ινδία έχουν αναπτύξει δορυφορικά συστήματα με περιφερειακή κάλυψη. Xάρις σε αυτά τα συστήματα και εξοπλισμένοι με ένα smart phone, μπορείτε, σήμερα, να γνωρίζετε με ακρίβεια λίγων δεκάδων μέτρων τη θέση σας στον πλανήτη.

    Πώς αυτά τα συστήματα κατορθώνουν να εντοπίζουν τη θέση μας; Η διάταξη των δορυφόρων στο διαστημικό χώρο είναι τέτοια ώστε κάθε σημείο στον πλανήτη να έχει ραδιοφωνική επαφή με έναν συγκεκριμένο ελάχιστο αριθμό δορυφόρων κάθε φορά. Κάθε δορυφόρος εκπέμπει συνεχώς ένα ψηφιακό ραδιοφωνικό σήμα το οποίο περιέχει την πληροφορία για τη θέση του και το χρόνο με ακρίβεια ενός δισεκατομμυριοστού του δευτερόλεπτου. Ένας δέκτης στη Γη συλλέγει αυτές τις πληροφορίες από τους δορυφόρους και τις χρησιμοποιεί για να υπολογίσει τη θέση του με ακρίβεια μερικών δεκάδων μέτρων. Ο δέκτης συγκρίνει τον δικό του χρόνο με τον χρόνο που του στέλνει ο δορυφόρος και χρησιμοποιεί την διαφορά τους για να υπολογίσει την απόστασή του από το δορυφόρο. Στην συνέχεια συγκρίνει τον χρόνο του με τον χρόνο κάποιων δορυφόρων των οποίων η θέση είναι γνωστή. Από αυτή την σύγκριση ο δέκτης μπορεί να υπολογίσει τον γεωγραφικό του μήκος και πλάτος καθώς και το ύψος του, από την επιφάνεια της θάλασσας. Από τα παραπάνω είναι φανερό πως η ακρίβεια εντοπισμού είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την ακρίβεια μέτρησης του χρόνου. Γι΄αυτό, τόσο οι δορυφόροι όσο και ο δέκτης πρέπει να είναι εξοπλισμένοι με ρολόγια πολύ υψηλής ακρίβειας. Αυτό τον ρόλο φέρουν σε πέρας τα ατομικά ρολόγια, οι ακριβέστεροι χρονομέτρες που έχει στη διάθεσή του σήμερα ο άνθρωπος.

    ΟΙ ΠΡΩΤΟΠΟΡΟΙ

    Ο πρώτος που αντιλήφθηκε πως τα άτομα θα πρέπει να ληφθούν ως η βάση για τη δημιουργία αξιόπιστών συστημάτων μέτρησης των φυσικών μεγεθών ήταν ο J. C. Maxwell o οποίος στο τέλος της Πραγματείας του παρατήρησε πως (Maxwell, 1954):

    Στην παρούσα κατάσταση της επιστήμης το πιο καθολικό πρότυπο μήκους που θα μπορούσαμε να υποθέσουμε ότι είναι το μήκος κύματος στο κενό ενός συγκεκριμένου είδους φωτός, που εκπέμπεται από κάποιες ευρέως διαδεδομένες ουσίες όπως το νάτριο, το οποίο έχει σαφώς καθορισμένες γραμμές μέσα στο φάσμα του. Ένα τέτοιο πρότυπο θα ήταν ανεξάρτητο από τυχόν αλλαγές στις διαστάσεις της γης, και θα πρέπει να υιοθετηθεί από εκείνους που προσδοκούν τα γραπτά τους να είναι αντέξουν στον χρόνο περισσότερο από εκείνο το σώμα. Η μονάδα χρόνου που υιοθετείται σε όλες τις φυσικές έρευνες είναι το ένα δευτερόλεπτο του μέσου ηλιακού χρόνου. Μια πιο καθολική μονάδα χρόνου μπορεί να βρεθεί λαμβάνοντας τον περιοδικό χρόνο ταλάντωσης του συγκεκριμένου είδους φωτός του οποίου το μήκος κύματος είναι η μονάδα μήκους.

    Η πρόταση για χρήση ατόμων ως μετρητών του χρόνου είχε διατυπωθεί σε εντελώς ανύποπτο χρόνο από τον Λόρδο Κέλβιν το 1879 (Thomson, 1879).

    Οι πρόσφατες ανακαλύψεις λόγω της κινητικής θεωρίας των αερίων και της ανάλυσης φάσματος (ειδικά όταν αυτή εφαρμόζεται στο φως των ουράνιων σωμάτων) μας υποδεικνύουν φυσικά πρότυπα υλικά σώματα όπως άτομα υδρογόνου ή νατρίου, διαθέσιμα σε τεράστιες ποσότητες, όλα απολύτως όμοια σε κάθε φυσική ιδιότητα. Ο χρόνος ταλάντωσης ενός ατόμου νατρίου είναι γνωστό ότι είναι απολύτως ανεξάρτητος από τη θέση του στο σύμπαν και πιθανότατα θα παραμείνει ο ίδιος όσο υπάρχει το ίδιο το σωματίδιο.

    Οι έρευνες όμως που οδήγησαν στην κατασκευή των ατομικών ρολογιών είχαν εντελώς διαφορετική αφετηρία που δεν είχε σχέση με την χρονομέτρηση. Το έναυσμα δόθηκε από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ) και συγκεκριμένα από την πρόβλεψή της για την, περίφημη, βαρυτική μετατόπιση της συχνότητας προς το ερυθρό. Πρόκειται για την μείωση της συχνότητας του φωτός όταν αυτό βρίσκεται μέσα σε ένα εξαιρετικά ισχυρό βαρυτικό πεδίο. Η μεταβολή αυτή, στο βαρυτικό πεδίο της Γης, είναι εξαιρετικά μικρή σε μέγεθος ώστε να μπορεί να μετρηθεί με συμβατικά ρολόγια. Για παράδειγμα ένα ρολόι κρυστάλλων χαλαζία έχει μια απώλεια του ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου ανά ημέρα. Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας ένα ρολόι στην κορυφή των Ιμαλαΐων τρέχει πιο γρήγορα κατά τριάντα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου σε σχέση με ένα όμοιο ρολόι στην επιφάνεια της θάλασσας.

    Η πρώτη ουσιαστική προσπάθεια για την κατασκευή ενός ατομικού ρολογιού έγινε το 1930, στο Πανεπιστήμιο Columbia των Η.Π.Α, από τον Ι. Rabi και τους φοιτητές του οι οποίοι μελετούσαν κάποιες θεμελιώδεις ιδιότητες των ατόμων και των πυρήνων (Rabi, 1945). Στην προσπάθειά τους αυτή, ανακάλυψαν μια τεχνική, γνωστή ως Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός (NMR), που την χρησιμοποιούμε σήμερα στις μαγνητικές τομογραφίες της ιατρικής. Με αυτήν την τεχνική μπόρεσαν να μετρήσουν τις συχνότητες των ηλεκτρονιακών μεταβάσεων σε άτομα. Για αυτήν την ανακάλυψη ο Rabi τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1944. Ο Rabi υποστήριξε τότε την ιδέα πως, η ποιότητα και η ακρίβεια αυτών των μετρήσεων θα μπορούσε να μας οδηγήσει στην κατασκευή ενός ατομικού ρολογιού. Ο ίδιος δεν προχώρησε αυτήν την ιδέα αλλά, το 1949, ένας μαθητής του, ο Ν. Ramsey, θα βελτιώσει κατά πολύ τις τεχνικές του δασκάλου του και θα τιμηθεί για αυτό το επίτευγμα με το βραβείο Νόμπελ στη φυσική το 1989. Για την ιστορία –και όχι μόνο- πρέπει να αναφέρουμε ότι ο Rabi, που είχε εμπλακεί στην κατασκευή της ατομικής βόμβας, σε βαθύ γήρας έθεσε την υπογραφή του μαζί με άλλους κορυφαίους Aμερικανούς επιστήμονες σε κείμενο-έκκληση ενάντια στο ψυχροπολεμικό πρόγραμμα του Πολέμου των Άστρων.

    Το πρώτο ατομικό ρολόι κατασκευάστηκε από τον H. Lyons το 1949 στο Εθνικό Γραφείο Προτύπων των Η.Π.Α. (National Bureau of Standards, NBS σήμερα γνωστό ως National Institute of Standards and Technology, NIST ). Η λειτουργία του βασιζόταν σε μεταβάσεις ηλεκτρονίων στο μόριο της αμμωνίας (Sullivan, 2001). Αυτό το ατομικό ρολόι, ωστόσο, δεν μπορούσε να φτάσει την ακρίβεια των καλύτερων ρολογιών χαλαζία της εποχής και η αμμωνία εγκαταλείφθηκε όταν έγινε σαφές ότι τα ρολόγια καισίου θα παρήγαγαν καλύτερα αποτελέσματα. Στα μέσα της δεκαετίας του 1950 οι L. Essen και J. Parry, στο Εθνικό Εργαστήριο της Μεγάλης Βρετανίας (Britain’s National Laboratory, BNL σήμερα γνωστό ως National Physical Laboratory, NPL), κατασκεύασαν ένα ατομικό ρολόι το οποίο βασιζόταν σε μεταβάσεις ηλεκτρονίων του ατόμου του κεσίου-133 (Essen, 1955). Το μειονέκτημα αυτού του ρολογιού ήταν ο τεράστιος χώρος που καταλάμβαναν τα απάρτια που απαιτούνταν για την κατασκευή του. H διάταξη αυτή δεν λειτούργησε ποτέ ως ρολόι ούτε καν σαν βρόγχος ανατροφοδότησης (όπως θα δούμε παρακάτω). Παρόλα αυτά στη βιβλιογραφία αναφέρεται ως το πρώτο ατομικό ρολόι καθώς η συχνότητα 9.192.631.770 Hz της μετάβασης ανάμεσα σε δύο καταστάσεις της υπέρλεπτης υφής (F=3 και F=4) της θεμελιώδους κατάστασης 6s2S1/2 του ατόμου του κεσίου, την οποία χρησιμοποίησαν σε αυτό το «ρολόι», υιοθετήθηκε από το Γενικό Συνέδριο Μέτρων και Σταθμών και παραμένει και σήμερα η βάση ορισμού του δευτερόλεπτου στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) (Markowitz et al., 1958).

    Την ίδια περίοδο, ένας άλλος συνεργάτης του Rabi, o J. Zacharias, κατόρθωσε να κατασκευάσει ένα μικρό φορητό ατομικό ρολόι και το 1956, σε συνεργασία με την εταιρεία National Company στο Malden της Mασσαχουσέτης, προχώρησε στην κατασκευή το πρώτου εμπορικού ατομικού ρολογιού με την επωνυμία Atomichron. Είχε προηγηθεί η ανεπιτυχής προσπάθειά του για την κατασκευή ενός ρολογιού ατομικού πίδακα, την σύγχρονη εκδοχή του οποίου περιγράφουμε παρακάτω. Ο Zacharias είχε την ευφυή σκέψη πως η εκτόξευση κατακόρυφα προς τα πάνω μιας δέσμης ατόμων κεσίου θα οδηγούσε στην επιβράδυνση των ατόμων, εξαιτίας της βαρύτητας, και αυτό θα έλυνε πολλά τεχνικά προβλήματα. Τα άτομα όμως εξέρχονται από ένα φούρνο (θερμοκρασίας 400 Κ) χαρακτηριζόμενα από μια θερμική κατανομή ταχυτήτων με μια πιο πιθανή τιμή γύρω στα 300 m/s. Η πιθανότητα να υπάρχουν άτομα με ταχύτητες γύρω στα 10 m/s είναι περίπου 10-6 αυτής των 300 m/s. Αυτό το γεγονός και μόνο κατέστησε τις προσπάθειες του Zacharias ατελέσφορες. Η ιστορία των ατομικών ρολογιών από την αρχική σύλληψη έως την πρώτη εμπορική τους έκδοση έχει παρουσιαστεί από τον κορυφαίο ιστορικό της επιστήμης P. Forman σε ένα άρθρο του το 1985 (Forman, 1985)

    Η ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

    Όλα τα ρολόγια μέχρι σήμερα στηρίζονται στην ταλάντωση ενός φυσικού συστήματος είτε αυτή είναι η περιστροφή της Γης γύρω από τον εαυτό της, είτε η ταλάντωση ενός εκκρεμούς ή, ακόμη, οι ηλεκτρομηχανικές ταλαντώσεις ενός κρυστάλλου χαλαζία. Όπως γνωρίζουμε σε ένα άτομο τα ηλεκτρόνια διατάσσονται σε συγκεκριμένες ενεργειακές στάθμες γύρω από τον πυρήνα. Ένα ηλεκτρόνιο, ευρισκόμενο σε μια στάθμη μπορεί, απορροφώντας ένα φωτόνιο συγκεκριμένης συχνότητας, να μεταβεί σε μια υψηλότερη ενεργειακή στάθμη και από εκεί, εκπέμποντας ένα φωτόνιο της ίδιας συχνότητας, να επιστρέψει πάλι στην αρχική του στάθμη. Αυτή η μετάβαση διαρκεί συγκεκριμένο χρόνο και, εάν εμείς διεγείρουμε διαρκώς το άτομο εξωτερικά με χρήση κατάλληλων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, αποτελεί το κατάλληλο περιοδικό φαινόμενο που απαιτείται για την λειτουργία του ατομικού ρολογιού.

    Τα άτομα δεν είναι τόσο πολύπλοκα όσο οι μηχανικοί ταλαντωτές. Η χρήση των ατόμων ως πρότυπα συχνότητας και χρόνου έχει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι της χρήσης μακροσκοπικών ταλαντωτών για δύο λόγους. Πρώτον, οι μεταπτώσεις ηλεκτρονίων μεταξύ των διαφόρων ατομικών σταθμών είναι πανομοιότυπες ως προς τα φυσικά τους χαρακτηριστικά σε όλα τα άτομα του ίδιου χημικού στοιχείου. Πράγματι, η διάρκεια ζωής ενός ατόμου είναι μεγαλύτερη από 1025 s, ένα χρονικό διάστημα πολύ μεγαλύτερο από την αναμενόμενη διάρκεια ζωής του Σύμπαντος, η οποία έχει υπολογιστεί στα 1010 s. Δεύτερον, σε αντίθεση με τις μηχανικές συσκευές, τα άτομα δεν υπόκεινται σε φθορές, επομένως οι ιδιότητές τους δεν αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου. Ένας μακροσκοπικός ταλαντωτής υφίσταται παραμόρφωση υλικού κατά τη λειτουργία του, οδηγώντας σε αλλαγές στην περίοδο ταλάντωσης καθώς περνά ο καιρός. Ωστόσο, ένας συνήθης ταλαντωτής που είναι πλήρως απομονωμένος από εξωτερικές αλληλεπιδράσεις, χωρίς η διαδικασία της μέτρησης να του προκαλεί φθορές, θα αποτελούσε ένα «τέλειο» χρονόμετρο.

    Η ακρίβεια ενός ατομικού ρολογιού εξαρτάται κυρίως από τρεις παράγοντες. Πρώτα από τη θερμοκρασία των ατόμων, γιατί όσο πιο χαμηλή είναι, τόσο πιο αργά κινούνται τα άτομα άρα τόσο πιο μεγάλος είναι ο χρόνος στον οποίο αλληλεπιδρούμε με αυτά. Δεύτερον, από τη συχνότητα των εκπεμπόμενων φωτονίων κατά τη μετάβαση των ηλεκτρονίων από τη διεγερμένη στη θεμελιώδη στάθμη. Αυτό γιατί όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα της βασικής ταλάντωσης ενός ρολογιού, τόσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια με την οποία μετράμε τον χρόνο. Τέλος, η ακρίβεια ενός ατομικού ρολογιού εξαρτάται και από την ενεργειακή «στενότητα» της διεγερμένης στάθμης. Όπως προβλέπει η κβαντική μηχανική η χρονική διάρκεια Δτ μιας μετάβασης και το ενεργειακό της εύρος ΔΕ συνδέονται από την σχέση αβεβαιότητας ΔΕΔτ ≥ ħ (όπου ħ η ανηγμένη σταθερά του Planck, ħ=h/2π) . Από τη σχέση αυτή είναι προφανές πως όταν η χρονική διάρκεια Δτ είναι μεγάλη το ενεργειακό εύρος ΔΕ είναι μικρό («στενό») άρα και η συχνότητα του εκπεμπόμενου φωτονίου είναι καθορισμένη με μεγαλύτερη ακρίβεια.

    Τα ατομικά ρολόγια της πρώτης γενιάς αξιοποιούσαν κυρίως ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες στην περιοχή των μικροκυμάτων. Για να κατασκευάσουμε ατομικά ρολόγια μεγαλύτερης ακρίβειας θα χρειαστεί να στραφούμε προς τις υψηλότερες συχνότητες, όπως αυτές του ορατού (οπτικού) τμήματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Σήμερα η έρευνα εστιάζεται στην κατασκευή οπτικών ατομικών ρολογιών. Το πρώτο τέτοιο ρολόι, που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο NIST το 2001 από την ερευνητική ομάδα του D. J. Wineland, βασίστηκε σε ένα μεμονωμένο παγιδευμένο ιόν υδραργύρου (Diddams, 2001). Σε αυτή την κατηγορία ατομικών ρολογιών ο «ταλαντωτής» είναι το περιοδικό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μιας δέσμης λέιζερ. Η συχνότητα των λέιζερ είναι αρκετά σταθερή, αλλά σιγά-σιγά μεταβάλλεται λόγω διαφόρων επιδράσεων από το περιβάλλον. Εμείς προσπαθούμε να «κλειδώσουμε» τη συχνότητά του λέιζερ σε μια «απόλυτη» συχνότητα αναφοράς, αυτήν μιας ατομικής μετάβασης. Για το σκοπό αυτό κατευθύνουμε ένα μέρος της δέσμης λέιζερ σε ένα σύνολο ατόμων ή σε ένα μεμονωμένο ιόν, φροντίζoντας ώστε η συχνότητα του λέιζερ να είναι συντονισμένη με μια ατομική μετάβαση. Τα άτομα απορροφούν το φως του λέιζερ και διεγείρονται. Στη συνέχεια κατασκευάζουμε ένα βρόχο ανάδρασης με βάση την ατομική απόκριση με τον οποίο «κρατάμε» τη συχνότητα του λέιζερ σταθερή ως προς αυτήν της ατομικής συχνότητας μετάβασης. Το αποτέλεσμα είναι μια εξαιρετικά σταθερή και καλά καθορισμένη συχνότητα εξόδου για τη δέσμη του λέιζερ (Εικ.1).

    Εικ. 1

    Εικ. 1: Σχηματική αναπαράσταση των βασικών σταδίων λειτουργίας ενός ατομικού ρολογιού (Cohen-Tannoudji & Guéry-Odelin, 2011, σ.438).ΤΟ ΡΟΛΟΪ ΑΤΟΜΙΚΟΥ ΠΙΔΑΚΑ

    Όπως αναφέραμε παραπάνω η πρώτη προσπάθεια κατασκευής ενός ρολογιού ατομικού πίδακα έγινε από τον Zacharias ενώ το 1982 είχαμε μια πιο σύγχρονη εκδοχή αυτού του ρολογιού (De Marchi, 1982). Η αιτία της αποτυχίας αυτών των ατομικών ρολογιών ήταν πως ο πίδακας ατόμων ήταν με τη μορφή θερμικής δέσμης όπου τα περιζήτητα βραδέως κινούμενα άτομα είναι πολύ λίγα σε ποσοστό με αποτέλεσμα το σήμα που λάμβαναν οι πειραματιστές να ήταν αρκετά ασθενές.

    Την λύση σε αυτό το πρόβλημα έδωσαν οι νέες τεχνικές παγίδευσης και επιβράδυνσης της κίνησης των ατόμων και ιδιαίτερα η επίτευξη της οπτικής μελάσας (optical molasse) (Lembessis, 2020). Πρόκειται για ένα βραδυκίνητο μόρφωμα ατόμων (από όπου προέρχεται και το όνομα) το οποίο, για παράδειγμα, στην περίπτωση του κεσίου, αποτελείται από περίπου δέκα εκατομμύρια άτομα, με μέση ταχύτητα 1 cm/s. To μόρφωμα αυτό έχει μέγεθος λίγα χιλιοστά.

    Η αρχή λειτουργίας φαίνεται στο σχήμα της Εικ.2. Τρία ζεύγη δεσμών λέιζερ χρησιμοποιούνται για την παρασκευή της οπτικής μελάσας. Στη συνέχεια ρυθμίζοντας τις συχνότητες των δύο κατακόρυφων δεσμών λέιζερ το μόρφωμα της οπτικής μελάσας εκτοξεύεται κατακόρυφα προς τα πάνω. Κατά τη διάρκεια της κίνησης του διαστέλλεται διαρκώς. Κατά την φάση της ανόδου καθώς και της καθόδου διέρχεται δύο φορές από το εσωτερικό μιας ηλεκτρομαγνητικής κοιλότητας μικροκυμάτων. H κοιλότητα αυτή παρέχει μικροκύματα με συχνότητα πολύ κοντά σε αυτήν των φωτονίων που εκπέμπονται σε μια συγκεκριμένη μετάβαση της υπέρλεπτης υφής του ατόμου του κεσίου. Η συχνότητα αυτών των μικροκυμάτων μεταβάλλεται διαρκώς μέχρι να επιτευχθεί συντονισμός με τις καταστάσεις του κεσίου. Ακριβώς κάτω από την κοιλότητα βρίσκεται μια άλλη διάταξη λέιζερ η οποία διεγείρει τα άτομα ωθώντας τα σε φθορισμό. Από το σήμα του φθορισμού παίρνουμε πληροφορία για τον αριθμό των ατόμων που έχουν διεγερθεί. Ένας βρόγχος ανατροφοδότησης προσαρμόζει την συχνότητα μικροκυμάτων ώστε να διατηρείται ο συντονισμός. Αυτή η συχνότητα είναι που ορίζει το δευτερόλεπτο στα ατομικά ρολόγια. Το ατομικό ρολόι δίνει ένα συνεχές σήμα συχνότητας που χρησιμοποιείται για τον ορισμό του δευτερολέπτου. Μετρώντας κύκλους αυτού του σήματος μπορούμε με ακρίβεια να μετρήσουμε χρονικά διαστήματα.

    Εικ. 2

    Εικ. 2. Το ρολόι του ατομικού πίδακα.

    ΝΕΕΣ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ

    Η ανάπτυξη των οπτικών κρυστάλλων ατόμων [1](optical lattices) έχει ανοίξει νέες προοπτικές στην βελτίωση της απόδοσης των ατομικών ρολογιών. Τα πρώτα ατομικά ρολόγια είτε είχαν βασιστεί σε μεμονωμένα παγιδευμένα ιόντα ή σε σύνολα εκατομμυρίων ψυχρών ατόμων που είχαν επιβραδυνθεί από δέσμες λέιζερ. Στην πρώτη περίπτωση είχαμε το μειονέκτημα του ασθενούς σήματος. Στη δεύτερη περίπτωση, λόγω του μεγάλου αριθμού ατόμων, λαμβάναμε μεν σήμα αυξημένης έντασης αλλά είχαμε το πρόβλημα με τη επίδραση του φαινόμενου Doppler[2]. Οι οπτικοί κρύσταλλοι ατόμων συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα και των δύο περιπτώσεων (Oats, 2015). Με το να συγκρατούν ένα σημαντικό αριθμό ατόμων σε κάθε παγιδευτική θέση βελτιώνουν την ένταση του σήματος. Έπειτα, επειδή πρακτικά τα παγιδευμένα άτομα είναι ακίνητα, αποφεύγουμε προβλήματα που σχετίζονται με την επίδραση του φαινόμενου Doppler. Τέλος, σε έναν οπτικό κρύσταλλο τα άτομα παραμένουν παγιδευμένα περισσότερο από ένα δευτερόλεπτο (ποσό τεράστιο για τις ατομικές κλίμακες) οπότε η μέτρηση των ηλεκτρονιακών «τικ» του ατομικού ρολογιού (που διαρκούν περίπου ένα εκατομυριοστό του δευτερόλεπτου) μπορεί να γίνει με πολύ υψηλή ανάλυση. Με τα ατομικά ρολόγια οπτικών κρυστάλλων η ακρίβεια μέτρησης του χρόνου έχει φτάσει στο επίπεδο του 10-18.

    Το πρώτο ρολόι οπτικού κρυστάλλου ατόμων, το οποίο βασίστηκε σε παγιδευμένα άτομα στρόντιου, κατασκευάστηκε το 2003 στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο (Takamoto, 2005). Στη συνέχεια ακολούθησαν παρόμοια ρολόγια στρόντιου στο JILA του Κολοράντο και στο Systèmes de Référence Temps-Espace στο Παρίσι. Στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) των ΗΠΑ παρουσιάστηκε ένα ρολόι οπτικού κρυστάλλου με βάση το υττέρβιο (στοιχείο των σπάνιων γαιών). Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει αξιοσημείωτα βήματα στην κατασκευή τέτοιων ρολογιών χρησιμοποιώντας άτομα υδράργυρου και μαγνήσιου. Το 2024 ανακοινώθηκε η κατασκευή του πιο ακριβούς ρολογιού οπτικού κρυστάλλων ατόμων στο JILA του Colorado. To ρολόι αυτό αξιοποίησε άτομα στρόντιου και έφτασε σε ακρίβεια 8.1×10-19 (Aeppli et al., 2024). Ένα πλήθος από ρολόγια οπτικών κρυστάλλων είναι τώρα υπό κατασκευή σε όλο τον κόσμο, ενώ ακόμη περισσότερα βρίσκονται στο στάδιο του σχεδιασμού.

    Εικ. 3

    Εικ. 3. Χρονολογική εξέλιξη των διαφόρων τύπων ατομικών ρολογιών και της σχετικής τους ακρίβειας (Cohen-Tannoudji & Guéry-Odelin, 2011, σ.468).Ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα σε ένα ατομικό ρολόι οπτικού πλέγματος είναι η σωστή επιλογή των ατομικών σταθμών. Ο λόγος είναι πως το ίδιο το φως του πλέγματος που παγιδεύει τα άτομα μεταβάλλει ταυτόχρονα την ενέργεια αυτών των σταθμών. Αυτό έχει ως συνέπεια την μεταβολή της συχνότητας των μεταβάσεων των ηλεκτρονίων. Η λύση είναι να χρησιμοποιηθούν μεταβάσεις τέτοιες που οι μεταβολές, στη θεμελιώδη και στη διεγερμένη στάθμη να είναι ίσες. Με αυτόν τον τρόπο η ενεργειακή διαφορά μεταξύ των σταθμών παραμένει η ίδια. Για αυτό το σκοπό κατάλληλο είναι το άτομο του στρόντιου του οποίου η ηλεκτρονιακή δομή μας παρέχει τέτοιες μεταβάσεις. Οι μεταβάσεις που χρειάζονται σε ένα ατομικό ρολόι πρέπει, επίσης, να έχουν πολύ μικρή εξάρτηση από την πόλωση του φωτός του οπτικού πλέγματος κάτι που είναι ένας πραγματικός «πονοκέφαλος» για τους πειραματικούς φυσικούς.

    Εκτός από τα ρολόγια ατομικών κρυστάλλων στα οποία εμπλέκεται ένας πολύ μεγάλος αριθμός ατόμων υπάρχουν και ρολόγια που λειτουργούν με μεμονωμένα ατομικά σωματίδια και συγκεκριμένα με ιόντα. Σε αυτήν την περίπτωση ένα ιόν παγιδεύεται από μια διάταξη ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και στη συνέχεια αλληλεπιδρά με ένα λέιζερ που διεγείρει μια ατομική μετάβαση. Προς το παρόν, το πιο ακριβές από αυτά τα ρολόγια (9.4×10-19) χρησιμοποιεί ένα ιόν αλουμινίου Al⁺, (Brewer et al., 2023). Ωστόσο, στον αγώνα για έναν πρακτικό και εύκολα αναπαραγώγιμο νέο ορισμό του δευτερολέπτου, το ελαφρώς λιγότερο τέλειο αλλά πολύ πιο πρακτικό ρολόι ιόντων υττέρβιου Yb⁺ (Tofful et al., 2024) έχει πρωτοστατήσει τα τελευταία χρόνια. Οι δύο τεχνολογίες συνεχίζουν να εξελίσσονται παράλληλα, με το Al⁺ να διευρύνει τα όρια του τι είναι ουσιαστικά εφικτό και το Yb⁺ να επιδεικνύει τι είναι λειτουργικά εφικτό.

    Τα ρολόγια ενός ιόντος αποφεύγουν τον θόρυβο που εισάγουν οι κρύσταλλοι ατόμων σε ένα σύστημα καθώς διακρίνονται για την ιδιαίτερα χαμηλή ευαισθησία τους σε εξωτερικά πεδία και στο περιβάλλον. Τα ρολόγια οπτικών κρυστάλλων ατόμων, ωστόσο, εξετάζουν χιλιάδες άτομα ταυτόχρονα, βελτιώνοντας την ακρίβεια. Οι δύο αυτοί διαφορετικοί τύποι ρολογιών εναλλάσσουν την πρώτη θέση στην ακρίβεια μέτρησης του χρόνου τις τελευταίες δύο δεκαετίες.

    Για να πετύχουμε όσο το δυνατόν υψηλότερη ακρίβεια στη λειτουργία των ατομικών ρολογιών οφείλουμε να λάβουμε υπόψη και τα συστηματικά σφάλματα που υπεισέρχονται στη λειτουργία τους. Στα ατομικά ρολόγια οπτικών κρυστάλλων η πιο σημαντική πηγή συστηματικών σφαλμάτων είναι οι κρούσεις μεταξύ των ατόμων, που στην περίπτωση μεγάλου αριθμού ατόμων είναι πολύ σημαντικές. Ένας τρόπος να απαλλαγούμε από αυτές είναι η χρήση ισοτόπων των ατόμων που είναι φερμιόνια. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι κρούσεις μεταξύ των φερμιονίων είναι σχεδόν αμελητέες. Ανάμεσα στα άλλα συστηματικά σφάλματα που υπεισέρχονται στην λειτουργία των ατομικών ρολογιών είναι οι ατέλειες στην περιοδική δομή του οπτικού κρυστάλλου καθώς και η υπέρυθρη θερμική ακτινοβολία του περιβάλλοντος. Αυτά τα σφάλματα μπορούν να επιφέρουν ενεργειακές μετατοπίσεις στις ενεργειακές στάθμες της τάξης του 10-15 . Για να αντιμετωπιστεί η επίδραση της ακτινοβολίας του περιβάλλοντος τα ατομικά ρολόγια τοποθετούνται μέσα σε «μίνι» θαλάμους σε κρυογενικές θερμοκρασίες (χαμηλώτερες των 100 Κ). Στα ρολόγια ιόντων επειδή εμπλέκεται μόνο ένα σωματίδιο η εκτίμηση των συστηματικών σφαλμάτων καθώς και ο έλεγχος της κίνησης του ιόντος είναι κατά πολύ πιο εύκολη υπόθεση για τους πειραματικούς.

    Κλείνοντας αυτήν την παράγραφο θα πρέπει να αναφερθούμε και σε μια αξιοσημείωτη πρόοδο που έλαβε χώρα μέσα στο 2024. Πρόκειται για την πειραματική επίδειξη ενός πυρηνικού ρολογιού βασισμένου στο θόριο (Zhang et al., 2024). Αυτός ο τύπος ρολογιού χρησιμοποιεί μια πυρηνική μετάβαση – μια μετατόπιση στην κβαντική κατάσταση των ατομικών πυρήνων – αντί για μια μετάβαση ηλεκτρονίων. Επειδή οι πυρήνες είναι λιγότερο ευαίσθητοι σε εξωτερικές παρεμβολές σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια, τα πυρηνικά ρολόγια μπορεί να γίνουν ακόμη πιο ακριβή από τα οπτικά ρολόγια μόλις βελτιωθεί η τεχνολογία.

    Το αναμενόμενο πλεονέκτημα ενός πυρηνικού ρολογιού είναι ότι ο πυρήνας είναι μικρότερος από το άτομο έως και πέντε τάξεις μεγέθους, με αντίστοιχα μικρότερες μαγνητικές διπολικές και ηλεκτρικές τετραπολικές ροπές, και επομένως επηρεάζεται σημαντικά λιγότερο από εξωτερικά μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία. Τέτοιες εξωτερικές διαταραχές αποτελούν τον περιοριστικό παράγοντα για την επίτευξη μεγαλύτερης ακρίβειας στα ατομικά ρολόγια. Λόγω αυτού του πλεονεκτήματος, ένα πυρηνικό οπτικό ρολόι αναμένεται να επιτύχει χρονική ακρίβεια που πλησιάζει το 10−19, μια δεκαπλάσια βελτίωση σε σχέση με τα ηλεκτρονικά ρολόγια.

    Η ΑΝΑΓΝΩΣΗ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΕΝΑ ΑΤΟΜΙΚΟ ΡΟΛΟΪ

    Ένα σύνηθες ρολόι παρέχει τη δυνατότητα ανάγνωσης του χρόνου μέσω μιας διεπιφάνειας με δείκτες (αναλογικά ρολόγια) ή χωρίς αυτούς (ψηφιακά ρολόγια). Πώς, όμως, διαβάζουμε το χρόνο σε ένα ατομικό ρολόι; Αυτό είναι ένα ιδιαίτερα δύσκολο θέμα που θα μπορούσε να αποφέρει και το βραβείο Νόμπελ σε αυτόν/ήν που θα κατόρθωνε να το επιλύσει. Δεν είναι τυχαίο που στα περισσότερα επιστημονικά άρθρα αυτό το ζήτημα συνήθως παραλείπεται. Στην πραγματικότητα, αυτό που περιγράψαμε έως τώρα είναι η παραγωγή μιας πρότυπης συχνότητας. Για να καταλήξουμε από μια πρότυπη συχνότητα σε ένα «ρολόι», είναι απαραίτητο να συμπεριλάβουμε κάποιου είδους μετρητή/καταγραφέα του χρόνου. Όσον αφορά τα ατομικά ρολόγια μικροκυμάτων αυτό είναι εύκολο, καθώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ηλεκτρονικούς μετρητές που διατίθενται στο εμπόριο. Με αυτούς μετράμε, για παράδειγμα, τους μηδενισμούς ενός ηλεκτρονικού σήματος. Σύμφωνα με τον ορισμό του SI, το ένα δευτερόλεπτο ορίζεται ως το χρονικό διάστημα κατά το οποίο λαμβάνουν χώρα 9.192.631.703 μηδενισμοί της ακτινοβολίας μικροκυμάτων που παράγεται σε μια μετάβαση ενός ηλεκτρονίου ανάμεσα σε δύο συγκεκριμένες ενεργειακές στάθμες του ατόμου του κεσίου. Με έναν ηλεκτρονικό αλγόριθμο επεξεργασίας (το αντίστοιχο των γραναζιών ενός παλαιού ρολογιού) μπορούμε, μετρώντας αυτούς τους μηδενισμούς, να δημιουργήσουμε μια ψηφιακή ανάγνωση του χρόνου.

    Στην περίπτωση των οπτικών ρολογιών, η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη. Οι οπτικές συχνότητες (της τάξης των 1015 Hz), είναι πολύ υψηλές για να μετρηθούν άμεσα – αυτό το απλό γεγονός καθυστέρησε την πρόοδο στον τομέα για δέκα με είκοσι χρόνια. Στην αυγή του εικοστού πρώτου αιώνα, ωστόσο, το πρόβλημα λύθηκε από τους T. Hänsch και J. Hall με τη χρήση ενός ειδικού τύπου παλμικού λέιζερ που εκπέμπει μια χτένα συχνοτήτων (frequency comb) (Hall & Hänsch, 2004). Πρόκειται στην ουσία για ένα διακριτό φάσμα συχνοτήτων στο οποίο κάθε συχνότητα ισαπέχει από την προηγούμενη και την επόμενη[3]. Για αυτό το επίτευγμα οι Hänsch και Hall μοιράστηκαν το βραβείο Νόμπελ φυσικής του 2005. Με τη μέθοδο αυτή υποδιαιρούμε μια οπτική συχνότητα σε μια σειρά μικροκυματικών συχνοτήτων που μπορούν να μετρηθούν με τις υπάρχουσες τεχνικές. Το κρίσιμο θέμα είναι αυτή η διαδικασία διαίρεσης να μην εξασθενεί αισθητά την απόδοση της διάταξης. Συνοψίζοντας μπορούμε να πούμε πως ένα ολοκληρωμένο ατομικό ρολόι οπτικών συχνοτήτων αποτελείται από μια πρότυπη οπτική συχνότητα, μια χτένα συχνοτήτων, έναν μετρητή και ένα ηλεκτρονικό σύστημα ανάγνωσης.

    ΤΑ ΑΤΟΜΙΚΑ ΡΟΛΟΓΙΑ ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ

    Η κίνηση των ατόμων επηρεάζεται, όπως είναι προφανές, από την βαρύτητα και αυτό επιδρά αρνητικά στην απόδοση των ατομικών ρολογιών. Η απάντηση θα ήταν να μεταφέρουμε τα ατομικά ρολόγια σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας. Κάτι τέτοιο συμβαίνει, για παράδειγμα, στο εσωτερικό ενός δορυφόρου. Πριν όμως φτάσουμε σε αυτό το σημείο, οι ερευνητές προσπάθησαν να εκμεταλλευτούν έναν άλλο τρόπο δημιουργίας συνθηκών έλλειψης βαρύτητας. Τοποθέτησαν τα ατομικά ρολόγια σε ένα αεροπλάνο που ακολουθούσε παραβολική τροχιά στην πτήση του. Ο πιλότος αρχικά έδινε ανοδική τροχιά στο αεροπλάνο και μετά «έσβηνε» τη μηχανή ώστε το αεροσκάφος να ακολουθήσει παραβολική τροχιά (στην πράξη να κάνει μια πλάγια βολή όπως λέγαμε στο σχολείο). Μόλις το αεροπλάνο βρισκόταν σε κάθοδο ο πιλότος «άναβε» πάλι τις μηχανές και η διαδιακασία άρχιζε από την αρχή. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζουμε περίπου είκοσι δευτερόλεπτα στη διάρκεια των οποίων το αεροπλάνο βρίσκεται σε ελεύθερη πτώση, άρα στο εσωτερικό του επικρατούν συνθήκες έλλειψης βαρύτητας. Αυτή η μέθοδος αύξησε την απόδοση των ατομικών ρολογιών κατά δέκα φορές (Laurent et al., 1998).

    H επιτυχία αυτών των πειραμάτων οδήγησε την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA) στην εκπόνηση του προγράμματος ACES (Atomic Clock Ensembles in Space). Σκοπός του, όπως φανερώνει και το όνομά του, είναι η τοποθέτηση ενός ατομικού ρολογιού ψυχρών ατόμων μαζί με ένα μέιζερ υδρογόνου στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (International Space Station, ISS). Απώτερος στόχος είναι το σήμα από αυτό το ρολόι να χρησιμοποιηθεί για τον συγχρονισμό όλων το ρολογιών στη Γη και στους δορυφόρους του GPS και του Galileo.

    Το δεύτερο μεγαλεπήβολο πρόγραμμα είναι η τοποθέτηση από τη NASA στον ISS του Εργαστήριου Ψυχρών Ατόμων (Cold Atoms Laboratory, CAL) στις 21 Μαΐου του 2018. To σύστημα αυτό αναπτύχθηκε από το Εργαστήριο Αεριοπροώθησης (Gas Turbine Propulsion Laboratory) της NASA. Στις 30 Ιουνίου της ίδιας χρονιάς ανακοινώθηκε η επίτευξη του πρώτου συμπυκνώματος Bose-Einstein από άτομα ρουβιδίου για πρώτη φορά σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας[4]. Στη Γη, λόγω της βαρύτητας, τέτοια συμπυκνώματα μπορούν να παρατηρηθούν μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου. Αλλά στον ISS, με την κατά πολύ ασθενέστερη βαρύτητα, μπορεί να παρατηρηθούν για περισσότερο χρόνο, ίσως μεγαλύτερο από δέκα δευτερόλεπτα. Τα πειράματα αυτά αναμένεται, εκτός των άλλων, να συμβάλλουν στην ανάπτυξη ακόμη πιο ευαίσθητων ατομικών ρολογιών.

    ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

    Το επόμενο ερώτημα που απασχολεί τους ερευνητές είναι πως θα βελτιώσουν την ακρίβεια των ατομικών ρολογιών μέχρι το πολυπόθητο δέκατο ένατο ψηφίο (ακρίβεια 10-19). Όμως μέχρι να έλθει εκείνη η στιγμή, ήδη έχει αρχίσει η χρήση ατομικών ρολογιών σε εφαρμογές έξω από το εργαστήριο, τόσο προς όφελος της βασικής επιστήμης όσο και της τεχνολογίας. Για την ώρα τα ατομικά ρολόγια έχουν παίξει σημαντικό ρόλο σε τεχνολογίες όπως τα παγκόσμια συστήματα εντοπισμού, οι σύγχρονες τηλεπικοινωνίες και τα ραδιοτηλεσκόπια. Η βελτίωση τους θα ενισχύσει περαιτέρω την απόδοση αυτών των «παραδοσιακών» εφαρμογών. Ανάμεσα στους άλλους τομείς που αναμένεται να έχουμε ευεργετικές εφαρμογές είναι η πλοήγηση βαθέως διαστήματος και τα ηλεκτρονικά σήματα χαμηλού θορύβου που παράγονται από φωτονικά κυκλώματα.

    Τα ατομικά ρολόγια, με την πρωτόγνωρη ακρίβειά τους, έχουν σημαντική συνεισφορά στις πειραματικές δοκιμές διαφόρων προβλέψεων της θεωρητικής φυσικής. Ανάμεσα σε αυτές είναι η διερεύνηση της πιθανής επίδρασης της βαρύτητας στις τιμές των θεμελιωδών σταθερών της φυσικής (όπως η σταθερά λεπτής υφής). Ένα άλλο φαινόμενο στο οποίο μπορούν να αξιοποιηθούν τα ατομικά ρολόγια είναι η πρόβλεψη της ΓΘΣ για την βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό. Μπορούμε να το αντιληφθούμε με έναν απλό υπολογισμό: δύο ρολόγια που βρίσκονται σε μια διαφορά ύψους δz παρουσιάζουν, σύμφωνα με τη ΓΘΣ, μια σχετική διαφορά συχνοτήτων δf/f= gδz/c2, όπου g η επιτάχυνση της βαρύτητας και c η ταχύτητα του φωτός. Εάν υποθέσουμε πως δz = 1 m, g = 10 m/s2 και c = 3×108 m/s, τότε δf/f = 10-16. Αυτό σημαίνει πως η ακρίβεια ενός ατομικού ρολογιού μικροκυμάτων μας επιτρέπει να ανιχνεύουμε υψομετρικές διαφορές δύο ρολογιών της τάξης του ενός μέτρου. Η χρήση ατομικών ρολογιών στο ορατό μέρος του φάσματος μπορεί να οδηγήσει σε ανίχνευση υψομετρικών διαφορών της τάξης των τριάντα εκατοστών (Chou et al., 2010).

    Αρκετά ενδιαφέρον είναι πως η λειτουργία των ατομικών ρολογιών έχει όλα τα φόντα να εξελιχθεί σε ένα πεδίο στο οποίο δοκιμάζονται τα όρια ισχύος θεμελιωδών αρχών της φυσικής. Η ακρίβεια στην μέτρηση του χρόνου είναι και αυτή μια φυσική διαδικασία που υπάγεται στους φυσικούς νόμους. Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος προβλέπει ότι αν θέλουμε να κάνουμε ένα ρολόι πιο ακριβές – μειώνοντας έτσι την εντροπία στο σύστημα – πρέπει να του προσθέσουμε ενέργεια. Οποιαδήποτε αύξηση της ενέργειας, ωστόσο, αυξάνει αναγκαστικά την ποσότητα της θερμότητας που εκλύει το ρολόι στο περιβάλλον του. Ως εκ τούτου, όσο πιο ακριβές είναι το ρολόι, τόσο περισσότερο αυξάνεται η εντροπία του σύμπαντος – και τόσο πιο αυστηρά γίνονται τα τελικά όρια στην ακρίβεια του ρολογιού. Σύμφωνα με μια πρόσφατη έρευνα (Meier F. et al., 2025) το εμπόδιο αυτό μπορεί να παρακαμφθεί καθώς η αιτία αύξησης της εντροπίας βρίσκεται στην καταμέτρηση του χρόνου η οποία προϋποθέτει μια παρατήρηση πάνω στο σύστημα. Λογικά, επομένως, η λύση βρίσκεται στο σχεδιασμό συστημάτων στα οποία η μέτρηση του χρόνου θα συμπεριλαμβάνει όσο το δυνατόν μικρότερο αριθμό παρατηρήσεων.

    H προηγούμενη συζήτηση οδηγεί στο συμπέρασμα πως αν κατορθώσουμε να κατασκευάσουμε πολύ ευαίσθητα ατομικά ρολόγια θα μπορούσαμε να τα αξιοποιήσουμε και στην ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων συγκρίνοντας μετρήσεις από ένα δίκτυο οπτικών ρολογιών. Από την άλλη όμως, η τόσο μεγάλη ευαισθησία θα ήταν μειονέκτημα για την χρονομέτρηση πάνω στη Γη καθώς μια ανύψωση έστω και κατά ένα εκατοστό οδηγεί σε διακυμάνσεις του μετρούμενου χρόνου της τάξης του 10-18. Τα μελλοντικά υπερ-ακριβή ατομικά ρολόγια που θα είναι εγκατεστημένα στη Γη θα πρέπει να συνυπολογίζουν τα αποτελέσματα φαινομένων, όπως οι παλίρροιες και άλλα, που μπορούν να επιφέρουν και διακυμάνσεις της τάξης του 10-17 . Τα ατομικά ρολόγια θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον προσδιορισμό μιας γεωειδούς επιφάνειας, δηλαδή μιας επιφάνειας όπου όλα τα σημεία έχουν την ίδια τιμή βαρυτικού δυναμικού.

    Αφήσαμε για το τέλος αυτής της ενότητας το ζήτημα της ανάπτυξης ατομικών ρολογιών πέρα από τους τέσσερις τοίχους ενός επιστημονικού εργαστηρίου. Στις 13 Νοέμβρη του 2023 η εταιρεία Vector Atomic στις ΗΠΑ παρήγαγε το πρώτο φορητό ατομικό ρολόι για εμπορική εκμετάλλευση στον κόσμο με την επωνυμία Evergreen 30 (EG 30) με ακρίβεια χρονομέτρησης της τάξης του 10-15. Ακολούθησε η εμπορική παραγωγή ατομικών ρολογιών σε πολλές χώρες, όπως η Γαλλία, το Ισραήλ, η Κίνα, η Ελβετία, η Γερμανία και το Ηνωμένο Βασίλειο.

    Ο ΕΠΑΝΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΔΕΥΤΕΡΟΛΕΠΤΟΥ

    Η πρόοδος και εξέλιξη των ατομικών ρολογιών θέτει επί τάπητος την ανάγκη επαναπροσδιορισμού της βασικής μονάδας του χρόνου, που σήμερα ορίζεται με βάση τη μετάβαση ηλεκτρονίων ανάμεσα σε δύο συγκεκριμένες στάθμες στο άτομο του κεσίου.

    Από το 1967, το ένα δευτερόλεπτο ορίζεται, όπως προαναφέραμε, ως το χρονικό διάστημα που χρειάζεται ώστε να συμβούν 9.192.631.703 μηδενισμοί της ακτινοβολίας μικροκυμάτων που παράγεται σε μια μετάβαση ενός ηλεκτρονίου ανάμεσα σε δύο συγκεκριμένες ενεργειακές στάθμες του ατόμου του κεσίου. Αλλά όπως είδαμε τα ρολόγια κεσίου δεν είναι πλέον οι πιο ακριβείς χρονομέτρες γεγονός που θέτει επί τάπητος το ζήτημα αναθεώρησης του ορισμού του δευτερολέπτου. Το 2024 το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στις Sèvres της Γαλλίας όρισε μια ομάδα εργασίας καθήκον της οποίας είναι η διατύπωση των κριτηρίων για τον επαναπροσδιορισμό του δευτερολέπτου. Αυτά περιλαμβάνουν ότι το νέο πρότυπο θα καθοριστεί από μετρήσεις σε τουλάχιστον τρία διαφορετικά ρολόγια σε διαφορετικά ιδρύματα, ότι αυτές οι μετρήσεις θα συγκρίνονται σε τακτά χρονικά διαστήματα με τιμές από άλλους τύπους ρολογιών και ότι εργαστήρια σε όλο τον κόσμο θα είναι σε θέση να κατασκευάσουν τα δικά τους ρολόγια για να μετρούν τη συχνότητα-στόχο. Εάν σημειωθεί επαρκής πρόοδος μέχρι και το 2026, τότε το 2030 θα είμαστε σε θέση να αλλάξουμε τον ορισμό του δευτερόλεπτου.ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] Ο αναγνώστης που θέλει να κατανοήσει την φυσική και τις εφαρμογές των οπτικών κρυστάλλων ατόμων μπορεί να καταφύγει στο εκτεταμένο αφιέρωμα του InS σε αυτούς. ↑ ↩

    [2] Πρόκειται για τη μεταβολή της τιμής της συχνότητας που εκπέμπει μια πηγή όταν αυτή και ο παρατηρητής βρίσκονται σε σχετική κίνηση μεταξύ τους. ↑ ↩

    [3] Μια αριθμητική πρόοδος συχνοτήτων στην ουσία. ↑ ↩

    [4] https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7202. Ημερομηνία τελευταίας πρόσβασης 12/01/2025. ↑ ↩

    ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Aeppli, A., Kim, K., Warfield, W., Safronova, M.S. and Ye, J., 2024. Clock with 8× 10-19 systematic uncertainty. Physical Review Letters, 133(2), p.023401. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.023401

    Brewer, S.M., Chen, J.S., Hankin, A.M., Clements, E.R., Chou, C.W., Wineland, D.J., Hume, D.B. and Leibrandt, D.R., 2023. 27 Al+ Quantum-Logic Clock with a Systematic Uncertainty below 10-18 ((vol 123, 033201, 2019). Physical Review Letters, 131(5). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.033201

    Chou, C., W., Hume, D., B., Rosenband, T., and Wineland, D. J., 2010. Optical clocks and relativity. Science 329, 1630–1633. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1192720

    Cohen-Tannoudji, C., and Guéry-Odelin, D., 2011. Advances in Atomic Physics: An Overview. Hackensack, New Jersey USA: World Scientific.

    De Marchi, A., 1982. The optically pumped caesium fountain: 10-15 frequency accuracy?. Metrologia, 18(3), p.103. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0026-1394/18/3/002/meta

    Diddams, S. A., Udem, Th., Bergquist, J., C., Curtis, E., A., Drullinger, R., E., Hollberg, L., Itano, W., M., Lee, W., D., Oates, C., W., Vogel, K., R., and Wineland, D., J., 2001. An optical clock based on a single trapped 199Hg. Ion. Science 293(5531), 825–828.doi: 10.1126/science.1061171

    Essen, L., and Parry, J., V., L., 1955. An atomic standard of frequency and time interval: a cæsium resonator. Nature 176(4476), 280–282. 10.1038/176280a0

    Forman, P., 1985. Atomichron@: The Atomic Clock from Concept to Commercial Product. PROCEEDINGS OF THE IEE 73 No 7, 1181-1204. https://ieeexplore.ieee.org/document/1457534

    Hall, J., and Hänsch, T., W., 2004. History of optical comb development, in Femtosecond Optical Frequency Comb: Principle, Operation, and Applications, J. Ye and S. T. Cundiff, Eds., New York, USA: Springer. https://link.springer.com/book/10.1007/b102450

    Laurent, Ph., Lemonde, P., Simon, E., Santarelli, G., Clairon, A., Dimarcq, N., Petit, P., Audoin, C., and Salomon, C., 1998. A cold atom in absence of gravity. Eur. Phys. J. D 3, 201–204. https://link.springer.com/article/10.1007/PL00021584

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

    Markowitz, W., Hall, R.G., Essen, L. and Parry, J.V.L., 1958. Frequency of cesium in terms of ephemeris time. Physical Review Letters, 1(3), p.105. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.1.105

    Meier, F., Minoguchi, Y., Sundelin, S., Apollaro, T.J., Erker, P., Gasparinetti, S. and Huber, M., 2025. Precision is not limited by the second law of thermodynamics. Nature Physics, pp.1-6. https://www.nature.com/articles/s41567-025-02929-2

    Maxwell, J., C., 1954. Electricity and magnetism (Vol. 2, pp. 257-257). New York: Dover.

    McGrew, W., F., Zhang, X., Fasano, R., J., Schaffer, S., A., Beloy, K., Nikolodi, D., Brown, R., C., Hinkley, N., Milani, G., Schioppo, M., Yoon, T., H., and Ludlow, A., D., 2018. Atomic clock performance enabling geodesy below the centimeter level. Nature 564, 87–90. DOI: 10.1038/s41586-018-0738-2

    Milner, W., R., Robinson, J., M., Kennedy, C., J., Bothwell, T., Kedar, D., Matei, D., G., Legero, T., Sterr, U., Riehle, F., Leopardi, H., Fortier, T., M., Sherman, J., A., Levine, J., Yao, J., Ye, J. and Oelker, E., 2019. Demonstration of a timescale based on a stable optical carrier Phys. Rev. Lett. 123, 173201. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.173201

    Oats C., W., and Ludlow, A., D., 2015. Optical lattice clocks. Optics and Photonics News, January Issue, 37–43.

    Rabi, I. Radiofrequency Spectroscopy, Richtmayer Lecture, Columbia University, New York, 20 January 1945.

    Sullivan, D., B., 2001, June. Time and frequency measurement at NIST: The first 100 years. In Proceedings of the 2001 IEEE International Frequncy Control Symposium and PDA Exhibition (Cat. No. 01CH37218) (pp. 4-17). IEEE. https://ieeexplore.ieee.org/document/956152

    Takamoto, M., Hong, F.L., Higashi, R. and Katori, H., 2005. An optical lattice clock. Nature, 435(7040), pp.321-324. https://www.nature.com/articles/nature03541

    Thomson, W., 1879. Treatise on Natural Philosophy, Cambridge, UK: Cambridge University Press, p. 277.

    Tofful, A., Baynham, C.F., Curtis, E.A., Parsons, A.O., Robertson, B.I., Schioppo, M., Tunesi, J., Margolis, H.S., Hendricks, R.J., Whale, J. and Thompson, R.C., 2024. 171Yb+ optical clock with 2.2\times 10^{-18} systematic uncertainty and absolute frequency measurements. Metrologia, 61(4), p.045001. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad53cd

    Zhang, C., Ooi, T., Higgins, J.S., Doyle, J.F., von der Wense, L., Beeks, K., Leitner, A., Kazakov, G.A., Li, P., Thirolf, P.G. and Schumm, T., 2024. Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock. Nature, 633(8028), pp.63-70. https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6

  • ΤΑ ΧΝΑΡΙΑ ΤΟΥ ΔΑΡΒΙΝΟΥ – πολιτισμικές οπτικές για την εξελικτική θεωρία στην Ελλάδα (δεκ. 1880 – δεκ. 1930)

    ΤΑ ΧΝΑΡΙΑ ΤΟΥ ΔΑΡΒΙΝΟΥ – πολιτισμικές οπτικές για την εξελικτική θεωρία στην Ελλάδα (δεκ. 1880 – δεκ. 1930)

    ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ

    ΜΑΡΙΑ ΖΑΡΙΜΗ

     

    Μετάφραση: Πελαγία Μαρκέτου

    ISBN 978-618-230-161–6
    Διαστάσεις: 14 x 21 cm
    Αριθμός σελίδων: 512
    Τιμή: € 40
    Έτος έκδοσης: 2025Περιγραφή

    Ποια ήταν η επίδραση του δαρβινισμού στην πολιτισμική και διανοη­τική ιστορία της Ελλάδας — ιδίως στη λογοτεχνία της; Στα τέλη του 19ου και στις αρχές του 20ού αιώνα, ο δαρβινισμός και οι διάφορες επιστήμες που συνδέθηκαν μαζί του επηρέασαν έντονα αρκετούς Έλληνες λογοτέχνες και άλλους διανοούμενους σε ό,τι αφορά ένα ευρύ φάσμα κρίσιμων —τότε και σήμερα— ζητημάτων όπως είναι «η θέση του ανθρώπου στη φύση», η δια­μάχη μεταξύ φύσης και ανατροφής, η θρησκεία, οι κοινωνικές τάξεις, η φυλή, το έθνος, η γλώσσα, η ισότητα των δύο φύλων, ακόμα και η ευγονική.

    Η μελέτη αυτή αποκαλύπτει ότι πολλοί από τους εν λόγω συγγραφείς και επιστήμονες δεν ασχολούνταν με όλα τα παραπάνω σημαντικά ζητήματα μόνο από κοινωνική, πολιτική ή φιλοσοφική άποψη (όπως γινόταν ευρέως αποδεκτό μέχρι σήμερα), αλλά εξέταζαν, επίσης,  εναλλακτικές προσεγγίσεις σε αυτά με βάση τις δαρβινικές και διά­φορες μεταδαρβινικές βιολογικές ιδέες της εποχής τους. Το βιβλίο τοποθετεί τα έργα των Ελλήνων συγγρα­φέων με τους οποίους καταπιάνεται στο πλαίσιο της διεθνούς επιστημονικής έρευνας για την πολιτισμική επίδραση των δαρβινικών θεωριών.

    Περιεχόμενα

    Κατάλογος εικόνων
    Πρόλογος
    Σημείωμα για την ελληνική έκδοση

    Εισαγωγή: Η γενική πρόσληψη του δαρβινισμού στην Ελλάδα

    1. Θεωρίες της εξέλιξης
      2. Δαρβίνος και νεοέλληνες συγγραφείς
      3. Αντικατοπτρισμοί του δαρβινικού έργου στη Διάπλασιν των Παίδων
      4. Ξαναδιαβάζοντας το Πλούσιοι και φτωχοί: Το ζητούμενο είναι τα μάτια
      5. Οι μεταμορφώσεις μιας γυναίκας: Επικίνδυνες φαντασιώσεις
      6. Η βιολογία της Νέας Γυναίκας, εκφυλισμός/αναγέννηση και η καταγωγή του ανθρώπου

    Επίλογος

    Παράρτημα

    Ευχαριστίες
    Βιβλιογραφία
    Ευρετήριο

    ______________________________________________________________________________

    Bιογραφικά Συγγραφέα

    Η Μαρία Ζαρίμη είναι επιστήμονας της βιοϊα­τρικής. Αποφοίτησε από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Σίδνεϋ και στη συνέχεια εργάστηκε στο νοσοκομείο Prince of Wales, στην ίδια πόλη. Επίσης, στο Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας ειδικεύτηκε στις νεο­ελληνικές σπουδές, συνδυάζοντας το υπόβαθρο των θετικών επιστημών με τη μελέτη της λογοτεχνίας. Η διδακτορική της διατριβή, με θέμα την επίδραση του δαρβινισμού και του εξελικτισμού στη νεοελληνική λογοτεχνία, ολοκληρώθηκε το 2007. Αργότερα διετέλεσε Επικεφαλής του Προγράμματος Νεοελληνικών Σπουδών στο Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας.

    Η παρούσα ελληνική έκδοση του έργου της Darwin’s Footprint: Cultural Perspectives on Evolution in Greece (1880–1930s) είναι αναθεω­ρημένη.

  • Η γοητεία της πτώσης: Μια ζωή σε αναζήτηση της βαρύτητας

    Η γοητεία της πτώσης: Μια ζωή σε αναζήτηση της βαρύτητας

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΡΟΠΗ

    Claudia de Rham

    Μετάφραση: Θεμιστοκλής Χαλικιάς

    ISBN 978-618-5895-09-9
    Διαστάσεις: 14 x 21 cm
    Αριθμός σελίδων: 284
    Τιμή: € 18 + ΦΠΑ 6%
    Έτος έκδοσης: 2025Περιγραφή

    Η Κλόντια ντε Ραμ έχει περάσει όλη της τη ζωή παίζοντας με τη βαρύτητα. Ως δύτρια, πειραματιζόταν με την άνωση του σώματός της στον Ινδικό Ωκεανό. Ως πιλότος, πετούσε πάνω από τους καταρράκτες του Καναδά νωρίς τα ξημερώματα, προτού ξεκινήσει την καθημερινή επιστημονική της έρευνα. Ως υποψήφια αστροναύτης, αναλογιζόταν πώς θα είναι να πετά κανείς στο διάστημα, απελευθερωμένος από την έλξη της Γης. Και ως φυσικός, ανακάλυπτε νέες πτυχές της ακαταμάχητης φύσης της βαρύτητας, εξερευνώντας τα όρια της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

    Στη Γοητεία της Πτώσης, η ντε Ραμ μοιράζεται συναρπαστικές ιστορίες που αφηγούνται τις προσπάθειές της να έρθει πιο κοντά στη βαρύτητα – να κατανοήσει τόσο την αίσθηση όσο και τη θεμελιώδη της φύση. Μετά από ένα παιχνίδι της μοίρας που της στέρησε το όνειρο να γίνει αστροναύτης, η ντε Ραμ οδηγείται σε μια συναρπαστική ανακάλυψη στο τελευταίο σύνορο της βαρυτικής φυσικής.

    Ενώ πολλοί από εμάς θεωρούμε πως γνωρίζουμε αρκετά καλά τη βαρύτητα, οι σημαντικότεροι επιστήμονες στην ιστορία δεν έχουν μέχρι σήμερα καταφέρει να απαντήσουν το εξής απλό ερώτημα: τι είναι, ακριβώς, η βαρύτητα; Η ντε Ραμ αποκαλύπτει πώς μεγάλα μυαλά –από τον Νεύτωνα και τον Αϊνστάιν μέχρι τον Στίβεν Χόκινγκ, την Άντρεα Γκεζ και τον Ρότζερ Πένροουζ– την οδήγησαν στα όρια της γνώσης σχετικά με αυτή τη θεμελιώδη δύναμη.

    Κατάφερε να εντοπίσει ίχνη μιας κρυφής πλευράς της βαρύτητας στο σωματιδιακό επίπεδο, εκεί όπου η θεωρία του Αϊνστάιν καταρρέει, γεγονός που την οδήγησε στην ανάπτυξη μιας νέας θεωρίας περί «μαζικής βαρύτητας». Η ντε Ραμ μοιράζεται μαζί μας την πορεία της ζωής της, η οποία από απότομη πτώση μεταμορφώθηκε σε μια υπέροχη πτήση προς την ανακάλυψη μιας ολότελα νέας αντίληψης για το γεμάτο εκπλήξεις και εμφορούμενο από τη βαρύτητα Σύμπαν μας.

    Κριτικές

    «[…] ένα συναρπαστικό ανάγνωσμα. Αγγίζοντας το τελευταίο σύνορο της φυσικής, το βιβλίο αυτό συνδυάζει την πρωτοποριακή έρευνα με μια βαθύτατα προσωπική ιστορία.»
    — Kirkus Reviews

    «“Τι είναι, ακριβώς, η βαρύτητα;” είναι το ερώτημα που οδηγεί την Κλόντια ντε Ραμ στην εξερεύνηση της μυστηριώδους, ακαταμάχητης δύναμης που διέπει το Σύμπαν μας. Εν μέρει αυτοβιογραφία, εν μέρει διδακτικό βιβλίο, Η γοητεία της πτώσης έχει ως αφετηρία ένα ταχύρρυθμο μάθημα σχετικά με τη θεμελιώδη φύση της βαρύτητας, από τον Νεύτωνα και τον Γαλιλαίο μέχρι τις μαύρες τρύπες και τη σκοτεινή ενέργεια.»
    — Lucy Tu, Scientific American

    «Αναδεικνύοντας τις βασικές θεωρίες της βαρύτητας από τον Νεύτωνα και τον Αϊνστάιν μέχρι τον Χόκινγκ και τον Ρότζερ Πένροουζ, [η ντε Ραμ] έχει δημιουργήσει μια περιεκτική σύνοψη της επιστημονικής εμμονής της.»
    — Hannah Beckerman, The Observer

    «Η αίσθηση δέους που κατακλύζει [τη συγγραφέα] είναι μεταδοτική… Η γραφή της ντε Ραμ ενίοτε ταξιδεύει πέρα από τη βαρύτητα, όταν αναλογίζεται έννοιες όπως η περιέργεια, οι κανόνες, η αβεβαιότητα, η επιμονή και, ιδίως, η αποτυχία. Καταλήγει στο συμπέρασμα πως το θετικό μιας πτώσης είναι η ευκαιρία που έχει κανείς να σταθεί και πάλι στα πόδια του.»
    — Tony Miksanek, Booklist

    «Μια εξαιρετικά σαφής και πλήρως ενημερωμένη περιγραφή της βαρύτητας και όσων έχουμε μάθει για αυτήν, αλλά και από αυτήν.»
    — Jocelyn Bell Burnell, Fellow of the Royal Society, Επισκέπτρια Καθηγήτρια Αστροφυσικής, Τμήμα Φυσικής, University of OxfordBιογραφικά Συγγραφέα

    Η Κλόντια ντε Ραμ (Claudia de Rham), μία διεθνώς αναγνωρισμένη φυσικός, ερευνά την αληθινή φύση της βαρύτητας και αντλεί έμπνευση αποδεχόμενη την επίδραση που αυτή ασκεί τόσο στην επιστήμη όσο και στη ζωή της. Καθηγήτρια θεωρητικής φυσικής στο Imperial College London και μέλος της Αμερικανικής Ακαδημίας Τεχνών και Επιστημών, έχει τιμηθεί με πολυάριθμα βραβεία και διακρίσεις και συγκαταλέγεται μεταξύ των πιο επιδραστικών ερευνητών στη θεμελιώδη φυσική της τελευταίας δεκαετίας.

  • Παρουσίαση Βιβλίου του Ε. Οικονόμου – «Ο ΚΟΣΜΟΣ Ο ΜΙΚΡΟΣ, Ο ΜΕΓΑΣ – ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΗΝ ΦΥΣΙΚΗ»

    Παρουσίαση Βιβλίου του Ε. Οικονόμου – «Ο ΚΟΣΜΟΣ Ο ΜΙΚΡΟΣ, Ο ΜΕΓΑΣ – ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΗΝ ΦΥΣΙΚΗ»

    To InScience σας παρουσιάζει το βιβλίο του Ε. Οικονόμου, ομότιμου καθηγητή του Πανεπιστημίου Κρήτης, με τίτλο «Ο ΚΟΣΜΟΣ Ο ΜΙΚΡΟΣ, Ο ΜΕΓΑΣ – ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΗΝ ΦΥΣΙΚΗ». Η παρουσίαση του βιβλίου διοργανώθηκε την Πέμπτη 18 Σεπτέμβρη 2025.Περίληψη:

    Αυτόν τον Κόσμο, που εκτείνεται από το αφάνταστα μικρό μέχρι το αδιανόητα μεγάλο, μπορούμε άραγε να τον κατανοήσουμε; Ναι, απαντά η Φυσική (και τούτο το βιβλίο επιδιώκει να τεκμηριώσει την καταφατική απάντηση), αρκεί να επικεντρωθούμε σε εκείνους τους σχηματισμούς που είναι λίγο-πολύ αυθύπαρκτοι, όπως ένα άτομο ή ένα μόριο ή ένα μεταλλικό αντικείμενο ή ένας πλανήτης ή, ακόμη, και ένα άστρο. Αυτό το Ναι μας υποχρεώνει όμως να δείξουμε πώς προκύπτουν οι ιδιότητες όλων αυτών των σχηματισμών: Τελικά από τρία μόνο είδη μικροσκοπικών σωματιδίων που συγκροτούν σταδιακά την ύλη με την παρέμβαση των ελκτικών δυνά­μεων, κυρίως της ηλεκτρικής και της βαρυτικής· πέρα από τα σωματίδια και τις δυνάμεις χρειάζεται και κάτι άλλο που είναι «εκ των ων ουκ άνευ».

    Αυτό το κάτι άλλο υποδηλώνει την ύπαρξή του από το γεγονός ότι οι ελκτικές δυνάμεις παύουν από κάποιο σημείο και πέρα να φέρνουν ολοένα και πιο κοντά το ένα στο άλλο τα μικροσκοπικά σωματίδια. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο σε όλα τα άτομα του υδρογόνου, αντί να πέσει πάνω στο πρωτόνιο, παραμένει πάντοτε σε μια σταθερή μέση απόσταση από αυτό, η οποία είναι περίπου 50.000 φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος του πρωτονίου. Αυτό το κάτι άλλο εξηγεί επίσης γιατί ο όγκος ενός λευκού νάνου γίνεται ο μισός όταν η μάζα του διπλασιάζεται.

    Ποιο είναι λοιπόν αυτό το κάτι άλλο; Είναι ο «δυσκολοχώνευτος» δυισμός κύματος-σωματιδίου (ΚΣΔ). Το γεγονός, δηλαδή, ότι τα μικροσκοπικά σωματίδια δεν ακολουθούν τροχιά, αλλά κινούνται σαν να ήταν κύματα. Από τον ΚΣΔ έπεται η ακατάπαυστη κίνηση των μικροσκοπικών σωματιδίων που συγκροτούν την ύλη και η συνακόλουθη απωστική πίεση που ασκούν αυτά, η οποία, από κάποιο σημείο και πέρα, εξισορροπεί τη συμπίεση των δυνάμεων και αποκαθιστά την ισορροπία.

    —

    Η εικόνα του εξωφύλλου συμπυκνώνει το περιε­χόμενο του βιβλίου ως εξής:

    • Οι πυρηνικές δυνάμεις (κίτρινη περιοχή) έλκουν (ή και μετατρέπουν) μικροσκοπικά αδιαί­ρετα σωματίδια (τα u, d) και σχηματίζουν πρωτόνια, νετρόνια και πυρήνες.
    • Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη (πράσινη περιοχή, με κύριο ενεργειακό νόμο τον εικονιζόμενο) έλκει πυρήνες και ηλεκτρόνια (e) και σχηματίζει άτομα, μόρια, …, ανθρώπους, …, φεγγάρια και (εν μέρει) πλανήτες.
    • Η βαρυτική δύναμη (γαλάζια περιοχή, με κύριο ενεργειακό νόμο τον εικονιζόμενο) έλκει άτομα και μόρια και σχηματίζει (εν μέρει) πλανήτες, και ενεργά άστρα, λευκούς νάνους, αστέρες νετρονίων, γαλαξίες, …
    • Στη συμπίεση αυτών των ελκτικών δυνά­μεων αντιτίθεται μια ακατάπαυστη κίνηση (κυρίως των ηλεκτρονίων) που αποκαθιστά την κατάσταση ισορροπίας της ύλης και τις όποιες ιδιό­τητές της.
    • Αυτή η τόσο σημαντική ακατάπαυστη κίνηση (χάρη στην οποία υπάρχουμε) προκύπτει σχεδόν πάντα από την αρχή της απροσδιοριστίας και την απαγορευτική αρχή. Ο τύπος στο κέντρο δίνει την ενέργειά της.

    ΣΥΝΤΟΜΟ ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ

    Ο καθηγητής Ελευθέριος Οικονόμου είναι διακεκριμένος φυσικός, με διεθνώς αναγνωρισμένο έργο στη θεωρητική φυσική στερεάς κατάστασης και στην κβαντική φυσική. Σπούδασε στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο και έλαβε το διδακτορικό του από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, ενώ εργάστηκε σε κορυφαία ερευνητικά ιδρύματα των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής. Διετέλεσε καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και διευθυντής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας, όπου συνέβαλε καθοριστικά στην καθιέρωσή του ως κέντρο αριστείας. Το ερευνητικό του έργο περιλαμβάνει θεμελιώδεις συνεισφορές στην ηλεκτρονική δομή υλικών, στα επιφανειακά πλασμόνια και στα μεταϋλικά, ιδιαίτερα σε φωνονικούς κρυστάλλους, ενώ είναι συγγραφέας πολυάριθμων επιστημονικών δημοσιεύσεων και βιβλίων αναφοράς. Έχει τιμηθεί με διεθνή βραβεία και διακρίσεις, ενώ η συμβολή του στην ανάπτυξη της επιστήμης και της έρευνας στην Ελλάδα υπήρξε καθοριστική.

    Κεφάλαια της Ομιλίας

    00:00:21 Εισαγωγή – Χαιρετισμός
    00:03:11 Παρουσίαση Βιβλίου
    00:44:32 Ερωτήσεις
    00:44:42 Αν αρχίζατε σήμερα τη σταδιοδρομία σας ποια από τα σύγχρονα πεδία της φυσικής επιστήμης θα σας γοήτευαν;
    00:46:38 Ποιες είναι οι μεγάλες προκλήσεις και τα ανοιχτά ερωτήματα για την φυσική σήμερα;
    00:48:23 Η φυσική της αυτο-οργάνωσης μπορεί να ξεκλειδώσει τα μυστικά της έμβιας ύλης όπως παλαιότερα η κβαντική τα “μυστικά” της χημείας ερμηνεύοντας τη δημιουργία των χημικών δεσμών;
    00:51:04 Πριν από αρκετά χρόνια, σε μια επίσκεψη στο ΙΤΕ στην Κρήτη, είχα παρακολουθήσει μια ομιλία του Μόρελ Κoέν, του φυσικού, του Αμερικανού, ο οποίος μας είχε πει ότι όταν τέλειωσε ο Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος, αν κάποιος ήθελε να δει την πορεία της έρευνας στη φυσική παγκοσμίως, αρκούσε τότε να δει μια φορά το μήνα το Physical Review, να άνοιγε τις σελίδες του και να παρατηρούσε τα άρθρα που είχαν δημοσιευθεί εκεί. Έπαιρνε μια σφαιρική εικόνα της έρευνας που γινόταν στη φυσική παγκοσμίως. Σήμερα στη δουλειά μας, στην κυριολεξία, δεν προλαβαίνουμε να δούμε όχι τι γίνεται στην παγκόσμια έρευνα, αλλά τι γίνεται ακόμα και στον τομέα τον οποίο θεραπεύουμε. Αυτή η έκρηξη της παραγωγής μέσω των επιστημονικών papers, των δημοσιεύσεων κλπ πώς μπορεί να τιθασευθεί; Πώς μπορεί κάποιος στοιχειωδώς να την παρακολουθήσει σήμερα; Είναι ένα πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε στη δουλειά και θα ήθελα λίγο το σχόλιο που βγαίνει από την πολυετή εμπειρία σας στην έρευνα.
  • ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΩΝΤΑΣ ΤΟ ΣΚΟΤΕΙΝΟ ΣΥΜΠΑΝ: ΜΕΡΟΣ 1: Η ΑΓΝΩΣΤΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ ΥΛΗΣ

    ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΩΝΤΑΣ ΤΟ ΣΚΟΤΕΙΝΟ ΣΥΜΠΑΝ: ΜΕΡΟΣ 1: Η ΑΓΝΩΣΤΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ ΥΛΗΣ

    Τα υπολείμματα του υπερκαινοφανούς αστέρα στον αστερισμό των Ιστίων (Vela) αναδύονται πάνω από την έρημο στον ουράνιο θόλο. Ευγενική προσφορά στο InS του Απόστολου Κυριαζή.Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος, Αναπληρωτής Καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ


    ΠΕΡΙΛΗΨΗ

    Ποιος ήταν ο πρώτος που πρότεινε την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης; Πώς προέκυψε ο όρος ιστορικά; Η συνηθέστερη απάντηση που συναντούμε στη διεθνή βιβλιογραφία προσπαθεί να συμπτύξει δεκαετίες ερευνών καταλήγοντας να είναι λάθος. Στο άρθρο αναλύουμε πώς πραγματικά προέκυψε ο όρος σκοτεινή ύλη και ποιες ήταν οι καίριες συνεισφορές που συνέβαλαν στην καθιέρωσή του.ΑΟΡΑΤΟΙ ΚΟΣΜΟΙ ΣΤΗΝ ΑΡΧΑΙΑ ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ

    Υπάρχουν σκοτεινοί κόσμοι, αδιόρατοι ακόμα και με τα πιο σύγχρονα όργανα παρατήρησης;  Υπάρχουν άπειροι κόσμοι κι επομένως κάποιοι μπορεί να διαφέρουν από αυτόν που αντιλαμβανόμαστε με τις αισθήσεις μας, υποστήριζε ο Επίκουρος [1].  Αν και αυτή η πρόταση δεν μπορεί να ελεγχθεί επιστημονικά, το ζήτημα της ύπαρξης «αόρατων κόσμων» –  ή αντικειμένων που δεν μπορούν να ανιχνευθούν – είτε γιατί βρίσκονται πολύ μακριά, είτε γιατί δεν εκπέμπουν αρκετό φως είτε γιατί είναι «εγγενώς αόρατα» απασχολούσε φιλοσόφους και επιστήμονες απ’ την αρχαιότητα.

    Η πρώτη συγκεκριμένη πρόταση για την ύπαρξη ενός σκοτεινού κόσμου ήρθε απ’ τους Πυθαγόρειους φιλοσόφους. Συγκεκριμένα, ο Φιλόλαος φαίνεται να γνώριζε για την ύπαρξη 8 ουρανίων σωμάτων: Ήλιου, Ερμή, Αφροδίτης, Γης, Σελήνης, Άρη, Δία, Κρόνου και παραδεχόταν ότι στο κέντρο του Σύμπαντος βρίσκεται ένα ένατο αντικείμενο, το «Κεντρικόν Πυρ». Επομένως χρειαζόταν ένα δέκατο πλανήτη, για να συμπληρωθεί η «Τετρακτύς», η ιερή δεκάδα των ουράνιων σωμάτων, που αποτελούσε την κεντρική έννοια της φιλοσοφίας των Πυθαγορείων. Βασιζόμενος λοιπόν σε ένα μείγμα παρατηρήσεων και φιλοσοφικών πεποιθήσεων, ο Φιλόλαος πρότεινε ότι στο ηλιακό σύστημα υπάρχει ένας δέκατος πλανήτης, η Αντίχθων, ο οποίος βρίσκεται συνεχώς αντιδιαμετρικά της Γης ως προς το «Κεντρικό Πυρ», και επομένως δε μπορεί να παρατηρηθεί [2] (βλ. Εικ. 1).

    Εικ. 1

    Εικόνα 1: (Αριστερά) Τα πέντε εσωτερικά αντικείμενα του αστρονομικoύ μοντέλου του Φιλόλαου με την Αντίχθονα να βρίσκεται συνεχώς αντιδιαμετρικά της Γης ως προς το «Κεντρικό Πυρ» κι όντας επομένως συνεχώς αόρατη από τη Γη. (Δεξιά) Η ιερή Τετρακτύς των Πυθαγορείων, που αποτελείται από 10 αριθμούς τοποθετημένους σε συγκεκριμένη γεωμετρική διάταξη.ΣΚΟΤΕΙΝΟΙ ΠΛΑΝΗΤΕΣ: ΠΟΣΕΙΔΩΝΑΣ ΚΑΙ ΗΦΑΙΣΤΟΣ

    Η ύπαρξη νέων πλανητών επανήλθε στο προσκήνιο πολύ αργότερα, όχι ως απόρροια φιλοσοφικών πεποιθήσεων αλλά αμιγώς μέσω της επιστημονικής μεθοδολογίας. Σημείο καμπής αποτέλεσε η ανακάλυψη της Νευτώνειας μηχανικής και του νόμου της παγκόσμιας έλξης, οι οποίοι δημοσιεύτηκαν στο μνημειώδες έργο του Νεύτωνα Principia το 1687. Η νευτώνεια θεωρία εγκαινίασε μια νέα εποχή για την επιστήμη, στην οποία η σύγκριση παρατηρήσεων με τη θεωρία αποτέλεσε την κινητήρια δύναμη για νέες ανακαλύψεις.

    Από τον Νεύτωνα και μετά, μια απόκλιση μεταξύ της θεωρίας και των παρατηρήσεων αποτελούσε την αφετηρία για μια νέα επιστημονική ανακάλυψη. Το πιο διάσημο παράδειγμα αποτελεί η πρόβλεψη της ύπαρξης του πλανήτη Ποσειδώνα. To 1821 o Γάλλος αστρονόμος Alexis Bouvard, εξέδωσε αστρονομικούς πίνακες με την τροχιά του Ουρανού μαζί με προβλέψεις για τη μελοντική θέση της τροχιάς του, όπως αυτή υπολογιζόταν απ’ τους νόμους του Νεύτωνα. Μελλοντικές παρατηρήσεις έδειξαν μεγάλες αποκλίσεις από τις προβλέψεις του Bouvard και επομένως τέθηκε επί τάπητος η ύπαρξη ενός νέου πλανήτη, ο οποίος θα έπρεπε να διαταράσσει την τροχιά του Ουρανού, όπως φαίνεται στην Εικ. 2.

    Εικ. 2

    Εικόνα 2: Η τροχιά του Ουρανού (εσωτερικού πλανήτη) διαταράσσεται από τη βαρυτική επίδραση του εξωτερικού πλανήτη (Ποσειδώνα). Στο σημείο b ο Ποσειδώνας έλκει τον Ουρανό αναγκάζοντάς τον να κινηθεί γρηγορότερα απ’ ότι αναμένουμε και στο σημείο a γίνεται το αντίθετο. [Πηγή: RJHall, https://en.wikipedia.org/wiki/Discovery_of_Neptune#]Το 1845 ο Γάλλος μαθηματικός και αστρονόμος Urbain Le Verrier, απέδειξε κι αυτός ότι η τροχιά του Ουρανού δεν ακολουθεί τις προβλέψεις της νευτώνειας θεωρίας και στη συνέχεια υπολόγισε αρχικά τη θέση και στη συνέχεια τη μάζα και την ακριβή τροχιά ενός νέου αστρονομικού σώματος, το οποίο προκαλούσε τις διαταραχές στην τροχιά του Ουρανού και έστειλε τους υπολογισμούς του στο αστεροσκοπείο του Βερολίνου. Ο υπολογισμός του Le Verrier ήταν τόσο ακριβής που μέσα σε μόλις 24 ώρες, ανακοινώθηκε η ανακάλυψη του πλανήτη Ποσειδώνα με 1 μοίρα απόκλιση από τη θέση που είχε προβλεφθεί [3].

    Ο Ποσειδώνας δεν ήταν ένας αόρατος πλανήτης όπως η Αντίχθων, αλλά ένας πολύ αμυδρός πλανήτης, ο οποίος παρέμενε μέχρι κάποια στιγμή αόρατος λόγω του μικρού φαινομένου μεγέθους του, αλλά έγινε ορατός με την πρόοδο των οργάνων παρατήρησης.

    Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Le Verrier πρότεινε το 1859 ακόμα έναν σκοτεινό πλανήτη, τον Ήφαιστο, για να εξηγήσει παρατηρούμενες ανωμαλίες στην τροχιά του Ερμή. Ο Ήφαιστος δεν παρατηρήθηκε ποτέ και τελικά ο Einstein απέδειξε ότι η ανωμαλίες στην τροχιά του Ερμή δεν προκαλούνταν από ένα νέο πλανήτη αλλά από την καμπύλωση του χώρου γύρω απ’ τον Ήλιο λόγω της μεγάλης βαρύτητάς του.

    ΜΕΛΑΝΕΣ ΟΠΕΣ: MICHELL KAI LAPLACE

    Πέρα από την ύπαρξη σκοτεινών πλανητών, ένα λογικό άλμα στην ύπαρξη νέων «σκοτεινών κόσμων», αστρονομικών αντικειμένων που δεν μπορούν να ανιχνευθούν άμεσα ήταν η πρόταση για την ύπαρξη μελανών οπών, από τον John Michell και τον Pierre Simon de Laplace το 1783 και 1796 αντίστοιχα, οι οποίοι υπολόγισαν ότι για αντικείμενα με πολύ μεγάλη μάζα και πυκνότητα, η ταχύτητα διαφυγής [4] θα ξεπερνούσε την ταχύτητα του φωτός και επομένως τέτοια αντικείμενα δεν θα μπορούσαν να εκπέμψουν ή να ανακλάσουν το φως. Θα φαίνονταν δηλαδή σαν «μαύρες τρύπες πάνω στον έναστρο ουράνιο καμβά.

    Εικ. 3

    Εικόνα 3: Προσομοιωμένη εικόνα μιας μαύρης τρύπας ενός γαλαξία. Η τεράστια βαρύτητά της προκαλεί την καμπύλωση των ακτίνων φωτός γύρω της, με αποτέλεσμα τα είδωλα των αστέρων που βρίσκονται πίσω της να φαίνονται παραμορφωμένα. [Πηγή: https://www.nasa.gov/image-article/computer-simulated-image-of-supermassive-black-hole/]Το 1916, εν μέσω του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου, ο Karl Schwarzschild, ο οποίος την περίοδο εκείνη υπηρετούσε ως εθελοντής στο γερμανικό στρατό, επιβεβαίωσε την πρόβλεψη του Laplace, αποδεικνύοντας μαθηματικά βάσει της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, ότι μια μαύρη τρύπα μπορεί να υπάρξει. Το 1939 o Robert Oppenheimer και ο μαθητής του Hartland Snyder, απέδειξαν ότι μαύρες τρύπες μπορεί να προέλθουν από την εξέλιξη ενός αστέρα με πολύ μεγάλη μάζα, όταν αυτός εξαντλήσει τα πυρηνικά του καύσιμα και αρχίσει να καταρρέει βαρυτικά. To 1966 oι Σοβιετικοί Yakov Zeldovich και Igor Novikov απέδειξαν ότι μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να δημιουργηθούν στο πρώιμο σύμπαν (λίγο μετά τη μεγάλη έκρηξη (Big Bang)) σε περιοχές μεγάλης πυκνότητας. Οι μαύρες τρύπες που προέρχονται από την εξέλιξη ενός αστέρα ονομάζονται αστρικές μαύρες τρύπες, ενώ εκείνες που δημιουργούνται στο πρώιμο σύμπαν ονομάζονται αρχέγονες μαύρες τρύπες.

    Η πρώτη επιβεβαίωση για την ύπαρξη μιας μαύρης τρύπας ήρθε σχεδόν δύο αιώνες αργότερα με την παρατήρηση της πηγής ακτίνων-Χ που ονομάστηκε Κύκνος-Χ1 και βέβαια πιο πρόσφατα από την παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων από τη συγχώνευση δύο μελανών οπών και την απεικόνιση της μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία μας απ’ το Event Horizon Telescope. Όλες αυτές είναι αστρικές μαύρες τρύπες, ενώ αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν έχουν ακόμα παρατηρηθεί.

    Αξίζει να σταθούμε στο γεγονός ότι ενώ μια μαύρη τρύπα μπορεί να φαντάζει εξ ορισμού τελείως αόρατη, μπορεί να γίνει αισθητή έμμεσα μέσω της βαρυτικής της επίδρασης στο περιβάλλον. Αυτό γίνεται με 4 τρόπους σήμερα: 1) την ανίχνευση ακτινοβολίας που εκπέμπεται από υλικό που πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα, 2) της βαρυτικής εστίασης, δηλ. της παραμόρφωσης των ειδώλων των αντικειμένων που βρίσκονται πίσω από μια μαύρη τρύπα, λόγω της καμπύλωσης του φωτός γύρω από αυτήν, 3) της επίδρασης των μελανών οπών στις τροχιές των κοντινών σε αυτές αντικειμένων και 4) στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Η ιδέα της ανίχνευσης μάζας μέσω της βαρυτικής της επίδρασης θα παίξει κεντρικό ρόλο στην ανίχνευση της σκοτεινής ύλης.

    Αξίζει να σημειωθεί ότι η δυνατότητα να ανιχνεύσουμε μαύρες τρύπες έστω και με αυτούς τους έμμεσους τρόπους βασίζεται αποκλειστικά στο γεγονός ότι οι μαύρες τρύπες έχουν τεράστια μάζα κι επομένως η βαρυτική επίδραση στο περιβάλλον τους είναι σημαντική [4]. Πιο μικρές μαύρες τρύπες θα μπορούσαν θεωρητικά να παρατηρηθούν μέσω της ακτινοβολίας Hawking που εικάζεται ότι εκπέμπουν, αλλά κάτι τέτοιο δεν έχει γίνει μέχρι στιγμής.

    ΣΚΟΤΕΙΝΑ ΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΔΙΟΡΑΤΗ ΥΛΗ: ΚELVIN KAI POINCARE

    Με την ανακάλυψη της αστροφωτογραφίας στα τέλη του 19ου αιώνα, οι φυσικοί αντιλήφθηκαν ότι τα άστρα του γαλαξία μας περιβάλλονται από εκτεταμένες σκοτεινές περιοχές κι άρχισαν να αναρωτιούνται αν οι περιοχές αυτές είναι σκοτεινές λόγω της έλλειψης άστρων ή λόγω της ύπαρξης αόρατης ύλης που απορροφά το φως.

    Ο Λόρδος Κέλβιν πίστευε ότι αυτά τα κενά που παρατηρούνταν στις αστροφωτογραφίες μπορεί να ήταν σβησμένα άστρα, ή άστρα πολύ αμυδρά, για να παρατηρηθούν και ήταν απ’ τους πρώτους που προσπάθησαν να υπολογίσουν (Kelvin, 1904) την ποσότητα των «σκοτεινών σωμάτων» στο γαλαξία, θεωρώντας τον ως ένα αέριο που περιστρέφεται.

    Ο Γάλλος μαθηματικός Henri Poincare βασιζόμενος στον υπολογισμό του Kelvin έφτασε το 1906 στο συμπέρασμα ότι εφόσον η διασπορά των αστρικών ταχυτήτων που υπολόγισε ο Kelvin δεν είναι πολύ μεγάλη, η «αδιόρατη ύλη» (matiere obscure στα γαλλικά στο πρωτότυπο) θα πρέπει να είναι ίση ή μικρότερη απ’ την ύλη που ακτινοβολεί (Poincare, 1906).

    Ενώ αυτές ήταν οι πρώτες συγκεκριμένες αναφορές στη σκοτεινή ύλη, o υπολογισμός του Kelvin περιείχε αρκετές υπεραπλουστευτικές υποθέσεις, οι οποίες κατέληγαν στο ποιοτικά εσφαλμένο αποτέλεσμα ότι η ποσότητα σκοτεινής ύλης είναι μικρότερη από αυτή της φωτεινής ύλης.

    Η ΜΕΡΑ ΠΟΥ ΑΝΑΚΑΛΥΨΑΜΕ ΤΟ ΣΥΜΠΑΝ: KAPTEYN, HUBBLE KAI OORT

    Στις αρχές του 20ού αιώνα ο Ολλανδός αστρονόμος Jakobus Kapteyn μέτρησε αναλυτικά τις θέσεις και τις ταχύτητες χιλιάδων αστέρων και πρότεινε το πρώτο μοντέλο που περιέγραφε τη δομή του γαλαξία μας υπολογίζοντας τη μάζα και το μέγεθός του, αναφέροντας μάλιστα, το 1922, ότι όταν η «θεωρία (σ.σ.: της γαλαξιακής δομής) τελειοποιηθεί, θα είναι ίσως δυνατόν να υπολογίσουμε το ποσό της σκοτεινής ύλης μέσω της βαρυτικής της επίδρασης» (Kapteyn, 1922).

    Είναι αρκετά παράδοξο ότι μέχρι και πριν από 100 χρόνια η επιστημονική κοινή γνώμη ενώ μιλούσε για «σύμπαν», θεωρούσε ότι δεν υπάρχουν γαλαξίες πέρα από τον δικό μας. Πρώτος ο Edwin Hubble το 1924 παρατήρησε κηφείδες αστέρες στο γαλαξία της Ανδρομέδας και απέδειξε [5] ότι η απόστασή τους είναι πολύ μεγαλύτερη από την έκταση του Γαλαξία μας (Hubble, 1929), επομένως θα πρέπει να ανήκουν σε ένα διαφορετικό γαλαξία. Αυτή ήταν η πρώτη επιστημονική απόδειξη ότι το σύμπαν αποτελείται από περισσότερους γαλαξίες και άνοιξε το δρόμο για τις μεγάλες αστρονομικές ανακαλύψεις που ακολούθησαν με καταιγιστικό ρυθμό.

    Ο μαθητής του Kapteyn, Ολλανδός αστρονόμος Jan Oort, ήταν ο πρώτος που απέδειξε το 1927 ότι ο γαλαξίας μας περιστρέφεται και μάλιστα όπως το ηλιακό σύστημα, δηλαδή τα εσωτερικά μέρη περιστρέφονται πιο γρήγορα από τα εξωτερικά (Oort, 1927). Εκτός αυτού, ο Oort υπολόγισε την πυκνότητα της σκοτεινής ύλης στην περιοχή του ηλιακού συστήματος (Oort, 1932), μια ποσότητα κεντρικής σημασίας ακόμα και για τα σημερινά πειράματα που προσπαθούν να ανακαλύψουν τη σκοτεινή ύλη, καταλήγοντας κι αυτός στο συμπέρασμα ότι «η συνολική μάζα της νεφελώδους ή μετεωρικής ύλης κοντά στον ήλιο είναι… πιθανότατα πολύ μικρότερη απ’ τη συνολική μάζα των ορατών αστέρων».

    Βλέπουμε επομένως ότι:

      1. Ο όρος «σκοτεινή ύλη» και άλλες παρόμοιες εκφορές τις ίδιας έννοιας εμφανίζονται στη βιβλιογραφία πολύ πριν το 1930.
      2. Η επιστημονική κοινότητα όχι μόνο υπέθετε την παρουσία σκοτεινής ύλης στο γαλαξία αλλά γίνονταν και προσπάθειες για τον υπολογισμό της πυκνότητάς της, μάλιστα με δυναμικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν και μεταγενέστερα.
      3. Η επικρατούσα αντίληψη εκείνη την εποχή ήταν ότι η «σκοτεινή/νεφελώδης/μετεωρική/αδιόρατη» ύλη αποτελούνταν από αχνά άστρα, νεφελώματα ή μετεωρίτες, τα οποία απλά δεν μπορούσαν ακόμα να παρατηρηθούν με την τεχνολογία της εποχής.

    ΜΕΤΡΩΝΤΑΣ ΤΗΝ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΕΝΟΣ ΓΑΛΑΞΙΑ

    Οι αστρονομικές παρατηρήσεις της περιστροφής γαλαξιών και γαλαξιακών σμηνών έπαιξαν κεντρικό ρόλο στην καθιέρωση της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν. Πώς όμως μπορούμε να μετρήσουμε την ταχύτητα ενός μακρινού γαλαξία ως προς τη Γη; Αυτό γίνεται μέσω του φαινομένου Doppler, το οποίο είναι γνωστό σε όλους μας: σε αυτό το φαινόμενο οφείλεται η αλλαγή στη συχνότητα της σειρήνας ενός ασθενοφόρου όταν πλησιάζει προς ή απομακρύνεται από εμάς. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο ήχος είναι ένα κύμα και η συχνότητα με την οποία διασχίζουμε τις κορυφές του κύματος καθορίζει τη συχνότητα του ήχου που αντιλαμβανόμαστε (Εικ. 4). Το ίδιο συμβαίνει και με το φως, καθώς κι αυτό είναι ένα (ηλεκτρομαγνητικό) κύμα. Παρατηρώντας τις φασματικές γραμμές ενός γαλαξία και συγκρίνοντάς τις με τα ίδια φάσματα όπως τα μετράμε στη γη μπορούμε να προσδιορίσουμε αν ο γαλαξίας πλησιάζει ή απομακρύνεται από τη γη και με τι ταχύτητα.Από την ταχύτητα περιστροφής μπορούμε επίσης να εκτιμήσουμε τη μάζα ενός γαλαξία. Όπως γνωρίζουμε απ’ την καθημερινή μας εμπειρία σε ένα αντικείμενο που περιστρέφεται ασκούνται δυνάμεις που το συγκρατούν σε τροχιά. Για παράδειγμα αν δέσετε έναν κουβά με ένα σκοινί και τον περιστρέψετε, θα νιώθετε μια δύναμη απ’ το σκοινί να τραβάει το χέρι σας προς τα έξω. Αυτή ονομάζεται φυγόκεντρος και είναι η αντίδραση στη «κεντρομόλο» δύναμη που ασκεί το χέρι σας (μέσω του σκοινιού) στον κουβά, εξαναγκάζοντάς τον να κινηθεί σε κυκλική τροχιά. Όσο γρηγορότερα περιστρέφεται ο κουβάς τόσο μεγαλύτερη θα είναι η δύναμη που θα πρέπει να ασκήσετε. Το ίδιο γίνεται και με ένα γαλαξία ή ένα σμήνος γαλαξιών που περιστρέφεται. Όσο πιο γρήγορη είναι η περιστροφή, τόσο μεγαλύτερη θα πρέπει να είναι η δύναμη που ασκείται, για να συγκρατείται το σύστημα σε τροχιά και να μην εκσφενδονιστεί. Στην περίπτωση αυτή η δύναμη δεν ασκείται μέσω σκοινιών αλλά αντιστοιχεί απλά στη βαρυτική έλξη που δημιουργείται από το σύνολο των μαζών μες στο γαλαξία/γαλαξιακό σμήνος. Επομένως συμπεραίνουμε ότι όσο γρηγορότερα περιστρέφεται ένας γαλαξίας/σμήνος, τόσο μεγαλύτερη μάζα θα πρέπει να περιέχει.

    Επιπλέον αν θεωρήσουμε ότι τα περισσότερα άστρα βρίσκονται στην κεντρική περιοχή ενός γαλαξία, περιμένουμε η βαρυτική έλξη να μειώνεται προς το εξωτερικό του, επομένως περιμένουμε τα άστρα στις εξωτερικές περιοχές ενός γαλαξία να περιστρέφονται πιο αργά από τα άστρα στο εσωτερικό του.

    Οι πρώτες μετρήσεις της περιστροφής αστρονομικών αντικειμένων έγιναν χρησιμοποιώντας τα κοντινότερα και πιο εύκολα παρατηρήσιμα αντικείμενα [6], το γαλαξία της Ανδρομέδας (τον πιο κοντινό γαλαξία στο δικό μας) και το γαλαξιακό σμήνος της Κόμης, που βρίσκεται στον αστερισμό της Κόμης της Βερενίκης (Εικ. 5).

    Εικ. 4

    Εικόνα 4: Απεικόνιση του φαινομένου Doppler. Αριστερά: στην περίπτωση των ηχητικών κυμάτων μια ηχητική πηγή που πλησιάζει έναν παρατηρητή φαίνεται να εκπέμπει υψηλότερης συχνότητας ήχο από μια πηγή που απομακρύνεται από έναν παρατηρητή. Δεξιά: το φως ενός γαλαξία που πλησιάζει προς τη γη φαίνεται να είναι μετατοπισμένο προς μεγαλύτερες συχνότητες (κυανό) ενώ αν ο γαλαξίας απομακρύνεται ο παρατηρητής βλέπει το φως του μετατοπισμένο προς το ερυθρό.Από την ταχύτητα περιστροφής μπορούμε επίσης να εκτιμήσουμε τη μάζα ενός γαλαξία. Όπως γνωρίζουμε απ’ την καθημερινή μας εμπειρία σε ένα αντικείμενο που περιστρέφεται ασκούνται δυνάμεις που το συγκρατούν σε τροχιά. Για παράδειγμα αν δέσετε έναν κουβά με ένα σκοινί και τον περιστρέψετε, θα νιώθετε μια δύναμη απ’ το σκοινί να τραβάει το χέρι σας προς τα έξω. Αυτή ονομάζεται φυγόκεντρος και είναι η αντίδραση στη «κεντρομόλο» δύναμη που ασκεί το χέρι σας (μέσω του σκοινιού) στον κουβά, εξαναγκάζοντάς τον να κινηθεί σε κυκλική τροχιά. Όσο γρηγορότερα περιστρέφεται ο κουβάς τόσο μεγαλύτερη θα είναι η δύναμη που θα πρέπει να ασκήσετε. Το ίδιο γίνεται και με ένα γαλαξία ή ένα σμήνος γαλαξιών που περιστρέφεται. Όσο πιο γρήγορη είναι η περιστροφή, τόσο μεγαλύτερη θα πρέπει να είναι η δύναμη που ασκείται, για να συγκρατείται το σύστημα σε τροχιά και να μην εκσφενδονιστεί. Στην περίπτωση αυτή η δύναμη δεν ασκείται μέσω σκοινιών αλλά αντιστοιχεί απλά στη βαρυτική έλξη που δημιουργείται από το σύνολο των μαζών μες στο γαλαξία/γαλαξιακό σμήνος. Επομένως συμπεραίνουμε ότι όσο γρηγορότερα περιστρέφεται ένας γαλαξίας/σμήνος, τόσο μεγαλύτερη μάζα θα πρέπει να περιέχει.

    Επιπλέον αν θεωρήσουμε ότι τα περισσότερα άστρα βρίσκονται στην κεντρική περιοχή ενός γαλαξία, περιμένουμε η βαρυτική έλξη να μειώνεται προς το εξωτερικό του, επομένως περιμένουμε τα άστρα στις εξωτερικές περιοχές ενός γαλαξία να περιστρέφονται πιο αργά από τα άστρα στο εσωτερικό του.

    Οι πρώτες μετρήσεις της περιστροφής αστρονομικών αντικειμένων έγιναν χρησιμοποιώντας τα κοντινότερα και πιο εύκολα παρατηρήσιμα αντικείμενα [6], το γαλαξία της Ανδρομέδας (τον πιο κοντινό γαλαξία στο δικό μας) και το γαλαξιακό σμήνος της Κόμης, που βρίσκεται στον αστερισμό της Κόμης της Βερενίκης (Εικ. 5).

    Εικ. 5

    Εικόνα 5: Χάρτης του καλοκαιρινού ουρανού της Ελλάδας με τους κύριους αστερισμούς. Διακρίνουμε τον Γαλαξία της Ανδρομέδας (Μ31) μεταξύ των αστερισμών της Ανδρομέδας και της Κασσιόπειας, το Γαλαξία του Τριγώνου (Μ33) μεταξύ του αστερισμού του τριγώνου και των Ιχθύων, καθώς και τον αστερισμό της Κόμης της Βερενίκης στα δυτικά της Μεγάλης Άρκτου (Ursa Major), ο οποίος φιλοξενεί το γαλαξιακό σμήνος της Κόμης (Coma cluster). [Πηγή: https://stellarium-web.org/]ΑΝΔΡΟΜΕΔΑ ΚΑΙ ΚΟΜΗ ΤΗΣ ΒΕΡΕΝΙΚΗΣ – ΟΙ ΠΡΩΤΕΣ ΕΝΔΕΙΞΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΑΡΞΗ ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ ΥΛΗΣ

    To 1914 o αμερικανός αστρονόμος Vesto Slipher παρατήρησε (Slipher, 1914) ότι αντιδιαμετρικά σημεία του γαλαξία της Ανδρομέδας κινούνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις, αποδεικνύοντας έτσι για πρώτη φορά ότι οι γαλαξίες περιστρέφονται [7]. To 1917 o αμερικανός αστρονόμος Francis Pease μέτρησε την περιστροφή της κεντρικής περιοχής του γαλαξία της Ανδρομέδας σε αποστάσεις μέχρι περίπου 0.5 kpc απ’ το κέντρο της (Pease, 1918), δείχνοντας ότι η ταχύτητα περιστροφής αυξάνεται γραμμικά όσο απομακρυνόμαστε απ’ το κέντρο.

    Ύστερα από αρκετά χρόνια, το 1930, ο Σουηδός αστρονόμος Knut Lundmark μέτρησε τις ταχύτητες περιστροφής πέντε γαλαξιών (μεταξύ των οποίων ο γαλαξίας της Ανδρομέδας και ο γαλαξίας του Τριγώνου) και σύγκρινε τις τιμές που βρήκε με αυτές που θα περίμενε βάσει της μάζας των ορατών αστέρων τους, αποδεικνύοντας ότι η συνολική μάζα που πρέπει να έχουν οι γαλαξίες για να συντηρήσουν τόσο μεγάλες ταχύτητες περιστροφής πρέπει να είναι έως και 100 φορές μεγαλύτερη από την ορατή μάζα τους (Lundmark, 1930). Μάλιστα στη δημοσίευσή του έκανε λόγο για «σκοτεινά σώματα» που αποτελούνται από «σβησμένα άστρα, σκοτεινά νεφελώματα, μετεωρίτες, κομήτες, κλπ». Αυτή ήταν η πρώτη, εξ’ όσων γνωρίζουμε, εργασία που πρότεινε ότι υπάρχει περίσσεια σκοτεινής ύλης στους γαλαξίες. Το όνομα του Lundmark έμεινε στην αφάνεια ίσως κυρίως επειδή οι μετρήσεις του είχαν σχετικά μεγάλο σφάλμα και κάλυπταν μόνο μια μικρή περιοχή γύρω από το κέντρο κάθε γαλαξία (λιγότερο από το 1/10 του γαλαξιακού δίσκου), αφήνοντας περιθώριο για εναλλακτικές ερμηνείες.

    Tο 1939, ο αμερικανός αστρονόμος Horace Babcock προσδιόρισε την ταχύτητα περιστροφής του γαλαξία της Ανδρομέδας καλύπτοντας αποστάσεις μέχρι 20 kpc [8] από το κέντρο της (σχεδόν το μισό του γαλαξιακού δίσκου) βρίσκοντας ότι τα εξωτερικά μέρη του γαλαξία περιστρέφονται πολύ πιο γρήγορα απ’ ότι αναμενόταν (Babcock, 1939). Ο ίδιος έγραψε ότι «είναι προφανές ότι τα εξωτερικά μέρη του νεφελώματος (σ.σ.: γαλαξία της Ανδρομέδας) είτε εμπεριέχουν μια μεγάλη ποσότητα μη φωτεινής ύλης (σ.σ.: σκοτεινής ύλης) είτε οι τροχιές έχουν σημαντικές αποκλίσεις από την κυκλικότητα». Οι μετρήσεις αυτές του Babcock ενώ έθεσαν τα θεμέλια για τις μετρήσεις των γαλαξιακών καμπυλών περιστροφής, δεν ήταν αρκετές, για να θεμελιώσουν την ύπαρξη σκοτεινής ύλης, γιατί αφορούσαν ένα και μοναδικό γαλαξία και μάλιστα ο ίδιος σχολίαζε επιφυλακτικά ότι «η απορρόφηση μπορεί να παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στο εξωτερικό του γαλαξία», επομένως οι μεγάλες ταχύτητες να μην οφείλονται στην παρουσία σκοτεινής ύλης.

    Όσον αφορά την περιστροφή γαλαξιακών σμηνών, το 1931 o Edwin Hubble και o Milton Humason (Hubble & Humason, 1931) μέτρησαν την ερυθρομετατόπιση των γαλαξιών στο γαλαξιακό σμήνος της Κόμης. Είναι αξιοπερίεργο ότι ενώ τα δεδομένα των Hubble και Humason έδειχναν ότι κάποιοι γαλαξίες είχαν πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες απ’ το μέσο όρο του σμήνους, οι αμερικάνοι επιστήμονες δεν προχώρησαν στην ερμηνεία αυτής της παρατήρησης, καθώς κύριο μέλημά τους δεν ήταν η μελέτη της σκοτεινής ύλης αλλά η συσχέτιση της ερυθρομετατόπισης με την απόσταση, κάτι το οποίο είχε χρησιμοποιήσει ο Hubble δύο χρόνια πριν, για να αποδείξει τη διαστολή του σύμπαντος.

    FRITZ ZWICKY: ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ ΣΕ ΓΑΛΑΞΙΑΚΑ ΣΜΗΝΗ

    Ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky θεωρείται απ’ τους περισσότερους ως πρωτοπόρος στην ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης. To 1933 o Zwicky ανέλυσε τα δεδομένα των Hubble και Humason και παρατήρησε κι αυτός τη μεγάλη διασπορά ταχυτήτων, πηγαίνοντας όμως ένα βήμα παραπέρα.

    Ο Zwicky θεώρησε ότι το σμήνος είναι ένα ευσταθές δυναμικό σύστημα και εφάρμοσε το θεώρημα Virial, που συνδέει την κινητική με τη δυναμική του ενέργεια, οι οποίες με τη σειρά τους εξαρτώνται από τη μάζα και το μέγεθος του συστήματος και τη διασπορά των ταχυτήτων των γαλαξιών του σμήνους (Zwicky, 1933). Κάνοντας κάποιες υποθέσεις για τον όγκο και την ολική μάζα του συστήματος, βασιζόμενος στη μέση μάζα ενός γαλαξία, ο Zwicky υπολόγισε ότι η διασπορά των ταχυτήτων θα έπρεπε να είναι περίπου 80 km/s ενώ οι μετρούμενες τιμές ήταν 1000 km/s ή και περισσότερο. Κατέληξε λοιπόν στο εξής συμπέρασμα:

    «Για να επιτευχθεί η παρατηρούμενη τιμή ενός μέσου φαινομένου Doppler 1000 km/s ή παραπάνω, η μέση πυκνότητα του συστήματος της Κόμης θα έπρεπε να είναι 400 φορές μεγαλύτερη απ’ αυτή που εξάγουμε από παρατηρήσεις της φωτεινής ύλης. Αν αυτό επιβεβαιωθεί θα έχουμε το εκπληκτικό αποτέλεσμα ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει σε πολύ μεγαλύτερη ποσότητα από τη φωτεινή ύλη».

    Μάλιστα σε αντίθεση με τους προκατόχους του, αφού εξέτασε πιθανές εναλλακτικές ερμηνείες για την απορρόφηση του φωτός από μεσοαστρικό υλικό κλπ, τις απέρριψε ως αμελητέες, καταλήγοντας ότι «η μεγάλη διασπορά ταχυτήτων στο σύστημα της Κόμης κρύβει ένα πρόβλημα που δεν έχει ακόμα κατανοηθεί».

    Στις περισσότερες επιστημονικές ομιλίες, ακόμα και βιβλία για τη σκοτεινή ύλη, η παραπάνω φράση παρουσιάζεται ως η πρώτη φορά που εισήχθηκε ο όρος σκοτεινή ύλη. Όπως είδαμε κάτι τέτοιο δεν ισχύει σε καμία περίπτωση. Διαβάζοντας το άρθρο του Zwicky καταλαβαίνει κανείς ότι ο όρος «σκοτεινή ύλη» χρησιμοποιείται χωρίς να οριστεί (τουλάχιστον στο συγκεκριμένο άρθρο), το οποίο σημαίνει ότι ο Zwicky απλά ακολουθεί την ορολογία που ήταν διαδεδομένη στους αστρονόμους εκείνης της εποχής (σε συνέχεια της δουλειάς των Oort, Kapteyn και Lundmark). Ο Zwicky ορίζει τον όρο σκοτεινή ύλη σε μετέπειτα άρθρο του (Zwicky, 1937) ως «ψυχρά άστρα, μακροσκοπικά και μικροσκοπικά συμπαγή σώματα και αέρια», το οποίο παρεμπιπτόντως γνωρίζουμε σήμερα ότι δεν είναι σωστό.

    Γιατί λοιπόν ο Zwicky θεωρείται ο πρώτος που εισήγαγε τον όρο σκοτεινή ύλη; Καταρχάς ήταν ο πρώτος που πρότεινε ότι η σκοτεινή ύλη είναι περισσότερη απ’ τη φωτεινή και μάλιστα κατά έναν τεράστιο παράγοντα (400 φορές) και ο πρώτος που επέμεινε στο ότι εναλλακτικές ερμηνείες δεν μπορούν να επιλύσουν το πρόβλημα των μεγάλων ταχυτήτων που παρατηρούνται στα γαλαξιακά σμήνη. Το πρόβλημα επομένως της σκοτεινής ύλης παρουσιάστηκε για πρώτη φορά ως ένα σημαντικό πρόβλημα στη θεωρία που χρήζει επίλυσης.

    Παρόλα αυτά την περίοδο εκείνη, η κοινή γνώμη δεν αποδεχόταν τους υπολογισμούς του Zwicky για διάφορους λόγους. Ο σημαντικότερος ήταν η θεώρηση του σμήνους της Κόμης ως ένα σύστημα σε ισορροπία. Πολλοί υποστήριζαν ότι οι γαλαξίες που είχαν μεγάλη ταχύτητα δεν ανήκαν στο σύστημα της Κόμης κι ότι το σμήνος της Κόμης δε βρίσκεται σε ισορροπία επομένως το θεώρημα Virial δεν ισχύει. Χρειάστηκαν αρκετά χρόνια ακόμα, για να γίνει αποδεκτή η έννοια της σκοτεινής ύλης.

    VERA RUBIN: ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ ΣΤΟΥΣ ΓΑΛΑΞΙΕΣ

    Όπως είδαμε πριν, οι μετρήσεις της ταχύτητας περιστροφής γαλαξιών και η σύνδεσή τους με τον υπολογισμό της σκοτεινής ύλης είχε αρχίσει από το 1930, πριν από τις εργασίες του Zwicky, το οποίο καταδεικνύει ότι οι αστρονόμοι της εποχής ήταν ανοικτοί στο ενδεχόμενο να υπάρχει σκοτεινή ύλη στους γαλαξίες. Οι υπολογισμοί του Lundmark και του Babcock αλλά και πολλοί μεταγενέστεροι [9] εγείραν διάφορες αντιρρήσεις σχετικά με το μικρό δείγμα γαλαξιών που χρησιμοποιούσαν, τον περιορισμό τους σε μικρές αποστάσεις από τα γαλαξιακά κέντρα και τα μεγάλα σφάλματά τους.

    Σημείο καμπής αποτέλεσε η δουλειά της Αμερικανίδας αστρονόμου Vera Rubin, η οποία μαζί με τους συνεργάτες της Kent Ford και Robert Thonnard, δημοσίευσαν τις πρώτες οπτικές μετρήσεις αρχικά μόνο του γαλαξία της Ανδρομέδας (Rubin & Ford, 1970) και στη συνέχεια ενός συνόλου από 21 γαλαξίες (Rubin et al, 1978), καλύπτοντας πάνω από το 80% της γαλαξιακής (οπτικής) ακτίνας. Οι μετρήσεις τους (Εικ. 6) έδειξαν ότι η ταχύτητα περιστροφής των γαλαξιών δε μειώνεται προς το εξωτερικό τους, όπως αναμένει κανείς λόγω μείωσης μάζας (συνεπώς και της βαρυτικής έλξης) αλλά αντίθετα παραμένει σταθερή, πράγμα το οποίο υποδεικνύει την παρουσία μιας επιπλέον συνιστώσας ύλης που διαθέτει βαρυτικές αλληλεπιδράσεις αλλά δε φωτοβολεί.

    Οι παρατηρήσεις αυτές με τη συστηματική μέθοδο παρατήρησης πολλών γαλαξιών. τη συστηματική μέθοδο αποκλεισμού σφαλμάτων που δεν άφηνε περιθώρια σε εναλλακτικές ερμηνείες και το γεγονός ότι κάλυψαν μεγάλη έκταση του γαλαξιακού δίσκου ανάγκασε την επιστημονική κοινότητα να αποδεχθεί ότι θα πρέπει να υπάρχει σκοτεινή ύλη στους γαλαξίες και πολλοί θεωρούν ότι η δουλειά αυτή άξιζε να τιμηθεί με το βραβείο Nobel.

    Εικ. 6

    Εικόνα 6: (Πάνω) Μετρήσεις της ταχύτητας περιστροφής του γαλαξία του τριγώνου στο ορατό (κίτρινες κουκίδες) και σε ραδιοσυχνότητες (μπλε κουκίδες). Η πρόβλεψη της ταχύτητας περιστροφής βάσει της μετρούμενης φωτεινής μάζας του γαλαξία φαίνεται με γκρι διακεκομένη γραμμή. (Κάτω) Μετρήσεις ταχυτήτων περιστροφής διαφόρων γαλαξιών από το (Rubin et al, 1978). [Πηγές: https://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy_rotation_curve, (Rubin et al, 1978)]Αξίζει να αναφέρουμε εν συντομία ότι παράλληλα με τις οπτικές μετρήσεις της Rubin και των συνεργατών της, παρατηρήσεις με ραδιοκύματα, τις οποίες εισήγαγε ο Ολλανδός αστρονόμος Hendrik van de Hulst, χρησιμοποιήθηκαν για να μετρηθούν οι ταχύτητες περιστροφής στα εξωτερικά μέρη των γαλαξιών, πολύ πέρα από τις οπτικές μετρήσεις. Αυτές έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στην επιβεβαίωση των μετρήσεων της Rubin και των συνεργατών της (Βertone and Hooper, 2018).

    ΕΝ ΚΑΤΑΚΛΕΙΔΙ

    Από τις φιλοσοφικές υποθέσεις των αρχαίων μέχρι τις λεπτομερείς παρατηρήσεις της Vera Rubin, η ιστορία της σκοτεινής ύλης είναι μια συναρπαστική διαδρομή της επιστημονικής αναζήτησης. Οι παρατηρήσεις αυτές οδήγησαν στην αναπόφευκτη παραδοχή της ύπαρξης αυτής της αόρατης ουσίας, θέτοντας τα θεμέλια για τις σύγχρονες έρευνες που προσπαθούν να αποκαλύψουν τη φύση της, ένα θέμα που θα εξερευνήσουμε στο επόμενο μέρος.ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

    [1] «Ἀλλὰ μὴν καὶ κόσμοι ἄπειροί εἰσιν, οἵ θ’ ὅμοιοι τούτῳ καὶ ἀνόμοιοι». Επίκουρος – Επιστολή στον Ηρόδοτο, Επιτομή περί φύσεως, ↩

    [2] «τὸ μὲν πῦρ μέσον (τοῦτο γὰρ εἶναι τοῦ παντὸς ἑστίαν), δευτέραν δὲ τὴν ἀντίχθονα, τρίτην δὲ τὴν οἰκουμένην γῆν ἐξ ἐναντίας κειμένην τε καὶ περιφερομένην τῆι ἀντίχθονι· παρ᾿ ὃ καὶ μὴ ὁρᾶσθαι ὑπὸ τῶν ἐν τῆιδε τοὺς ἐν ἐκείνη», όπως διασώζεται στο Αέτιος, Περί τῶν φιλοσόφων δόγματα (Placita Philosophorum), Βιβλίο III, κεφ. 11, § 3. Δηλαδή «Το πυρ βρίσκεται στο κέντρο (διότι αυτό είναι η εστία όλου του κόσμου), δεύτερη έρχεται η Ἀντίχθων, και τρίτη η οικουμένη γη, η οποία βρίσκεται απέναντι και περιστρέφεται γύρω από την Ἀντίχθονα· γι’ αυτό κι εκείνοι που βρίσκονται εδώ δεν μπορούν να βλέπουν όσους κατοικούν εκεί». ↩

    [3] Στην πραγματικότητα η ιστορία της ανακάλυψης του Ουρανού είναι πιο πολύπλοκη, εμπλέκοντας και μία ομάδα από Άγγλους μαθηματικούς και αστρονόμους, οι οποίοι μάλιστα άρχισαν να δουλεύουν στο πρόβλημα πριν τον Le Verrier, αλλά δεν κατάφεραν να παρατηρήσουν τον Ποσειδώνα, τόσο λόγω σφαλμάτων στους υπολογισμούς τους όσο και προβλημάτων στα όργανα που χρησιμοποιούσαν. ↩

    [4] Η ταχύτητα διαφυγής είναι η ταχύτητα που πρέπει να έχει ένα αντικείμενο για να ξεφύγει από τη βαρυτική έλξη ενός ουράνιου σώματος. ↩

    [5] Εδώ δεν παίρνουμε υπόψη φιλοσοφικές υποθέσεις όπως αυτή του Επίκουρου, του Λευκίππου και του Δημόκριτου για την ύπαρξη άπειρων κόσμων και την εικασία του αστρονόμου Thomas Wright (1750) σύμφωνα με την οποία κάποια απ’ τα νεφελώματα που παρατηρούνταν ίσως να αποτελούν μακρινά «σύμπαντα νησιά» (island universes). Επίσης πρέπει να αναφερθεί ότι πραγματικά ήταν ο Knut Lundmark που πρώτος παρέθεσε στοιχεία ότι ο γαλαξίας της Ανδρομέδας θα πρέπει να είναι διαφορετικός γαλαξίας από τον δικό μας, υπολογίζοντας την απόστασή του βασισμένος σε μετρήσεις φωτεινότητας καινοφανών αστέρων. Ο υπολογισμός αυτός δε θεωρείται ως καθοριστική απόδειξη, καθώς τα σφάλματα στις μετρήσεις των καινοφανών αστέρων ήταν αρκετά μεγάλα. ↩

    [6] Ο γαλαξίας της Ανδρομέδας είναι ένας σπειροειδής γαλαξίας σαν τον δικό μας, με περίπου την ίδια μάζα, διάμετρο περίπου 47 kpc και βρίσκεται σε απόσταση 2.5 εκατομμυρίων ετών φωτός. Είναι ο κοντινότερος γαλαξίας στον δικό μας και είναι ορατός δια γυμνού οφθαλμού. Το γαλαξιακό σμήνος της Κόμης απέχει περίπου 320 εκατομμύρια έτη φωτός απ’ το γαλαξία μας κι αποτελείται από περισσότερους από 1000 γαλαξίες με σχετικά μικρή μεταξύ τους απόσταση, πράγμα που το καθιστά ιδανικό για παρατηρήσεις. ↩

    [7] Η απόδειξη της περιστροφής του γαλαξία της Ανδρομέδας έγινε 18 χρόνια πριν την ανακάλυψη της περιστροφής του δικού μας γαλαξία από τον Oort, το 1932. ↩

    [8] Το parsec (paralax arcsecond) είναι η μεγαλύτερη μονάδα μέτρησης αποστάσεων στην αστρονομία και ισούται με 3.26 έτη φωτός ή 31 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα. ↩

    [9] Η ιστορία των μετρήσεων των γαλαξιακών καμπυλών περιστροφής χρήζει ένα άρθρο από μόνη της. Παραπέμπουμε τον ενδιαφερόμενο αναγνώστη στο πολύ ενδελεχές άρθρο (Βertone and Hooper, 2018). ↩EΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Ευχαριστούμε το Δρ. Νίκο Ρομποτή για τις επισημάνσεις του στο αρχικό κείμενο και τον Απόστολο Κυριαζή για την παραχώρηση της κεντρικής φωτογραφίας του άρθρου.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΛΛΗΝΙΚΗ

    Bartusiak, M., 2022. H Μέρα που ανακαλύψαμε το Σύμπαν. ΡΟΠΗ: Θεσσαλονίκη

    ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ

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

    ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΑ ΑΡΘΡΑ

    Babcock, H., 1939. The rotation of the Andromeda Nebula. Lick Observatory bulletin ; no. 498, DOI: 10.5479/ADS/bib/1939LicOB.19.41B

    Bertone, G., Hooper, D., 2018. A history of Dark Matter. Rev. Mod. Phys. 90, 45002, DOI: 10.1103/RevModPhys.90.045002

    Hubble, E., 1929. A spiral nebula as a stellar system, Messier 31. Astrophys. J. 69. DOI: 10.1086/143167

    Hubble, E., and Humason, M., L., 1931. A New Interpretation of the Hubble Law. Astrophys. J. 74, 43. DOI: 10.1086/143323

    Kapteyn, J., C., 1922. First Attempt at a Theory of the Arrangement and Motion of the Sidereal System. Astrophysical Journal 55, p.302. DOI: 10.1086/142670

    Kelvin, B., 1904, Baltimore lectures on molecular dynamics and the wave theory of light, https://archive.org/details/baltimorelecture00kelviala

    Lundmark, Κ., 1930. Über die Bestimmung der Entfernungen, Dimensionen, Massen und Dichtigkeit fur die nächstgelegenen anagalacktischen Sternsysteme. Lund Medd. No125, 1. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1930MeLuF.125….1L/abstract

    Oort, J., H., 1927.Observational Evidence Confirming Lindblad’s Hypothesis of a Rotation of the Galactic System. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 87, 404–428. doi:10.1093/mnras/87.5.404

    Oort, J., H., 1932. The force exerted by the stellar system in the direction perpendicular to the galactic plane and some related problems. Bull. Astron. Inst. Netherlands 6, pp. 249-287. https://cds.cern.ch/record/436532?ln=en

    Pease, F., G., 1918. The Rotation and Radial Velocity of the Central Part of the Andromeda Nebula. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 4(1), 21–24. doi:10.1073/pnas.4.1.21

    Poincare, H., 1906. The Milky Way and the Theory of Gases. Popular Astronomy 14, pp.475-488. https://adsabs.harvard.edu/full/1906PA…..14..475P

    Rubin, V., C., and Ford, W., K., Jr., 1970. Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. Astrophys. J. 159, 379. DOI: 10.1086/150317

    Rubin, V., C., Thonnard, N., and Ford, W., K., Jr., 1978. Extended rotation curves of high-luminosity spiral galaxies. IV. Systematic dynamical properties, Sa -> Sc. Astrophysical Journal 225, L107-L11. DOI: 10.1086/182804

    Slipher, V., M., 1914. Spectrographic Observations of Nebulae. Pop. Astron. 23, 21–24. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1915PA…..23…21S/abstract

    Zwicky, F., 1933. Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln. Helv. Phys. Acta 6, 110–127. https://inspirehep.net/literature/8352

    Zwicky, F., 1937. On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae. Astrophys. J. 86, 217. DOI: 10.1086/143864

  • ΟΙ «ΓΑΤΕΣ» ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ

    ΟΙ «ΓΑΤΕΣ» ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ

    Στη μνήμη του Ευτύχη Μπιτσάκη

    Βασίλης Λεμπέσης

    Η κβαντική μηχανική είναι ίσως η πιο ενδιαφέρουσα και ταυτόχρονα αινιγματική θεωρία της σύγχρονης φυσικής καθώς οι νόμοι της φαίνονται συχνά παράδοξοι σε σχέση με την καθημερινή μας εμπειρία. Δύο από τις πιο γνωστές αλληγορίες που ενσαρκώνουν αυτή την κβαντική παραδοξότητα είναι η γάτα του Schrödinger και η γάτα του Cheshire. Η πρώτη σχετίζεται με την δυνατότητα ενός συστήματος να βρίσκεται σε δύο διαφορετικές καταστάσεις ταυτόχρονα. Η δεύτερη, που οφείλει το όνομά της σε έναν χαρακτήρα από το κλασικό βιβλίο “Η Αλίκη στη Χώρα των Θαυμάτων”, έχει γίνει σύμβολο ενός ακόμα πιο περίεργου κβαντικού φαινομένου: το διαχωρισμό ενός σωματιδίου από τις ιδιότητές του. Στο παρόν άρθρο, θα κάνουμε μια σύντομη αναφορά σε αυτές τις ιδέες και στους τρόπους με τους οποίους έχουν επιδειχθεί σε πειράματα, χρησιμοποιώντας παγιδευμένα ιόντα και φωτόνια σε οπτικές κοιλότητες. Το άρθρο ξεκινά με την παρουσίαση κάποιων βασικών αρχών που χρειάζονται στον αναγνώστη για να κατανοήσει το περιεχόμενο των θεμάτων που θα παρουσιάσουμε.ΥΠΕΡΘΕΣΗ ΚΒΑΝΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ

    Η κβαντική φυσική μίλησε εδώ και ένα αιώνα για την διπλή φύση της ύλης η οποία μας παρουσιάζεται πότε με το ένα πρόσωπό της ως σωματίδιο και πότε με το άλλο ως κύμα. Η παραδοχή αυτή άνοιξε τις πύλες ενός παράξενου κόσμου κυριαρχούμενου από φαινόμενα που ήταν εντελώς ανοίκεια στην αντίληψή μας. Ένα από αυτά ήταν η αρχή της υπέρθεσης των καταστάσεων (superposition principle) σύμφωνα με την οποία ένα σύστημα που έχει δύο ή περισσότερες δυνατές καταστάσεις (π.χ. ένας διακόπτης που μπορεί να είναι «ανοικτός» ή «κλειστός») συμπεριφέρεται εντελώς διαφορετικά στην κλασική και στην κβαντική του εκδοχή. Στη μεν κλασική εκδοχή μπορεί να βρίσκεται αποκλειστικά σε μια από τις δύο καταστάσεις, κάτι το οποίο πολύ εύκολα μπορούμε να το αποδεχτούμε. Ένας κβαντικός, όμως, διακόπτης μπορεί να βρίσκεται σε μια κατάσταση που αποτελεί ταυτόχρονα ένα συνδυασμό των δύο δυνατών καταστάσεων. Αν, για παράδειγμα, συμβολίσουμε την «ανοικτή» κατάσταση με |0⟩ και την «κλειστή» με |1⟩ τότε μια ισοπίθανη υπέρθεση αυτών των καταστάσεων συμβολίζεται από την κυματοσυνάρτηση[1] (wave function):

        \[\( \Psi = \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle + |1\rangle) \).\]

    Η υπέρθεση των κβαντικών καταστάσεων, και κυρίως η διατήρησή της, προϋποθέτει μια «απομόνωση» του κβαντικού συστήματος. Αν προσπαθήσουμε να διαταράξουμε αυτήν την «απομόνωση», για παράδειγμα, εκτελώντας μια μέτρηση στο σωματίδιο, αυτό υπονοεί απαραίτητα μια αλληλεπίδραση με τη συσκευή μέτρησης. Ως αποτέλεσμα, το σωματίδιο καταρρέει σε μία από τις δύο πιθανές καταστάσεις του και παραμένει σε αυτήν. Αυτό οφείλεται στο ότι η μέτρηση, στην κβαντομηχανική, είναι μια μη αναστρέψιμη και εντελώς τυχαία διαδικασία. Ένα κβαντικό σύστημα έχει ένα σύνολο αποτελεσμάτων που προβλέπονται από την κατανομή πιθανότητας της κυματοσυνάρτησης. Τα αποτελέσματα είναι ντετερμινιστικά[2] αλλά όχι προβλέψιμα. Ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι πως μετά από μια μέτρηση, ένα κβαντικό σύστημα παραμένει στην μετρούμενη κατάσταση καθώς σύμφωνα με το μετρητικό αξίωμα: οποιαδήποτε και αν είναι η κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος πριν από μια μέτρηση ενός φυσικού μεγέθους, η κατάσταση μετά τη μέτρηση θα περιγραφεί από την ιδιοσυνάρτηση που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή του μεγέθους που μετρήθηκε (Τραχανάς, 2009). Στην κβαντομηχανική αυτό είναι γνωστό με τον όρο κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης (collapse of wavefunction).Η κατανόηση και η επεξήγηση της υπέρθεσης καταστάσεων είναι αρκετά δύσκολη, ακόμη και για καταξιωμένους φυσικούς, επειδή τα κβαντομηχανικά φαινόμενα έρχονται σε αντίθεση με την καθημερινή μας διαίσθηση. Ένα πολύ επιτυχημένο ανάλογο αυτής της έννοιας παρουσιάστηκε από τον C. R. Monroe και τον βραβευμένο με βραβείο Νόμπελ D. J. Wineland , και απεικονίζεται στην Εικ.1 (Monroe & Wineland, 2008). Στο παράδειγμά τους, οι Monroe και Wineland χρησιμοποιούν ένα φαινόμενο που μας είναι οικείο όταν προσπαθούμε να σχεδιάσουμε έναν κύβο σε ένα κομμάτι χαρτί. Το μάτι μας συνήθως «ξεγελιέται» και δεν μπορεί να ξεχωρίσει ποια πλευρά είναι στο προσκήνιο και ποια πίσω από αυτό. Αυτό είναι ένα ανάλογο της υπέρθεσης δύο κβαντικών καταστάσεων – ο κύβος είναι «αιωρούμενος» μεταξύ δύο διαφορετικών καταστάσεων. Όταν, όμως, προσπαθήσουμε να εστιάσουμε σε μία από τις δύο πλευρές, αυτή η πλευρά «μετακινείται» στο προσκήνιο, αφήνοντας την άλλη στο παρασκήνιο. Αυτό ισοδυναμεί με την εκτέλεση μιας μέτρησης σε ένα κβαντικό σύστημα.

    Εικ. 1

    Εικ. 1. Όταν σχεδιάζουμε έναν κύβο σε ένα κομμάτι χαρτί, δημιουργείται μια ψευδαίσθηση η οποία μας εμποδίζει να διακρίνουμε αμέσως ποια πλευρά είναι η μπροστινή (|0⟩) και ποια η πίσω (|1⟩). Ο κύβος σε αυτή την περίπτωση (πάνω) βρίσκεται σε υπέρθεση δύο διαφορετικών καταστάσεων \Psi=\frac{1}{\sqrt2}\left(\left.|0\right\rangle+\left.|1\right\rangle\right) .(κάτω) Αν προσπαθήσουμε να εστιάσουμε σε μία από τις πλευρές, βλέπουμε |0> μπροστά ή |1> πίσω. Αυτό «ισοδυναμεί» με την εκτέλεση μιας κβαντομηχανικής μέτρησης (Lembessis, 2020).

    Η ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΛΕΞΗ

    Το άλλο κβαντικό φαινόμενο που φτάνει τη διαίσθηση και φαντασία μας στα όριά τους είναι η περίφημη κβαντική σύμπλεξη (quantum entanglement). Πρόκειται για ένα φυσικό φαινόμενο που εμφανίζεται όταν δημιουργούνται ή αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κβαντικά σωματίδια ή σύνολα κβαντικών σωματιδίων με τέτοιο τρόπο ώστε η κβαντική κατάσταση κάθε σωματιδίου να μην μπορεί να περιγραφεί ανεξάρτητα από την κατάσταση των άλλων σωματιδίων, ακόμη και όταν τα δύο σωματίδια χωρίζονται από πολύ μεγάλες αποστάσεις. Η κατάσταση των σωματιδίων μπορεί να περιγραφεί μόνο ως κατάσταση ενός ενιαίου συστήματος. Αν, για παράδειγμα, έχουμε ένα σύστημα δύο σωματιδίων που μπορούν να βρίσκονται σε δύο δυνατές καταστάσεις, όπως στην προηγούμενη παράγραφο, τότε μια σύμπλεκτη κατάσταση περιγράφεται από την κυματοσυνάρτηση:

        \[\( \Psi = \frac{1}{\sqrt{2}} (|0\rangle |0\rangle + |1\rangle |1\rangle) \).\]

    Ακολουθώντας ξανά τους Monroe και Wineland μπορούμε να πούμε πως η περίπτωση της κβαντικής σύμπλεξης είναι ανάλογη με το σχέδιο δύο πανομοιότυπων κύβων (Εικ. 2). Σε αυτή την περίπτωση, τα μάτια μας βλέπουν τους δύο κύβους άλλες φορές με τη μια πλευρά σε πρώτο πλάνο και άλλες φορές με την άλλη πλευρά σε πρώτο πλάνο. Οποιαδήποτε προσπάθεια εστίασης στο σχέδιο «αναγκάζει» τους κύβους να βρίσκονται στην ίδια κατάσταση, ανεξάρτητα από το αν υπάρχει κάποια «φυσική» σύνδεση μεταξύ τους.

    Εικ. 2

    Εικ. 2. Σε αυτή την περίπτωση, βλέπουμε μια σύμπλεκτη κατάσταση που περιγράφεται από μια κυματοσυνάρτηση \Psi=\frac{1}{\sqrt2}\left(\left.|0\right\rangle\left.|0\right\rangle+\left.|1\right\rangle\left.|1\right\rangle\right) (πάνω). Μερικές φορές τα μάτια μας βλέπουν τους δύο κύβους με τη μία πλευρά μπροστά, και άλλες φορές με την άλλη πλευρά μπροστά. (κάτω μέρος). Οποιαδήποτε προσπάθεια εστίασης στο σχήμα κάνει τους κύβους να βρίσκονται στην ίδια κατάσταση, ανεξάρτητα από το αν υπάρχει φυσική σύνδεση μεταξύ τους. (Lembessis, 2021).

    Η κβαντική σύμπλεξη χαρακτηρίστηκε το 1935 από τον E. Schrödinger ως η καρδιά και η ουσία της κβαντικής φυσικής—το φαινόμενο που διαχωρίζει ριζικά την κβαντική φυσική από την κλασική (Schrödinger, 1935). Η κβαντική σύμπλεξη σχετίζεται άμεσα με όλες τις περίφημες «ιδιοτροπίες» της κβαντικής φυσικής, όπως η αρχή του μη διαχωρίσιμου[3] (principle of inseparability) και η αρχή της συμπληρωματικότητας[4] (principle of complementarity) ενώ αποτελεί μαζί με την αρχή της υπέρθεσης τους πυλώνες του κβαντικού υπολογισμού και ως εκ τούτου της λειτουργίας των κβαντικών υπολογιστών.

    Όπως έχει γραφτεί, η κβαντική σύμπλεξη μπορεί να θεωρηθεί ως ένας «αόρατος αγωγός» μεταξύ σωματιδίων που δεν έχει κλασικό ανάλογο (Monroe & Wineland, 2008). Είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον, από την άποψη του Υπολογισμού, πως μια σύμπλεκτη κατάσταση μπορεί να περιέχει περισσότερες πληροφορίες από όσες είναι πιθανό να περιέχονται σε οποιαδήποτε κλασική κατάσταση με τον ίδιο αριθμό σωματιδίων. Το μείζον πρόβλημα με αυτές τις καταστάσεις είναι η ταχεία απώλεια της σύμπλεξης ως αποτέλεσμα κάθε λογής αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον. Πολλοί πιστεύουν ότι αυτό και μόνο το γεγονός θέτει όρια στον κβαντικό υπολογισμό. Αυτό γιατί, με απλά λόγια, η συμφωνία είναι η αιτία που επιτρέπει σε ένα κβαντικό σύστημα να βρίσκεται ταυτόχρονα σε πολλαπλές καταστάσεις — κάτι σαν ένα τέλεια συγχρονισμένο πολυφωνικό τραγούδι. Όταν χάνεται αυτή η συμφωνία (quantum coherence) , το κβαντικό σύστημα «ξεχνά» τις εξαιρετικά λεπτές συσχετίσεις του και αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν ένα κλασικό σύστημα, χάνοντας έτσι το κβαντικό του πλεονέκτημα. Χωρίς συμφωνία, οι κβαντικοί υπολογισμοί καταρρέουν — όπως μια μουσική συμφωνία που μετατρέπεται ξαφνικά σε θόρυβο. Για τον λόγο αυτό, η διατήρηση της συμφωνίας όσο το δυνατόν περισσότερο είναι θεμελιώδης προϋπόθεση για κάθε κβαντική τεχνολογία.

    ΙΔΙΟΜΟΡΦΙΕΣ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ

    Η εκτίμηση του φάσματος των δυνατών αποτελεσμάτων μιας μέτρησης ενός φυσικού μεγέθους σε ένα κβαντικό σύστημα και η εξαγωγή της αντίστοιχης κατανομής πιθανότητας προϋποθέτει την επανάληψη της μέτρησης στο σύστημα εκκινώντας κάθε φορά από τις ίδιες αρχικές συνθήκες. Όμως ανάμεσα στη θεωρία και την πράξη παρεμβάλλονται και οι εκάστοτε πειραματικές δυνατότητες που καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από το τεχνολογικό κεκτημένο κάθε εποχής.

    Θα πρέπει να σημειώσουμε πως ήδη από τη δεκαετία του 1930 μεμονωμένα σωματίδια μπορούσαν να ανιχνευθούν και να μελετηθούν, για παράδειγμα σε θαλάμους με φυσαλίδες παρατηρώντας τα ίχνη τους ή τα υπολείμματά τους μετά τον θρυμματισμό τους εξαιτίας των μεταξύ τους ισχυρών συγκρούσεων. Σε αυτά τα πειράματα, η ύπαρξη των σωματιδίων και οι ιδιότητές τους συνήχθησαν, θα λέγαμε, «μεταθανάτια». Όπως έγραψε ο Schrödinger το 1952 αυτές οι μελέτες μοιάζουν με την εξονυχιστική ανάλυση αρχείων σχετικά με γεγονότα που έχουν συμβεί αρκετά πιο πριν (Schrödinger, 1952). Ο φυσικός σε αυτήν την περίπτωση μοιάζει με έναν αρχαιολόγο που προσπαθεί μέσα από ευρήματα να ανασκευάσει την ιστορία του παρελθόντος.

    Οι πειραματικές προσπάθειες στις οποίες εμπλέκονται άτομα και φωτόνια δεν περιορίζονται μόνο στην ευαίσθητη ανίχνευση. Πρέπει να μπορούν όχι μόνο να ανιχνεύουν μεμονωμένα σωματίδια, αλλά να το κάνουν χωρίς να τα καταστρέφουν. Ο χειρισμός των σωματιδίων θα πρέπει να γίνεται με «χειρουργική» ακρίβεια ώστε να εξασφαλίζεται η επαναλαμβανόμενη παρατήρησή τους, σε αντίθεση με τις «στατικές» παρατηρήσεις που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Η επανάληψη των μετρήσεων παρέχει πρόσβαση σε συσχετισμούς διαφόρων ειδών. Η κβαντική φυσική, στην ουσία της, περιγράφει και εξηγεί συσχετισμούς μεταξύ γεγονότων. Είναι επομένως απαραίτητο τα πειράματα που αφορούν στη διερεύνηση των αρχών της κβαντομηχανικής να μπορούν να εκτελούν επαναλαμβανόμενες μετρήσεις σε μεμονωμένα σωματίδια. Σε αυτή την περίπτωση, ο φυσικός δεν θα πρέπει να συγκρίνεται με τον παλαιοντολόγο, αλλά μάλλον με έναν βιολόγο που εργάζεται in vivo.

    Η δραστική επίδραση μιας μέτρησης στη δυναμική ενός κβαντικού συστήματος ώθησε τους ερευνητές στην αναζήτηση τρόπων υπέρβασης αυτού του φαινομένου. Η μια λύση αναζητήθηκε στις λεγόμενες ασθενείς κβαντικές μετρήσεις (quantum weak measurements). Όπως δηλώνει και ο όρος πρόκειται για «απαλές» μετρήσεις οι οποίες δεν διαταράσσουν αρκετά την κατάσταση του κβαντικού συστήματος ούτως ώστε να αποφεύγεται η «ανεπιθύμητη» κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης. Τα βασικά χαρακτηριστικά αυτής της πειραματικής μεθόδου είναι: η ελάχιστη διαταραχή στο σύστημα που εξασφαλίζει αποφυγή της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης, ο περιορισμένος όγκος πληροφορίας που μπορεί να εξαχθεί σε μια μέτρηση επιβάλλοντας τον στατιστικό συνδυασμό πολλαπλών ασθενών μετρήσεων και, τέλος, η συχνή χρήση εκ των προτέρων (pre-selection) και εκ των υστέρων επιλογής (post selection) μιας κβαντικής κατάστασης για την αποκάλυψη πληροφοριών σχετικά με τα κβαντικά συστήματα μεταξύ των μετρήσεων. Κάτι που έχει ιδαίτερη σημασία είναι πως το αποτέλεσμα μιας μέτρησης μπορεί να βρίσκεται εκτός του φάσματος ιδιοτιμών («ασθενείς τιμές»). Θα πρέπει, επίσης, να τονιστεί πως ενώ η ιδέα της ασθενούς μέτρησης από μόνη της δεν φαίνεται να αποτελεί ριζική απόκλιση από τον κβαντικό φορμαλισμό, κατά την εκτέλεση των πειραμάτων ξεδιπλώθηκε ένας ολόκληρος νέος κόσμος από φαινόμενα που διέλαθαν της προσοχής των πειραματικών. Ανάμεσα σε αυτά και η τυχαία ανακάλυψη της γάτας του Cheshire που θα μας απασχολήσει στη συνέχεια.

    Η άλλη μέθοδος είναι η λεγόμενη μη καταστροφική κβαντική μέτρηση (Quantum Non-Demolition Measurement) και είχε προταθεί από τον V. Braginsky και τους συνεργάτες του τη δεκαετία του 1970, στο πλαίσιο της ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων (Braginsky & Khalili, 1996). Βασικό χαρακτηριστικό αυτής της μεθόδου είναι η εκτέλεση μετρήσεων, μετά το πέρας των οποίων το κβαντικό σύστημα παραμένει άθικτο, επιτρέποντας την συνεχόμενη επανάληψη της μέτρησης σε αυτό. Τα βασικά της χαρακτηριστικά αυτής της πειραματικής μεθόδου είναι: α) Η ισχυρή αλλά προσεκτικά σχεδιασμένη μέτρηση ώστε να μην διαταράσσει το προς μέτρηση παρατηρήσιμο φυσικό μέγεθος, β) Το αποτέλεσμα της μέτρησης ανήκει στο φάσμα ιδιοτιμών, γ) Η διατήρηση του υπό παρατήρηση φυσικού μεγέθους ακόμη και σε διαδοχικές μετρήσεις. Η μη καταστροφική κβαντική μέτρηση χρησιμοποιείται συχνά για την παρακολούθηση συστημάτων με την πάροδο του χρόνου χωρίς να καταστρέφεται η κατάσταση τους (π.χ., στην κβαντική οπτική ή στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων).

    Η ΓΑΤΑ ΤΟΥ SCHRÖDINGER

    Στην προσπάθειά τους να ερευνήσουν τα όρια και τις πιθανές αντιφάσεις των φυσικών θεωριών οι επιστήμονες κατέφυγαν από πολύ νωρίς στα περίφημα νοητικά πειράματα τα οποία στη διεθνή βιβλιογραφία είναι γνωστά με τον όρο gedankenexperiment. Πρόκειται για θεωρητικά σχήματα που, κατά κύριο λόγο, η σύλληψή τους γίνεται σε μια συγκεκριμένη ιστορική περίοδο, όταν οι πειραματικές και τεχνολογικές δυνατότητες ενός συγκεκριμένου τομέα έρευνας δεν είναι αρκετά ώριμες για την πραγματοποίησή τους. Αυτά τα πειράματα βοήθησαν, είτε στην ανάπτυξη επιστημονικών θεωριών, όπως οι θεωρίες της ειδικής και γενικής σχετικότητας, είτε στη διερεύνηση των ορίων εγκυρότητας μιας θεωρίας, όπως στην περίπτωση της κβαντικής μηχανικής.

    Το 1935, ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger πρότεινε ένα νοητικό πείραμα ως κριτική της ερμηνείας της Σχολής της Κοπεγχάγης για την κβαντομηχανική, ιδιαίτερα της ιδέας της κβαντικής υπέρθεσης και μέτρησης (Schrödinger, 1935). Στόχος του ήταν να δείξει αυτό που θεωρούσε παράδοξο ή παραλογισμό όταν οι κβαντικές αρχές εφαρμόζονται σε μακροσκοπικά αντικείμενα. Αν αποδεχτούμε την ερμηνεία της Κοπεγχάγης κυριολεκτικά, τότε θα καταλήξουμε στο ότι μια γάτα σε ένα κουτί θα μπορούσε να είναι ταυτόχρονα νεκρή και ζωντανή μέχρι κάποιος να ανοίξει το κουτί και να κοιτάξει – ένα σαφώς παράλογο συμπέρασμα. To νοητικό πείραμα του Schrödinger δίνει έμφαση στο πρόβλημα του πού και πώς συμβαίνει η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης. Είναι κατά τη διάρκεια της μέτρησης; Οφείλεται στην αλληλεπίδραση με το περιβάλλον; Ή μήπως συνδέεται με τη συνείδηση; Ο στόχος του Schrödinger δεν ήταν να υπονοήσει ότι οι γάτες βρίσκονται στην πραγματικότητα σε υπερθέσεις ζωής και θανάτου, αλλά να αναγκάσει τους φυσικούς και τους φιλοσόφους να αντιμετωπίσουν τις παράξενες επιπτώσεις της κβαντομηχανικής και να αμφισβητήσουν την πληρότητα ή τη συνέπεια της θεωρίας. Στην ουσία, ο Schrödinger χρησιμοποίησε τη γάτα για να αμφισβητήσει τα όρια μεταξύ κβαντικού και κλασικού κόσμου και να προκαλέσει συζήτηση σχετικά με την ερμηνεία της κβαντομηχανικής – μια συζήτηση που συνεχίζεται μέχρι σήμερα.

    Φανταστείτε μια γάτα μέσα σε ένα κουτί, μαζί με μια μηχανή που μπορεί να σκοτώσει την γάτα με βάση την αποδιέγερση ενός ραδιενεργού ατόμου το οποίο μπορεί να εκπέμψει ένα φωτόνιο ή ένα ραδιενεργό σωματίδιο. Το άτομο αρχικά είναι διεγερμένο. Αν εκπέμψει, ο μηχανισμός ενεργοποιείται και σκοτώνει τη γάτα, αν όχι, τότε η γάτα παραμένει ζωντανή. Προϊόντος του χρόνου παραμονής στη διεγερμένη κατάσταση, το άτομο έχει εξελιχθεί σε μια υπέρθεση δύο καταστάσεων (αποδιέγερση ή μη), η μία από τις οποίες θα συνδεόταν με τη καταγραφή μιας νεκρής γάτας και η άλλη με την καταγραφή μιας ζωντανής γάτας. Σε αυτή την περίπτωση, το άτομο, ένα μικροσκοπικό σωματίδιο και η γάτα, ένα μακροσκοπικό σώμα, θα βρίσκονται σε μια σύμπλεκτη κατάσταση. Σύμφωνα με την καθιερωμένη ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής, μέχρι να ανοίξουμε το κουτί, το άτομο βρίσκεται σε μια υπέρθεση καταστάσεων – δηλαδή, ταυτόχρονα έχει και δεν έχει αποδιεγερθεί. Και επειδή η ζωή της γάτας εξαρτάται από αυτό, η ίδια η γάτα βρίσκεται σε μια υπέρθεση ζωντανής και νεκρής κατάσταστασης ταυτόχρονα! Στην γλώσσα της κβαντικής μηχανικής η κατάσταση του συστήματος «μηχανισμός + γάτα» περιγράφεται από την παρακάτω σχέση:

        \[|\Psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \{|\zeta\omega\nu\tau\alpha\nu\eta\rangle|\mu\eta \ \alpha\pi\omicron\delta\iota\epsilon\gamma\epsilon\rho\sigma\eta\rangle + |\nu\epsilon\kappa\rho\eta\rangle|\alpha\pi\omicron\delta\iota\epsilon\gamma\epsilon\rho\sigma\eta\rangle\}\]

    Πρόκειται για μια σύμπλεκτη κατάσταση όπου η κατάσταση της γάτας είναι συσχετισμένη με αυτήν του ατόμου.

    Το ερώτημα που τέθηκε ήταν αν κάτι τέτοιο μπορούσε να παρατηρηθεί στην πραγματικότητα. Η πειραματική υλοποίηση έγινε δυνατή τις τελευταίες δεκαετίες χάρις την αλματώδη ανάπτυξη νέων πειραματικών τεχνικών με ψυχρά άτομα και ιόντα καθώς και υψηλής ευαισθησίας φωτονικών κοιλοτήτων. Οι δύο διαφορετικές εκδοχές αυτών των πειραμάτων αποτελούν επί της ουσίας τις δύο πλευρές του ίδιου νομίσματος. Στην πρώτη περίπτωση στα πειράματα της École Normale Supérieure (ENS) στο Παρίσι, υπό την καθοδήγηση του Serge Haroche (βραβείο Νόμπελ 2012), χρησιμοποίησαν παγιδευμένα φωτόνια σε μια ηλεκτρομαγνητική κοιλότητα φτιαγμένη από καθρέφτες υψηλής ανακλαστικότητας και αξιοποίησαν δέσμες ατόμων για να ανιχνεύσουν και να χειριστούν αυτά τα φωτόνια και να μελετήσουν την εξέλιξή τους (Deleglise, 2008). Στην δεύτερη περίπτωση, υπό την καθοδήγηση του D. Wineland, στο National Institute of Standards and Technology (NIST) στο Boulder του Κολοράντο, έκαναν ακριβώς το αντίθετο: παγίδευσαν μεμονωμένα ιόντα, με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνητικών πεδίων που παράγονται από ηλεκτρόδια και χρησιμοποιήσαν δέσμες λέιζερ για να χειριστούν και να ανιχνεύσουν τη συμπεριφορά αυτών των σωματιδίων.

    I) ΟΙ ΓΑΤΕΣ ΤΗΣ ENS

    Στα πειράματα της ENS βασικό ρόλο έπαιξε η χρήση ατόμων Rydberg, καθώς και η τεχνολογική πρόοδος στην κατασκευή ηλεκτρομαγνητικών κοιλοτήτων υψηλής πιστότητας. Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1970, στην έρευνα πάνω στα φάσματα των ατόμων υπήρχε μια terra incognita, όπως πολύ γλαφυρά έχει αναφέρει ο Haroche στην διάλεξη για την απονομή του βραβείου Νόμπελ (Haroche, 2013). Πρόκειται για μια περιοχή δέσμιων καταστάσεων των ηλεκτρονίων πολύ κοντά στο όριο ιονισμού. Οι καταστάσεις αυτές είναι γνωστές ως καταστάσεις Rydberg (Rydberg states). Το βασικό χαρακτηριστικό τους είναι η πολύ μεγάλη απόσταση των ηλεκτρονίων από τον πυρήνα[5], γεγονός που δίνει σε αυτές τις καταστάσεις πολύ μεγάλες διπολικές ροπές και καθιστά αυτά τα άτομα εξαιρετικά ευαίσθητα στις αλληλεπιδράσεις τους με την ακτινοβολία μικροκυμάτων. Μια άλλη σημαντική ιδιότητα αυτών των καταστάσεων είναι ο μεγάλος χρόνος (για την κλίμακα των κβαντικών φαινομένων) που επιβιώνει το ηλεκτρόνιο όταν διεγερθεί και μεταβεί σε μια τέτοια διεγερμένη κατάσταση, που μπορεί να φτάσει τα 30 ms, και είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με το χρόνο ζωής των φωτονίων μέσα στην κοιλότητα.

    Μια σειρά από πειραματικά επιτεύγματα στην αλληλεπίδραση των ατόμων Rydberg με εξελιγμένες «εκδόσεις» των ηλεκτρομαγνητικών κοιλοτήτων οδήγησαν αφενός, στην δημιουργία ενός ερευνητικού πεδίου γνωστού ως Κβαντική Ηλεκτροδυναμική Κοιλότητας[6](Cavity Quantum Electrodynamics, CQED) αφετέρου στη δημιουργία του βασικού εργαλείου με το οποίο θα αποκαλύπτονταν τα μυστικά των κβαντικών ιδιοτήτων των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων[7]. Η εξέλιξη των πειραμάτων οδήγησε στην ανάπτυξη διατάξεων όπου τα άτομα Rydberg αλληλεπιδρούσαν πλέον με ηλεκτρομαγνητικά πεδία μέσα στην κοιλότητα, τα μήκη κύματος των οποίων ήταν πλέον στην περιοχή του ορατού ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (Jhe et al, 1987)[8]. Το άλλο σημαντικό εμπόδιο που έπρεπε να υπερβληθεί ήταν η εκτέλεση μετρήσεων μετά το πέρας των οποίων το φωτόνιο θα έμενε άθικτο επιτρέποντας την συνεχή επανάληψη της μέτρησης στο ίδιο φωτόνιο. Οι ερευνητές στην ENS χρειάστηκε να προσαρμόσουν τις τεχνικές μη καταστροφικής μέτρησης στην ανίχνευση κβάντων φωτός για να μπορέσουν να το επιτύχουν.

    Εικ. 3

    Εικ. 3. Σχηματική αναπαράσταση της διάταξης που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα στην ENS για την παρατήρηση της Γάτας του Schrödinger

    Σε αυτά τα πειράματα τον ρόλο της «δολοφονικής συσκευής» έπαιξε ένα μόνο άτομο σε μια υπέρθεση δύο εσωτερικών καταστάσεων Rydberg. To ρόλο της «γάτας» έπρεπε να παίζει ένα σύστημα το οποίο με κάποιο τρόπο θα μπορεί να αποκτήσει μια κλασική συμπεριφορά. Κάτι τέτοιο μπορούν να μας προσφέρουν οι λεγόμενες σύμφωνες καταστάσεις (coherent states). Πρόκειται για κβαντικές καταστάσεις στις οποίες ελαχιστοποιείται η τιμή της σχέσης αβεβαιότητας[9] και των οποίων οι μέσες τιμές ακολουθούν κλασικές εξισώσεις κίνησης[10].

    Το άτομο μέσω της υπέρθεσης των καταστάσεων κατά την αλληλεπίδρασή του με το σύμφωνο πεδίο της κοιλότητας «ελέγχει» την φάση του πεδίου η οποία μπορεί να λαμβάνει δύο διαφορετικές τιμές ταυτόχρονα, τη μία εξ’ αυτών μπορούμε να ονομάσουμε «ζωντανή» και την άλλη «νεκρή». Ο προσεκτικός αναγνώστης θα μπορούσε να αναρωτηθεί πως είναι δυνατόν ένα και μόνο άτομο να επηρεάζει τη φάση ενός πεδίου που αποτελείται από πλήθος φωτονίων. Η απάντηση βρίσκεται αποκλειστικά στην πανίσχυρη αλληλεπίδραση ενός ατόμου Rydberg με το πεδίο. Το άτομο μετατρέπεται σε ένα μέσο με πολύ μεγάλο δείκτη διάθλασης ικανό να επηρεάζει μακροσκοπικά την κατάσταση ενός πεδίου.

    II) ΟΙ ΓΑΤΕΣ ΤOΥ NIST

    Η επόμενη οικογένεια πειραμάτων στα οποία υλοποιήθηκε η ιδέα της Γάτας του Schrödinger έλαβε χώρα στο εργαστήριο του NIST υπό την επίβλεψη του David Wineland. Για να φτάσουν στο επίτευγμα αυτό έπρεπε να προηγηθούν μια σειρά πειράματα. Τα πρώτα από αυτά αφορούσαν στην απομόνωση μεμονωμένων ιόντων η οποία μπορεί να γίνει εφικτή μέσω της αλληλεπίδρασής τους με κατάλληλα ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Αξιοσημείωτα ήταν τα πειράματα με ιόντα Ba+ στα οποία, εκτός των άλλων, με τη βοήθεια ενός μεγεθυντικού φακού, περισυνελλέγει και κατέστη ορατό από το ανθρώπινο μάτι το φως από τον φθορισμό ενός και μόνο ιόντος (Neuhauser et al. 1980). Στα πειράματα στο NIST επικεντρώθηκαν αρχικά σε ιόντα Hg+ εξαιτίας μιας σειράς πειραματικών πλεονεκτημάτων στην χρήση τους . Στην καταγραφή του φθορισμού των ιόντων έγινε χρήση τεχνικών μη καταστροφικής κβαντικής μέτρησης[11].

    Το επόμενο βήμα ήταν ο έλεγχος της εξωτερικής (μεταφορικής) κίνησης των ιόντων και ακόμη περισσότερο η συσχέτιση της με την εσωτερική κατάσταση του ιόντος. Η μεταφορική κίνηση επιβραδύνθηκε σε πολύ μεγάλο βαθμό με τη χρήση φωτός λέιζερ και σε συνδυασμό με την επίδραση των πεδίων της παγίδας μετατράπηκε, επί της ουσίας, σε μια απλή αρμονική κίνηση γύρω από μια θέση ισορροπίας. Με απλά λόγια η κίνηση του ιόντος ήταν παρόμοια με αυτήν ενός σωματιδίου προσκολλημένου σε ένα ελατήριο. Ο λόγος που οι επιστήμονες επιδίωξαν τον ακριβή έλεγχο της ιοντικής κίνησης ήταν για να μπορέσουν αρχικά να τοποθετήσουν το ιόν στην θεμελιώδη ενεργειακή κατάσταση της παγίδας. Αυτό ήταν προαπαιτούμενο ώστε να είναι σε θέση να κατασκευάσουν πιο σύνθετες καταστάσεις της μεταφορικής κίνησης του ιόντος με τελικό στόχο να επιτύχουν την κατασκευή μιας σύμφωνης κατάστασης.

    Η βασική φυσική διαφορά ανάμεσα στα πειράματα στην ENS και σε αυτά στο NIST είναι ο χαρακτήρας και ο ρόλος του «αρμονικού ταλαντωτή» που χρειαζόμαστε ώστε να κατασκευάσουμε σύμφωνες καταστάσεις. Στη μεν πρώτη περίπτωση αυτόν τον ρόλο τον είχε το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο της κοιλότητας ενώ στη δεύτερη περίπτωση η παγιδευμένη μεταφορική κίνηση του ιόντος. Με την πάροδο των ετών, αυτή η αντιστοιχία έχει οδηγήσει σε μερικά ενδιαφέροντα και συμπληρωματικά πειράματα μεταξύ των δύο τύπων πειραμάτων (Haroche & Raimond, 2006).

    Για να φτάσουν στην υλοποίηση του στόχου τους στο NIST χρειάζονταν έναν μηχανισμό που θα έπαιζε το ρόλο της «δολοφονικής διάταξης» (του ραδιενεργού σωματιδίου στο νοητικό πείραμα του Schrödinger). Στη συγκεκριμένη περίπτωση χρειάζονταν κάτι που να συμπλέκει την μεταφορική κίνηση του ιόντος με την εσωτερική του κατάσταση (Wineland, 2013). Aυτό μπορεί να συμβεί όταν το ιόν αλληλεπιδράσει με το φως του λέιζερ το οποίο έχει σχεδόν αυστηρά καθορισμένη συχνότητα και πόλωση. Με αυτόν τον τρόπο επάγει μεταβάσεις ενός ηλεκτρονίου μεταξύ δύο μόνο συγκεκριμένων ενεργειακών σταθμών του ιόντος η χαμηλότερη (ενεργειακά) εκ των οποίων ονομάζεται θεμελιώδης και η ανώτερη διεγερμένη. Με την κατάλληλη εφαρμογή ενός παλμού λέιζερ ασκήθηκε στο ιόν, μια δύναμη, γνωστή ως οπτική διπολική δύναμη (optical dipole force), η οποία εξαρτάται από την εσωτερική κατάσταση του ιόντος (Monroe et al. 1996). Σαν αποτέλεσμα, όταν το ηλεκτρόνιο είναι στην διεγερμένη κατάσταση (αποδιέγερση στο νοητικό πείραμα) το ιόν κινείται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση (νεκρή γάτα) ενώ αν το ηλεκτρόνιο βρεθεί στην θεμελιώδη κατάσταση (μη αποδιέγερση) το ιόν θα κινηθεί προς αντίθετη κατεύθυνση (ζωντανή γάτα).

    Εικ. 4

    Εικ. 4. Σχηματική αναπαράσταση της διάταξης που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα στο NIST για την παρατήρηση στους Γάτας του Schrödinger.

    H πιο βασική ένσταση που υπάρχει σε αυτά τα πειράματα που προαναφέραμε έχει να κάνει με το «μέγεθος» στους «γάτας». Στο νοητικό πείραμα του Schrödinger η γάτα επιλέχτηκε γιατί αντιπροσωπεύει ένα «μακροσκοπικό αντικείμενο» η συμπεριφορά του οποίου καθορίζεται από την κλασική φυσική. Σε αυτά τα πειράματα τίθεται αμέσως το ερώτημα: πως μπορούν φωτόνια και ιόντα να αποκτήσουν μια «μακροσκοπική δυναμική» ώστε να προσομοιώνουν τη συμπεριφορά ενός κλασικού αντικειμένου; Η απάντηση βρίσκεται στους σύμφωνες καταστάσεις που δεν έχουν επιλεγεί τυχαία καθώς είναι οι κβαντικές καταστάσεις που, όπως προαναφέραμε, προσεγγίζουν πιο πολύ μια κλασική κατάσταση. Αυτό επιτρέπει στα μεν πειράματα του Haroche τον εποικισμό αυτών των καταστάσεων με περισσότερα φωτόνια, στα δε πειράματα του Wineland την εκτέλεση ταλαντώσεων με όλο και μεγαλύτερο πλάτος στους δύο διαφορετικές κατευθύνσεις[12]. Το μεγάλο τίμημα σε αυτές τις περιπτώσεις είναι πως τα συστήματα γίνονται ευάλωτα ακόμη και σε ασθενέστατες αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον (διακυμάνσεις στην ένταση και την φάση των λέιζερ, μηχανικές ταλαντώσεις κλπ.) με αποτέλεσμα την απώλεια της πολύτιμης συμφωνίας (Myatt et al., 2000a,b; Turchette et al., 2000). Ωστόσο, οι επιστήμονες θεωρούν πως αυτό το πρόβλημα είναι απλά τεχνικής φύσεως και όχι ένας βαθύτερος θεμελιώδης περιορισμός, και πως τελικά θα πρέπει να είμαστε σε θέση να φτιάξουμε μια «γάτα» αρκετά «μεγάλη» ώστε τα κυματοπακέτα που περιγράφουν τις δύο διαφορετικές καταστάσεις της γάτας να διαχωρίζονται από μακροσκοπικές αποστάσεις[13].

    Η ΓΑΤΑ ΤΟΥ CHESHIRE

    H Γάτα του Cheshire έγινε παγκοσμίως γνωστή από το διάσημο έργο του Lewis Caroll Η Αλίκη στη χώρα των θαυμάτων. Αυτό το φανταστικό ον χαρακτηριζόταν από ένα αεικίνητο χαμόγελο που μπορούσε να αποσπασθεί από το σώμα της γάτας και να παραμένει κάπου στον χώρο ενώ η γάτα είχε εξαφανισθεί. Oι κβαντικές Γάτες του Cheshire προτάθηκαν για πρώτη φορά το 2013 από τους Yakir Aharonov, Sandu Popescu, Daniel Rohrlich και Paul Skrzypczyk σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε το 2013 (Aharonov et al, 2013). Πρόκειται για ένα εντελώς αντιδιαισθητικό φαινόμενο στο οποίο μια φυσική ιδιότητα του σωματιδίου μπορεί να βρεθεί σε εντελώς διαφορετικό σημείο του χώρου από το σωματίδιο! Στη βάση αυτού του φαινομένου βρίσκονται οι ασθενείς κβαντικές μετρήσεις, στις οποίες αναφερθήκαμε στην αρχή του άρθρου, και οι οποίες άνοιξαν την πόρτα ενός εντελώς νέου κόσμου από κβαντικά φαινόμενα στους ερευνητές.

    Στο άρθρο του 2013, ο Aharonov και συνεργάτες φαντάστηκαν μια απλή διάταξη οπτικού συμβολόμετρου, στην οποία η «γάτα» είναι ένα φωτόνιο που μπορεί να βρίσκεται είτε στο αριστερό είτε στο δεξί σκέλος, ενώ το «χαμόγελο» είναι η κυκλική του πόλωση (Εικ.5). Η γάτα (το φωτόνιο) προετοιμάζεται πρώτα σε μια υπέρθεση δύο δυνατών διαφορετικών καταστάσεων: ή να ταξιδέψει προς τα αριστερά είτε προς τα δεξιά. Η πειραματική αυτή φάση είναι γνωστή ως προ-επιλογή (pre-selection). Από εκεί και πέρα αναλαμβάνουν οι ασθενείς μετρήσεις. Αντί για μια απευθείας μέτρηση στο φωτόνιο, η οποία θα κατέστρεφε την πολύτιμη υπέρθεση που επιτεύχθηκε στην πρώτη φάση, εκτελούνται στο σύστημα μια σειρά ασθενείς μετρήσεις. Στο τέλος γίνεται χρήση της λεγόμενης μετα-επιλογής (post-selection) όπου επιλέγονται μόνο οι περιπτώσεις που το φωτόνιο καταλήγει σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές την ακόλουθη συνεπαγωγή: όταν το φωτόνιο περνάει μέσα από την συμβολομετρική διάταξη αυτό αποτελεί ένδειξη πως το φωτόνιο έχει καταγραφεί στα αριστερά και η πόλωσή του στα δεξιά. Αν δεν γίνει αυτή η μετά-επιλογή θα πρέπει να γίνει ένας μέσος όρος σε όλα τα πιθανά αποτελέσματα και το παράδοξο φαινόμενο εξαφανίζεται. Ο λόγος που αυτό συμβαίνει είναι η ίδια η φύση των ασθενών μετρήσεων που δεν δίνουν ρητές απαντήσεις όπως μια συνήθης κβαντική μέτρηση αλλά οδηγούν το σύστημα να αφήνει τα «ίχνη» του, από την στατιστική επεξεργασία των οποίων οι ερευνητές καταλήγουν στην συγκρότηση της εικόνας για την κατάσταση του συστήματος.

    Εικ. 5

    Εικ. 5. Σχηματική αναπαράσταση της διάταξης που χρησιμοποιήθηκε από τον Aharonov και τους συνεργάτες του (Aharonov et al, 2013).

    Η μαθηματική περιγραφή αυτής της παράξενης κατάστασης πραγμάτων ήταν ξεκάθαρη, αλλά η ερμηνεία φάνηκε εξωφρενική και το αρχικό άρθρο πέρασε πάνω από έναν χρόνο σε αξιολόγηση, με τη δημοσίευσή του να προκαλεί ακόμη κριτικές. Λίγο αργότερα, πειράματα με πολωμένα νετρόνια (Denkmayr, et al, 2014) και φωτόνια (Ashby, et al, 2016) δοκίμασαν και επιβεβαίωσαν τα αποτελέσματα του πρώτου πειράματος. Ωστόσο, τα πειράματα αυτά και οι επόμενες δοκιμές, παρά την επιβεβαίωση των θεωρητικών προβλέψεων, δεν έκλεισαν τη συζήτηση – τελικά, το ζήτημα ήταν στην ερμηνεία.

    Εικ. 6

    Εικ. 6. Συστήματα και αντίστοιχες ιδιότητες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως Γάτες του Cheshire και «χαμόγελα».

    Για να κατανοήσει κανείς αυτή την παράξενη κατάσταση θα πρέπει να καταφύγει σε ένα δημοφιλές παιγνίδι της Ιαπωνίας, το pachinko, που η λειτουργία του είναι αρκετά κοντά στις έννοιες της προ- και μετα-επιλογής. Πρόκειται για μια μηχανή, κάτι σαν ένα κατακόρυφο φλίπερ, όπου μια μπίλια ξεκινά από την κορυφή σε ένα επιλεγμένο σημείο (προ-επιλογή) και πέφτει μέσω εμποδίων καταλήγοντας σε μια συγκεκριμένη έξοδο (jackpot, μετα-επιλογή) την οποία πρέπει να προβλέψεις και να στοιχηματίσεις. Μετρώντας πόσες μπίλιες καταλήγουν σε όλες τις εξόδους/jackpot, μπορείς να υπολογίσεις την κατανομή πιθανότητας. Στον κλασικό κόσμο, η μέτρηση της θέσης και των ιδιοτήτων της μπίλιας σε διάφορα σημεία είναι δυνατή χωρίς να επηρεάζεται η πορεία της. Σε μια κβαντική εκδοχή της μηχανής, η προ- και μετα-επιλογή λειτουργούν παρόμοια, εκτός του ότι μπορείς να τροφοδοτήσεις το σύστημα με καταστάσεις υπέρθεσης. Μια ασθενής μέτρηση δεν διαταράσσει το σύστημα, οπότε μπορεί να γίνει επανειλημμένα για να εξαχθούν πιθανότητες συγκεκριμένων αποτελεσμάτων. Το αποτέλεσμα της μέτρησης δεν θα είναι ιδιοτιμή – δηλαδή πραγματική ιδιότητα του συστήματος αλλά ασθενής τιμή, η οποία δεν έχει ξεκάθαρη ερμηνεία.

    Από την αρχική ανακάλυψη και μετά, οι Aharonov, Popescu και συνεργάτες έχουν συναντήσει και άλλες εκπλήξεις. Το 2021 γενίκευσαν το φαινόμενο της κβαντικής Γάτας του Cheshire σε ένα δυναμικό πλαίσιο στο οποίο η «διαχωρισμένη» ιδιότητα μπορεί να διαδίδεται στον χώρο (Duprey, et al, 2021). Για παράδειγμα, μπορεί να υπάρξει ροή στροφορμής χωρίς τίποτα να τη μεταφέρει (Atherton et al, 2016). Σε μια άλλη γενίκευση, ο Aharonov φαντάστηκε ένα σωματίδιο με μάζα που μπορεί να μετρηθεί σε ένα σημείο χωρίς ορμή, ενώ η ορμή του μετριέται αλλού χωρίς τη μάζα του (Waegell, et al, 2024).

    Η κατανόηση αυτού του φαινομένου έχει σηκώσει μεγάλη συζήτηση στην επιστημονική κοινότητα ενώ ήδη έχουν εμφανιστεί οι πρώτες αντιρρήσεις σχετικά με την ερμηνεία των αποτελεσμάτων των πειραμάτων που έχουν διεξαχθεί. Μια πρόσφατη έρευνα δείχνει ότι αυτά τα πειράματα δεν δείχνουν στην πραγματικότητα σωματίδια που αποσπώνται από τις ιδιότητές τους, αλλά αντιθέτως εμφανίζουν ένα άλλο αντιφατικό χαρακτηριστικό της κβαντομηχανικής – την πλαισιακή (contextual) φύση της (Hance et al, 2023). Δηλαδή το γεγονός πως τα κβαντικά συστήματα μεταβάλλονται ανάλογα με τις μετρήσεις που εκτελούμε σε αυτά[14]. Μια ακολουθία μετρήσεων σε ένα κβαντικό σύστημα θα παράγει διαφορετικά αποτελέσματα ανάλογα με τη σειρά με την οποία εκτελούνται οι μετρήσεις. Για παράδειγμα, αν μετρήσουμε πού βρίσκεται ένα σωματίδιο και στη συνέχεια πόσο γρήγορα ταξιδεύει, αυτό θα δώσει διαφορετικά αποτελέσματα από το να μετρήσουμε πρώτα πόσο γρήγορα ταξιδεύει και στη συνέχεια πού βρίσκεται. Λόγω αυτού του πλαισιακού χαρακτήρα, τα κβαντικά συστήματα μπορούν να μετρηθούν ως έχοντα ιδιότητες που θα περιμέναμε να είναι αμοιβαία ασύμβατες.

    Η ομάδα που δημοσίευσε την εργασία σημειώνει ότι το πρόβλημα με το κβαντικό παράδοξο της Γάτας του Cheshire είναι ότι ο αρχικός ισχυρισμός του, ότι το σωματίδιο και η ιδιότητά του, όπως το σπιν ή η πόλωση, διαχωρίζονται και ταξιδεύουν σε διαφορετικές διαδρομές, αποτελεί, ίσως, μια παραπλανητική αναπαράσταση της πραγματικής φυσικής της κατάστασης. Οι ερευνητές πιστεύουν πως διαφορετικά αποτελέσματα λαμβάνονται εάν ένα κβαντικό σύστημα μετρηθεί με διαφορετικούς τρόπους και ότι η αρχική ερμηνεία της κβαντικής γάτας του Cheshire προκύπτει μόνο εάν συνδυάσουμε τα αποτελέσματα αυτών των διαφορετικών μετρήσεων με έναν πολύ συγκεκριμένο τρόπο και αγνοήσουμε αυτήν την αλλαγή που σχετίζεται με τη μέτρηση. Θεωρούν επίσης πως η συνέχιση της έρευνας πάνω στο ζήτημα της πλαισίωσης πέρα από την επίλυση θεωρητικών προβλημάτων θα μπορεί να αξιοποιηθεί και για πρακτικούς σκοπούς καθώς θα οδηγήσει σε πληρέστερη αξιοποίηση των δυνατοτήτων της κβαντικής υπολογιστικής.

    ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

    Οι Γάτες της κβαντομηχανικής δεν εξάπτουν μόνο την περιέργεια και την φαντασία αλλά αποτελούν πλέον, μαζί με άλλα νοητικά πειράματα, μια πραγματικότητα που έχει αναδειχθεί από πλήθος πειραμάτων στα ανά τον κόσμο εργαστήρια. Σήμερα έχουμε τη δυνατότητα να πειραματιστούμε με μεμονωμένα ή ολιγάριθμα κβαντικά συστήματα, προετοιμάζοντας ντετερμινιστικά υπερθέσεις και σύμπλεκτες υπερθέσεις των καταστάσεων τους. Σίγουρα ο έλεγχός μας είναι καλύτερος όταν έχουμε να κάνουμε με πολύ μικρό αριθμό σωματιδίων, κάτι που μας επιτρέπει να πραγματοποιήσουμε πολλά από τα νοητικά πειράματα που παρείχαν τη βάση για τις συζητήσεις/αντιπαραθέσεις μεταξύ του Schrödinger και των άλλων θεμελιωτών της κβαντομηχανικής. Και φυσικά είμαστε σε θέση να φτιάξουμε «μικρές» εκδοχές της Γάτας του Schrödinger ή αυτής του Cheshire, οι οποίες δεν είναι σε καμία περίπτωση μακροσκοπικές αλλά έχουν τα ίδια βασικά χαρακτηριστικά. Μέχρι στιγμής, φαίνεται ότι η αδυναμία μας να δημιουργήσουμε μακροσκοπικές «γάτες» οφείλεται μόνο σε τεχνικούς και όχι σε θεμελιώδεις περιορισμούς. Ομολογουμένως, αυτοί οι τεχνικοί περιορισμοί είναι αρκετά ισχυροί, αλλά μπορεί κανείς να είναι αισιόδοξος για την αύξηση του μεγέθους αυτών των καταστάσεων καθώς η τεχνολογία συνεχίζει να βελτιώνεται. Παρεπιπτόντως, πρέπει να σημειώσουμε πως η διαρκής αύξηση του μεγέθους μιας κβαντικής «γάτας» πέρα από το ζήτημα της φύσης της κβαντικής μέτρησης συνδέεται οργανικά και με ένα άλλο «ιερό δισκοπότηρο» της σημερινής έρευνας: την ανάδυση του κλασικού κόσμου μέσα από τον κβαντικό. Με άλλα λόγια, τη διαύγαση του ορίου πέρα από το οποίο η συμπεριφορά ενός συστήματος παύει να περιγράφεται από τους νόμους της κβαντομηχανικής και βρίσκεται πλέον στην επικράτεια της κλασικής φυσικής (Arndt et al., 1999).

    Αυτό που αρκετοί ερευνητές θεωρούν ως το πιο πολύτιμο παράγωγο αυτών των πειραματικών προσπαθειών είναι η ώθηση που σου δίνουν να σκέφτεσαι διαρκώς «εκτός πλαισίου» (out of the box) ακόμη και αν οι άμεσες εφαρμογές δεν είναι προφανείς. Όπως έχει τονίσει ο φυσικός Jonte Hance, ερευνητής στα θεμέλια της κβαντικής θεωρίας στο Πανεπιστήμιο του Νιούκαστλ, οι ερευνητές «τείνουν να ξεχνούν πόσο παράξενη είναι η κβαντική μηχανική, και για εμένα είναι απαραίτητο να κρατήσουμε αυτή τη διαίσθηση της παραξενιάς της» ενώ ο εκ των πρωταγωνιστών του χώρου Popescu θα συμπληρώσει, «Οι περισσότεροι συμφωνούν ότι, αν και γνωρίζουμε τους βασικούς νόμους της κβαντικής μηχανικής, δεν καταλαβαίνουμε πραγματικά περί τίνος πρόκειται».

    Κλείνοντας το άρθρο αξίζει να αναφέρουμε πως το ενδιαφέρον των ερευνητών για την πειραματική διερεύνηση των θεμελίων της κβαντομηχανικής δεν ήταν πάντα δεδομένο[15]. Οι επιστήμονες ήταν συνήθως και κατά κύριο λόγο απασχολημένοι με τις εφαρμογές της κβαντομηχανικής και αυτή η τάση είναι ακόμη πιο ισχυρή στις ημέρες μας με την διαφαινόμενη εμπορική εκμετάλλευση των νέων κβαντικών τεχνολογιών, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές και η κβαντική κρυπτογραφία. Στα πλαίσια αυτού του «πυρετού» έχει αναγεννηθεί το ενδιαφέρον για έρευνα στα θεμέλια της κβαντομηχανικής.ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ
    [1] Πρόκειται για τη συνάρτηση που μας παρέχει την μέγιστη δυνατή πληροφορία που μπορεί να εξαχθεί πειραματικά για τη φυσική κατάσταση του συστήματος. ↩

    [2] Με την έννοια πως το σύνολο των πιθανών αποτελεσμάτων είναι δεδομένο (όχι όμως το αποτέλεσμα μιας μεμονωμένης μέτρησης) και αλλάζει εάν μεταβληθούν με κάποιο τρόπο τα χαρακτηριστικά του συστήματος. ↩

    [3] Πρόκειται για την αρχή της κβαντομηχανικής η οποία προβλέπει πως δύο σύμπλεκτα συστήματα δεν μπορούν να αποσυμπλεχθούν (δηλαδή, δεν μπορούν να χάσουν όλες τις συσχετίσεις που προκύπτουν από την κβαντική σύμπλεξη) εκτός εάν υπόκεινται σε εξωτερική αλληλεπίδραση. Σύμφωνα με αυτή την κβαντομηχανική αρχή, δύο ή περισσότερα σωματίδια που είναι εμπλεκόμενα συμπεριφέρονται ως ένα ενιαίο φυσικό αντικείμενο, ανεξάρτητα από την απόσταση μεταξύ τους. ↩

    [4] Πρόκειται για την αρχή της κβαντομηχανικής η οποία προβλέπει πως τα φυσικά συστήματα χαρακτηρίζονται από φυσικά μεγέθη τα οποία δεν μπορούν να μετρηθούν ταυτόχρονα, όπως για παράδειγμα η θέση και η ορμή ενός σωματιδίου. ↩

    [5] Για παράδειγμα, στο άτομο του ρουβιδίου (Rb), ένα ηλεκτρόνιο ευρισκόμενο στην κατάσταση Rydberg με κύριο κβαντικό αριθμό 𝑛=50 βρίσκεται σε απόσταση περίπου 132 nm από τον πυρήνα. Αντίθετα, το ηλεκτρόνιο σθένους της θεμελιώδους κατάστασης που καταλαμβάνει το τροχιακό 5s βρίσκεται σε απόσταση περίπου 1.32 nm από τον πυρήνα ↩

    [6] Ο όρος καθιερώθηκε από τον D. Kleppner στις αρχές της δεκαετίας του 1980. ↩

    [7] Ιδαίτερη αναφορά αξίζει στην κατασκευή του λεγόμενου μικρομέιζερ (micromaser) από την ερευνητική ομάδα του H. Walther στο Max Planck Institut στο Garching της Δ. Γερμανίας. Στέλνοντας άτομα Rydberg, ένα κάθε φορά, μέσα από μια ηλεκτρομαγνητική κοιλότητα, δημιούργησαν ένα μέιζερ στο οποίο το πεδίο έφτανε σε σταθερή κατάσταση μέσα από μια σειρά από διαδοχικές δράσεις μεμονωμένων ατόμων που διέσχιζαν τη κοιλότητα ένα προς ένα [31] ↩

    [8] O αναγνώστης που επιθυμεί να γνωρίσει όλη την πορεία από τα πρώιμα πειράματα σε ηλεκτρομαγνητικές κοιλότητες μπορεί να διαβάσει το Haroche, S. and Kleppner, D., 1989. Cavity quantum electrodynamics. Physics Today, 42(1), pp.24-30, https://pubs.aip.org/physicstoday/article-abstract/42/1/24/405477/Cavity-Quantum-ElectrodynamicsA-new-generation-of. ↩

    [9] Στην κβαντική μηχανική εάν έχουμε δύο συμπληρωματικά φυσικά μεγέθη (όπως το ζεύγος θέση-ορμή) 𝛢 και 𝛣, το γινόμενο των τυπικών αποκλίσεών τους Δ𝛢𝛢και Δ𝛣 ικανοποιεί την ανισότητα Δ𝛢∙Δ𝛣≥ℎ/2𝜋𝜋, όπου ℎ η σταθερά του Planck. ↩

    [10] Το φως του λέιζερ πάνω από το κατώφλι λειτουργίας είναι ένα παράδειγμα μιας σύμφωνης κατάστασης. Εν γένει αν ένα κβαντικό σύστημα διεγερθεί από ένα εξωτερικό κλασικό πεδίο μεταπίπτει από τη θεμελιώδη κατάστασή του σε μια σύμφωνη κατάσταση. Για παράδειγμα αν στείλουμε φως λέιζερ σε μια ηλεκτρομαγνητική κοιλότητα το πεδίο της μεταπίπτει σε μια σύμφωνη κατάσταση ή αν ασκήσουμε μια δύναμη σε έναν αρμονικό κβαντικό ταλαντωτή. ↩

    [11] Στα πειράματα αυτά και στο φάσμα του φθορισμού παρατηρήθηκαν για άλλη μια φορά τα περίφημα κβαντικά άλματα (quantum jumps). ↩

    [12] Σε μια πιο αυστηρή επιστημονικά γλώσσα κάτι τέτοιο το επιτρέπει ο μποζονικός χαρακτήρας των καταστάσεων του κβαντωμένου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου όσο και του κβαντικού αρμονικού ταλαντωτή. ↩

    [13] Η θεωρητική ανάλυση δείχνει ότι η αλληλεπίδραση με το περιβάλλον επιφέρει ταχύτατη απώλεια του σύμφωνου χαρακτήρα της δυναμικής της «γάτας». Ο W. Zurek έχει παίξει σημαντικό ρόλο στη διαλεύκανση του ρόλου του περιβάλλοντος σε αυτή τη διαδικασία, η οποία συμβαίνει όλο και πιο γρήγορα καθώς το «μέγεθος» της «γάτας» αυξάνεται (Zurek, 1991). ↩

    [14] Πιο αυστηρά, το αποτέλεσμα μιας μέτρησης (υποτιθέμενο ως προϋπάρχον) ενός κβαντικού παρατηρήσιμου εξαρτάται από το ποια άλλα μετατιθέμενα με αυτό παρατηρήσιμα μεγέθη βρίσκονται εντός του ίδιου συνόλου μετρήσεων (Kochen & Specker, 1990). ↩

    [15] Η έλλειψη ενδιαφέροντος για τα θεμέλια της κβαντικής θεωρίας αποτυπώνεται χαρακτηριστικά σε δύο ανέκδοτα. Το πρώτο με πρωταγωνιστή τον ίδιο τον Aharonov. Όταν σπούδαζε φυσική στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο του Ισραήλ (Technion) τη δεκαετία του 1950, ρώτησε τον Nathan Rosen (το R του περίφημου παράδοξου EPR, στο Einstein et al. 1935) αν μπορούσε να εργαστεί στα θεμέλια της κβαντικής μηχανικής. Το θέμα θεωρήθηκε τόσο μη δημοφιλές, που ο Rosen τον συμβούλεψε να επικεντρωθεί στις εφαρμογές (Berry, 1997). Ευτυχώς, ο Aharonov αγνόησε τη συμβουλή και συνεργάστηκε με τον Αμερικανό θεωρητικό David Bohm. Η άλλη ιστορία αφορά τον Alain Aspect, ο οποίος το 1975 επισκέφθηκε τον φυσικό του CERN John Bell για να ζητήσει συμβουλές σχετικά με τα σχέδιά του να πραγματοποιήσει πείραμα για τις ανισότητες του Bell ώστε να ελέγξει το παράδοξο EPR. Η πρώτη ερώτηση του Bell δεν αφορούσε τις λεπτομέρειες του πειράματος – αλλά το αν ο Aspect είχε μόνιμη θέση εργασίας (Nature 18, 961, 2002). Ευτυχώς, είχε, και έτσι εκτέλεσε το πείραμα, το οποίο του χάρισε μέρος του Νόμπελ Φυσικής το 2022 (Aspect et al., 1982; Aspect, 2007). ↩ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

    Ευχαριστώ πολύ τον Κωνσταντίνο Ταμπάκη,κύριο ερευνητή στην Ιστορία των Επιστημών και της Τεχνολογίας στο Ινστιτούτο Ιστορικών Ερευνών του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών και τον Θόδωρο Αραμπατζή,καθηγητή ιστορίας και φιλοσοφίας της επιστήμης στο Πανεπιστήμιο της Αθήνας, για τις πολύτιμες παρατηρήσεις τους πάνω στο αρχικό κείμενο.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    ΕΛΛΗΝΙΚΗ

    Τραχανάς, Σ. (2009). ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ. Θεμελιώδεις Αρχές και Μέθοδοι – Κβαντικοί Υπολογιστές. Ηράκλειο: ΠΕΚ.

    ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ

    Aharonov, Y., Popescu, S., Rohrlich, D. & Skrzypczyk, P., 2013. Quantum Cheshire Cats. New Journal of Physics, 15, 113015. https://doi.org/10.1088/1367-2630/15/11/113015

    Ashby, J. M., Schwarz, P. D. and Schlosshauer, M., 2016. Observation of the quantum paradox of separation of a single photon from one of its properties. Physical Review A, 94(1), p.012102. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.94.012102

    Aspect, A., Grangier, P. and Roger, G., 1982. Experimental realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: a new violation of Bell’s inequalities. Physical Review Letters, 49(2), p.91. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.49.91

    Aspect, A. (2007). Bell’s inequality test: more ideal than ever. Nature Physics, 3, 674–675. https://doi.org/10.1038/nphys722

    Atherton, D. P. et al. (2016). Observation of the quantum Cheshire Cat effect with polarization-entangled photons. Physical Review A, 94(1), 012102. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.94.012102

    Arndt, M., Nairz, O., Vos-Andreae, J., Keller, C., Van der Zouw, G. and Zeilinger, A., 1999. Wave–particle duality of C60 molecules. Nature, 401(6754), pp.680-682. https://doi.org/10.1038/44348

    Berry, M., 1997. Oration delivered by Michael Berry for Yakir Aharonov. https://michaelberryphysics.wordpress.com/wp-content/uploads/2013/06/u11.pdf

    Braginsky, V. B. and Khalili, F. Y., 1996. Quantum nondemolition measurements: the route from toys to tools. Reviews of Modern Physics, 68(1), p.1. https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.68.1

    Deleglise, S., Dotsenko, I., Sayrin, C., Bernu, J., Brune, M., Raimond, J. M., & Haroche, S., (2008). Reconstruction of non-classical cavity field states with snapshots of their decoherence. Nature, 455(7212), 510-514. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18818653/

    Denkmayr, T., Geppert, H., Sponar, S., Lemmel H., Matzkin A., Tollaksen, J., and Hasegawa., J., (2014). Observation of a quantum Cheshire Cat in a matter-wave interferometer experiment’, Nature Communications, 5, p. 4492. 10.1038/ncomms5492

    Duprey, Q., Aharonov, Y., Popescu, S., & Tollaksen, J., 2021. Dynamical Quantum Cheshire Cats. Nature Communications, 12, 4770. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25053-8

    Einstein, A., Podolsky, B., & Rosen, N., 1935. Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? Physical Review, 47, 777. https://doi.org/10.1103/PhysRev.47.777

    Hance, J. R., Ji, M. and Hofmann, H. F., 2023. Contextuality, coherences, and quantum cheshire cats. New Journal of Physics, 25(11), p.113028. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ad0bd4

    Haroche, S. & Raimond, J. M. (2006) Exploring the Quantum: Atoms, Cavities, and Photons. Oxford: Oxford University Press.

    Haroche, S., 2013. Nobel Lecture: Controlling photons in a box and exploring the quantum to classical boundary. Reviews of Modern Physics, 85(3), pp.1083-1102. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.85.1083

    Jhe, W., Anderson, A., Hinds, E. A., Meschede, D., Moi, L. and Haroche, S., 1987. Suppression of spontaneous decay at optical frequencies: Test of vacuum-field anisotropy in confined space. Physical Review Letters, 58(7), p.666. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.58.666

    Kochen, S. and Specker, E. P., 1990. The problem of hidden variables in quantum mechanics. Ernst Specker Selecta, pp.235-263. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-9259-9_21

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

    Monroe, C., Meekhof, D.M., King, B.E. and Wineland, D.J., 1996. A “Schrödinger cat” superposition state of an atom. science, 272(5265), pp.1131-1136. https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.272.5265.1131

    Monroe, C. R. and Wineland, D. J., 2008. Quantum computing with ions. Scientific American, 299(2), pp.64-71. https://www.jstor.org/stable/26000763

    Myatt, C. J., King, B. E., Turchette, Q. A., Sackett, C. A., Kielpinski, D., Itano, W. M., Monroe, C. and Wineland, D. J., 2000. Decoherence of motional states of trapped ions. Journal of Modern Optics, 47(12), pp.2181-2186. https://doi.org/10.1080/09500340008235140

    Myatt, C. J., King, B. E., Turchette, Q. A., Sackett, C. A., Kielpinski, D., Itano, W. M., Monroe, C. W. D. J. and Wineland, D. J., 2000. Decoherence of quantum superpositions through coupling to engineered reservoirs. Nature, 403(6767), pp.269-273. https://www.nature.com/articles/35002001

    Neuhauser, W., Hohenstatt, M., Toschek, P.E. and Dehmelt, H., 1980. Localized visible Ba+ mono-ion oscillator. Physical Review A, 22(3), p.1137. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.22.1137

    Saffman, M. (2016) ‘Quantum computing with atomic qubits and Rydberg interactions’, Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 49(20), p. 202001. 10.1088/0953-4075/49/20/202001

    Schrödinger, Ε., 1935. Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik. Naturwissenschaften 23, 844. https://link.springer.com/article/10.1007/BF01491891

    Schrödinger, E., 1952. Are there quantum jumps? Part I. The British Journal for the Philosophy of science, 3(10), pp.109-123. https://www.journals.uchicago.edu/doi/abs/10.1093/bjps/III.10.109?journalCode=bjps

    Turchette, Q. A., Myatt, C. J., King, B. E., Sackett, C. A., Kielpinski, D., Itano, W. M., Monroe, C. and Wineland, D. J., 2000. Decoherence and decay of motional quantum states of a trapped atom coupled to engineered reservoirs. Physical Review A, 62(5), p.053807. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.62.053807

    Waegell, M., Tollaksen, J. and Aharonov, Y., 2024. Separating a particle’s mass from its momentum. Quantum, 8, p.1536. https://quantum-journal.org/papers/q-2024-11-26-1536/

    Wineland, D. J., 2013. Nobel Lecture: Superposition, entanglement, and raising Schrödinger’s cat. Reviews of Modern Physics, 85(3), pp.1103-1114. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.85.1103

    Zurek, W. H., 1991. Decoherence and the transition from quantum to classical. Physics Today, 44(10), pp.36-44. https://pubs.aip.org/physicstoday/article-abstract/44/10/36/406457/Decoherence-and-the-Transition-from-Quantum-to