InScience Magazine

Tag: Επιστήμες

  • Η ΜΕΓΑΛΗ ΠΕΡΙΠΕΤΕΙΑ ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ Από τον Ίκαρο στις Διαστημικές Αποικίες

    Η ΜΕΓΑΛΗ ΠΕΡΙΠΕΤΕΙΑ ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ Από τον Ίκαρο στις Διαστημικές Αποικίες

    Διονύσης Π. Σιμόπουλος

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΟΞΥ

    Σειρά: «Τα Μυστικά του Σύμπαντος»Περιγραφή

    Οι εκδόσεις ΟΞΥ, με μεγάλη χαρά παρουσιάζουν ένα από τα σημαντικότερα βιβλία τους για το 2021 με τίτλο: «Η Μεγάλη Περιπέτεια στο Διάστημα», από τον αστροφυσικό και επίτιμο διευθυντή του Ευγενιδείου Πλανηταρίου, Διονύση Σιμόπουλο. Το πρώτο βιβλίο της νέας σειράς «Τα Μυστικά του Σύμπαντος» αποτελεί μια συναρπαστική εξερεύνηση, μέσα από όλες τις αποστολές και τα βήματα του ανθρώπινου είδους, της απέραντης «θάλασσας» του διαστήματος.

    «Πάντες οι άνθρωποι του ειδέναι φύσει ορέγονται» – Αριστοτέλης

    Ξεκινώντας με δυο μύθους, αυτόν του Δαίδαλου και του Ίκαρου, αλλά και εκείνον του μανδαρίνου Γουάν Χου και την πρώτη –ανεπιτυχή- προσπάθεια πτήσης προς το άγνωστο του διαστήματος, ο Διονύσης Σιμόπουλος ξεναγεί τον αναγνώστη στα μονοπάτια της διαστημικής εξερεύνησης.

    Από τον πρώτο μακάκο, τον Albert II και την πασίγνωστη σκυλίτσα Laika, μέχρι τη δημιουργία της NASA, τους Ρώσους κοσμοναύτες, τον Κένεντι και το πρόγραμμα Apollo, τα μετέωρα πρώτα βήματα στην επιφάνεια της Σελήνης, τον ανταγωνισμό στην κούρσα του διαστήματος και τις πολιτικές αποφάσεις, την αγωνία για επιβίωση, τις αποτυχίες και τους σύγχρονους αστροναύτες. Ένα εικονικό, συναρπαστικό ταξίδι σε όλες εκείνες τις συγκινήσεις που μας χάρισε ο αιώνας που πέρασε, πραγματοποιείται με σαφή και επεξηγηματικό τρόπο και μέσα από την πλούσια εικονογράφηση του βιβλίου.

    Ο Διονύσης Σιμόπουλος συγκεντρώνει υλικό 50 και πλέον χρόνων, μέσα από προσωπικές του ανταποκρίσεις στον τύπο για διαστημικές αποστολές, την εκτενή του αρθρογραφία και φωτογραφίες και παρουσιάζει στο ελληνικό κοινό το magnum opus του.

    «Η Μεγάλη Περιπέτεια στο Διάστημα” παρουσιάζει στο Ελληνικό κοινό τις αποστολές και τα πρώτα βήματα του ανθρώπινου είδους στην απέραντη θάλασσα του διαστήματος. Πρόκειται για ένα αφήγημα αυθεντικό και πλήρες διότι ο συγγραφέας είναι βαθύς γνώστης του θέματος και όχι μόνο. Η γραφή του είναι απλή και κατανοητή, αλλά και γλαφυρή, ποιητική και φιλοσοφική συγχρόνως, ως μια ακόμη σημαντική προσφορά του κ. Σιμόπουλου στο αναγνωστικό κοινό της χώρας. Το συνιστώ ενθουσιωδώς.»
    Σταμάτης Κριμιζής, Ακαδημαϊκός, Ομότιμος Διευθυντής του Applied Physics Laboratory, Johns Hopkins University.

    «Στο νέο του βιβλίο, ο Διονύσης Σιμόπουλος μας ταξιδεύει με σύντομα αλλά περιεκτικά βήματα στην ιστορία της προσπάθειας να ξεφύγει ο άνθρωπος από την Γήινη βαρύτητα και να «κατακτήσει» το διαπλανητικό περιβάλλον, ένα οδοιπορικό που περνά από την φαντασία στην πραγματικότητα, από το ιστορικό παρελθόν στο παρόν που ατενίζει το μέλλον, από την επιστημονική φαντασία στην διαπλανητική εξερεύνηση και στα πρώτα διστακτικά αλλά στέρεα βήματα ειρηνικής «κατάκτησης» του πλανητικού μας συστήματος.»
    Μανώλης Πλειώνης, Καθηγητής ΑΠΘ, Πρόεδρος και Γενικός Διευθυντής του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών.

  • ΘΕΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΑΙΑ ΕΛΛΑΔΑ

    ΘΕΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΗΝ ΑΡΧΑΙΑ ΕΛΛΑΔΑ

    Νίκος Δημητρακόπουλος

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΟΠΟΣ

    ISBN: 978-960-499-421-2
    Διαστάσεις: 1    7 Χ 24 cm
    Αριθμός σελίδων:     692
    Τιμή:     36,6 €

    1η Έκδοση: Ιούλιος 2022Περιγραφή

    Από το Θαλή και τον Ευπαλίνο έως την Υπατία, τον Ανθέμιο και τον Ισίδωρο

    Ποιοι ήταν οι µεγάλοι διανοητές που συνέβαλαν στη δηµιουργία και ανάπτυξη των Θετικών Επιστηµών και της Τεχνολογίας στην Αρχαία Ελλάδα; Ποια ήταν η κύρια συµβολή τους;

    Η παρούσα µελέτη µας επιτρέπει να γνωρίσουµε πάνω από 300 πρωταγωνιστές της αρχαίας ελληνικής επιστήµης και τεχνολογίας (εκ των οποίων τους 120 αναλυτικά) που έδρασαν από τον 7ο αιώνα π.Χ. έως τον 6ο αιώνα µ.Χ.

    Η παρουσίαση και ανάλυση του έργου των µεγάλων διανοητών της ελληνικής αρχαιότητας γίνεται µέσα στο ιστορικό, κοινωνικό, πολιτικό και οικονοµικό πλαίσιο κάθε εποχής. ∆ιερευνώνται οι σχέσεις επιστήµης και φιλοσοφίας, επιστήµης και θρησκείας, επιστήµης και τεχνολογίας, επιστήµης – έρευνας και πειράµατος.

    Ένα βιβλίο αναφοράς, που απευθύνεται σε κάθε ενδιαφερόµενο πολίτη, ερευνητή, επιστήµονα, εκπαιδευτικό, φοιτητή και µεταπτυχιακό φοιτητή, για να το αξιοποιήσει είτε µε συνεχή ρυθµό µελέτης είτε ως εγκυκλοπαιδική πηγή στην οποία θα µπορεί να ανατρέχει κάθε στιγµή.Βιογραφικό Συγγραφέα

    Ο Νίκος Γ. ∆ηµητρακόπουλος γεννήθηκε στην Ανδρίτσαινα Ολυµπίας. Σπούδασε στη Σχολή Αγρονόµων και Τοπογράφων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.
    Εργάστηκε στη Γενική Γραµµατεία Αθλητισµού (ΓΓΑ) ως Αγρονόµος και Τοπογράφος Μηχανικός για τη µελέτη και κατασκευή αθλητικών έργων σε όλη την Ελλάδα.
    Από το 1989 έως το 2001 και από το 2006 έως το 2013 ήταν προϊστάµενος του Τοπογραφικού Τµήµατος της ∆ιεύθυνσης Μελετών της ΓΓΑ. Το διάστηµα από το 2001 έως το 2006 υπηρέτησε στην Ειδική Υπηρεσία (ΕΥ∆Ε/ΑΟΕΕ) της ΓΓΑ, για τη µελέτη και εκτέλεση των Ολυµπιακών  Έργων, για τις ανάγκες των Ολυµπιακών Αγώνων του 2004.

    ∆ιετέλεσε Αντιπρόεδρος του Συλλόγου Υπαλλήλων ΓΓΑ. Έχει ασχοληθεί επί σειρά ετών µε τη συστηµατική µελέτη του έργου των µεγάλων διανοητών της αρχαίας Ελλάδας σε ένα ευρύ φάσµα που καλύπτει το σηµερινό θεµατικό πεδίο των Θετικών Επιστηµών, παρακινούµενος από τη γοητεία που ασκεί η γνωριµία µε τους συναρπαστικούς δρόµους που ακολούθησε η µακραίωνη πορεία και εξέλιξη της επιστήµης, τη µεγαλειώδη συµβολή του πρωτότυπου πνεύµατος των αρχαίων Ελλήνων στοχαστών, τη συνειδητοποίηση της επικαιρότητας και χρησιµότητας µελέτης των γνωστικών πεδίων, του τρόπου έρευνας, των µεθοδολογικών εργαλείων και της οργάνωσης των συλλογισµών και θεωριών αυτών των σκαπανέων της επιστήµης.

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

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

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

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

    Ομιλητές:

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

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

  • ΠΟΙΟΣ ΚΥΝΗΓΑΕΙ ΤΟ HIGGS – ΜΙΑ ΟΔΥΣΣΕΙΑ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΥ

    ΠΟΙΟΣ ΚΥΝΗΓΑΕΙ ΤΟ HIGGS – ΜΙΑ ΟΔΥΣΣΕΙΑ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΥ

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΡΟΠΗ

    Pauline Gagnon

     

    Mετάφραση: Δήμητρα Γκόγκου, Δημήτρης Κατσινής (Dr.), Ηρώ Κολέτσου (Dr.), Γιάννης Μητσούλας (Dr.), Δέσποινα Χατζηφωτιάδου (Dr.).

     

    Πρόλογος ελληνικής έκδοσης: Δρ. Σπύρος Αργυρόπουλος

    Φιλολογική Επιμέλεια: Ανθή Καββαδά

    Επιμέλεια Δοκιμίων: Φανή Χρηστίδη

    Σελιδοποίηση: Δημήτρης Κουρκούτης

    Σχεδιασμός Εξωφύλλου: Θοδωρής Κονταξής

     

    ISBN: 978-618-5289-71-3Περιγραφή

    Αρκετοί και αρκετές από εσάς θα έχετε ακούσει σχετικά με την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012 από τα πειράματα ATLAS και CMS στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC) στο CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής. Όμως πού βρισκόμαστε τώρα; Ποια είναι τα επόμενα αναπάντητα ερωτήματα στη σωματιδιακή φυσική; Ποια θα μπορούσε να είναι η επόμενη ανακάλυψη; Εάν θέλετε να κατανοήσετε λίγο καλύτερα από τι αποτελείται η ύλη γύρω μας, να γνωρίσετε κάτω από ποιες συνθήκες πραγματοποιείται η θεμελιώδης έρευνα καθώς και να μάθετε σε ποιο στάδιο βρίσκεται σήμερα η σωματιδιακή φυσική, τότε συνεχίστε την ανάγνωση! Κρατάτε ένα βιβλίο για μη ειδικούς, που χρησιμοποιεί όσο το δυνατόν απλούστερη ορολογία. Οι πιο εξοικειωμένοι αναγνώστες θα αναγνωρίσουν εδώ τη “μεγάλη εικόνα”, η οποία συνήθως χάνεται κατά την εξειδίκευση. Στόχος του βιβλίου είναι να εξηγήσει τον φανταστικό κόσμο της σωματιδιακής φυσικής χωρίς υπερβολικά λεπτομερείς επεξηγήσεις. Μία γερή δόση περιέργειας είναι αρκετή, χωρίς να απαιτείται γνώση προχωρημένων μαθηματικών ή επιστημονικών εννοιών.

    Το βιβλίο της Pauline Gagnon “Ποιός Κυνηγάει το Higgs: Μία Οδύσσεια του Μικρόκοσμου” θα γίνει ο οδηγός σας σε έναν κόσμο που εκτείνεται από τις απειροελάχιστες έως τις απείρως μεγάλες κλίμακες του σύμπαντος. Επιπλέον, θα σας προσφέρει μια εισαγωγή στα πιο πρόσφατα ερευνητικά αποτελέσματα που θα μπορούσαν να σηματοδοτήσουν την αυγή μιας τεράστιας επανάστασης στην τρέχουσα κατανόηση του υλικού κόσμου.Κριτικές

    «Η συγγραφέας είναι καλή στο να εξηγεί δύσκολες έννοιες, μερικές φορές χρησιμοποιώντας εκπληκτικές, ακόμη και διασκεδαστικές, καθημερινές αναλογίες. Ένα ευανάγνωστο βιβλίο με πλούσια εικονογράφηση, ελκυστικό για κάθε αναγνώστη». — Σύγχρονη Φυσική

    «Ένα εκπληκτικό βιβλίο εκλαϊκευμένης επιστήμης με μία ευπρόσδεκτη φεμινιστική εστίαση… Συνιστάται ιδιαίτερα». — Times Higher Education

    «Το βιβλίο της Pauline Gagnon είναι μια θαυμάσια λεπτομερής και περιεκτική ματιά στο πώς οι επιστήμονες φτάνουν στη σύγχρονη περιγραφή της φύσης χρησιμοποιώντας δεδομένα από τους επιταχυντές και τη σύγχρονη κοσμολογία. Αν θέλετε να μάθετε πώς πραγματικά λειτουργούν και σκέφτονται οι φυσικοί των υψηλών ενεργειών, πρόκειται για μια εξαιρετική εισαγωγή». — Sean Carroll, συγγραφέας του The Particle at the End of the Universe

    «Ένα συναρπαστικό βιβλίο, η Gagnon προσφέρει στον αναγνώστη μία διεισδυτική ματιά στη λειτουργία του CERN και περιγράφει διεξοδικά πώς οι τεράστιες διεθνείς συνεργασίες των πειραμάτων του LHC οδηγούν σε νέες ανακαλύψεις». — Leonie Mueck, Senior Editor, Nature

    «Το εξαιρετικό βιβλίο της Gagnon είναι απαραίτητο ανάγνωσμα για όσους θέλουν να κατανοήσουν τη σημασία της ανακάλυψης του μποζονίου Χιγκς, και τι θα μπορούσαμε ακόμη να μάθουμε από τον LHC». — Robert Evans, πρώην ανταποκριτής του Reuter στη ΓενεύηΒιογραφικό Συγγραφέα

    Η PAULINE GAGNON γεννήθηκε στο Κεμπέκ του Καναδά. Αφού δίδαξε φυσική για μερικά χρόνια σε τοπικά κολέγια, μετακόμισε στην Καλιφόρνια, όπου ολοκλήρωσε το διδακτορικό της στη σωματιδιακή φυσική στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ το 1993. Στη συνέχεια, εργάστηκε ως ερευνήτρια στο CERN, το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής και ήταν ανώτερη ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα έως ότου συνταξιοδοτήθηκε το 2016. Από το 2012 η Pauline Gagnon έχει αφιερώσει όλο τον χρόνο της σε δημοφιλείς επιστημονικές δραστηριότητες. Με τα δικά της λόγια: «η σωματιδιακή φυσική είναι πολύ διασκεδαστική για να την αφήσουμε μόνο στους φυσικούς!».

  • ΟΠΤΙΚΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ ΑΤΟΜΩΝ – ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤO

    ΟΠΤΙΚΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ ΑΤΟΜΩΝ – ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤO

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  • Ντόροθι Χότζκιν: Πάθος για Έρευνα & Επιστήμη

    Ντόροθι Χότζκιν: Πάθος για Έρευνα & Επιστήμη

    Georgina Ferry

    Μετάφραση – Επιστημονική Επιμέλεια: Ευθυμία Χασιώτου

    Επιμέλεια: Εύα Κουκή

    Σελιδοποίηση: Αντώνης Παπάδης

    Σχεδιασμός Εξωφύλλου: Θοδωρής Κονταξής

    ISBN: 978-618-5289-55-3

    Διαστάσεις: 16 X 23

    Αριθμός σελίδων: 442

    Τιμή : 20 € + ΦΠΑ 6%Περιγραφή

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

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

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

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

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

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

    – David Vincent, The Guardian

     

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

    – John Gribbin, Sunday Times

     

    Η Φέρι έχει περιγράψει έξοχα την ατμόσφαιρα ενός αιώνα επιστήμης.

    – New Scientist

     

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

    – Janet Browne, Times Literary Supplement

  • Το Δάκρυ του Ντιράκ

    Το Δάκρυ του Ντιράκ

    Κωνσταντίνος Βαγιονάκης.

    Επιμέλεια: Γεωργία Κοφτερίδου

    ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΡΟΠΗΠεριγραφή

    Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είχε κάποτε πει για το σύμπαν ότι «αυτή η επική ιστορία μυστηρίου όχι μόνο δεν έχει ακόμη λυθεί, αλλά δεν είμαστε καν βέβαιοι ότι υπάρχει μια λύση». Το βιβλίο αυτό αποτελεί ένα μικρό οδοιπορικό πάνω στις θεωρίες μας για τη φύση και τα φιλοσοφικά ζητήματα που τις διαπερνούν. Έχουμε επιτύχει πολλά σε αυτή την επική ιστορία κατανόησης της φύσης, τόσο στις πολύ μικρές όσο και στις πολύ μεγάλες κλίμακες. Όμως, την ίδια στιγμή αντιλαμβανόμαστε ότι μεγαλώνει και η άγνοιά μας. Παραδείγματος χάριν, δεν γνωρίζουμε τι είναι η σκοτεινή μάζα, απαραίτητη για τη συνοχή των γαλαξιών, ούτε έχουμε ιδέα για το τι είναι η σκοτεινή ενέργεια του χώρου, που οδηγεί στην επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Και υπάρχουν τα ύστατα ερωτήματα: Πότε και πώς τέθηκαν οι νόμοι της φύσης; Προϋπήρχαν του σύμπαντος, αν υποθέσουμε ότι υπήρξε μια αρχή, ή ήρθαν μαζί με αυτό; Ήταν αναπόφευκτη η έλευση των πραγμάτων, ή μήπως ο κόσμος μας ήταν προϊόν τύχης μέσα από ένα πλήθος πιθανοτήτων; Μήπως, εντέλει, πρέπει να αποδεχθούμε ότι το μοναδικό σύμπαν που ξέρουμε απλώς συμβαίνει να υπάρχει με τον τρόπο που υπάρχει χωρίς περαιτέρω εξήγηση; Ερωτήματα που απηχούν την αγωνιώδη αναζήτηση ενός βαθύτερου νοήματος.Βιογραφικά Συγγραφέων

    Ο Κωνσταντίνος Ε. Βαγιονάκης είναι Ομότιμος Καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα εστιάζονται σε θέματα σωματιδιακής φυσικής και κοσμολογίας. Εκτός από τα συγγράμματα Εισαγωγή στην Κβαντική Μηχανική (Ιωάννινα 2002), Σωματιδιακή και Κοσμολογική Φυσική (Ιωάννινα 2003), και Σωματιδιακή Φυσική (Εκδόσεις Ε.Μ.Π. 2013), έχει μεταφράσει και επιμεληθεί τα δύο πρώτα βιβλία Κλασική Μηχανική» και «Κβαντική Μηχανική της σειράς Το Θεωρητικό Ελάχιστο του Leonard Susskind (Εκδόσεις Ροπή 2019). Το προηγούμενο βιβλίο του με δοκιμιακά κείμενα γύρω από την επιστήμη ήταν το Συμπαντικό Καλειδοσκόπιο (Εκδόσεις Liberal Books 2014).Κριτικές

    Μία γοητευτική περιήγηση στον χώρο της Φυσικής και της Φιλοσοφίας. Το Δάκρυ του Ντιράκ του Κωνσταντίνου Βαγιονάκη μεταφέρει τον απαιτητικό αναγνώστη σε μία διαδρομή που ξεκινά από τις θεωρήσεις των αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων και καταλήγει στις πλέον σύγχρονες αντιλήψεις της Κβαντικής Φυσικής και της Κοσμολογίας.”

    – Χρήστος Σ. Ζερεφός (Γενικός Γραμματέας της Ακαδημίας Αθηνών, Εθνικός Εκπρόσωπος για την Κλιματική Αλλαγή)

    “Η επιστημονική επανάσταση της κβαντομηχανικής επηρέασε βαθύτατα τον τρόπο με τον οποίο σκεφτόμαστε για το σύμπαν και τις θεμελιώδεις δυνάμεις που το διέπουν. Αν και η ιστορία της έχει ειπωθεί αμέτρητες φορές, σπάνια έχει παρουσιαστεί με τόσο ανθρώπινο και συναρπαστικό τρόπο όπως στο βιβλίο που κρατάτε στα χέρια σας. Ο Κωνσταντίνος Βαγιονάκης μας παρουσιάζει, μέσω της καθηλωτικής γραφής του, τις προσωπικότητες και τις φιλοσοφικές διαμάχες που καθόρισαν την πορεία της κβαντικής θεωρίας αλλά και τη συνολική μας εικόνα για το σύμπαν.”

    – Αλέξανδρος Κεχαγιάς (Καθηγητής, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο)

    “Αν θα μπορούσα να περιγράψω με μια πρόταση το βιβλίο του Βαγιονάκη, θα έλεγα ότι αναδεικνύει με ιδιαίτερη επιτυχία την αδιάρρηκτη και διαχρονική σχέση της φιλοσοφίας με τη φυσική και τα μαθηματικα, σχέση που δυστυχώς λόγω της υπερειδίκευσης και της εμπορευματοποίησης της γνώσης δεν διδάσκεται στα Παν/μιά μας,με αποτέλεσμα οι σημερινοί φυσικοί και μαθηματικοί να προσεγγίζουν στείρα και εξ αντικειμένου περιοριστικά την επιστήμη τους. […] Το βιβλίο του Βαγιονάκη διαβάζεται εύκολα και κρατά έντονο το ενδιαφέρον του αναγνώστη μέχρι το τέλος. Το προτείνω ανεπιφύλακτα.”

    – Μανώλης Πλειώνης (Καθηγητής ΑΠΘ, Διευθυντής και Πρόεδρος του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών).

  • Nευροτεχνολογία: Η άλλη όψη του νομίσματος

    Nευροτεχνολογία: Η άλλη όψη του νομίσματος

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

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

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

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

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

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

    ΟΙ ΚΙΝΔΥΝΟΙ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    ΕΠΙΛΟΓΟΣ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  • Αρχή σοφίας ονομάτων επίσκεψις: Μετάθεση (Commutation) και Αντιμετάθεση (Anticommutation)

    Αρχή σοφίας ονομάτων επίσκεψις:
    Μετάθεση (Commutation) και
    Αντιμετάθεση (Anticommutation)

    Στο άρθρο αυτό δείχνουμε τις συνέπειες της λανθασμένης χρήσης όρων στην επιστήμη μέσα από ένα παράδειγμα χρήσης μαθηματικών εννοιών στη κβαντική φυσική. Εξηγούμε τις έννοιες μετάθεση και αντιμετάθεση, πώς αυτές σχετίζονται με τις δύο βασικές κατηγορίες κβαντικών σωματιδίων, τα μποζόνια και τα φερμιόνια, αλλά και από σημειολογική και γλωσσική άποψη.  

    Το άρθρο αυτό αφορά ένα κυριολεκτικά σημειολογικό, εννοιολογικό και γλωσσικό λάθος, το οποίο γίνεται στα βιβλία μαθηματικών της πρωτοβάθμιας, δευτεροβάθμιας αλλά και (εν μέρει) τριτοβάθμιας εκπαιδεύσεως. Θα προσπαθήσω, λοιπόν, να εξηγήσω γιατί είναι παραπλανητική και γλωσσικά λανθασμένη η χρήση του όρου «αντιμεταθετική ιδιότητα» στα «ελληνικά» για την ιδιότητα

        \begin{equation*} A \quad \textrm{(πράξη)} \quad B \quad = \quad B \quad \textrm{(πράξη)} \quad A, \end{equation*}

    ενώ, το σωστό είναι μεταθετική ιδιότητα. Παρακάτω, για απλότητα παραλείπουμε το «(πράξη)», δηλαδή όταν γράφουμε AB  θα εννοούμε A(πράξη) B . Η πράξη μπορεί να είναι στις απλούστερες περιπτώσεις πρόσθεση ή πολλαπλασιασμός αριθμών ή πινάκων, αλλά μπορεί να είναι και οποιαδήποτε «εξωτική»πράξη. Έγραψα τη λέξη «ελληνικά» εντός εισαγωγικών για να τονίσω πως πρόκειται για ατυχή ελληνικά. Συνοπτικά, χαθήκαμε στη μετάφραση κάποιες γενεές πριν, όταν το επίπεδο γνώσεως της αγγλικής ήταν στην Ελλάδα χαμηλότερο, αλλά επίσης χαμηλότερο ήταν και το επίπεδο της ελληνικής μαθηματικής παιδείας και έρευνας, όπως και της φυσικής παιδείας και έρευνας, ιδιαίτερα στη κβαντική μηχανική και στη γραμμική άλγεβρα. Είναι λυπηρό να συνεχίζεται, από τη δύναμη της αδράνειας, της συνήθειας, ένα τέτοιο λάθος. Εξηγούμαι: Δυστυχώς στην ελληνική κατώτερη, μέση, αλλά και εν μέρει ανώτερη εκπαίδευση, συνεχίζουμε να διδάσκουμε, ατυχώς, τη μεταθετική ιδιότητα ως «αντιμεταθετική». Είναι καιρός να αλλάξει επιτέλους.

    Ας πούμε, λοιπόν, μερικά λόγια για τη μετάθεση (commutation) και την αντιμετάθεση (anticommutation). Οι αναγνώστες-στριες μπορούν να κοιτάξουν, φερειπείν, τις πηγές (Dirac, 1998), (Gilmore, 1974), (Schiff, 1968), (Mandel and Wolf, 1995), (Σιμσερίδης, 2015), (Σιμσερίδης, 2021), (Kryszewski, 2010), (McMillan, 1996), (Σιμσερίδης, 2022).

    Ορίζονται λοιπόν τα εξής αντικείμενα, ο μεταθέτης (commutator):

    \left[A,B\right]{:=}AB-BA,

    και ο αντιμεταθέτης (anticommutator):

    \lbrace A,B\rbrace:=AB+BA.

    Αν ο μεταθέτης μηδενίζεται, δηλαδή \left[A,B\right]=0, τότε AB=BA, δηλαδή τα αντικείμενα A και B μετατίθενται (commute), με άλλα λόγια, το AB  δεν διαφέρει από το BA . Αυτό λέγεται διεθνώς μεταθετική ιδιότητα (commutative property).

    Αν ο αντιμεταθέτης μηδενίζεται, δηλαδή \lbrace A,B \rbrace=0 , τότε AB=-BA, δηλαδή τα αντικείμενα A και B αντιμετατίθενται (anticommute), με άλλα λόγια, το AB  είναι αντίθετο του BA. Αυτό λέγεται διεθνώς αντιμεταθετική ιδιότητα (anticommutative property).

    Η αναπαράσταση με τελεστές (operators) καταστροφής ή καταβιβάσεως (annihilation or lowering) και δημιουργίας ή αναβιβάσεως (creation or raising), δηλαδή με τελεστές κλίμακας (ladder operators) ονομάζεται στη φυσική δεύτερη κβάντωση (second quantization). Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες κβαντικών σωματιδίων, τα μποζόνια (bosons) και τα φερμιόνια (fermions). Έτσι, τα μποζόνια (bosons), όπως είναι τα φωτόνια (photons), μετατίθενται (commute), δηλαδή οι τελεστές οι οποίοι περιγράφουν καταστροφή και δημιουργία μποζονίων ακολουθούν σχέσεις μεταθέσεως, με αντικείμενα [,] , ενώ τα φερμιόνια (fermions), όπως είναι τα ηλεκτρόνια (electrons), αντιμετατίθενται (anticommute), δηλαδή οι τελεστές οι οποίοι περιγράφουν καταστροφή και δημιουργία φερμιονίων ακολουθούν σχέσεις αντιμεταθέσεως, με αντικείμενα \lbrace , \rbrace. Συνοψίζοντας, στη θεωρητική φυσική (κβαντική μηχανική, στατιστική φυσική), μεταξύ άλλων, ασχολούμαστε με μποζόνια, φερμιόνια, μεταθέσεις, αντιμεταθέσεις, τελεστές κλίμακας και δεύτερη κβάντωση. Μας ενδιαφέρουν:

    • ο μεταθέτης (commutator), \left[A,B\right]=AB-BA και
    • ο αντιμεταθέτης (anticommutator) , \lbrace A,B \rbrace=AB+BA.
    • Αν μηδενίζεται ο μεταθέτης, AB=BA,
      έχουμε τη μεταθετική ιδιότητα (commutative property).
    • Αν μηδενίζεται ο αντιμεταθέτης, AB=-BA,
      έχουμε την αντιμεταθετική ιδιότητα (anticommutative property).

    Ας περιγράψουμε, εν τάχει, τις σχέσεις μεταθέσεως μποζονίων και τις σχέσεις αντιμεταθέσεως φερμιονίων.

    Σχέσεις μεταθέσεως μποζονίων (π.χ. φωτονίων): Αν ονομάσουμε {\hat{a}}_m τον τελεστή καταστροφής (annihilation operator) μποζονίων και {\hat{a}}_m^\dag τον τελεστή δημιουργίας μποζονίων στην κατάσταση ή τρόπο m, όπου \hbar\omega_m είναι η ενέργεια του δημιουργούμενου ή καταστρεφόμενου μποζονίου, τότε για τα μποζόνια ισχύουν οι σχέσεις μεταθέσεως (commutation relations):

        \[\begin{matrix}&\left[{\hat{a}}_m,{\hat{a}}_\ell^\dag\right]=\delta_{ml}\\&\left[{\hat{a}}_m,{\hat{a}}_\ell\right]=0\\&\left[{\hat{a}}_m^\dag,{\hat{a}}_\ell^\dag\right]=0\\\end{matrix}\]

    Εδώ \delta_{ml}=0 όταν m\neq l και \delta_{ml}=1 όταν m=l. Όταν \left[A,B\right]=0\Rightarrow AB-BA=0\Rightarrow AB=BA, δηλαδή, οι ποσότητες A και B μετατίθενται, πράγμα που δείχνει την προέλευση της ονομασίας. Ταυτοχρόνως, ο {\hat{a}}_m^\dag  μπορεί να ονομαστεί τελεστής αναβιβάσεως (raising operator) διότι αναβιβάζει την ενέργεια κατά \hbar\omega_m, ο {\hat{a}}_m μπορεί να ονομαστεί τελεστής καταβιβάσεως (lowering operator) διότι καταβιβάζει την ενέργεια κατά \hbar\omega_m και επομένως, αφού πρόκειται για μία σκάλα (κλίμακα) αναβιβάσεων και καταβιβάσεων, οι τελεστές {\hat{a}}_m, {\hat{a}}_m^\dag ονομάζονται τελεστές κλίμακας (ladder operators).
    Σχέσεις αντιμεταθέσεως φερμιονίων (π.χ. ηλεκτρονίων): Αν ονομάσουμε \hat{\textlatin{a}}_i τον τελεστή καταστροφής (annihilation operator) φερμιονίων και \hat{\textlatin{a}}_i^\dagger τον τελεστή δημιουργίας (creation operator) φερμιονίων στην κατάσταση i , όπου \hbar\mathrm{\Omega}_i είναι η ενέργεια του δημιουργούμενου ή καταστρεφόμενου φερμιονίου, τότε για τα φερμιόνια ισχύουν οι σχέσεις αντιμεταθέσεως:

        \[\begin{aligned} &\lbrace \hat{\textlatin{a}}_i,\hat{\textlatin{a}}_j^\dagger \rbrace = \delta_{ij} \\ &\lbrace \hat{\textlatin{a}}_i ,\hat{\textlatin{a}}_j \rbrace = 0 \\ &\lbrace \hat{\textlatin{a}}_i^\dagger ,\hat{\textlatin{a}}_j^\dagger \rbrace =0 \end{aligned}\]

    Εδώ \delta_{ij}=0 όταν i\neq j και \delta_{ij}=1 όταν i=j. Όταν \lbrace A,B \rbrace =0\Rightarrow AB+BA=0\Rightarrow AB=-BA, δηλαδή οι ποσότητες A, B αντιμετατίθενται [υπάρχει ένα «πλην», δηλόν αντίθεση…] πράγμα που δείχνει την προέλευση της ονομασίας. Ίσως οι αλλοδαποί φιλέλληνες που χρησιμοποιήσαν τη λέξη anticommutation ήξεραν καλύτερα ελληνικά από τους εν Ελλάδι μεταφραστές. Ταυτοχρόνως, ο \hat{\textlatin{a}}_i^\dagger μπορεί να ονομαστεί τελεστής αναβιβάσεως διότι αναβιβάζει την ενέργεια κατά \hbar\mathrm{\Omega}_i, , ο \hat{\textlatin{a}}_i μπορεί να ονομαστεί τελεστής καταβιβάσεως διότι καταβιβάζει την ενέργεια κατά \hbar\mathrm{\Omega}_i και επομένως αφού πρόκειται για μία σκάλα (κλίμακα) αναβιβάσεων και καταβιβάσεων, οι τελεστές \hat{\textlatin{a}}_i, \hat{\textlatin{a}}_i^\dagger ονομάζονται κι αυτοί τελεστές κλίμακας. Ας σημειωθεί πως αν εφαρμόσουμε τη σχέση \lbrace \hat{\textlatin{a}}_i^\dagger ,\hat{\textlatin{a}}_j^\dagger \rbrace = 0 για την ίδια κατάσταση, π.χ. θέτοντας i=j=r , έχουμε \lbrace \hat{\textlatin{a}}_r^\dagger ,\hat{\textlatin{a}}_r^\dagger \rbrace = 0 \Rightarrow \hat{\textlatin{a}}_r^\dagger \hat{\textlatin{a}}_r^\dagger = 0, το οποίο σημαίνει ότι δεν μπορούμε να βάλουμε δύο φερμιόνια στην ίδια κατάσταση, πράγμα που είναι η απαγορευτική αρχή Pauli.

    Να σημειωθεί ακόμα πως στα ελληνικά μεταφράζεται συχνά η λέξη permutation = rearrangement of a sequence ως «μετάθεση». Είναι και αυτή ατυχής μετάφραση, θα έπρεπε να λέγεται αναδιάταξη. Αλλά, ούτως ή άλλως αυτό αφορά άλλη περιοχή των μαθηματικών, δηλαδή τις πιθανότητες.Επίλογος

    Συνοψίζοντας, στη γραμμική άλγεβρα καθώς και στις εφαρμογές της στην κβαντική μηχανική, ορίζεται ο τελεστής αναβιβάσεως (raising operator), ο οποίος αυξάνει την ιδιοτιμή ενός άλλου τελεστή και ο τελεστής καταβιβάσεως (lowering operator), ο οποίος μειώνει την ιδιοτιμή ενός άλλου τελεστή. Αυτοί συλλογικά ονομάζονται τελεστές κλίμακας (ladder operators). Στην κβαντομηχανική, ο τελεστής αναβιβάσεως καλείται συχνά τελεστής δημιουργίας (creation operator), και ο τελεστής καταβιβάσεως καλείται συχνά τελεστής καταστροφής (annihilation operator). Γνωστές εφαρμογές των τελεστών κλίμακας είναι στον απλό αρμονικό ταλαντωτή και στη στροφορμή. Σε πολλές περιοχές της φυσικής και της χημείας η χρήση αυτών των τελεστών αντί κυματοσυναρτήσεων είναι γνωστή ως δεύτερη κβάντωση (second quantization).

    Συμπερασματικά, πέρα από τα μαθηματικά αυτά καθ’ εαυτά, οι έννοιες αυτές έχουν και θεμελιώδεις συνέπειες στη φυσική. Όπως είπαμε, η αναπαράσταση με τελεστές (operators) καταστροφής ή καταβιβάσεως (annihilation or lowering) και δημιουργίας ή αναβιβάσεως (creation or raising), δηλαδή με τελεστές κλίμακας (ladder operators) ονομάζεται στη φυσική δεύτερη κβάντωση (second quantization). Έτσι, τα μποζόνια (bosons) όπως είναι τα φωτόνια (photons) μετατίθενται (commute), δηλαδή οι τελεστές, οι οποίοι περιγράφουν καταστροφή και δημιουργία μποζονίων ακολουθούν σχέσεις μεταθέσεως, με αντικείμενα [,], ενώ, τα φερμιόνια (fermions) όπως είναι τα ηλεκτρόνια (electrons) αντιμετατίθενται (anticommute), δηλαδή οι τελεστές, οι οποίοι περιγράφουν καταστροφή και δημιουργία φερμιονίων ακολουθούν σχέσεις αντιμεταθέσεως, με αντικείμενα \lbrace , \rbrace.

    Για περαιτέρω μελέτη, οι αναγνώστες-στριες μπορούν να συμβουλευτούν, επί παραδείγματι, τις πηγές (Dirac, 1998), (Gilmore, 1974), (Schiff, 1968), (Mandel and Wolf, 1995), (Σιμσερίδης, 2015), (Σιμσερίδης, 2021), (Kryszewski, 2010), (McMillan, 1996), (Σιμσερίδης, 2022).ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

    Σιμσερίδης, Κ., 2015. Κβαντική Οπτική και Lasers. ISBN 9789606030734.Αθήνα: Κάλλιπος, Σύνδεσμος Ελληνικών Ακαδημαϊκών Βιβλιοθηκών. http://hdl.handle.net/11419/2108

    Σιμσερίδης, Κ., 2021. Νεότερες Σημειώσεις του μαθήματος Κβαντική Οπτική και Lasers. Αθήνα: Τμήμα Φυσικής, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών https://eclass.uoa.gr/courses/PHYS107/

    Σιμσερίδης, Κ., 2022. Κβαντική Οπτική. Αθήνα: Κάλλιπος, Σύνδεσμος Ελληνικών Ακαδημαϊκών Βιβλιοθηκών, υπό ετοιμασία.

    Dirac, P. A. M., 1998. The Principles of Quantum Mechanics. ISBN 019852015, 4th edition. Oxford: Clarendon Press.

    Gilmore, R., 1974. Lie Groups, Lie Algebras, and Some of Their Applications. ISBN 0471301795. New York: John Wiley & Sons.

    Schiff, L., 1968. Quantum Mechanics ISBN 007Y856435, 3rd edition. Singapore: McGraw-Hill.

    Mandel, L. and Wolf, E., 1995. Optical Coherence and Quantum Optics. ISBN 0521417112. Cambridge, USA: Cambridge University Press.

    Kryszewski, S., 2010. Quantum Optics Lecture notes for students. Gdańsk, Poland: Institute of Theoretical Physics and Astrophysics University of Gdańsk.

    McMillan, M., 1996. Quantum Leaps and Bounds. Vancouver, Canada: Department of Physics, The University of British Columbia.

  • ΚΒΑΝΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΑΤΟΜΩΝ (ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ): Από τη θεωρητική σύλληψη στην πειραματική επιβεβαίωση.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    Η λύση σε αυτά τα προβλήματα ήλθε από την επιβράδυνση της ατομικής κίνησης μέσω εξάτμισης (evaporative cooling) που εφαρμόζεται σε άτομα που είναι ήδη παγιδευμένα (Masuhara et al, 1988). Η εξάτμιση, η οποία μας είναι ιδιαίτερα οικεία από τα σχολικά μας χρόνια, είναι ένας βασικός μηχανισμός ψύξης ενός υγρού όπου οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων διατηρούν τα μόρια στην υγρή φάση. Μέσω της εξάτμισης τα πιο γρήγορα μόρια μπορούν και υπερνικούν τη δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης με τα υπόλοιπα μόρια και περνούν στην αέρια φάση, αφήνοντας πίσω στο υγρό τα πιο βραδυκίνητα μόρια. Αυτό οδηγεί στην ελάττωση της θερμοκρασίας και στην ψύξη του δείγματος. Μια ανάλογη εικόνα επαναλαμβάνεται στην περίπτωση των παγιδευμένων ατόμων. Όπως εξηγούμε στην Εικ. 2, μέσω των ελαστικών κρούσεων μεταξύ των ατόμων τα πιο ευκίνητα άτομα διαφεύγουν από την παγίδα αφήνοντας πίσω τα μόρια που έχουν χαμηλότερες ταχύτητες. Το τελικό αποτέλεσμα είναι πως η μέση κινητική ενέργεια του δείγματος ελαττώνεται και μαζί με αυτήν και η θερμοκρασία του.Εικόνα 2: Επιβράδυνση ατόμων μέσω εξάτμισης: Υποθέστε πως έχουμε δύο άτομα, με ενέργειες Ε1 και Ε2 αντίστοιχα, παγιδευμένα σε ένα δυναμικό με ενεργειακό βάθος U0. Σε κάποια στιγμή συμβαίνει μεταξύ τους μια ελαστική κρούση και τα άτομα αποκτούν ενέργειες  Ε3 και Ε4 αντίστοιχα. Λόγω της ελαστικότητας της κρούσης η συνολική ενέργεια παραμένει σταθερή: Ε1+Ε2= Ε3+Ε4. Εάν  Ε4> U0, τότε το άτομο με ενέργεια Ε4 διαφεύγει από την παγίδα και “εξατμίζεται”. Το άλλο άτομο, που παρέμεινε στην παγίδα, έχει πλέον μια ενέργεια Ε3 χαμηλότερη από την αρχική του Ε1. Με αυτόν το τρόπο το δείγμα των ατόμων που παραμένει στην παγίδα καταλήγει να είναι ψυχρότερο από το αρχικό.Τα προβλήματα του συνδυασμού των διαφορετικών τεχνικών έλυσαν με τον βέλτιστο τρόπο οι ερευνητικές ομάδες των C. Wieman και E. Cornell στο Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) του Κολοράντο των ΗΠΑ και του W. Ketterle στο MIT το 1995 επιτυγχάνοντας τη συμπύκνωση Bose-Einstein χρησιμοποιώντας άτομα ρουβιδίου και νατρίου αντίστοιχα με διαφορά μόλις τεσσάρων μηνών (Anderson 1995), (Davis 1995). Για αυτές τις έρευνες οι εν λόγω επιστήμονες τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ φυσικής το 2001. Για να έχουμε μια πιο σαφή εικόνα της όλης διαδικασίας αξίζει να δούμε αναλυτικότερα τις λεπτομέρειες του πειράματος στο ΜΙΤ ώστε να καταλάβουμε το μέγεθος του επιτεύγματος. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια δέσμη από άτομα νατρίου που δημιουργήθηκε σε ένα φούρνο σε θερμοκρασία 600 Κ όπου η μέση ταχύτητα των ατόμων είναι γύρω στα 800 m/s. Η δέσμη των ατόμων είχε μια πυκνότητα της τάξης των 1014 ατόμων/cm3.  Διανύοντας μια απόσταση μισού μέτρου τα άτομα επιβραδύνθηκαν, για πρώτη φορά, μέχρι η μέση ταχύτητά τους να φτάσει περίπου τα 30 m/s. Μετά την επιβράδυνση περίπου δέκα δισεκατομμύρια άτομα διοχετεύθηκαν σε μια Μαγνητο-Οπτική Παγίδα (Raab et al, 1987). Πρόκειται για μια διάταξη που συνδυάζει μαγνητικά πεδία και δέσμες λέιζερ για να επιτύχει ταυτόχρονα παγίδευση και επιβράδυνση της κίνησης των ατόμων. Με μια σειρά από περαιτέρω επιβραδύνσεις και παγιδεύσεις η κινητική θερμοκρασία του αερίου έπεσε στους 100 µK, που αντιστοιχεί σε μια μέση ταχύτητα 0,3 m/s. Η θερμοκρασία αυτή είναι υπεραρκετή ώστε τα άτομα να παγιδευτούν από μαγνητικά πεδία και να αρχίσει η ψύξη μέσω εξάτμισης η οποία υποβιβάζει την κινητική θερμοκρασία των ατόμων στους 2 µK (μέση ταχύτητα 0,4 mm/s) όπου αρχίζει η συμπύκνωση. Όλα αυτά σε χρόνο περίπου είκοσι δευτερολέπτων. Στο τελικό συμπύκνωμα παρέμειναν περίπου δέκα εκατομμύρια άτομα ενώ η διάμετρός του ήταν περίπου 0,3 χιλιοστά.

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

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

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

     

    ΚΒΑΝΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΦΕΡΜΙΟΝΙΩΝ

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

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

     

    ΕΠΙΛΟΓΟΣ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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