Ξαναγράψαμε τους νόμους της Φυσικής

Ηταν μια γεμάτη δεκαετία για τη Φυσική. Οι εφημερίδες δεν δίνουν εύκολα τις πιο προβεβλημένες σελίδες τους στη Φυσική και στη Χημεία, ωστόσο υπήρξαν στιγμές που οι ερευνητές με τα πειράματα και τις θεωρίες τους κατάφεραν να αποσπάσουν την προσοχή του κοινού του προσανατολισμένου πιο πολύ σε θέματα πολιτικής και καθημερινής επιβίωσης με επιτεύγματα όντως εντυπωσιακά.

Ο επιταχυντής του CERN
Ηταν το πείραμα του αιώνα, η κατασκευή και η λειτουργία του επιταχυντή σωματιδίων στα σύνορα Γαλλίας - Ελβετίας. Και σημάδεψε τη δεκαετία. Κατάφερε μάλιστα να φέρει τη Φυσική κάποια στιγμή στις πρώτες σελίδες ΟΛΩΝ των εφημερίδων του κόσμου. Και να μην τη φθείρει όπως φθείρονται όλες οι... ντίβες όταν πέσουν επάνω τους όλα τα φώτα.

Στο CERN δεν ξοδεύονται τα χρήματα των ευρωπαίων φορολογουμένων ψάχνοντας μόνο για κάποιο φευγαλέο «σωματίδιο του Θεού» βάζοντας τα πρωτόνια σε δυο ομάδες έτσι απλά να γυρίζουν, 100 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της Γης σε (σχεδόν) κυκλικές τροχιές με μήκος 27 χιλιομέτρων περίπου μέσα σε 89 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου για κάθε περιστροφή σε αντίθετη φορά η μια ομάδα με την άλλη και κάποια στιγμή να τρακάρουν μεταξύ τους, με τους επιστήμονες γύρω να χαζεύουν το τρακάρισμα...  

Στο CERN, κοντά στη Γενεύη, κατασκευάστηκε η πιο πολύπλοκη μηχανή που έχει φανταστεί ποτέ ο άνθρωπος. Και έλαβαν σε αυτή την κατασκευή μέρος τεχνικοί και θεωρητικοί επιστήμονες από τη Ρωσία ως τις Ηνωμένες Πολιτείες και ολόκληρη τη Δυτική Ευρώπη, με απροσδόκητα ίσως πολλούς Ελληνες και στο ερευνητικό κομμάτι και στον χειρισμό των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Δίνουμε λίγα αλλά πειστικά στοιχεία για την ακρίβεια που απαίτησε αυτή η μηχανή. Σε όλο το μήκος της διαδρομής, που είναι στα περισσότερα τμήματά της καμπύλη, χρειάζεται να υπάρχουν 1.232 τεράστιοι μαγνήτες για να δίνουν στα πρωτόνια την απαραίτητη καμπύλωση στην τροχιά τους. Εχουν μήκος 15 μέτρα (γιατί τόσο είναι το μεγαλύτερο μήκος που επιτρεπόταν στους ευρωπαϊκούς δρόμους να μεταφέρονται από τους τόπους παραγωγής τους φορτία με βάρος 30 τόνων). Καθένας κοστίζει 700.000 ευρώ και υπολογίστηκε ότι ανά κιλό το κόστος είναι παρόμοιο με της ελβετικής σοκολάτας, άρα τόσο θα κόστιζε αν φτιαχνόταν από το γλυκό αυτό υλικό. Αλλά δεν θα μπορούσε να κάνει αυτά που θέλουμε. Να βρίσκονται οι μαγνήτες σε θερμοκρασία -271 βαθμών Κελσίου, την πιο χαμηλή θερμοκρασία που υπάρχει μόνιμα στο Σύμπαν, ώστε να περιορίζονται στο ελάχιστο οι αντιστάσεις διότι για να κάνουν τη δουλειά τους οι σπείρες του κάθε μαγνήτη, δηλαδή να δημιουργούν μαγνητικό πεδίο με ένταση 150.000 μεγαλύτερη από την ένταση του μαγνητικού πεδίου της Γης, χρειάζεται να κυκλοφορεί ρεύμα με ένταση 12.300 Αμπέρ (στις λάμπες μας η ένταση είναι 0,3 Αμπέρ). Στους μαγνήτες των 15 μέτρων η καμπύλωση είναι μόλις 9 χιλιοστά, άρα καταλαβαίνεις εύκολα τι απαιτήσεις ακριβείας υπάρχουν ενώ οι δυο δέσμες πρωτονίων κινούνται σε κενό της τάξης του 10 ^-13, ξεκινούν με ταχύτητες που είναι το 99,9998% της απόλυτης ταχύτητας του φωτός στο κενό, στην τελική τους ταχύτητα αυτή έχει αυξηθεί μόλις κατά 0,0002% αλλά αυτό δεν είναι λίγο. Οι δέσμες δεν είναι σαν το νερό που τρέχει από τον σωλήνα του ποτίσματος αλλά σαν τις διαδοχικές σταγόνες μιας βρύσης που δεν έχει κλείσει καλά. Περιστρέφονται δηλαδή σε πακέτα των 100 δισεκατομμυρίων πρωτονίων το καθένα, 2.808 πακέτα σε κάθε δέσμη, που οι δέσμες τελικά συγκρούονται όχι μετωπικά, διότι οι ανιχνευτές και οι υπολογιστές δεν θα προλάβαιναν να καταγράφουν και να ταξινομούν τα γεγονότα αλλά με μια ανεπαίσθητη γωνία, πλαγιομετωπικά, όπως λέει και η Τροχαία. Πόση είναι αυτή η γωνία; Οση και το να κοιτάξεις μια ράβδο του ενός μέτρου μπηγμένη κάθετα στο έδαφος από απόσταση 3,6 χιλιομέτρων!

Το «σωματίδιο Higgs»
Με την καταπληκτική κατασκευή του CERN που διαθέτει στην καμπύλη διαδρομή της τέσσερις τουλάχιστον γιγάντιους ανιχνευτές προσπάθησαν οι ερευνητές να βρουν αν πραγματικά υπάρχει κάτι, που προβλεπόταν ήδη από το 1964 από τη θεωρία, αλλά έλειπε η πειραματική βεβαιότητα για την ύπαρξή του, ως τον Ιούνιο του 2012. Μέσα από τις συγκρούσεις των πρωτονίων μεταξύ τους και τα όσα σωματίδια προκύπτουν σαν θραύσματα αυτού του συμβάντος θα έπρεπε να ανιχνευθεί ένας μεγάλος αριθμός γεγονότων αθέατων με γυμνό μάτι, αλλά συγκεκριμένων προδιαγραφών, που θα συσσώρευαν στις μνήμες τους οι υπολογιστές χάρη σε τεράστιας έκτασης ειδικά γραμμένα προγράμματα. Κανένα «σωματίδιο του Θεού» δεν έψαχναν στο CERN, ο όρος από τους εντός του κέντρου θεωρείται βλακώδης, ούτε καν «σωματίδιο του Higgs» θα επιθυμούσε και ο ίδιος ο σεμνός Higgs να το αποκαλούν, διότι την ίδια χρονιά, το 1964, τρεις φυσικοί διατύπωσαν την ίδια υπόθεση, ο ένας, ο Brout, δεν ζει πλέον και οι άλλοι δυο, ο Higgs και ο Englert, είπαν ότι για να ισχύει ένας ολόκληρος πίνακας με όλα τα απαραίτητα, ξεχωριστά μεταξύ τους συστατικά της ύλης, πρέπει να υπάρχει και κάτι ακόμη, που ως τον Ιούνιο του 2012 δεν είχε επιβεβαιωθεί η ύπαρξή του. Για να καταλάβουμε έστω και λίγο τη γλώσσα των ανθρώπων που ασχολούνται με το θέμα πρέπει να αλλάξουμε εντελώς μήκος κύματος. Δηλαδή να βάλουμε στο μυαλό μας ότι το Σύμπαν διαφεντεύεται από τα λεγόμενα κβαντικά πεδία. Είναι σαν να ζούμε μέσα σε συμπαντικές και γεμάτες κύματα θάλασσες. Ενα κύμα φθάνει σε μια σημαδούρα που επιπλέει σε κάποιο σημείο και την κάνει να ανεβοκατεβαίνει. Από αυτή την εικόνα κρατάμε το ότι πρέπει να φθάσει ένα κύμα ως εκεί για να τη βάλει σε κίνηση, το φαινόμενο είναι τοπικό και δεν επηρεάζεται από μακρινά φαινόμενα του τύπου αν υπάρχουν εξωγήινοι κάτοικοι στον Αρη, και τέλος ότι αυτή η κίνηση του σώματος φαίνεται κάτι σαν υλοποίηση της κυματικής κίνησης. Ο υλικός μικρόκοσμος με βάση τα Μαθηματικά και τη Φυσική που υπάρχουν ως σήμερα κινείται και συμπεριφέρεται όπως η μικρή σημαδούρα μέσα στα λεγόμενα κβαντικά πεδία. Ολα τα σωματίδια που γνωρίζουμε είναι κάτι σαν υλοποίηση της ενέργειας σε διάφορα σημεία της απέραντης αυτής θάλασσας που επηρεάζει τα πάντα. Δεν δημιουργούν τα σωματίδια τα πεδία αλλά το αντίθετο. Η εκδήλωση των φαινομένων υπακούει σε κάτι που ονομάζεται τοπική (αλλά όχι κατ' ανάγκην γεωμετρική) συμμετρία και διατηρείται χάρη σε ένα τοπικό πεδίο που ονομάζεται βαθμωτό. Κάτι σαν ελαστικό ύφασμα που κρατάει τα πράγματα στη σωστή τους θέση. Αυτό το ύφασμα όμως θέλει τα σωματίδια όταν εκδηλώνουν την ύπαρξή τους για να το διαπερνούν να έχουν μάζα μηδενική όπως το φωτόνιο. Ολα όμως δεν έχουν μάζα μηδέν, το ξέρουμε αυτό. Χρειαζόταν λοιπόν μια θεωρητική ντρίμπλα, που θα επιβεβαιωνόταν με την ύπαρξη και ενός σχετικού σωματιδίου, για να υπάρξει συμβιβασμός και να συνυπάρχουν σωματίδια με μηδενική μάζα όπως το φωτόνιο και σωματίδια με μάζα διαφορετική από το μηδέν, όλα με κοινή πηγή προέλευσης, και αυτή την υπέδειξαν, περιγράφοντας τον σχετικό μηχανισμό που δίνει σε άλλα σωματίδια μάζα και σε άλλα όχι, ο Higgs και οι άλλοι δυο φυσικοί.

Ολογραφία: Ψάχνοντας την άκρη στο Σύμπαν
Βρίσκεσαι στη Σαντορίνη σε ένα σημείο αρκετά ψηλά και κοιτάζεις προς τη θάλασσα. Εκείνη τη στιγμή σκέπτεσαι, αν μπορούσα αντικρίζοντας μόνο την επιφάνεια αυτού του νερού να βγάλω συμπέρασμα για το τι γίνεται πιο μέσα, φθάνοντας ίσως και μέχρι τον βυθό, θα ήταν υπέροχα. Στο τέλος του 2012, στο πλαίσιο του διαγωνισμού που προκήρυξε το Ιδρυμα Templeton, με θέμα «Τα νέα σύνορα που χαράσσονται στην Αστρονομία και την Κοσμολογία» δόθηκαν είκοσι βραβεία, το καθένα από 175.000 δολάρια, για τη συνέχιση ερευνητικών προγραμμάτων. Ενα από αυτά ήταν και του συμπατριώτη μας Κώστα Σκενδέρη, όπου μεταξύ άλλων ζητείται η απάντηση και στο ερώτημα «Ποια ήταν η πρώτη κατάσταση από όπου ξεπήδησε το Σύμπαν (πριν δηλαδή από τη Μεγάλη Εκρηξη)».

Ο λόγος που το πρόγραμμα του Κώστα Σκενδέρη κρίθηκε ενδιαφέρον πρέπει να έχει σχέση και με τη δυσκολία του και αυτό βγαίνει και από την εξήγηση που δίνει και ο ίδιος για τους αναγνώστες του «Βήματος»: «Η ιδέα αυτής της Ολογραφίας προσφέρει ένα καινούργιο πλαίσιο όπου μπορεί ο ερευνητής να εξετάσει ερωτήματα όπως:

• Ποιοι ήταν οι νόμοι της Φύσης στην αρχή του χώρου και του χρόνου;

• Τι υπήρχε προτού υπάρξουν ο χώρος και ο χρόνος όπως τον αντιλαμβανόμαστε τώρα;

• Χρησιμοποιώντας μια θεωρία που να βασίζεται σε δύο μόνο διαστάσεις (αντί για τρεις) και μία διάσταση για τον χρόνο μπορούν να περιγραφούν το Σύμπαν και οι νόμοι της Φύσης πριν και μετά το Big-Bang και πώς έγινε η μετάβαση από την πριν στη μετά κατάσταση;».

Χωρίς αμφιβολία, πρόκειται για προβλήματα από τα δυσκολότερα που έχει ποτέ αντιμετωπίσει η επιστημονική κοινότητα και η επιχορήγηση του Ιδρύματος Templeton δόθηκε στον έλληνα ερευνητή διότι ακριβώς έχει ήδη αναπτύξει μια θεωρία για το Ολογραφικό Σύμπαν και θέλει στη συνέχεια, από την Ολογραφική Αρχή να δημιουργήσει μια φυσική θεωρία, να βρει δηλαδή ποιοι είναι οι φυσικοί νόμοι ενός ολογραφικού κόσμου. Από αυτή την ιδέα ξεκινώντας άλλοι θεωρητικοί φυσικοί και κοσμολόγοι έφθασαν στο συμπέρασμα πως πράγματα που συμβαίνουν στο εσωτερικό του δικού μας Σύμπαντος μπορούν να έχουν τις αντίστοιχες πληροφορίες γι' αυτά κάπου σε μια επιφάνεια που περιβάλλει τα πάντα. Δεν είμαστε λοιπόν τα τρισδιάστατα ζόμπι πλασμάτων που ζουν στις δυο διαστάσεις στις ακραίες περιοχές του Σύμπαντος ούτε θα ξυπνήσουμε κάποτε διαπιστώνοντας ότι ζούσαμε ένα Truman's Story, ένα πλασματικό δηλαδή περιβάλλον φτιαγμένο από άλλους. Η όλη ιστορία με το Ολογραφικό Σύμπαν έχει να κάνει με το ότι είναι πιο εύκολο να χειριστείς μια Φυσική που έχει τη βάση της σε μια κλειστή επιφάνεια, και μάλιστα όχι με άπειρες διαστάσεις, δηλαδή με δυο διαστάσεις συν μία για τον χρόνο και να ισχύουν οι γνωστοί μας νόμοι της Κβαντικής Μηχανικής ενώ η βαρύτητα δεν μπαίνει στη μέση, από ό,τι μια Φυσική σε έναν χώρο τριών διαστάσεων και με βαρύτητα.

Η επιβεβαίωση της αβεβαιότητας
Τα προηγούμενα δέκα χρόνια μπορούμε να πούμε ότι ζήσαμε την καταξίωση της Kβαντικής Φυσικής, κάτι σαν να έγιναν οι νόμοι της ένα σύνταγμα που όλοι παραδέχονται ότι ισχύει απαρέγκλιτα στον μικρόκοσμο, δηλαδή από το επίπεδο μορίων και σε ακόμη μικρότερες κλίμακες. Τον περασμένο Ιούνιο εμφανίστηκε ένα δημοσίευμα που λόγω Higgs ίσως πέρασε στα ψιλά αλλά είχε ένα πολύ σοβαρό αντικείμενο προβληματισμού. Ισχύει πράγματι η αρχή της αβεβαιότητας, κάτι που τρέλαινε τον Αϊνστάιν, φανατικό πολέμιο του απρόβλεπτου στη Φυσική, της ιδέας δηλαδή της Kβαντικής Mηχανικής, που δίνει μόνο πιθανότητες για την πρόβλεψη συμπεριφορών στον μικρόκοσμο. Και όμως οι Stephanie Wehner και Esther Haenggi στο University of Singapore Centre of Quantum Technology περιέγραψαν ένα θεωρητικό πείραμα (arxiv.org/abs/12056894v1) όπου δυο σημαντικά για ένα σωματίδιο στοιχεία, π.χ. η ορμή και η θέση, τα περιγράφουν σαν δυο ρεύματα ψηφιακών κωδικοποιημένων στοιχείων που δεν γνωρίζουμε και πάλι με ακρίβεια το περιεχόμενό τους. Απέδειξαν λοιπόν ότι μόλις προσπαθήσουμε να χαλαρώσουμε τους κανόνες της αβεβαιότητας και να αποκτήσουμε πιο ακριβή γνώση χτυπάμε σε... τοίχο. Συγκεκριμένα, ελαττώνοντας την αβεβαιότητα φθάνουμε στο απαράδεκτο για τη Φυσική να παράγεται ενέργεια από το (πραγματικά) τίποτα. Αρα η Αρχή της Αβεβαιότητας απέκτησε άλλη μια επιβεβαίωση.

Το κενό δεν είναι πια κενό
Μια ακόμη ιδέα με την οποία έπρεπε τα τελευταία δέκα χρόνια να συνηθίσουμε να ζούμε είναι πως εκεί που (νομίζουμε ότι) δεν υπάρχει άλλο από «άδειος χώρος» γίνεται χαμός από δράση. Οσοι ασχολούνται με το τι συμβαίνει σε αυτό που κάποτε θεωρούσαμε κενό, πρέπει να ξεκινήσουν με έναν διαφορετικό ορισμό στο μυαλό τους. Το κενό δεν είναι εκεί που υπάρχει μόνον το τίποτε αλλά κενό είναι μια διάταξη στη Φύση όπου υπάρχουν σωματίδια με ιδιόρρυθμη, είναι η αλήθεια, συμπεριφορά, αλλά ελάχιστη συνολικά και (υπο)λογιστικά ενέργεια. Τα σωματίδια αυτά δημιουργούνται και εξαφανίζονται σε τόσο μικρό χρονικό διάστημα ώστε προτού το πάρουμε είδηση, ο συνολικός απολογισμός για την ύπαρξή τους μας βγαίνει μηδέν. Σαν να πήραμε, δηλαδή να δανειστήκαμε, χρήματα από την τσέπη φίλου και προτού το καταλάβει να τα ξαναβάλαμε στη θέση τους. Αντί για το τίποτα λέμε ότι υπάρχει μια «ύφανση» της πραγματικότητας που τη λένε ουσία  Higgs. Στα πειράματα με τις συγκρούσεις στο CERN προσπαθούν να δημιουργήσουν κάποιες «ρυτίδες» στο ύφασμα αυτό, που είναι ένα κβαντικό πεδίο στην ουσία, όπως περιγράφηκε πριν σαν θάλασσα, που εκδηλώνονται με τη μορφή  δύσκολα ανιχνεύσιμων στιγμιαίων σωματιδίων. Αυτά ονομάζονται «μποζόνια Higgs» και ψάχναμε την επιβεβαίωση της ύπαρξής τους. Και έτσι μαθαίνουμε πλέον ότι δεν πρέπει να λέμε ότι στο κενό υπάρχει το τίποτα αλλά κάτι που έχει και ενέργεια και δράση αλλά με μινιμαλιστική συμπεριφορά.