Πέμπτη, 15 Φεβρουαρίου 2007

Το Σύμπαν σε μία Κλωστή

Το κομψό σύμπαν
Brian Greene
superstings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory
Εκδόσεις: Ωκεανίδα 2004
Σελίδες:628



Ο Αλμπερτ Αϊνστάιν αφιέρωσε ένα μεγάλο μέρος της ζωής του κυνηγώντας μία χίμαιρα. Οι κακεντρεχείς μάλιστα έλεγαν ότι τα τελευταία του τριάντα χρόνια ο Αϊνστάιν θα μπορούσε κάλλιστα να είχε πάει για ψάρεμα. Αλλά και ο ίδιος, γράφοντας το 1943 σε ένα φίλο του εξομολογήθηκε πως "έχει καταντήσει ένας μοναχικός γεράκος που είναι γνωστός κυρίως επειδή δεν φορά κάλτσες και ο οποίος επιδεικνύεται ως αξιοθέατο σε εξαιρετικές περιστάσεις". Ο σημαντικότερος επιστήμονας μετά τον Νεύτωνα είχε προσπαθήσει να χωρέσει όλη την κατανόηση του κόσμου μας μέσα σε ένα ενιαίο οικοδόμημα, στην θεωρία του Ενιαίου Πεδίου, και είχε αποτύχει. Σήμερα οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να καταφέρουν αυτό που προσπάθησε ο Αϊνστάιν, με μία νέα -- ημιτελή ακόμη-- θεωρία του Παντός.

Αυτήν την πορεία στο άγνωστο περιγράφει με θαυμαστή δεξιοτεχνία ο Μπραϊαν Γκρίν στο βιβλίο του "το κομψό σύμπαν" που σκιαγραφεί τις κλασικές φυσικές θεωρίες, για να καταλήξει στην αιχμή της γνώσης αλλά και των θεωρητικών υποθέσεων. Η εικόνα που ζωγραφίζει δείχνει ένα Σύμπαν ακραίο και αλλόκοτο, πολύ διαφορετικό όχι μόνο από αυτό που ξέρουμε και από αυτό που φανταζόμαστε, αλλά ίσως και από "εκείνο που μπορούμε να φανταστούμε", σύμφωνα με μία προσφιλή ρήση του ίδιου του Αϊνστάιν.


Οι τρεις αντιφάσεις


Είναι απαραίτητο να διασχίσουμε επί τροχάδην την πορεία της Φυσικής μέχρι σήμερα, προκειμένου να καταλάβουμε αυτό το πρόβλημα της ενοποίησης και την σημασία του. Αυτό ακριβώς κάνει ο Γκριν στο βιβλίο του, που διαβάζεται ως μία επίτομη περιληπτική ιστορία της Φυσικής και των σημαντικότερων θεωρητικών προβλημάτων από τον Νεύτωνα μέχρι σήμερα. Η πορεία βασίζεται στις αντιφάσεις στις οποίες σκόνταφταν οι παλιές θεωρίες και στην συμφιλίωση τους από νεότερες θεωρίες που ανατρέπουν τις παλιές, καθώς και στα αμείλικτα "γιατί;" που βασανίζουν τους επιστήμονες. Όπως για παράδειγμα εκείνο που συμβαίνει με τις "αινιγματικές ιδιότητες του φωτός".

Στο τέλος του 19ου αιώνα, τότε που ακόμη βασίλευαν ακλόνητοι οι νόμοι του Νεύτωνα μπορούσες, αν έτρεχες αρκετά γρήγορα, να προλάβεις μία αχτίδα φωτός (τα φωτόνια) και να συμπορευτείς με αυτήν· αντίθετα, η νέα τότε ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Μάξγουελ πρέσβευε πως αυτό ήταν αδύνατον. Ο Αϊνστάιν έλυσε αυτή την αντίφαση το 1905 με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, ορίζοντας πως κανένα υλικό αντικείμενο (ή καμία άλλη επίδραση) δεν μπορεί να φτάσει την ταχύτητα του φωτός. Στη θέση της όμως δημιούργησε μία δεύτερη αντίφαση. Σύμφωνα με την θεωρία του Νεύτωνα η βαρύτητα επιδρούσε ακαριαία σε αχανείς αποστάσεις και έτσι μπορούσε (ως επίδραση) να προλάβει το φως--καταρρίπτοντας έτσι την αιτιότητα στο Σύμπαν. Ήταν πάλι ο Αϊνστάιν, δέκα χρόνια αργότερα, που έλυσε και αυτή την αντίφαση με την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Και οι δύο αυτές θεωρίες άλλαξαν τις έννοιες του χώρου και του χρόνου, μιλώντας για καμπύλο χώρο και χρόνο που διαστελλόταν, αλλά έθεσαν τα θεμέλια για μία τρίτη ισχυρή αντίφαση, που παραμένει ως τις μέρες μας.

Στις αρχές του 20ου αιώνα και για τρεις δεκαετίες περίπου οι φυσικοί επιστήμονες ανέπτυξαν την Κβαντομηχανική, διότι η μέχρι τότε Φυσική ήταν απελπιστικά ανεπαρκής όταν εφαρμοζόταν στον μικροσκοπικό κόσμο των συστατικών του ατόμου. Βασικό θεμέλιο της Κβαντομηχανικής ήταν η αρχή της αβεβαιότητας, η οποία ευθυνόταν για αρκετά παράδοξα τα οποία αψηφούσαν την κοινή λογική. Παρόλα αυτά, η Κβαντομηχανική απαντούσε σωστά και με εξαιρετική ακρίβεια σε πλήθος ερωτημάτων, και ήταν ίσως η πληρέστερα επαληθευμένη -- από το πείραμα μέχρι οχτώ δεκαδικά ψηφία!-- θεωρία στην Ιστορία της επιστήμης. Αρκετές ισχυρές αποδείξεις υπήρχαν και για την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.

Η τρίτη όμως ,και βαθύτερη, αντίφαση είναι πως η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και η Κβαντομηχανική δεν συμφωνούν στην θεώρηση του χώρου και του χρόνου. Διότι η μεν θεωρία της Σχετικότητας περιγράφει τους γαλαξίες, τα άστρα και το διάστημα ανάμεσά τους το οποίο μπορεί να καμπυλώνεται, καθώς και τον χρόνο που κυλάει πιο αργά ή πιο γρήγορα -- και όλα αυτά υπό την πανταχού παρούσα επήρεια της βαρύτητας -- αλλά τα φαινόμενα συμβαίνουν ομαλά και η αιτιότητα διατηρείται: πρώτα θα εκραγεί ένα αστέρι και μετά θα παρατηρήσουμε την λάμψη.

Όταν όμως κατέβουμε στο επίπεδο των στοιχειωδών σωματιδίων που απαρτίζουν την ύλη (αλλά και την ενέργεια, δηλαδή τις δυνάμεις του σύμπαντος), μέσα στον "κβαντικό αφρό" όπως επιτυχημένα αποκαλείται, με την φρενιασμένη του αέναη δραστηριότητα, αυτή η ομαλότητα διαρρηγνύεται: ο χώρος δεν είναι συνεχής, και "οι συμβατικές έννοιες του αριστερά και δεξιά, εμπρός και πίσω, πάνω και κάτω, (και ακόμη του πριν και μετά) χάνουν τη σημασία τους". Εκεί όπου βασιλεύει η Κβαντομηχανική δεν υπάρχει θέση για την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Αν αυτό ισχύει, τότε το Σύμπαν δεν είναι συμμετρικό και οι φυσικοί νόμοι δεν ισχύουν παντού απαράλλαχτοι! Οι δύο βασικοί πυλώνες της Φυσικής του 20ου αιώνα, αυτά τα επιβλητικά διανοητικά οικοδομήματα, χωρίζονται από ένα αγεφύρωτο χάσμα, όπου μαίνεται εφιαλτικά ο σφοδρός "κβαντικός αφρός" του υποατομικού κόσμου.

Τα αμείλικτα "γιατί" πολλαπλασιάζονται καθώς εξερευνούμε την ύλη και τα στοιχειώδη σωματίδια που την αποτελούν. Παρόλο που η βασική αρχή των αρχαίων Ελλήνων ότι υπάρχουν μερικά άτμητα σωματίδια δεν έχει καταρριφθεί ακόμη, τα σωματίδια αυτά δεν είναι πλέον τα άτομα, ούτε τα πρωτόνια: είναι τα κουάρκ (μία λέξη που προέρχεται από το Φίνεγκανς Γουέϊκ του Τζόυς) διαφόρων μορφών και αποχρώσεων, και τα λεπτόνια, και συγκροτούν τρεις "οικογένειες" ύλης και αντιϋλης. Υπάρχουν ισχυροί θεωρητικοί λόγοι που συνηγορούν στο ότι ίσως έχουμε φθάσει στην μικρότερη από τις ρώσικες κούκλες, αλλά τα ερωτήματα παραμένουν: γιατί υπάρχουν τόσα στοιχειώδη σωματίδια σε τρεις οικογένειες; Γιατί έχουν αυτές τις μάζες και όχι άλλες; Γιατί για παράδειγμα ένας τύπος κουάρκ να ζυγίζει 40 χιλιάδες φορές περισσότερο από έναν άλλο; Είναι τυχαίο, ή υπάρχει κάποια θεωρητική εξήγηση που μπορεί να ανάγεται στην αρχή της Δημιουργίας και που κρύβει μία εξήγηση για το σύμπαν μας; Αναρωτιόμαστε επίσης και για άλλα σωματίδια, που είτε υποθέτουμε πως υπάρχουν (όπως το μυστηριώδες μποζόνιο του Χιγκς) είτε έχουν ανακαλυφθεί χωρίς όμως να συγκροτούν την ύλη, ταξιδεύοντας στο διάστημα, -- όπως για παράδειγμα τα δισεκατομμύρια νετρίνα που διαπερνούν αυτή τη στιγμή το σώμα σας. Μερικά μάλιστα εμφανίζονται τόσο απροσδόκητα, ώστε όταν ανακαλύφθηκε ένα ακόμη σωματίδιο που δεν το "χρειαζόταν" καμία θεωρία, ο νομπελίστας φυσικός Ραμπάϊ αναρωτήθηκε: "Αυτό ποιος το παρήγγειλε;"

Όταν προσθέσουμε τις δυνάμεις που κυριαρχούν στο Σύμπαν, τότε τα κομμάτια που λείπουν από το παζλ πολλαπλασιάζονται. Οι τέσσερις αυτές δυνάμεις (η βαρυτική, η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής πυρηνική και η ισχυρά πυρηνική), έχουν κοινά χαρακτηριστικά, αλλά και μεγάλες διαφορές επενέργειας και ισχύος. Για παράδειγμα η ηλεκτρομαγνητική δύναμη (αυτή που ενεργεί στο ακουστικό του τηλεφώνου σας) είναι ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερη από την δύναμη της βαρύτητας; Γιατί αυτή η τεράστια διαφορά; "Αυτή δεν είναι μία ερώτηση που προέρχεται από αργόσχολη φιλοσοφική διάθεση για το αν μερικές λεπτομέρειες συμβαίνει να είναι έτσι ή αλλιώς· το Σύμπαν θα ήταν ένας εντελώς διαφορετικός τόπος αν οι ιδιότητες της ύλης και των δυνάμεων άλλαζαν, έστω και λίγο". Αν η βαρύτητα ήταν ελαφρά ισχυρότερη, τότε το Σύμπαν είτε θα είχε καταρρεύσει, είτε θα ήταν μία παγωμένη στέπα χωρίς άστρα και χωρίς ζωή. Άρα το Σύμπαν είναι ακριβώς αυτό που είναι γιατί τα σωματίδια και οι δυνάμεις έχουν αυτές τις ιδιότητες και όχι άλλες. Ποια όμως είναι η επιστημονική εξήγηση του γιατί, την οποία από μόνη της ούτε η θεωρία της Σχετικότητας, αλλά ούτε και η Κβαντομηχανική μπορούν να δώσουν;


Κοσμική συμφωνία εγχόρδων

Είναι δυνατόν να απαντήσει σε αυτά τα ερωτήματα μία και μόνη φυσική θεωρία που τα περικλείει όλα; Δεν εννοούμε μία θεωρία που ερμηνεύει τα πάντα αχρηστεύοντας όλες τις άλλες επιστήμες, διευκρινίζει ο Γκρίν, αλλά μία θεωρία που ισχύει απαράλλαχτη στους αστρικούς γαλαξίες, στις μαύρες τρύπες, στα απειροελάχιστα σωματίδια της ύλης και στις φυσικές δυνάμεις. Ακόμη και αν υπάρχει μία τέτοια θεωρία, σίγουρα δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμα. Υπάρχει όμως μία υποψήφια. Η θεωρία αυτή λέγεται θεωρία των χορδών (ή των υπερχορδών, όταν προστεθούν κάποιες υποθέσεις συμμετρίας για το Σύμπαν) και η φιλοδοξία της είναι όντως να εξηγήσει τα πάντα--όταν ολοκληρωθεί διότι είναι ακόμη μία θεωρία "εν αναπτύξει" και οι φυσικοί ιχνηλατούν τις παρυφές της. Η απείρως σεμνότερη φιλοδοξία του Μπραϊαν Γκρίν, ενός θεωρητικού φυσικού και συμμέτοχου στην "επανάσταση των υπερχορδών" είναι να εξηγήσει στον αμύητο, δηλαδή στην συντριπτική πλειονότητα των αναγνωστών, αυτή ακριβώς την θεωρία, αλλά και τις συνέπειες, τις επιπτώσεις που θα έχει, καθώς και τις προβλέψεις που -- όπως κάθε καλή θεωρία -- μπορεί να κάνει. Τα καταφέρνει λοιπόν εξαιρετικά καλά εκλαϊκεύοντας ένα από τα δυσκολότερα ζητήματα της σύγχρονης Φυσικής, κάτι που φαντάζει ακόμη εντυπωσιακότερο, αν αναλογιστούμε πως δεν πρόκειται για κάτι τελειωμένο, παγιωμένο και επαληθευμένο, αλλά για θεωρητικές προσεγγίσεις συχνά αδιαμόρφωτες.

Η θεωρία των υπερχορδών βασίζεται σε μία φαινομενικά απλή αρχή. Θεωρεί ότι όλα τα στοιχειώδη σωματίδια είναι όχι σημεία στο χώρο, αλλά μικροί βρόχοι, μονοδιάστατες χορδές σαν ελαστικές ταινίες που πάλλονται διαρκώς. Έτσι όλες οι ιδιότητες των σωματιδίων που παρατηρούμε οφείλονται στους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους μπορεί να πάλλεται μία χορδή. "Ακριβώς όπως οι χορδές ενός βιολιού ή ενός πιάνου έχουν συχνότητες συντονισμού, στις οποίες προτιμούν να πάλλονται--τρόπους δηλαδή που τα αυτιά μας νοιώθουν ως νότες--έτσι συμβαίνει και στην θεωρία των χορδών. Αλλά […] αντί να παράγουν μουσικές νότες, κάθε [διαφορετική] μορφή δόνησης μίας χορδής […] εμφανίζεται ως σωματίδιο του οποίου η μάζα και το φορτίο εξαρτώνται από τον τρόπο δόνησης. Το ηλεκτρόνιο είναι μία χορδή που πάλλεται με έναν τρόπο, το κάθε κουάρκ, ή το φωτόνιο, μία χορδή που δονείται με έναν διαφορετικό τρόπο". Έχουμε έτσι μία μουσική του σύμπαντος, μία κοσμική συμφωνία, με διαφορετικές "νότες" που παράγονται, είτε πρόκειται για την ύλη είτε πρόκειται για την ενέργεια, από τον ίδιο βασικό δομικό λίθο: την χορδή που δονείται.

Αυτή η φαινομενικά απλή αντικατάσταση του σημείου από την χορδή έχει πολύ σοβαρές συνέπειες. Δημιουργεί επίσης πολλά προβλήματα και παράγει αλλόκοτες έννοιες, που απαιτούν να αλλάξουμε τον τρόπο που κατανοούμε τον χώρο και τον χρόνο. Για παράδειγμα, για να μπορέσει να εξηγήσει τη φύση, η θεωρία των χορδών δεν αρκείται στις γνωστές μας τρεις διαστάσεις -- το μήκος, το πλάτος και το ύψος, που γίνονται τέσσερις μαζί με τον χρόνο. Απαιτεί δέκα διαστάσεις, κάτι που προκαλεί άμεσα την εύλογη απορία: οι άλλες έξι (αβάφτιστες ακόμη) που βρίσκονται, και γιατί δεν τις βλέπουμε; Η απάντηση είναι ότι οι άλλες διαστάσεις είναι "κουλουριασμένες" γιατί ίσως δεν πρόλαβαν να αναπτυχθούν τις πρώτες στιγμές της Δημιουργίας, κατά την Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά τα αλλόκοτα δεν σταματούν εδώ: η θεωρία προβλέπει ότι τα ταξίδια στον χρόνο αλλά και τα αστραπιαία ταξίδια σε μακρινές γωνιές του σύμπαντος μέσα από "τούνελ" του χώρου, δεν πρέπει να αποκλείονται -- δίνοντας έτσι άφθονη τροφή και στην επιστημονική φαντασία, αλλά και σε ορκισμένους εχθρούς της θεωρίας.


Επιστήμη ή ευσεβείς πόθοι;

Μερικοί από αυτούς τους εχθρούς της αρχικά ισχυρίστηκαν ότι η θεωρία των χορδών δεν διέφερε από την μεσαιωνική θεολογία. Διατείνονταν μάλιστα ότι οι θεωρητικοί φυσικοί των χορδών έκαναν τόσο κακό στην επιστήμη όσο είχαν κάνει οι θεολόγοι του Μεσαίωνα, και οι αναζητήσεις τους δεν διέφεραν από τις εικασίες για το πόσοι άγγελοι μπορούν να χορέψουν στην μύτη μίας καρφίτσας. Υπήρχαν όμως και άλλες αντιρρήσεις. Οι χορδές αυτές είναι τόσο μικρές που η ύπαρξή τους είναι αδύνατον να επαληθευτεί άμεσα με πειραματικούς τρόπους. Αυτό διότι η έρευνα για την ανακάλυψη στοιχειωδών σωματιδίων γίνεται μέσα σε τεράστιους επιταχυντές, που θρυμματίζουν την ύλη και κατόπιν ερευνούν τα ίχνη που αφήνουν τα συντρίμμια. Στην περίπτωση των χορδών, ο επιταχυντής που θα απαιτείτο θα είχε στην καλύτερη περίπτωση το μέγεθος του γαλαξία μας, και στην χειρότερη το μέγεθος του γνωστού σύμπαντος! Αυτή η μελαγχολική διαπίστωση έκανε πολλούς να πουν ότι η Φυσική είναι μία νεκρή επιστήμη, μια και η θεωρία δεν μπορεί να επαληθευτεί πειραματικά, μη διαφέροντας έτσι από ένα μαθηματικό παιχνίδι επί χάρτου. Αλλά συνέβαινε και κάτι χειρότερο. Δεν υπήρχε μόνον μία θεωρία των χορδών, αλλά τουλάχιστον πέντε: ποια από τις πέντε ήταν η Θεωρία του Παντός;

Παρά τις επιθέσεις και τα προβλήματα, η θεωρία των χορδών, που γνώρισε τουλάχιστον δύο νεκραναστάσεις στην τελευταία δεκαπενταετία, σήμερα θεωρείται η επικρατέστερη θεωρία που κάποια μέρα ίσως μπορέσει να εξηγήσει το Συμ‑παν. Οι ελπίδες αναπτερώθηκαν όταν οι επιστήμονες, εδώ και τρία χρόνια περίπου, ανακάλυψαν ότι οι πέντε διαφορετικές θεωρίες ήταν μερικές όψεις μίας κοινής θεωρίας: ήταν σαν πέντε τυφλοί να ψηλαφούσαν διαφορετικά μέρη του ίδιου ελέφαντα και ο καθένας να είχε την δική του θεωρία περί τίνος ζώου επρόκειτο. Η καινούργια θεωρία, που μυστηριωδώς ονομάζεται θεωρία Μ (M-theory), είναι ακόμη στα σπάργανα, και διαθέτει μία εξαιρετική πολυπλοκότητα που απαιτεί ισχυρούς υπολογιστές και φρέσκιες μαθηματικές έννοιες.

Αλλά και στο πεδίο της επαλήθευσης υπάρχει χώρος για αισιοδοξία. Οι πειραματικές αποδείξεις θα μπορούσαν να είναι έμμεσες: ήδη η θεωρία των χορδών έλυσε ένα βασικό πρόβλημα με τις μαύρες τρύπες του διαστήματος, που παρέμενε άλυτο για εικοσιπέντε χρόνια· ισχυρίζεται επίσης ότι επειδή η θεωρία προβλέπει την βαρύτητα και δεν την ενσωματώνει εκ των υστέρων, διαθέτει μία ακόμη έμμεση πειραματική επαλήθευση. Πάντως ο Στήβεν Χώκινγκ είναι μάλλον αισιόδοξος για την τελική έκβαση: το στοίχημα που έβαλε με το ακροατήριό του πρόσφατα στην Κρήτη, ήταν ότι υπάρχει μία πιθανότητα 50 - 50 να ανακαλυφθεί η πλήρης θεωρία μέσα στα επόμενα είκοσι χρόνια. Υποσχέθηκε μάλιστα να επιστρέψει τότε και να μιλήσει για την Τελική Θεωρία, την Θεωρία του Παντός.

Σε μία εποχή που τα μυστήρια γύρω μας πολλαπλασιάζονται και οι επιστήμονες μιλούν μία γλώσσα από την οποία κινδυνεύουμε να καταλαβαίνουμε μόνον τα άρθρα, το Κομψό Σύμπαν του Γκρίν αποτελεί έναν απαραίτητο φωτεινό οδηγό στο ημίφως. Σίγουρα απαιτεί έναν επιμελή αναγνώστη, σαφώς κάποια παραδείγματα του δεν είναι τόσο επιτυχημένα, και μάλλον βαραίνει προς το τέλος, καθώς το οικοδόμημα των εντελώς νέων και δυσνόητων εννοιών ψηλώνει. Αλλά δεν είναι καθόλου τυχαίο πως αυτό το βιβλίο, που πραγματεύεται ένα τέτοιο δύσκολο θέμα, διαβάστηκε από τόσους πολλούς κοινούς θνητούς. Τους έκανε να πιστέψουν πως αν το Σύμπαν είναι κομψό, πιθανότατα είναι και κατανοητό.

Δεν υπάρχουν σχόλια: