Σάββατο, 28 Ιανουαρίου 2012

Ύλη και χωροχρόνος στη μοντέρνα φυσική

Οι σύγχρονες αντιλήψεις των επιστημόνων περί χρόνου και χώρου είναι σχετικά πρόσφατες και πατέρες των θεωριών αυτών μπορεί να λεχθεί πως είναι οι μεγάλοι στοχαστές Νεύτωνας, Καρτέσιος και Λάϊμπνιτς.

Ο Καρτέσιος, εισήγαγε στην επιστήμη της φυσικής αυτό που λέμε "μαθηματικοποίηση" του χώρου, δηλαδή την δυνατότητα μελέτης του χώρου με αλγεβρικές και αριθμητικές μεθόδους.  Υπάρχει άλλωστε και το σχετικό ανέκδοτο, σύμφωνα με το οποίο ο Καρτέσιος κλινήρης στο κρεβάτι του κοιτούσε απο το παράθυρο και αντιλήφθηκε πως για την μύγα που έκοβε βόλτες πάνω στο τζάμι θα μπορούσε να γνωρίζει κάθε στιγμή την θέση της, εαν γνώριζε την απόσταση απο τους 2 κάθετους άξονες όπως τους όριζε το περίγραμμα του παραθύρου. Εν γένει, για κάθε σημείο στον χώρο (τρισδιάστατο χώρο) όρισε μια τριάδα αριθμών που περιγράφουν την θέση του. Έτσι όλα οι γεωμετρικοί τόποι, το σύνολο δηλαδή των σημείων που ορίζουν τα γεωμετρικά σχήματα μπορούν να περιγραφούν με γεωμετρικές εξισώσεις. 




Κατά τον φιλόσοφο μοντέλο-πρότυπο της γνώσης είναι η μαθηματική επιστήμη. Οι αισθήσεις αλλά και η φαντασία  είναι κατώτερες γνωστικές δυνάμεις, τις οποίες δεν μπορούσε να εμπιστευόμαστε με την ίδια βεβαιότητα. Η γνώση για οτιδήποτε υπάρχει στον εξωτερικό μας κόσμο βασίζεται σε ιδέες και οι ιδέες είναι προϊόντα της νόησης.

Ο Καρτέσιος προσπαθεί να θεμελιώσει την πρώτη αρχή της γνώσης ενορατικά. Ο άνθρωπος έχει άμεση συνείδηση για ό,τι συμβαίνει μέσα του. Βάσει αυτού του στοιχείου προσπαθεί να κατοχυρώσει τη βεβαιότητα της γνώσης, μακριά από την παράδοση και την αυθεντία. Προκρίνει τη ριζική αμφιβολία ως μέσο για να φτάσει ο άνθρωπος σε μια νέα βεβαιότητα, στρέφοντας εναντίον των σκεπτικιστών το βασικό τους όπλο, την αμφιβολία.
«Μπορώ να αμφιβάλλω για όλα τα πράγματα που με περιβάλλουν και για όλα όσα σκέφτομαι, Οι άνθρωποι συχνά σφάλλουν στους συλλογισμούς τους ακόμα και σε απλά θέματα και δεν υπάρχει λόγος να πιστεύω ότι οι αισθήσεις μου δεν με ξεγελούν ή ότι οι σκέψεις μου δεν είναι παρά σαν τα όνειρά μου όταν κοιμάμαι. Μπορώ να αμφιβάλλω λοιπόν για όλα όσα σκέφτομαι και πιστεύω, αλλά για ένα πράγμα σε καμία περίπτωση δεν μπορώ να αμφιβάλλω, δηλαδή για το ότι αμφιβάλλω».
«Αμέσως όμως κατόπιν πρόσεξα πως, ενώ εγώ ήθελα να σκεφτώ έτσι, ότι όλα ήταν ψεύτικα έπρεπε αναγκαστικά, εγώ που το σκεπτόμουν, να είμαι κάτι. Και παρατηρώντας πως τούτη η αλήθεια: σκέπτομαι, άρα υπάρχω ήταν τόσο γερή και τόσο σίγουρη ώστε όλες μαζί οι εξωφρενικές υποθέσεις των σκεπτικών φιλοσόφων δεν ήταν ικανές να την κλονίσουν, έκρινα πως μπορούσα δίχως ενδοιασμούς να την παραδεχθώ σαν την πρώτη αρχή της φιλοσοφίας που αναζητούσα».
Είναι τόσο σαφής αυτή η άμεση συνειδητοποίηση της ύπαρξης μέσω της αμφιβολίας ώστε ο Καρτέσιος την εντοπίζει ως πρώτο μεθοδολογικό του κανόνα για τη γνώση. Πρέπει κανείς να αποδέχεται μόνο σαφείς και διακριτές ιδέες, για τις οποίες δεν μπορεί να υπάρχει η παραμικρή αμφιβολία.

Στον Καρτέσιο επίσης οφείλεται η αντίληψη στην οποία στηρίχθηκε κατόπιν η οπτική, δηλαδή πως οι φωτεινές ακτίνες κατευθύνονται απο το αντικείμενο προς το μάτι, και αντικατέστησε η θεωρία του το πλατωνικό μοντέλο σύμφωνα με το οποίο ο ορών και ο ορώμενος συναντούνται σε μια διάυγεια εφόσον το ήμερο φως κυλάει απο το μάτι για να συναντήσει το φως που εκπέμπει το αντικείμενο.

Ένας ακόμα σημαντικός σταθμός στην πορεία της ανθρωπότητας για την γνώση της φύσης του χώρου ήταν ένα πολύ σημαντικό εργαλείο που μας έδωσαν οι Λάϊμπνιτς και Νεύτωνας και δεν είναι άλλο απο την  δημιουργία του διαφορικού λογισμού. Η έννοια του ορίου, επέτρεψε να προσσεγγιστούν προβλήματα του ασυνεχούς - συνεχούς (πχ τα παράδοξα του Ζήνωνα). (Περίπου 1 αιώνα αργότερα, ο Cantor  έδειξε μια απο τις θεμελιώδες ιδιότητες του συνεχούς, την διατήρηση του πληθάριθμου, δηλαδή με άλλα απλά λόγια το συνεχές όσες φορές και να τμηθεί παραμένει συνεχές).  Ο διαφορικός λογισμός καθόρισε τους νόμους της Μηχανικής και της Δυναμικής  μέσω των ορισμών των εννοιών της ταχύτητας της θέσης της ορμής και άλλα. Μέσω της κλασικής μηχανικής του Νεύτωνα κατανοήθηκε η κίνηση των πλανητών και των ουράνιων σωμάτων, και χωρίς καμιά αμφιβολία ο διαφορικός λογισμός αποτελεί μια απο τις λαμπρότερες θεωρητικές κατασκευές της ανθρώπινης νόησης.
Στις πρώτες σελίδες του μνημειώδους έργου του Principia  ο Νεύτωνας γράφει χαρακτηριστικά

''Παρατηρώ πως οι κοινοί άνθρωποι αντιλαμβάνονται τις ποσότητες της κίνησης του χώρου και του χρόνου, απο την σχέση του με τα αισθητά αντικείμενα.  Συνεπώς αναδύονται π[ροκαταλήψεις και για να τις απομακρύνουμε πρέπει να ξεχωρίσουμε το απόλυτο απο το σχετικό, το αληθινό απο το φαινομενικό και το μαθηματικό απο το κοινό''.

Στην συνέχεια ο Νεύτωνας ορίζει τον απόλυτο χρόνο "Απόλυτος, αληθής, και μαθηματικός χρόνος που απο την φύση του ρέει ομαλά χωρίς καμιά αναφορά σε οτιδήποτε εξωτερικό".  Η κοινή γνώμη, στην εποχή μας, έχει αποδεχθεί πλήρως το Νευτώνειο "πρόσταγμα" και υπήρξαν μεγάλες δυσκολίες ως προς την αποδοχή των νέων αντιλήψεων που έφεραν οι φυσικοί τον 20 αιώνα. 

Στις αρχές του 20ου αιώνα, η κλασσική θεώρηση των πραγμάτων καταρρέει και απο τα συντρίμια του αναδύεται η Κβαντική Μηχανική και η θεωρία της Σχετικότητας.  Στην Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας (ΕΘΣ) ο χρόνος και ο χώρος ενώνονται σε μια και μοναδική οντότητα, στο χωροχρονικό συνεχές. Μια απο τις αγαπημένες εκφράσεις της εποχής ήταν πως ο χώρος χρονοποιείται και ο χρόνος χωροποιείται. Με πιο απλά λόγια, εαν έχουμε 2 παρατηρητές μη αδρανειακούς, αυτό που ορίζεται ως χρόνος για τον έναν παρατηρητή είναι μείγμα χώρου και χρόνου για τον δεύτερο. Έτσι ένα γεγονός παρουσιάζεται με διαφορετικές χωροχρονικές συντεταγμένες για τον έναν παρατηρητή και με διαφορετικές για τον δεύτερο. Ή αν θέλουμε να το προχωρήσουμε λίγο ακόμα, η χρονική διάρκεια ενός γεγονότος δεν εξαρτάται μόνο απο το αρχικό και τελικό σημείο αλλά και απο την διαδρομή επάνω στο χωροχρονικό συνεχές.




Η Γενική Θεωριά της Σχετικότητας (ΓΘΣ) δίνει στο χωροχρονικό συνεχές και μια δυναμική υπόσταση. Ορίζει την γεωμετρία του, η οποία εξαρτάται πλήρως απο την κατανομή της ύλης μέσα του. Η κίνηση της ύλης γίνεται πλέον μέσα στον καμπυλομένο χωροχρόνο ακολουθώντας την καμπύλη που αποτελεί τον πιο σύντομο δρόμο (Η ύλη καμπυλώνει τον χωροχρόνο και ο χωροχρόνος καθορίζει την κίνηση της ύλης).  Η επιτυχημένη θεωρία του Einstein να περιγράψει την βαρύτητα με όρους γεωμετρίας έδωσε την ιδέα σε άλλους φυσικούς να προσπαθήσουν να περιγράψουν και τις υπόλοιπες δυνάμεις με όρους της γεωμετρίας (πχ οι Kaluza και Klein θεώρησαν πως τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία αναφύονται μέσα απο μια πέμπτη συμπαγή διάσταση, ενώ η ενοποιημένη θεωρία των υπερχορδών ζει μέσα σε 10 διαστάσεις).

Με την ΕΘΣ, αποδεχθήκαμε το γεγονός πως ένα φυσικό φαινόμενο μπορεί να περιγραφεί με διαφορετικές χωροχρονικές συντεταγμένες απο διαφορετικούς παράτηρητές, όλοι τους όμως θα συμφωνήσου για την φύση του φαινομένου. Πχ στην σύγκρουση 2 διαστημοπλοίων που κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός ένας παρατηρητής που επιβαίνει σε ένα απο τα δυο οχήματα και ένας άλλος που παρατηρεί την σύγκρουση ακίνητος δεν θα διαφωνήσουν ως προς το γεγονός της σύγκρουσης, αλλά δεν πρόκειται ποτέ να συμφωνήσουν για το χρονικό σημείο που έλαβε χώρα το γεγονός.





Στην ΓΘΣ όμως υπάρχουν περιπτώσεις που για το ίδιο φυσικό φαινόμενο αντιστοιχούν διαφορετικές εξηγήσεις. Έστω ένα διαστημόπλοιο το οποίο κατευθύνεται μέσα σε μια μελανή οπή. Εάν υπάρχει κάποιος παρατηρητής ακίνητος μακριά απο το διαστημόπλοιο, θα αντιληφθεί το όχημα να κινείται προς τον ορίζοντα της μαύρης τρύπας και να σταματά εκεί, καθώς επίσης και την ακτονοβολία Hawking που θα δέχεται το όχημα απο την μελανή οπή. Ο παρατηρητής ο οποίος βρίσκεται βέβαια μέσα στο όχημα, σε καμιά περίπτωση δεν θα "παρατηρήσει" την ακτινοβολία Hawking, θα περάσει τον ορίζοντα της οπής, και θα "πέσει" πάνω σε αυτή την χωροχρονική ανωμαλία που ονομάζεται μελανή οπή.


Η ολοκληρωτική ρίξη με το καρτεσιανό-νευτώνειο κλασικό μοντέλο, έρχεται με την γέννεση της Κβαντικής Μηχανικής.  Τα πειραματικά αποτελέσματα μας αναγκάζουν να μπορέσουμε να καταλάβουμε την πραγματικότητα απο νέες ματιές. Καταρχάς πρέπει να παραιτηθούμε απο αυτό που λέμε ''λογική της διάζευξης''. Αν σκεφτούμε το πείραμα της διπλής σχισμής η πρόταση "το ηλεκτρόνιο πέρασε απο την μια ή απο την άλλη σχισμή" είναι τελείως λανθασμένη. Η κβαντική λογική στηρίζεται στην αρχή του εκγλειόμενου τρίτου (Υπάρχει Α που είναι και Β και μη-Β) και όχι στην αρχή του αποκλειόμενου τρίτου (Το Α θα είναι ή Β ή μη-Β).




Μια άλλη παραδοχή την οποία πρέπει να αποδεχτούμε είναι πως η αρχή της επαλληλίας της Κβαντικής Μηχανικής καταστρέφει τον ακριβή εντοπισμό της ύλης στον χώρο.  Το σωματίδιο την ίδια χρονική στιγμή μπορεί να είναι είτε εδώ είτε εκεί και πλέον μιλάμε με πιθανότητες.
Το πείραμα των 2 οπών επίσης, φανερώνει πως η ύλη έχει κυματικές και σωματιδιακές ιδιότητες, και επιπλέον τα φυσικά μεγέθη επηρεάζονατι απο τις συνθήκες μέτρησης. Το παρατηρούμενο και ο παρατηρητής με άλλα λόγια είναι σε σχέση αλληλεπίδρασης και αλληλο-επηρεασμού.

0 σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου