Μια θεωρία των πάντων

Θα μπορέσουμε ποτέ να έχουμε μια θεωρία των πάντων κι αν ναι, πόσο κοντά βρισκόμαστε;

Ας ξεκινήσουμε το να ορίσουμε τι θα μπορούσε να είναι μια θεωρία των πάντων. Στην επιστήμη της φυσικής αυτή τη στιγμή 2 είναι οι θεωρίες όπου εξηγούν σε ένα ικανοποιητικό βαθμό το πως λειτουργεί ο κόσμος. Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (General Theory of Relativity – GTR) και η κβαντομηχανική. Μια θεωρία των πάντων δε θα ήταν τίποτα παραπάνω από μια μαθηματική σχέση-εξίσωση όπου θα πάντρευε τις 2 αυτές θεωρίες. Το αποτέλεσμα θα ήταν τέλεια περιγραφή όλων των πραγμάτων γύρω μας, των δυνάμεων της φύσης, του χώρο και του χρόνου.

Όμως, ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή απλουστεύοντας τις παραπάνω έννοιες:

Βαρύτητα

Το 1915 o Albert Einstein δημοσιεύει τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Σε αυτή του την εργασία μας δίνει μια νέα περιγραφή της δύναμης της βαρύτητας, κάτι εντελώς αντίθετο από την ισχύουσα μέχρι τότε θεωρία του Νεύτωνα. Μέχρι τότε η βαρύτητα ήταν μια ελκτική δύναμη ανάλογη των μαζών 2 αντικειμένων κι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης το000υς.

  _{Εικόνα 1. Ο Ισαάκ Νεύτωνας}

Η Νευτώνεια βαρύτητα-όπως ονομάστηκε αποτελεί μέχρι και σήμερα μια από τις σημαντικότερες θεωρίες στην ιστορία της φυσικής. Άμα την ερμηνεύσουμε θα καταλάβουμε πως κάθε αντικείμενο στο Σύμπαν αλληλοεπιδρά κι ασκεί μια δύναμη το ένα στο άλλο και μάλιστα μπορούμε να την υπολογίσουμε άμα γνωρίζουμε τις μάζες τους και την μεταξύ τους απόσταση.

Η βαρυτική θεωρία του Einstein ωστόσο έρχεται να ταράξει τα νερά της τότε επιστημονικής κοινότητας. Ο Einstein ερμήνευσε τη βαρύτητα όχι ως μια δύναμη αλλά ως καμπύλωση του ίδιου του χωροχρόνου. Για να το καταλάβουμε αυτό αρκεί να φανταστούμε τον χωροχρόνο σαν ένα τραμπολίνο. Φανταστείτε ότι πάνω στο τραμπολίνο πετάμε μπάλες διαφορετικού βάρους και όγκου – αυτές αντιπροσωπεύουν τα ουράνια σώματα: τους πλανήτες, τα άστρα κτλ.

_{Εικόνα 2. Σχηματική απεικόνιση της βαρύτητας κατά Einstein}

Όσο πιο μεγάλη είναι η μάζα του ουράνιου σώματος τόσο μεγαλύτερη καμπύλωση αυτό θα προκαλεί. Για παράδειγμα η καμπύλωση που θα προκαλεί  ο πλανήτης Δίας θα είναι πολλαπλάσια της καμπύλωση της Γης, λόγω της τεράστιας μάζας του Δία εν συγκρίσει με τη Γη.

Εκτός από μια πιο κομψή περιγραφής της βαρύτητας οι εξισώσεις του Einstein μπόρεσαν και προέβλεψαν μια σειρά από φαινόμενα χρόνια πριν ανακαλυφθούν όπως οι μαύρες τρύπες και οι αστέρες νετρονίων. Επίσης κατάφερε να εξηγήσει κάτι που μέχρι και η θεωρία του Νεύτωνα αδυνατούσε να εξηγήσει: την περιφορά του πλανήτη Ερμή γύρω από τον Ήλιο. Σαν το κερασάκι στη τούρτα, το 1919 έπειτα από παρατηρήσεις ηλιακών εκλείψεων επιβεβαιώθηκε η θεωρία του χωροχρόνου: ότι χώρος και χρόνος δεν είναι απόλυτα μεγέθη αλλά μεταβαλλόμενα που διαστέλλονται και συστέλλονται, ανατρέποντας ότι νομίζαμε πως γνωρίζουμε για το κόσμο γύρω μας.

Σε αυτό το σημείο αξίζει να αναφέρουμε πως η θεωρία του Einstein δεν ήρθε για να επικαλύψει τη θεωρία του Νεύτωνα, ούτε πως η θεωρία του Νεύτωνα ήταν ελλείπεις. Αντιθέτως την συμπλήρωσε και μας έδωσε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα του διαστήματος.

Κβαντομηχανική

Αφού είδαμε τα «μεγάλα» αντικείμενα και το τρόπο με τον οποίο τα ερμηνεύουμε, ας ρίξουμε μια ματιά και στα «μικρά». Ή μάλλον, στα πολύ μικρά. Είναι ήδη γνωστό ότι τα πάντα γύρω μας, τα ρούχα μας, το φαγητό μας, ο αέρας που αναπνέουμε, το αυτοκίνητο μας αποτελούνται από άτομα. Κι όμως, αυτά τα σωματίδια με μέγεθος ένα χιλιοστό του χιλιοστού του χιλιοστού (10^-10 m) είναι ικανά να κρύβουν όλα τα μυστικά του Σύμπαντος. Η κβαντομηχανική δεν αποτελεί παρά τη θεωρία, ή μάλλον το σύνολο των θεωριών που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουμε τη συμπεριφορά των μικροσκοπικών αυτών σωματιδίων.

Η κβαντομηχανική είναι γνωστό ότι έχει τη τάση να παραβιάζει συχνά τη λογική και τα όρια της. Από τη μια ερμηνεύει τα πάντα σα σωματίδια του ατόμου – πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Από την άλλη τα ερμηνεύει σα κύματα όπως στη κλασσική φυσική δηλαδή διάδοση μιας διαταραχής στο χώρο και το χρόνο. Είναι ένας κόσμος που διέπετε από απροσδιοριστία και πιθανότητες. Φανταστείτε ότι είναι δυνατόν μέσω πειραματικής παρατήρησης ένα σωματίδιο να βρεθεί σε δυο σημεία στο χώρο ταυτόχρονα. Στη καθημερινή μας ζωή αυτό μεταφράζεται ότι το κινητό ή ο υπολογιστής που με τη βοήθεια του διαβάζετε αυτό το άρθρο είναι ταυτόχρονα και στην άλλη άκρη του δωματίου!  Ένα ακόμα παράδειγμα που αξίζει να αναφερθεί είναι πως στη κλασσική εικόνα του ατόμου έχουμε συνηθίσει τα ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω από ένα σταθερό πυρήνα όπως κι οι πλανήτες μας περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο στο Ηλιακό Σύστημα.

_{Εικόνα 4. Συνηθισμένο ατομικό μοντέλο                                                                   Εικόνα 5. Κβαντομηχανικό μοντέλο του ατόμου}

Στη κβαντομηχανική ενώ ο πυρήνας του ατόμου παραμένει σταθερός, γύρω του υπάρχει το λεγόμενο ηλεκτρονιακό νέφος. Ένα σύννεφο όπου κάθε σημείο του μας δίνει τη πιθανότητα να βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο.

Μπορεί να ακούγεται εκ πρώτης όψεως σαν μια απόκοσμη θεωρία ωστόσο η πρακτικότητα της έχει βρει εφαρμογές σε πολλές κατηγορίες όπως στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων, στις τηλεπικοινωνίες και στην επιστήμη των transistors τα οποία με τη σειρά έφεραν επανάσταση στο κόσμο των υπολογιστών. Αρκεί να αναφερθεί πως ένα σύγχρονο smartphone έχει μεγαλύτερες δυνατότητες από τον υπολογιστή που μας πήγε στο φεγγάρι τον Ιούλιο του 1969.

Μια ενοποιημένη θεωρία των πάντων

Επομένως το πάντρεμα των δύο αυτών θεωριών, της βαρύτητας και της κβαντομηχανικής θα αποτελούσε το Άγιο Δισκοπότηρο της Φυσικής. Γιατί όμως δε τα έχουμε καταφέρει;

Για αρχή, μεγάλο πρόβλημα είναι η διαφορά στις διαστάσεις. Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας περιγράφει τα πολύ μεγάλα αντικείμενα του Σύμπαντος – πλανήτες, άστρα και γαλαξίες. Η κβαντομηχανική από την άλλη περιγράφει άτομα, ηλεκτρόνια και μόρια, αντικείμενα πολύ μικρά. Όταν πάμε να ενώσουμε τις θεωρίες αυτές τα μαθηματικά καταρρέουν. Το μοναδικό σημείο στο Σύμπαν που φαίνεται να συνυπάρχουν ικανοποιητικά είναι το κέντρο μιας μαύρης τρύπας. Ωστόσο δεν έχουμε κάποιο μέσο ακόμα για να ταξιδέψουμε εκεί. Το μόνο που μπορούμε να κάνουμε προς το παρόν η ανθρωπότητα να υποθέτουμε μαθηματικά μοντέλα και να οπλιστούμε με άπειρη υπομονή μέχρι να κατασκευαστεί ένα πείραμα ικανό να αποδείξει ένα από αυτά τα μοντέλα.

Ακολουθούν οι δυο επικρατέστερες θεωρίες (μέχρι στιγμής πάντα):

• Θεωρία των χορδών (String Theory)

Για να καταλάβει κανείς τη θεωρία των χορδών αρκεί να σκεφτεί τη λειτουργία μιας κιθάρας. Ακριβώς όπως μια χορδή της άμα την πιέσουμε κι την τραβήξουμε σε οποιοδήποτε σημείο της θα παράξει διαφορετικό ήχο (με διαφορετική συχνότητα), έτσι και η θεωρία χορδών υποθέτει πως τα πάντα στο Σύμπαν αποτελούνται από μικροσκοπικές χορδές ενέργειας που πάλλονται συνεχώς. Κάθε διαφορετική συχνότητα τους παράγει κι ένα διαφορετικό σωματίδιο, πχ ένα πρωτόνιο ή ένα ηλεκτρόνιο. Στόχος της θεωρίας αυτής είναι να αποδείξουμε την ύπαρξη του βαρυτόνιου, ενός καθαρά υποθετικού σωματιδίου όπου θα εξηγεί κι θα ενώνει τη βαρύτητα με τη κβαντομηχανική.

 _{Εικόνα 6. Απεικόνιση της θεωρίας των χορδών}

• Κβαντική θεωρία βρόγχων (Loop Quantum Gravity)

Σύμφωνα με την υπόθεση αυτή, ο χώρος αποτελείται από απειροστά μικρούς βρόγχους. Εάν ενώσουμε πολλούς τέτοιους βρόγχους μαζί σαν αποτέλεσμα θα πάρουμε όλη την ύλη και τον χώρο.

Οι δυο αυτές υποθέσεις αν και υποσχόμενες δεν μπορούν να παρατηρηθούν πειραματικά. Η θεωρία των χορδών θέτει ένα επιπλέον εμπόδιο καθώς απαιτεί την ύπαρξη 11 διαστάσεων για να ισχύσουν τα μαθηματικά της, σε αντίθεση με τις 4 που ξέρουμε μέχρι στιγμής (πλάτος, μήκος, ύψος και χρόνος).

Επίλογος

Όπως πολλές φορές έχει συμβεί στην επιστήμη η απάντηση μπορεί να κρύβεται μέσα στις δυο αυτές υποθέσεις. Μπορεί όμως κι να έρθει στο προσκήνιο μια νέα θεωρία όπου θα ανατρέψει τα πάντα όπως τα ξέραμε κι θα μας κάνει να αμφισβητήσουμε για όλα όσα ξέραμε, ή μάλλον νομίζαμε πως ξέραμε.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ ΠΗΓΕΣ

Α) ΚΕΙΜΕΝΟ

1. https://www.energy.gov/science/doe-explainsquantum-mechanics
2. https://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_everything
4. B) ΕΙΚΟΝΕΣ
5. https://www.newscientist.com/article/dn16950-string-theory-a-beginners-guide/
6. https://asd.gsfc.nasa.gov/blueshift/index.php/2015/11/25/100-years-of-general-relativity/
7. https://en.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton
8. https://www.nuclear-power.com/nuclear-power/reactor-physics/atomic-nuclear-physics/fundamental-particles/what-is-electron-properties-of-electron/electron-cloud/
9. https://primaryscienceonline.org.uk/glossary-of-terms/atoms/