25 Δεκ, 2012

Ένας αιώνας φωτεινής κυριαρχίας

Ένας αιώνας φωτεινής κυριαρχίας

Ο τίτλος αυτού του κειμένου ίσως ξενίσει τον αναγνώστη. Το φως χρησιμοποιείται συνήθως με τη συμβολική του σημασία. Είναι λοιπόν γεγονός ότι δύσκολα ανιχνεύεται ένας «αιώνας φωτεινής κυριαρχίας» στην ανθρώπινη ιστορία. Η Κλασική Αρχαιότητα και η Αναγέννηση είναι ίσως πιθανές εξαιρέσεις· κι εδώ, όμως, οι επιφυλάξεις είναι πολλές, και κάθε χαρακτηρισμός είναι συνήθως και θέμα ορισμού.

Στην επιστήμη, ωστόσο, τα πράγματα είναι διαυγή: τα τελευταία εκατό χρόνια είναι κατ' εξοχήν «χρόνια φωτός». Την αλήθεια αυτή ήρθε να υπενθυμίσει ακόμα μια φορά και η Σουηδική Ακαδημία Επιστημών. Σύμφωνα με ανακοίνωσή της, το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2005 απονεμήθηκε σε τρεις επιστήμονες που διερεύνησαν εντατικά τη φύση του φωτός. Πρόκειται για τον Αμερικανό Roy Glauber, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, για τη συμβολή του «στην κβαντική θεωρία μιας σύμφωνης φωτεινής δέσμης»· και από κοινού στον επίσης Αμερικανό John Hall, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, και τον Γερμανό Theodor Hannsch, ερευνητή στο Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ του Μονάχου, για τη συμβολή τους «στην ανάπτυξη φασματικών μεθόδων μεγάλης ακριβείας, που στηρίζονται στα λέιζερ». Με πιο απλά λόγια, οι τιμηθέντες επιστήμονες είχαν εργασθεί σε ένα σύγχρονο πεδίο έρευνας και εφαρμογών του φωτός, που συνοπτικά αποκαλείται «κβαντική οπτική».

Είναι ωστόσο εντυπωσιακό ότι τον δρόμο προς μια πραγματική επανάσταση γύρω από το φως και την παράδοξή του φύση είχε ανοίξει, έναν περίπου αιώνα πριν, ο Αλβέρτος Αϊνστάιν. Το 1905, ο μεγαλοφυής φυσικός δημοσίευσε τέσσερις εργασίες που ανέτρεψαν τις καθιερωμένες αντιλήψεις για τον χώρο, τον χρόνο και το φως. Μία από τις θεωρίες του, που θα αποκληθεί αργότερα Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, θεμελιώθηκε σε μια τολμηρή παραδοχή: ότι η ταχύτητα του φωτός είναι μια ταχύτητα μοναδική, αλλιώτικη από τις άλλες. Είναι πρώτα η μεγαλύτερη ταχύτητα που υπάρχει στη φύση· κανένα υλικό σώμα και καμιά ακτινοβολία δεν είναι δυνατόν να την φτάσει ποτέ, και πολύ περισσότερο να την ξεπεράσει. Χαρακτηρίζεται ακόμα η ταχύτητα του φωτός από μια παράδοξη ιδιότητα: σε αντίθεση με την εμπειρία μας από άλλες ταχύτητες, διατηρεί την ίδια πάντοτε τιμή, που αγγίζει τα 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο! Ο κανόνας αυτός ισχύει είτε κινείται η πηγή που εκπέμπει το φως είτε ο ίδιος ο παρατηρητής. Η ταχύτητα του φωτός είναι, λοιπόν, μια παγκόσμια και αναλλοίωτη σταθερά.

Το αναπάντεχο ήταν ότι οι ιδιότητες αυτές συνεπάγονται μια ριζική τομή στην αντίληψή μας για τον χρόνο: ο χρόνος έπαυσε να είναι απόλυτος και να κυλά παντού με τον ίδιο τρόπο. Είναι, αντίθετα, η τέταρτη διάσταση του χώρου, και η ροή του εξαρτάται από την κίνηση. Ο χρόνος ρέει μάλιστα πιο αργά όσο η ταχύτητά μας μεγαλώνει. Έτσι, ένας αστροναύτης που ταξιδεύει με μεγάλη ταχύτητα προς ένα μακρινό αστέρι, θα εύρισκε κατά την επιστροφή του στη Γη τον δίδυμο αδελφό του να έχει ηλικία πολύ μεγαλύτερη από εκείνον!

Ενώ όμως οι συνέπειες από τη Θεωρία της Σχετικότητας δεν σταματούν εδώ –εμπεριέχουν και την εμβληματική εξίσωση της μετατροπής της μάζας σε ενέργεια–, μια δεύτερη εργασία του Αϊνστάιν ανέτρεψε τις πεποιθήσεις μας για την ίδια τη φύση του φωτός. Στις αρχές του 20ού αιώνα, ισχυρή υπήρχε η πίστη ανάμεσα στους φυσικούς ότι το φως ήταν ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Διέφερε από τα κύματα της τηλεόρασης ή του ραντάρ μόνον στη συχνότητα.

Ο Αϊνστάιν ωστόσο, συνεχίζοντας τις ιδέες του Planck, απέδειξε ότι το φως είχε αναμφισβήτητα και σωματιδιακή υφή. Αποτελείται, δηλαδή, από απειροελάχιστους κόκκους, τα φωτόνια, που μεταφέρουν χωριστά το καθένα μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας.

Η σχιζοφρενική αυτή φύση του φωτός, το οποίο είναι ταυτόχρονα και κύμα και σωματίδιο, θα ανοίξει τον δρόμο προς μια πραγματική επανάσταση στην επιστήμη: την κβαντική επανάσταση. Όπως αποκαλύφθηκε, ο μικρόκοσμος των ατόμων, των ηλεκτρονίων ή του πυρήνα, έχει τους δικούς του νόμους και τη δική του λογική.

Έτσι, μετά απο μια δεκαετία πειραμάτων, θεωρητικών ιδεών και έντονων αμφισβητήσεων, διαμορφώνεται μια ολοκληρωμένη θεωρία, η Κβαντική Μηχανική, που θα οδηγήσει σε μια βαθύτερη –όσο και ανατρεπτική!– κατανόηση του κόσμου. Η Κβαντική Μηχανική εισάγει τις πιθανότητες και την ασάφεια στις φυσικές διαδικασίες. Υπεισέρχεται, εντούτοις, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, σε κάθε επιστημονική ή τεχνολογική κατάκτηση του καιρού μας: από την έκρηξη ενός άστρου έως τη ραδιενέργεια, και από τη λειτουργία της τηλεοράσεως έως τα κινητά τηλέφωνα.

Είναι λοιπόν βέβαιο ότι η φύση λειτουργεί με ανορθόδοξους κανόνες, το γιατί όμως δεν είναι καθόλου φανερό. «Νομίζω ότι μπορώ να πω με βεβαιότητα ότι κανένας δεν καταλαβαίνει την Κβαντική Μηχανική», θα σχολιάσει πικρόχολα ο Richard Feynman, ένας κορυφαίος φυσικός του 20ού αιώνα. Ας σημειωθεί ότι ο ίδιος είχε εντούτοις περιγράψει με αξιοθαύμαστη ακρίβεια τις κβαντικές αλληλεπιδράσεις του φωτός με την ύλη!

Με την ανάπτυξη λοιπόν της Κβαντομηχανικής, η εκπομπή και η φύση του φωτός διερευνώνται με ολοένα και μεγαλύτερη πληρότητα. Έτσι, ένα εντυπωσιακό επίτευγμα θα σφραγίσει την επιστήμη αλλά και την καθημερινότητά μας: οι ακτίνες λέιζερ. Η συσκευή λέιζερ παράγει μια μονοχρωματική δέσμη φωτός, που χαρακτηρίζεται ωστόσο από ιδιαίτερες αρετές. Η φωτεινή δέσμη έχει υψηλή κατευθυντικότητα και δυνατότητα εστίασης, καθώς και μεγάλη ισχύ. Δεν είναι λοιπόν περίεργο ότι στη σύγχρονη εποχή οι εφαρμογές των λέιζερ δεν φαίνεται να έχουν τελειωμό. Είναι ένα φως που καίει, αποκαλύπτει και δημιουργεί, και οι χρήσεις του απαντούν στη βιομηχανία και την ιατρική, στις τηλεπικοινωνίες και την τέχνη. Οι γνωστοί «δίσκοι ακτίνας», τα CD, που κυριάρχησαν για μία δεκαετία –τώρα εκτοπίζονται κι αυτοί!– στις μουσικές μας απολαύσεις, σε μια λεπτή δέσμη λέιζερ στηρίζουν την ανάγνωσή τους. Ας σημειωθεί, ωστόσο, ότι η θεωρητική σύλληψη των λέιζερ ανιχνεύεται ήδη σε μια δημοσίευση του Αλβέρτου Αϊνστάιν το 1917. Καθώς τότε μελετούσε την απορρόφηση και την εκπομπή ακτινοβολίας από τα άτομα, ένιωσε μεγάλη αγαλλίαση. «Ένα θαυμαστό φως με φώτισε», θα πει χαρακτηριστικά.

Τις τελευταίες λοιπόν δεκαετίες, η αξιοποίηση και ο έλεγχος του φωτός έκαναν εντυπωσιακά άλματα. Μερικοί μάλιστα επιστήμονες διατυπώνουν την τολμηρή πρόβλεψη ότι ένας νέος κλάδος εφαρμογών, η φωτονική, θα εκθρονίσει την ηλεκτρονική από την ηγεσία της τεχνολογικής μας εποχής. Το βραβείο Νόμπελ του 2005 φαίνεται να συμμερίζεται αυτήν την πρόβλεψη. Ταυτόχρονα όμως συνδέεται, αθέλητα ασφαλώς, και με τα εκατό χρόνια από την καταιγιστική εμφάνιση του Αϊνστάιν στην επιστημονική σκηνή. Όπως είδαμε, η εμφάνιση αυτή είχε ως βασικό της έναυσμα τα θαυμαστά μυστήρια του φωτός. Έμελλε όμως να φωτίσει και τον τρόπο που βλέπομε τον κόσμο, και να αποκαλύψει στα έκπληκτα μάτια μας αναπάντεχες αλήθειες για τη δομή και την εξέλιξη του Σύμπαντος.

Από αυτόν άλλωστε τον δρόμο, την κατανόηση της εξελίξεως του Σύμπαντος, ήρθε το 2006 και μια άλλη επιβεβαίωση ότι η επιστήμη ζει έναν αιώνα κυριαρχίας του φωτός.

Πράγματι. Όπως ανακοίνωσε η Σουηδική Ακαδημία Επιστημών, το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε από κοινού στον αστροφυσικό της ΝASA John Mather και στον καθηγητή της Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϊ George Smoot, επειδή «με τις λεπτομερείς παρατηρήσεις τους έπαιξαν βασικό ρόλο στην εξέλιξη της σύγχρονης κοσμολογίας σε συγκεκριμένη επιστήμη». Οι δύο επιστήμονες είχαν «χαρτογραφήσει» την υφή της αρχέγονης ακτινοβολίας, και επιβεβαίωσαν ότι προέρχεται από τη Μεγάλη Έκρηξη η οποία δημιούργησε το ίδιο το Σύμπαν. Με τη βράβευσή τους προστέθηκε μία ακόμα σελίδα σε μια συναρπαστική όσο και δραματική ιστορία, που είχε ωστόσο αρχίσει να γράφεται πολλές δεκαετίες ενωρίτερα.

Τι είναι όμως αυτή η «αρχέγονη ακτινοβολία»; Σύμφωνα με τις επικρατούσες αντιλήψεις –που δεν πρόκειται να αλλάξουν εύκολα!– το Σύμπαν γεννήθηκε από μια αδιανόητη, υπέρθερμη Έκρηξη, πριν από 14 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια. Η αργή, σταδιακή εξέλιξη του Σύμπαντος προς τη σημερινή του εικόνα χαρακτηρίζεται ωστόσο από μια κρίσιμη περίοδο. Είναι όταν, 1.370.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η φωτεινή ακτινοβολία παύει να αλληλεπιδρά με την ύλη και ταξιδεύει πια ελεύθερα. Η ύπαρξή της θα ανακαλυφθεί τυχαία το 1965, όταν δύο ερευνητές των εργαστηρίων Bell στην Αμερική, οι Arno Penzias και Robert Wilson, έκαναν κάποιες τετριμμένες μετρήσεις με μια χοανοειδή αλλά ευαίσθητη κεραία. Διαπίστωσαν τότε την παρουσία ενός ενοχλητικού θορύβου, όπως τα παράσιτα στο ραδιόφωνο, που δυσχέραινε τις μετρήσεις.

Μετά από πολλές υποθέσεις και προβληματισμό, η τολμηρή ερμηνεία δεν άργησε να δοθεί – από άλλους όμως! Τον σταθερό θόρυβο προκαλούσε η ακτινοβολία της Μεγάλης Εκρήξεως που, μετά την απελευθέρωσή της από την ύλη, έφθανε στη Γη από όλα τα σημεία του ουρανού. Θα ονομασθεί κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων, επειδή, χάρις στη διαστολή του Σύμπαντος που ακολούθησε τη Μεγάλη Έκρηξη, η συχνότητά της είχε μετακινηθεί από την ορατή περιοχή στα μικροκύματα.

Το δραματικό στοιχείο είναι ότι, λίγους μήνες πριν από την τυχαία ανακάλυψη της ακτινοβολίας μικροκυμάτων, στο κοντινό Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, οι κορυφαίοι θεωρητικοί φυσικοί Robert Dicke και James Peebles είχαν προβλέψει την ύπαρξή της και υπολογίσει τα χαρακτηριστικά της. Σύντομα μάλιστα επρόκειτο να τεθεί σε λειτουργία μια ειδική κεραία που θα επεδίωκε την ανίχνευσή της. «Παιδιά, μας πρόλαβαν», θα αναφωνήσει με πικρία ο Dicke, όταν πληροφορήθηκε τα στοιχεία του ανεξήγητου θορύβου.

Η αδικία της μοίρας –ή των βραβείων Νόμπελ!– ήταν όμως πολύ μεγαλύτερη. Διότι στην ίδια περίπου πρόβλεψη είχαν καταλήξει, 25 χρόνια ενωρίτερα, ο θεωρητικός φυσικός και σπουδαίος εκλαϊκευτής της επιστήμης George Gamow με τους συνεργάτες του. Τότε όμως η θεωρία της Μεγάλης Εκρήξεως είχε μικρή υποστήριξη, και η τολμηρή ιδέα –όπως συχνά συμβαίνει στην επιστήμη, αλλά και στη ζωή!– αγνοήθηκε. Όταν λοιπόν οι Penzias και Wilson τιμήθηκαν το 1978 με το Βραβείο Νόμπελ, κάποια μελαγχολία ήταν διάχυτη στην επιστημονική κοινότητα. Διότι, ενώ η παρουσία της ακτινοβολίας μικροκυμάτων είχε προβλεφθεί δύο φορές, η ανακάλυψή της στηρίχθηκε στην εύνοια της τύχης!

Η αρχέγονη ακτινοβολία δεν έπαυσε από τότε να αναλύεται με ποικίλους τρόπους. Η ύπαρξή της έδιδε την ευκαιρία να διερευνηθεί το απώτατο παρελθόν του Σύμπαντος, να ελεγχθεί πληρέστερα η θεωρία της Μεγάλης Εκρήξεως. Προς τούτο, στάλθηκε μάλιστα στο διάστημα ένας ειδικός δορυφόρος που έφερε το υπερήφανο όνομα «Εξερευνητής της Κοσμικής Ακτινοβολίας Μικροκυμάτων». Με τα λεπτεπίλεπτα όργανά του, ο δορυφόρος μέτρησε με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας και επιβεβαίωσε την υπέρθερμη προέλευσή της.

Ο εξερευνητής όμως αυτός των ουρανών έφτασε και σ' ένα άλλο θαυμαστό επίτευγμα. Ανίχνευσε τις απειροελάχιστες διακυμάνσεις στη θερμοκρασία της ακτινοβολίας μικροκυμάτων, που απεικόνιζαν την αρχή του σχηματισμού των γαλαξιών. «Είδαμε το πρόσωπο του Θεού», θα δηλώσει μέσα στον ενθουσιασμό του ο George Smoot, ο πρώτος από τους τιμηθέντες το 2006 με το Νόμπελ. Υπήρξε ο εμπνευστής του πειράματος αλλά και ο υπεύθυνος για την ανάλυση των διακυμάνσεων, ενώ ο John Mather –ο δεύτερος τιμηθείς– συντόνισε την κατασκευή του δορυφόρου και τις φασματοσκοπικές μετρήσεις.

Αξίζει ωστόσο να σημειωθεί ότι η λεπτομερής διερεύνηση της αρχέγονης ακτινοβολίας συνεχίζεται και σήμερα με εντατικό ρυθμό, και νέοι δορυφόροι έχουν ήδη σταλεί στο κοσμικό διάστημα ή σχεδιάζονται για το μέλλον. Το αρχέγονο φως υπήρξε λοιπόν πρωτεργάτης, αλλά και καθοδηγητής, στη διερεύνηση των μυστικών που κρύβει η εκρηκτική αρχή και η εξέλιξη του Σύμπαντος.

Είναι πάντως βέβαιο ότι ένας αιώνας φωτεινής κυριαρχίας δεν αρκεί. Ήδη η κοσμολογία ζει μια καινούργια επανάσταση: φαίνεται ότι η διαστολή του Σύμπαντος, χάρις στην ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας, αντί να επιβραδύνεται από τη βαρυτική έλξη, αντίθετα, επιταχύνει τον ρυθμό της! Η αναπάντεχη αυτή διαπίστωση βασίζεται στη λεπτομερή παρατήρηση του φωτός που έχει εκπεμφθεί από υπέρλαμπρες εκρήξεις αστεριών στο μακρινό παρελθόν. Έτσι, για πολύ καιρό ακόμα, το φως θα οδηγεί τα βήματα του ανθρώπου στην κατανόηση του κόσμου. Είθε να ίσχυε αυτή η αλήθεια και για την ίδια την πορεία της ανθρωπότητας.

 

   

european parlament to potami

topTOP

×

Αυτή η σελίδα χρησιμοποιεί cookies για να διαχειριστεί τα στοιχεία χρήσης, στατιστικά πλοήγησης και άλλες λειτουργίες. Επισκεπτόμενοι τη σελίδα μας συμφωνείτε οτι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε cookies.