Οι έξι μεγάλες προκλήσεις των επόμενων 20 χρόνωνΆρθρο, Οκτώβριος 2008 |
Ποιά είναι τα καυτά ζητήματα της Φυσικής σήμερα; Έξι κορυφαίοι φυσικοί σε διάφορους τομείς δίνουν τις απαντήσεις τους. Και επειδή οι θεωρητικοί είναι πιο ευτυχείς να κάνουν υποθέσεις από ό,τι οι πειραματικοί φυσικοί, γι αυτό και κυριαρχούν τα θεωρητικά θέματα. Όμως απουσιάζουν από τις απαντήσεις αυτές πολλές και σημαντικές περιοχές της επιστήμης - η φυσική του περιβάλλοντος, ο κβαντικός υπολογισμός, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η φυσική της συμπυκνωμένης ύλης κλπ. Το αποτέλεσμα λοιπόν δεν αντανακλά πλήρως τι περιμένουμε σε κάθε κλάδο, ωστόσο, με ολοένα και πιο κατακερματισμένη σε επιμέρους τομείς τη φυσική, είναι σχεδόν αδύνατο να συλλάβουμε τη μελλοντική κατεύθυνση της επιστήμης στο σύνολο της. Στις απαντήσεις υπάρχει ένα πεδίο - η θεωρία δικτύου - που
ήταν σχεδόν ανύπαρκτη πριν από δύο δεκαετίες. Κάποια άλλα,
συμπεριλαμβανομένης και της θεωρίας χορδών και εύλογα της κβαντικής
θεωρίας πεδίου, ήταν ακόμη στα σπάργανα πριν από 20 χρόνια συγκριτικά με
εκεί που είναι σήμερα. 1. Η εμφάνιση της θεωρίας του δικτύου
Ένα πρόσφατο σημαντικό φαινόμενο στον τομέα των
πολύπλοκων συστημάτων ήταν η εμφάνιση της θεωρίας του δικτύου. Τα
περισσότερα πραγματικά πολύπλοκα συστήματα - από το κύτταρο έως το Web,
αλλά
και τα κοινωνικά συστήματα - έχουν ένα δίκτυο πίσω τους που μας λέει
πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους τα στοιχεία του συστήματος. Με δεδομένες τις
διαφορές μεταξύ αυτών των συστημάτων - τόσο ως προς τη φύση των συστατικών
όσο και
τη λειτουργία του όλου συστήματος - δεν θα περιμέναμε να υπάρχουν
εγγενείς ομοιότητες μεταξύ τους. Ωστόσο, με τον καινούργιο αιώνα, οι
επιστήμονες έχουν ανακαλύψει ότι η βασική δομή των δικτύων αυτών είναι
μάλλον παρόμοια: τα περισσότερα έχουν μια τοπολογία χωρίς κλίμακα (ο αριθμός
των συνδέσεων ανά κόμβο, ακολουθεί ένα νόμο της ισχύος), εμφανίζουν υψηλό
βαθμό ομαδοποίησης, και η απόσταση μεταξύ των κόμβων είναι μικρή (ιδιότητα
του
μικρόκοσμου). Έχουμε συνειδητοποιήσει πως τα θέματα του
δικτύου, όχι μόνο θέτουν νέα ερωτήματα, αλλά και
μας οδήγησαν να επανεκτιμήσουμε πώς περιγράφεται ένα σύνθετο σύστημα. 2. Η εξέλιξη των ιατρικών απεικονιστικών τεχνικών στην ιατρική φυσική
Κατά τις δύο τελευταίες δεκαετίες, έχουν επιτευχθεί σημαντικά
βήματα στην ικανότητα να παίρνουμε εικόνες κανονικές και νοσούντων δομών στο επίπεδο
των ιστών και οργάνων, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά
τη δυνατότητα να ανιχνεύουμε και να θεραπεύουμε τις αρρώστιες μακροσκοπικά. Αυτά
τα πλεονεκτήματα που αντικατοπτρίζουν τις εξελίξεις στις απεικονιστικές
μεθόδους, όπως η μαγνητική τομογραφία, η υπολογιστική τομογραφία εκπομπής, η
ψηφιακή απεικόνιση με ακτίνες Χ, και η απεικόνιση με υπερήχους. • Του Bill Hendee φυσικού στο Ιατρικό Κολλέγιο του Wisconsin στην πολιτεία Milwaukee των ΗΠΑ 3. Το κβαντικό κενό
Στις αρχές του 20ου αιώνα, ο Αϊνστάιν
αντικατέστησε τον αιθέρα με τη θεωρία της σχετικότητας, αλλά ο αιθέρας του 21ου αιώνα -
το κβαντικό κενό - εξακολουθεί να μπερδεύει τους φυσικούς. Ο αιθέρας αρχικά
θεωρείτο ότι είναι μια πλήρως διεισδυτική ουσία που μεταφέρει το φως (σαν
κύμα που ήταν) στο χώρο, όπως ο αέρας μεταφέρει τον ήχο. Ο αιθέρας δε θα
εξακολουθεί να υπάρχει έστω κι αν απομακρύνουμε όλο το φως. Τώρα, σύμφωνα με την κβαντική
θεωρία πεδίου, η κατάσταση του απόλυτου σκότους, η κατάσταση του κενού,
εξακολουθεί να είναι μια φυσική κατάσταση, που γεμίζει εντελώς τον χώρο,
σαν τον αιθέρα. Υπάρχει όμως μια σημαντική διαφορά: Κανένας δεν
αντιλαμβάνεται τίποτα αν κινείται με μια σταθερή ταχύτητα σε σχέση με το κβαντική κενό, αλλά κατά τη
διάρκεια επιτάχυνσης του το κενό θα πρέπει να ακτινοβολεί, λόγω της
τριβής. Το κβαντικό κενό θα πρέπει επίσης να αναγκάζει τις μαύρες τρύπες να
εξατμίζονται, διότι στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας, παράγονται από το
κενό σωματίδια, σε βάρος της μάζας της μαύρης τρύπας. • Του Ulf Leonhardt θεωρητικού φυσικού στο Πανεπιστήμιο του St Andrews στη Βρετανία 4. Νερό σε άλλους κόσμους
Γιατί η Γη περιέχει την ακριβή ποσότητα του
νερού που θέλει; Μήπως κι άλλοι κόσμοι γύρω από άλλα άστρα περιέχουν
παρόμοιες ποσότητες; Αυτά τα θέματα δεν είναι συζητήσιμα. Νερό σε μια ξηρή Γη θα απορροφηθεί
εξολοκλήρου από τον πυριτικό μανδύα, αφήνοντας στεγνή
την επιφάνεια. Αντίθετα, αν η Γη είχε το διπλάσιο νερό, οι ήπειροι θα μπορούσαν
να ήταν βυθισμένες κάτω από το νερό. Η προηγμένη, τεχνολογικής ζωή θα ήταν αδιανόητη
για έναν κόσμο κάτω από το νερό, καθώς δεν θα υπήρχαν δελφίνια ή ψάρια που
θα μπορούσαν να εφεύρουν
μεταλλουργία, υπολογιστές ή κιθάρες. Μήπως η Γη μας περιέχει μια "τυχερή"
ποσότητα του νερού; Στο τυχαίο παιχνίδι του πλανητικού σχηματισμού, η Γη είχε
δοσοληψίες με πηγές πολύ νερού, φέρνοντας έτσι στο προσκήνιο τους Homo sapiens. Αλλά η
καλή τύχη είναι κυκλική: αν η Γη,
δεν ήταν και τόσο προικισμένη με το νερό, δεν θα ήμασταν εδώ να το
συζητήσουμε. 5. Το μέλλον της κοσμολογίας
Η κοσμολογία μπορεί να είναι στα πρόθυρα της πιο συναρπαστικής δεκαετίας - ή και της πιο βαρετής. Τα τελευταία 20 χρόνια έχουμε δει την άνοδο του Καθιερωμένου Μοντέλου της Κοσμολογίας, που περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα και τις αλληλεπιδράσεις λίγων στοιχείων: της κανονικής ύλης, της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας, με νύξεις για μια ταχύτατη διαστολή στο πρώιμο σύμπαντος, γνωστής και ως περίοδος του πληθωρισμού. Η απλότητα σε αυτή την περιγραφή είναι παραπλανητική, δεδομένου ότι δεν γνωρίζουμε τι είδους σωματίδια είναι αυτά που συνθέτουν τη σκοτεινή ύλη ή τι είναι η σκοτεινή ενέργεια, και δεν ξέρουμε ποιος μηχανισμός είναι υπεύθυνος για την αναλογία με την οποία υπάρχουν στον Κόσμο. Ο στόχος των μεγαλύτερων μελλοντικών κοσμολογικών πρότζεκτ - πχ τα νέα τηλεσκόπια ανίχνευσης της μικροκυματικής ακτινοβολίας σαν το Planck Surveyor, επίγειες έρευνες σαν την Large-Scale Synoptic Survey Telescope και το Square Kilometre Array ή των μελλοντικών δορυφορικών τηλεσκοπίων όπως ο Ευκλείδης (Euclid) ή η αποστολή Joint Dark Energy - είναι η κατανόηση αυτών των στοιχείων παρατηρώντας τις επιδράσεις τους στη συνολική διαστολή του σύμπαντος καθώς και της ανάπτυξης των μεγάλων δομών μέσα σε αυτό. Στην ιδανική περίπτωση, η επόμενη γενιά των πειραμάτων στην περιοχή των μικροκυμάτων θα παρατηρεί άμεσα το υπόβαθρο της βαρυτικής ακτινοβολίας - μια κρίσιμη υπογραφή της πρώιμης πληθωριστικής εποχής. Οι λεπτομερείς παρατηρήσεις των μακρινών υπερκαινοφανών και του τοπικού σύμπαντος θα μπορούσαν να μας επιτρέψουν να αξιολογήσουμε τις ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας, η οποία φαίνεται να προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος σήμερα. Ωστόσο, αυτές οι παρατηρήσεις θα μας φέρουν μερικά δεκαδικά ψηφία αύξησης της ακρίβειας για τις κοσμολογικές παραμέτρους που περιγράφουν το σύμπαν, αλλά όχι και την πραγματική κατανόηση της υποκείμενης φυσικής της σκοτεινής ύλης ή της σκοτεινής ενέργειας, και λίγες, αν υπάρχουν, νύξεις σχετικά με την μηχανισμό πίσω από τον πληθωρισμό ή άλλες εποχές στις απαρχές του σύμπαντος. Ακόμη και με αυτό το σενάριο, αυτό που θα έχουμε σε λίγες δεκαετίες είναι
ένας φαινομενικά πιο λεπτομερής χάρτης του σύμπαντος, σε ολοένα μεγαλύτερες
εκτάσεις του ουρανού, φθάνοντας πολύ πιο μακριά (και συνεπώς πιο πίσω στο
χρόνο) με κάθε νέο τηλεσκόπιο, βλέποντας τελικά τα πρώτα αντικείμενα από το πρωταρχικό αέριο.
Η κοσμολογία έτσι θα συνεχίσει να δουλεύει, όπως κάνει τώρα τελευταία, με
τα θεωρητικά εργαλεία, τη σωματιδιακή φυσική στο νεαρό σύμπαν και με αστροφυσικές
τεχνικές για να κατανοήσει την εξέλιξη των
αντικειμένων μέσα στον Κόσμο.
6. Η ολογραφική αρχή και το τοπίο της θεωρίας χορδών
Οι νέες μεγάλες ιδέες που προέκυψαν από την κβαντική βαρύτητα
είναι η "ολογραφική αρχή" και το "τοπίο της θεωρίας χορδών".
Η ολογραφική αρχή ήταν το αποτέλεσμα των απόψεων του Stephen Hawking σχετικά
με την σύγκρουση μεταξύ της αρχής της ισοδυναμίας και της κβαντικής αρχής της
διατήρησης των πληροφοριών. Το αποτέλεσμα είναι μία από τις πιο εντυπωσιακές
έννοιες στη σύγχρονη φυσική: οι βαθμοί ελευθερίας μιας περιοχής του
χώρου, αντί να γεμίζουν όλη την περιοχή του χώρου, να βρίσκονται στα όρια
της επιφάνειας μόνο. Ένα ολόγραμμα είναι λοιπόν σαν ένα δισδιάστατο λεπτό φιλμ που αποθηκεύει
πληροφορίες για μια τρισδιάστατη εικόνα. Αν κοιτάξετε βέβαια το φιλμ αυτό
(με τις πληροφορίες για τα τρισδιάστατα αντικείμενα) μέσα από ένα μικροσκόπιο,
τότε ότι θα βλέπετε θα είναι ένα τυχαίο σύνολο σημάτων, και τίποτα άλλο.
Αλλά αν γνωρίζετε
τους κανόνες της κωδικοποίησης, τότε θα μπορείτε να ανακατασκευάσει την στερεά
εικόνα που
απεικονίζει. Η ολογραφική αρχή λέει ότι ένα τρισδιάστατο σύμπαν είναι σαν
μια εικόνα ανακατασκευασμένη, που είναι αποθηκευμένη σε ένα μακρινό μαθηματικό όριο. • Του Leonard Susskind θεωρητικός των χορδών στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ Πηγή: physicsworld |