Ελληνας Φυσικός προτείνεται για Nobel

Από σελίδα του spin.gr Μάρτιος 2001

Ελληνας φυσικός ο δρ. Κωνσταντίνος Τσάλλης θα προταθεί από τη Βραζιλία ως υποψήφιος για το βραβείο Νόμπελ Φυσικής, το 2001, σύμφωνα με την δικτυακή πύλη spin. 

Ο  Κωνσταντίνος Τσάλλης γεννήθηκε το 1943 στην Αθήνα. Εφυγε με την οικογένεια του στην Αργεντινή, το 1947 λόγω του εμφυλίου πολέμου. Ασχολήθηκε με πολλούς τομείς της Φυσικής, από τη γενετική μέχρι τους Γαλαξίες.

Ο Κωνσταντίνος Τσάλλης, ο οποίος εργάζεται στο Ινστιτούτο Φυσικών Ερευνών της Βραζιλίας, (Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas), ασχολείται τα τελευταία χρόνια με τη Θερμοδυναμική και τη Στατιστική Μηχανική, επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον του στο φορμαλισμό μέσω του οποίου περιγράφεται η εντροπία ενός συστήματος. Στόχος του είναι η ανάπτυξη μιας θεωρίας, εφοδιασμένης με τα κατάλληλα μαθηματικά εργαλεία, ώστε να προσφέρει μια ενιαία αναλυτική έκφραση της εντροπίας οποιουδήποτε συστήματος.

Συγκεκριμμένα ο Κωνσταντίνος Τσάλλης εισήγαγε μια γενίκευση, που βοηθάει στην ερμηνεία πολλών φαινομένων, από την συμπεριφορά των fractals μέχρι την χρονο-εξαρτώμενη συμπεριφορά του DNA και άλλων μακρομορίων.  Κατάφερε δε να χρησιμοποιήσει μαθηματικές αναλογίες από τον χώρο των φράκταλς για να μορφοποιήσει την έκφρασή του για την εντροπία. Για πολλούς φυσικούς η έκφραση αυτή αποτελεί μια πνευματώδη γενίκευση των εξισώσεων Boltzmann - Gibbs για την έκφραση εντροπίας του Clausius σε μικροκοσμική κλίμακα. (Ο Rudolf Clausius εισήγαγε την έννοια της εντροπίας το 1865 μελετώντας τις ατμομηχανές για να καθορίσει το μέγιστο ποσό της ενέργειας που μπορεί να αποδώσει ωφέλιμο έργο σε μια θερμοδυναμική διαδικασία.) Η εντροπία του Clausius σχετίζεται επίσης με την τάξη και αταξία σε συστήματα που επιδέχονται στατιστική περιγραφή (για παράδειγμα να αναφέρουμε την περιγραφή ιδανικού αερίου μέσω της κινητικής θεωρίας).

Για 120 χρόνια οι φυσικοί, βασίζονται σε μια εξίσωση για να ορίσουν την εντροπία κατά Boltzman-Gibbs, S = k logW
Οπου η εντροπία (S) ενός συστήματος είναι το γινόμενο της σταθεράς Boltzmann (k) επί τον λογάριθμο του αριθμού μικροκαταστάσεων (ή των   'στοιχειωδών πολυπλοκοτήτων') του συστήματος (W). Ο καθηγητής Μαθηματικής Φυσικής στο πανεπιστήμιο Γέηλ των Η.Π.Α., επέκτεινε την Στατιστική Μηχανική για να περιγράψει την τάξη και την αταξία σε μικροσκοπικό επίπεδο. Η στατιστική μηχανική περιγράφει την συμπεριφορά ενός συστήματος ή ουσίας βάσει της στατιστικής συμπεριφοράς από κινηματική πλευρά των ατόμων και μορίων που το / την αποτελούν.

Η έννοια αυτή, που σύμφωνα με τον κλασσικό ορισμό, είναι ένα θερμοδυναμικό μέγεθος, το οποίο, σε γενικές γραμμές, δίνει το μέγεθος τάξης ή αταξίας που διέπει ένα σύστημα. Σύμφωνα με το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα, τα κλειστά συστήματα (δηλ. συστήματα απομονωμένα από το υπόλοιπο περιβάλλον, τα οποία δεν δέχονται εξωτερικές επιδράσεις) προτιμούν να μεταβαίνουν σε καταστάσεις που χαρακτηρίζονται από μέγιστη αταξία.

Αν και η εντροπία αρχικά υιοθετήθηκε από την Κλασική Θερμοδυναμική, εν τούτοις χρησιμοποιήθηκε από πλήθος σύγχρονων τομέων της Φυσικής και γενικότερα της Επιστήμης, όπως είναι η Αεροναυπηγική, η Υδροδυναμική ή ακόμα και η Πληροφορική (Θεωρία Πληροφορίας). Το πρόβλημα που ανακύπτει, είναι ότι σε κάθε τομέα, η έκφραση της εντροπίας (ο μαθηματικός τύπος) πρέπει αναγκαστικά να υποστεί κάποιες τροποποιήσεις για να περιγράψει το εκάστοτε σύστημα. Ο δρ. Τσάλλης έχει καταλήξει σε μια έκφραση που δίνει την εντροπία για κάθε σύστημα.

Χρησιμοποίησε δε το παράδειγμα ενός ανεμοστρόβιλου για να δείξει τον τρόπο με τον οποίο γεγονότα μικρής πιθανότητας "μεγαλώνουν". Σε κανονικές συνθήκες τα μόρια του αέρα πάνω από μια φάρμα ή μία πόλη κινούνται ανεξάρτητα και ουσιαστικά τυχαία. Σε μια τέτοια περίπτωση η εντροπία δύο ποσοτήτων αέρα μπορεί απλώς να προστεθεί.

Αυτό είναι και το κύριο σημείο: οι φυσικές ποσότητες δύο συστημάτων οι οποίες μπορούν να προστεθούν για να μας δώσουν την συνολική ποσότητα ονομάζονται εκτεταμένες ποσότητες. Η κλασσική θερμοδυναμική και στατιστική μηχανική παρουσιάζουν το παραπάνω χαρακτηριστικό: εμπεριέχουν δηλαδή την υπόθεση ότι τα άτομα, μόρια ή σωματίδια σε ένα σύστημα είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους ή ότι αλληλεπιδρούν μόνο με τα γειτονικά τους. Η φύση όμως δεν λειτουργεί πάντα με αυτό τον τρόπο. Οι ανεμοστρόβιλοι, συστήματα που χαρακτηρίζονται από κίνηση των μορίων του αέρα με μεγάλο βαθμό συσχετισμού μεταξύ τους (μια περίπτωση μη-εκτεταμένη), συμβαίνουν αρκετά συχνά αιφνιδιάζοντάς μας.

Το 2ο θερμοδυναμικό αξίωμα

Αν έχουμε μια ποσότητα αερίου μέσα σε ένα δοχείο και με ένα έμβολο αρχίσουμε να συμπιέζουμε το αέριο προς μια κατεύθυνση, τότε τα μόρια του αερίου καταλαμβάνουν θέσεις σε έναν ολοένα και μικρότερο όγκο. Αυτό σημαίνει, επίσης, ότι τα μόρια που απαρτίζουν το αέριο, μεταβαίνουν από μια κατάσταση μικρής τάξης σε μια νέα κατάσταση που διακρίνεται από μεγαλύτερα επίπεδα τάξης. Οσο μικρότερο όγκο καταλαμβάνουν τα μόρια του αερίου, τόσο περισσότερο αυξάνεται το επίπεδο τάξης τους, ενώ η περαιτέρω προσπάθειά μας να συμπιέσουμε το αέριο, καθίσταται ολοένα και πιο δύσκολη.

Από ενεργειακή άποψη, και οι δύο περιπτώσεις έχουν την ίδια ενέργεια (υποθέτουμε ότι η μεταβολή είναι αδιαβατική, δηλαδή δεν υπάρχουν ενεργειακές μεταβολές), μολονότι στη συμπιεσμένη μορφή το αέριο μπορεί να παράγει ωφέλιμο έργο. Αυτό μπορεί να φανεί, εάν αφήσουμε ελεύθερο το έμβολο, με το οποίο προκαλούμε τη συμπίεση. Το αέριο θα μεταφέρει κινητική ενέργεια στο έμβολο, αναγκάζοντάς το να μετατοπισθεί. Μάλιστα, είναι σίγουρο ότι, αν αφήσουμε το έμβολο, το αέριο θα ''θελήσει'' να αποκτήσει την αρχική του κατάσταση, όπου τα επίπεδα αταξίας των μορίων είναι μεγαλύτερα.

Το επίπεδο αταξίας μιας ποσότητας αερίου περιγράφεται από μια ιδιότητα που ονομάζεται ''εντροπία''. Μεγαλύτερα επίπεδα αταξίας ισοδυναμούν με μεγαλύτερο βαθμό εντροπίας. Οπως είδαμε παραπάνω, το αέριο έχει την τάση να μεταβαίνει από καταστάσεις μικρής εντροπίας σε καταστάσεις μεγαλύτερης. Αυτή η ενδογενής ιδιότητα περιγράφεται από το 2ο Θερμοδυναμικό Αξίωμα, το οποίο μπορεί να διατυπωθεί, εκλαϊκευμένα και για τη συγκεκριμένη περίπτωση, ως ακολούθως: Η εντροπία ενός κλειστού συστήματος αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου.

Αλλά όπως και η διατήρηση της ενέργειας έτσι και αυτό πρόκειται για αξίωμα, δηλαδή για μια αναπόδεικτη πρόταση. Πολλοί, μάλιστα, είναι αυτοί που έχουν κατά καιρούς προσπαθήσει να αμφισβητήσουν την εγκυρότητά της. Μέχρι στιγμής δεν έχει βρεθεί κάποιο πείραμα, στο οποίο να καταρρέει η ορθότητα του 2ου Θερμοδυναμικού Αξιώματος. Αντίθετα, η ισχύς του είναι πολύ ευδιάκριτη στη φύση. Το σύμπαν μας, για παράδειγμα, είναι γνωστό ότι διαστέλλεται. Η εντροπία του, δηλαδή, αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Πρόκειται για μια ακόμη ισχυρή ένδειξη σχετικά με το πόσο θεμελιώδες είναι το αξίωμα στον κόσμο μας.