Το Παράδοξο της Φυσικής


«Η Γενική Συνέλευση των Ηνωμένων Εθνών, (…) πεπεισμένη ότι η εκπαίδευση στη φυσική παρέχει στους ανθρώπους τα εργαλεία οικοδόμησης της επιστημονικής υποδομής που είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη (… και) γνωρίζοντας ότι το έτος 2005 είναι η εκατοστή επέτειος από τις επιστημονικές ανακαλύψεις του Αλμπερτ Αϊνστάιν που αποτελούν τη βάση της μοντέρνας φυσικής, (…) ανακηρύσσει το 2005 Διεθνές Ετος της Φυσικής.


1η Ιουνίου 2004»



Βρισκόμαστε λοιπόν στη χρονιά όπου η φυσική γιορτάζει τα εκατοστά γενέθλια της σκέψης που ανέτρεψε όσα νομίζαμε για τον κόσμο. Μια κινηματογραφική ματιά μόνο στα όσα επακολούθησαν της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν αρκεί για να μας κάνει να νιώσουμε την κοσμογονική δύναμη εκείνης της σκέψης. Ως το 1905 ο ορθολογικός κόσμος που είχε περιγράψει ο Νεύτων κυριαρχούσε στις πράξεις και στο πνεύμα των ανθρώπων. Ενας κόσμος που δούλευε σαν ρολόι, σε σταθερές τροχιές, με απαρασάλευτους νόμους, ένας κόσμος απόλυτος, αυστηρός, που δεν ανεχόταν λάθη. H αίσθηση αυτής της τάξης, της ιεραρχίας και του προκαθορισμένου ρόλου είχε διαπιδύσει και στους κανόνες κοινωνικής συμπεριφοράς των ανθρώπων, επιβάλλοντας τον καθωσπρεπισμό και τον συντηρητισμό σε κάθε πτυχή της ζωής τους.


H επανάσταση του χωροχρόνου


Ενα παράδοξο, που εμφανίστηκε στις μαθηματικές εξισώσεις του Μάξγουελ για τον ηλεκτρομαγνητισμό, ήταν αυτό που παρακίνησε τον άγνωστο ως τότε στην επιστημονική κοινότητα Αϊνστάιν να ξεψαχνίσει το πώς λειτουργεί η βαρύτητα. Με τρία αλλεπάλληλα άρθρα του στην επιστημονική επιθεώρηση «Annalen der Physik» (περί Ειδικής Σχετικότητας, περί Κίνησης Brown και περί Φωτοηλεκτρικού Φαινομένου) συρρίκνωσε τη Νευτώνεια Μηχανική σε ένα «κατά συνθήκην ψεύδος» της Γης. Αυτά τα τρία άρθρα του έθεσαν τις βάσεις των νέων κλάδων της μοντέρνας φυσικής, που βρίσκονται πίσω απ’ όλες σχεδόν τις κατακλυσμιαίες ανακαλύψεις που έγιναν τα επόμενα 100 χρόνια και μας έφεραν σήμερα να ψάχνουμε σημάδια ζωής στον Αρη και στον Τιτάνα.


H ύπαρξη παραδόξων όμως φαίνεται ότι είναι ο κανόνας, και μάλιστα ο καταλύτης της καινοτομικής σκέψης, στις επιστήμες. Ενα τέτοιο παράδοξο ήταν αυτό που αντιμετώπισε ο Αϊνστάιν όταν οι εξισώσεις του τον οδήγησαν στο ότι υπάρχει μια «κοσμολογική σταθερά λ», μια πεμπτουσία που διαστέλλει το Σύμπαν. Παρά το σπινθηροβόλο πνεύμα του, δεν μπόρεσε να δεχθεί μια τέτοια εκδοχή και… την αρνήθηκε, λέγοντας ότι «ο Θεός δεν ρίχνει ζάρια!» Ωστόσο το 1929 ο Χαμπλ απέδειξε αμέσως μετά ότι το Σύμπαν διαστέλλεται, τα δορυφορικά τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα απέδειξαν προσφάτως ότι κατακλυζόμαστε από «σκοτεινή ενέργεια και ύλη» και η κβαντομηχανική παίρνει στις μέρες μας την εκδίκησή της προσθέτοντας συνεχώς και νέες αποδείξεις για το ότι η φύση αγαπάει το τυχαίο και το απρόβλεπτο…


H πιο συγκλονιστική πτυχή των ανακαλύψεων του Αϊνστάιν ήταν αυτή που ανέτρεψε τις αντιλήψεις μας για τον χώρο και τον χρόνο, τις βασικές δηλαδή παραμέτρους που επηρεάζουν την ανθρώπινη σκέψη και ιστορία. Ολα τα υπαρξιακά μας ερωτήματα σχετίζονται με τις αντιλήψεις μας αυτές και εκφράζονται μέσα από την αγωνία μας για το τι ήταν πριν από τον κόσμο αυτόν και το τι είναι μετά. H πραγματική έννοια του χρόνου είχε παιδέψει λαμπρά μυαλά, όπως ο Αγιος Αυγουστίνος (πέθανε το 430 μ.X.) που είχε πει «Αν κανείς δεν με ρωτήσει, γνωρίζω τι ώρα είναι. Αλλά αν με ρωτήσει, δεν ξέρω τι να πω».


Το μπέρδεμά μας σχετικά με την έννοια του χρόνου είναι εύλογο αν αναλογισθούμε τον πιο πρόσφατο ορισμό του: «Χρόνος είναι το συνεχές της εμπειρίας κατά το οποίο γεγονότα περνούν από το μέλλον μέσω του παρόντος στο παρελθόν» (Hyperdictionary, 2003). Οι αισθήσεις μας όλες μάς ωθούν στο να κατανοούμε τον χρόνο μόνο στον κόσμο που αντιλαμβανόμαστε, τον «παρατηρούμενο κόσμο». Ακόμη και αυτή «η μοντέρνα φυσική κυρίως μιλάει για τον μετρούμενο χρόνο και χώρο, μέσω παρατηρήσεων και μαθηματικών υπολογισμών, αλλά αγνοώντας τον υπάρχοντα χρόνο και χώρο» (St. Hawking, 1996). Ωστόσο ο χώρος και ο χρόνος του Σύμπαντος υπάρχει, ανεξάρτητα από τις μετρήσεις μας. H θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν μάς απέδειξε ότι ένας ταξιδιώτης θα μπορούσε να νιώσει ότι ο χώρος και ο χρόνος συμπιέζονται, αλλά αυτό έχει να κάνει με τον ίδιο και όχι με τον πραγματικό χωροχρόνο. Εκείνος δεν αλλάζει.


Οι έννοιες του χρόνου, του χώρου και της κίνησης, όπως αυτές γίνονται αντιληπτές γύρω μας, στην επιφάνεια αυτού του πλανήτη, προσδιορίστηκαν το 1687 από τον Ισαάκ Νεύτωνα. Κατά τον Νεύτωνα, ο χρόνος κυλάει τελείως ομοιόμορφα και ο χώρος είναι μια δεξαμενή χωρίς όρια. Ολα τα πράγματα βρίσκονται σε καθορισμένες θέσεις και υπό σαφείς συνθήκες, κινούμενα στο Σύμπαν υπό καθορισμένους νόμους κίνησης. Αν σε δεδομένη στιγμή είναι γνωστές όλες οι συνθήκες του Σύμπαντος, οι νόμοι αυτοί καθορίζουν όλες τις μελλοντικές κινήσεις, άρα και όλη η ιστορία του Σύμπαντος μπορεί να είναι γνωστή. Αυτή η θεώρηση ονομάστηκε «μηχανικός ντετερμινισμός». Ο Αϊνστάιν κλόνισε την ντετερμινιστική θεώρηση, λέγοντάς μας ότι όλα αυτά ισχύουν στη μικροκλίμακα του συγκεκριμένου πεδίου βαρύτητας του πλανήτη μας. Στο Σύμπαν η μέτρηση του χρόνου ποικίλλει και σχετίζεται με τη θέση του εκάστοτε παρατηρητή. Δεν υπάρχει ενιαία μέτρηση που κρίνει αν δύο συγκεκριμένα φυσικά γεγονότα συμβαίνουν ταυτόχρονα ή όχι.


Για να περιγράψει τον κόσμο στη μεγάλη του κλίμακα, ο Αϊνστάιν συνένωσε τον χρόνο και τον χώρο στο υφαντό του Σύμπαντος. Κατά τη γενική θεωρία της σχετικότητας δεν υπάρχει ρολόι έξω από το Σύμπαν που να μετράει αντικειμενικά τα γεγονότα. Δεν μπορεί να υπάρξει, καθώς ο ενωμένος χωροχρόνος συστρέφεται γύρω από τα αστέρια και άλλα ογκώδη ουράνια σώματα, ή και σταματάει όταν συναντά «μαύρες τρύπες». Τα πεδία βαρύτητας «καμπυλώνουν τον χώρο», κάνοντας τα ρολόγια που βρίσκονται εντός τους να τρέχουν αργότερα. Το μόνο απόλυτο στη θεωρία της σχετικότητας μοιάζει να είναι το φως, που ταξιδεύει ταχύτερα από τα πάντα, εξ απαρχής κόσμου. Το πιο «θεϊκό» στοιχείο που γνωρίζει η πλάση.


Οι μετέπειτα εφαρμογές της θεωρίας της σχετικότητας, τα ταξίδια μας στους κοντινούς πλανήτες και η τηλεμέτρηση της γεωγραφικής εντοπιότητας από δορυφόρους (GPS) απέδειξαν ότι ο Αϊνστάιν είχε δίκιο στους υπολογισμούς του. Οταν όμως σκεφθούμε ταξίδια σε πολύ μακρινούς πλανήτες, πέφτουμε πάλι σε ένα παράδοξο.


Ας υποθέσουμε ότι ένα από δύο δίδυμα αδέλφια μπαίνει σε ένα διαστημόπλοιο, ταξιδεύει σε μακρινό αστέρι και επιστρέφει ύστερα από χρόνια στη Γη. Ο δίδυμος που είχε μείνει στον πλανήτη μας παρατηρεί ότι το ρολόι στο κινούμενο διαστημόπλοιο έτρεχε αργότερα απ’ ό,τι το δικό του στη Γη. Αρα, ο δίδυμος αδελφός του που ταξίδεψε θα πρέπει να είναι τώρα ηλικιακά μικρότερος. Ωστόσο και ο δίδυμος αδελφός που ταξίδεψε, ενόσω απομακρυνόταν με το διαστημόπλοιο έβλεπε ότι το ρολόι της Γης έτρεχε αργότερα απ’ ό,τι το δικό του. Επομένως, κατ’ εκείνον ο επί Γης δίδυμος αδελφός του θα είναι ηλικιακά μικρότερος! Από το παράδοξο αυτό μπορούμε να βγούμε μόνον αν έχουμε ένα απόλυτο σύστημα αναφοράς, βάσει του οποίου να κρίνουμε την επιτάχυνση των συστημάτων. Αλλά αυτό συνεπάγεται ότι το απόλυτο αυτό σύστημα αναφοράς είναι ο «απόλυτος χώρος». Οπότε… η θεωρία της σχετικότητας αποδεικνύεται εδώ ελλιπής.


Το θέμα του χωροχρόνου συνεχίζει να απασχολεί τους φυσικούς και πολλές ανακοινώσεις έχουν γίνει τελευταία που αμφισβητούν τόσο τη θεωρία της σχετικότητας όσο και την κβαντική θεωρία (Morriston 1999, Hawking 2001, Butterfield, Hoover και Myrvold 2003). Ολοι ψάχνουν να βρουν έναν ενιαίο τρόπο έκφρασης του ενός δευτερολέπτου που χρειάζεται κάθε χτύπος της καρδιάς μας, η Γη για να περιστραφεί διανύοντας 30 χιλιόμετρα γύρω από τον Ηλιο, το φως για να ταξιδέψει 300.000 χιλιόμετρα, το ηλιακό μας σύστημα για να περιστραφεί κατά 19 χιλιόμετρα γύρω από το αστέρι Βέγκα, ο γαλαξίας μας ολόκληρος για να ταξιδέψει 80 χιλιόμετρα προς τον γαλαξία της Μεγάλης Ανδρομέδας… Μια έκφραση που δεν θα είναι ίσως κατανοητή από τον εγκέφαλο των περισσοτέρων ανθρώπων, καθώς αυτός επιμένει να κατανοεί μόνο τα μηνύματα που του επιτρέπουν να λάβει οι φτωχές αισθήσεις του.


Ενα μυθιστόρημα δρόμου



Αραγε, είναι ο εγκέφαλος των γιγάντων της επιστήμης διαφορετικός από τον δικό μας; Μήπως οι μεγάλες ιδέες και θεωρίες τους είναι απόρροια της δυνατότητάς τους να συλλαμβάνουν και επεξεργάζονται ερεθίσματα που δεν φθάνουν στον δικό μας;


Το ερώτημα απασχολεί την επιστήμη από τα χρόνια των Αρχαίων Ελλήνων. Περίεργες συμπτώσεις συνηγορούν στην υποψία, όπως για παράδειγμα ότι ιδιαίτερα μεγάλο ποσοστό ανθρώπων που χαρακτηρίστηκαν διάνοιες έπασχαν από κάποια μορφή αυτισμού και δη τη δυσλεξία. Κάτι που ίσχυε για τον Λεονάρντο ντα Βίντσι, τον Τόμας Εντισον, τον Πικάσο, αλλά και για τον Αϊνστάιν. H εξήγηση που δίνουν τελευταία οι επιστήμονες είναι ότι ο δυσλεκτικός εγκέφαλος «σκέπτεται» αποτελεσματικότερα με εικόνες και όχι με λέξεις, και για τον λόγο αυτόν λειτουργεί συντριπτικά ταχύτερα από τον κοινό εγκέφαλο.


Ο ίδιος ο Αϊνστάιν είχε δηλώσει ότι κατά τη σύλληψη των ιδεών του «οι λέξεις δεν έπαιζαν κανέναν ρόλο. Ηταν κυρίως ξεκάθαρες εικόνες αυτές που μου έρχονταν». Συμβάλλοντας πάντως στη διερεύνηση του πώς του έρχονταν αυτές οι σκέψεις, συναίνεσε ο ίδιος στη μελέτη του εγκεφάλου του μετά θάνατον, υπό τον όρο να μη δημοσιοποιηθούν τα πορίσματα. H συνέχεια της ιστορίας είναι άκρως μυθιστορηματική.


Στις 18 Απριλίου 1955, οπότε ο Αϊνστάιν έπαψε να μετράει τον μάταιο χωροχρόνο μας σε ηλικία 76 ετών, ο παθολόγος του νοσοκομείου του Princeton στο New Jersey δρ Thomas S. Harvey αφαίρεσε τον εγκέφαλό του για να τον εξετάσει. Οταν οι συγγενείς του Αϊνστάιν του ζήτησαν να τον επιστρέψει και, αργότερα, ο προϊστάμενός του να του τον παραδώσει, ο γιατρός προτίμησε να εξαφανισθεί, εγκαταλείποντας την καριέρα του και δουλεύοντας ως εργάτης σε εργοστάσιο πλαστικών. Σε τρεις συνεντεύξεις που έδωσε τα κατοπινά χρόνια – το 1956, το 1979 και το 1988 – επέμενε να επαναλαμβάνει ότι χρειαζόταν έναν ακόμη χρόνο για να ολοκληρώσει τη μελέτη του. Πέρασαν όμως 40 χρόνια χωρίς κανείς ποτέ να μάθει τίποτε για τα μυστικά του εγκεφάλου.


Λίγο πριν από το γύρισμα του αιώνα, ένας δημοσιογράφος, ο Michael Paterniti, έψαξε και βρήκε τον Harvey να ζει με τον εγκέφαλο στο καθιστικό του, κομμένο σε 240 κυβάκια – μεγέθους κύβου ζάχαρης – και μοιρασμένο σε δύο φιάλες φορμόλης από… μαγιονέζα. Μάλιστα, καθώς ο Harvey ετοιμαζόταν να ταξιδέψει δυτικά, ο δημοσιογράφος ανέλαβε την οδήγηση και διέσχισαν όλες σχεδόν τις Ηνωμένες Πολιτείες με ένα φορτηγάκι και τον εγκέφαλο να χοροπηδάει στην καρότσα! Ο Paterniti δημοσίευσε την ιστορία του το 2000, σε ένα εξαιρετικά καλογραμμένο βιβλίο, το «Driving Mr. Albert – Α Trip Across America with Einstein’s Brain». Τελικά, το 1996, ο Harvey παρέδωσε τον εγκέφαλο στο νοσοκομείο του Princeton, οπότε άρχισε επιτέλους η προσεκτική εξέταση του διασημότερου μυαλού του αιώνα.


To τι διαπιστώθηκε ανέλαβαν να παρουσιάσουν στο ευρύ κοινό ο δρ Mark Lythgoe, νευροχειρουργός του Πανεπιστημιακού Κολεγίου του Λονδίνου, και ο Jim Al Khalili, πυρηνικός φυσικός, καθηγητής στο αγγλικό Πανεπιστήμιο του Σάρεϊ. Στο σχετικό ντοκυμαντέρ του National Geographic – που προβλήθηκε στις 29 Ιανουαρίου, μέσω του Nova – γίνεται μια «ανασύνταξη» του εγκεφάλου του Αϊνστάιν μέσω στερεολιθογραφίας και εξετάζεται η διαφοροποίησή του από τον εγκέφαλο «κοινών» ανθρώπων. Κατ’ αρχήν διαπιστώθηκε ότι, όταν απεβίωσε ο μεγάλος άνδρας, ο εγκέφαλός του ήταν – από ιατρικής απόψεως – σε άριστη κατάσταση. Ωστόσο ο εγκέφαλος που συντάραξε την επιστήμη ζύγιζε μόνο 1.230 γραμμάρια, ενώ ο μέσος εγκέφαλος ενηλίκων ατόμων ζυγίζει περίπου 1.400 γραμμάρια. Επίσης, ο εγκεφαλικός φλοιός ήταν λεπτότερος, αλλά είχε μεγαλύτερη πυκνότητα νευρώνων. Ο αριστερός άνω κροταφικός λοβός – λίγο πάνω από το αφτί – ήταν κατά 15% πλατύτερος του συνηθισμένου. Κάτι αντίστοιχο είχε παρατηρηθεί παλαιότερα στον εγκέφαλο των φυσικών Gauss και Siljestrom. Αντιθέτως, του έλειπε σχεδόν εξ ολοκλήρου το μεσολόβιο, η δεσμίδα νεύρων δηλαδή που ενώνει τα δύο ημισφαίρια του εγκεφάλου. Κανονικά ο πλευρικός φλοιός του εγκεφάλου διαιρείται από μια βαθιά αυλάκωση. Στον εγκέφαλο όμως του Αϊνστάιν αυτό το τμήμα ήταν ενωμένο, παρέχοντας περισσότερες συνδέσεις. H σύγκριση υποδεικνύει επίσης ότι ο ιππόκαμπος του Αϊνστάιν επικοινωνούσε με ισχυρότερες συνδέσεις με το αριστερό ημισφαίριο απ’ ό,τι με το δεξί. Οι συνδέσεις ήταν ισχυρότερες με τον αριστερό νεοφλοιό, την περιοχή όπου επιτελείται η λειτουργία της λεπτομερούς, λογικής, αναλυτικής και καινοτόμου σκέψης. Το συμπέρασμα αυτό βασίστηκε στην παρατήρηση ότι οι νευρώνες στο αριστερό τμήμα του ιππόκαμπου ήταν μεγαλύτεροι απ’ ό,τι στο δεξί, διαφορά που δεν παρατηρήθηκε στα άτομα μέσης νοημοσύνης. Ωστόσο, σε πέντε περιοχές του αριστερού τμήματος του ιππόκαμπου οι νευρώνες ήταν μικρότεροι απ’ ό,τι στις αντίστοιχες περιοχές στο δεξί τμήμα.


Jim Al Khalili «Ο Θεός όντως ρίχνει ζάρια»


Τα αίτια της ασυμμετρίας στον εγκέφαλο του Αϊνστάιν και το στάδιο κατά το οποίο εμφανίστηκαν παραμένουν άγνωστα. Επίσης, συνοπτικά, παραμένει ακόμη επιστημονικά αναπόδεικτο κατά πόσον οι διαφορές αυτές που εντοπίστηκαν σχετίζονται με την υψηλή νοημοσύνη του μεγάλου φυσικού. Θα το μάθουμε ίσως αν πολλοί «νεότεροι Αϊνστάιν» δωρίσουν μεταθανάτια τον εγκέφαλό τους στην επιστήμη. Πράγμα δύσκολο να επιτευχθεί, καθ’ ότι εν Ετει Φυσικής και Αϊνστάιν, το 2005, η διοργανώτρια αρχή του εορτασμού (βλ. www.einsteinyear.org στο Διαδίκτυο) επισημαίνει ένα ακόμη παράδοξο της φυσικής: Ο αριθμός των φοιτητών της μειώνεται ραγδαία!


Συνάντησα τον έναν εκ των δύο «ανατόμων» του εγκεφάλου του Αϊνστάιν, τον καθηγητή Jim Al Khalili – ιρακινής καταγωγής – στον απόηχο της ομιλίας του στο Ευγενίδειο Πλανητάριο, τη Δευτέρα 24 Ιανουαρίου. Προσκεκλημένος του Βρετανικού Συμβουλίου στη χώρα μας, ο σαραντάχρονος κάτοχος της έδρας Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής στο Surrey είναι ευρύτερα γνωστός ως εκλαϊκευτής των επιστημών. Το πρόσφατο βιβλίο του «Μαύρες τρύπες, σκουληκότρυπες και χρονομηχανές» έχει εκδοθεί και στα ελληνικά.


Αραγε, ένας εγκέφαλος πανέξυπνου ρομποτανθρώπου – όπως αυτών των ανθρωποειδών που μας λένε ότι θα “ζουν” τριγύρω μας σε 30 χρόνια – θα έχει την ίδια αίσθηση του χρόνου με μας; Εμείς οι άνθρωποι πασχίζουμε με τις πράξεις και τα έργα μας να αφήσουμε το “δικό μας” αχνάρι στην Ιστορία, σαν το πλησιέστερο βήμα μας στην αιωνιότητα, στην υπερνίκηση του χρόνου. Ενα ανθρωποειδές που δεν πάσχει από την ίδια αγωνία, πόσο διαφορετικά μπορεί να κρίνει τον κόσμο;.


Γέλασε ενθουσιασμένος. «Είναι όντως πολύ πιθανό ότι η αίσθηση του χρόνου είναι καθαρά ανθρώπινο χαρακτηριστικό. Θα προεξέτεινα αυτό το ενδεχόμενο όχι μόνο στα ανθρωποειδή αλλά και σε τυχόν εξωγήινα όντα – αν και όποτε τα συναντήσουμε. Ειλικρινά, μια τέτοια προοπτική επιφυλάσσει απίστευτες εκπλήξεις!».


Τον ρώτησα σε τι διαφωνεί με το είδωλο της νιότης του, τον Αϊνστάιν, και γιατί. Μου απάντησε ότι οι μετέπειτα ανακαλύψεις – κυρίως της κβαντικής φυσικής – απέδειξαν ότι όντως «ο Θεός ρίχνει ζάρια». Με άλλα λόγια, βρισκόμαστε εδώ και συζητούμε όχι λόγω ενός μεγάλου σχεδίου, αλλά λόγω συμπτώσεων, λόγω του τυχαίου που ενυπάρχει στη φύση. H κοσμολογική σταθερά δεν είναι μηδενική και η αρμονία στη φύση δεν έχει καμία εγγύηση. «Αλλά αυτό δεν σημαίνει διόλου ότι νιώθω άδειος, επειδή δεν έχω κάπου να πιαστώ, ένα ανώτερο Ον στο οποίο να ελπίζω» πρόσθεσε. «Υπάρχει τόση ομορφιά στην αναζήτηση απαντήσεων για το τι συμβαίνει στο Σύμπαν, που νιώθω πάντα γεμάτος».


Γενναίο να το δηλώνει κανείς, του αντέτεινα. Αλλά πόσο γεμάτος μπορεί να νιώθει ο μέσος άνθρωπος που τυχόν ασπάζεται αυτή τη θεώρηση, όταν ο ίδιος δεν έχει την πρόσβαση που έχετε εσείς στην επιστήμη και δεν μπορεί να γεμίσει τη ζωή του με μια τέτοια αναζήτηση;.


«Ειλικρινά, δεν το είχα σκεφθεί» μου είπε. «Μάλλον μιλάω με την πολυτέλεια ενός προνομιούχου».