Εμφάνιση αναρτήσεων με ετικέτα Σχετικότητα. Εμφάνιση όλων των αναρτήσεων
Εμφάνιση αναρτήσεων με ετικέτα Σχετικότητα. Εμφάνιση όλων των αναρτήσεων
Δευτέρα 16 Μαΐου 2022
Παρασκευή 4 Μαρτίου 2016
Electromagnetic waves, gravitational waves and the prophets who predicted them
Using non-excessively-technical language and written in informal style, this article introduces the reader to the concepts of electromagnetic and gravitational waves and recounts the prediction of existence of these waves by Maxwell and Einstein, respectively. The issue of gravitational radiation is timely in view of the recent announcement of the detection of gravitational waves by the LIGO scientific team.
Read the article on arXiv
Read the article on arXiv
Τρίτη 23 Φεβρουαρίου 2016
Ο Maxwell, ο Einstein και τα κύματα
1. Εισαγωγή
Αν αναζητούσαμε τις κορυφαίες μορφές της Θεωρητικής Φυσικής κατά τον δέκατο-ένατο και τον εικοστό αιώνα, θα καταλήγαμε χωρίς δυσκολία στον James Clerk Maxwell (1831-1879) και τον Albert Einstein (1879-1955), αντίστοιχα. Μεταξύ των πολλών επιτευγμάτων τους, ο πρώτος ενοποίησε τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό σε μία ενιαία ηλεκτρομαγνητική θεωρία και πρόβλεψε την ύπαρξη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (χωρίς τα οποία η ίδια η ζωή αλλά και οι επικοινωνίες μας θα ήταν αδύνατες), ενώ ο δεύτερος άλλαξε για πάντα την αντίληψή μας για το χώρο και το χρόνο και διατύπωσε τη μοντέρνα θεωρία της βαρύτητας, στο πλαίσιο της οποίας προέβλεψε τα κύματα βαρύτητας.
Ο Maxwell έφυγε από τη ζωή αρκετά νέος και δεν ευτύχησε να δει, λίγα χρόνια αργότερα, την πειραματική επαλήθευση της θεωρίας του για την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Όσο για τον Einstein, κατά μία έννοια στάθηκε πιο «τυχερός» αφού θα ήταν ούτως ή άλλως βιολογικά αδύνατο να βρίσκεται παρών, εν έτει 2016, στην επίσημη αναγγελία της πλήρους επιβεβαίωσης της Γενικής Σχετικότητας σε ό,τι αφορά τα κύματα βαρύτητας!
Στο άρθρο που ακολουθεί θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε τι είναι τα μυστηριώδη κύματα που πρώτοι πρόβλεψαν οι δύο αυτοί γίγαντες της Φυσικής Επιστήμης των περασμένων δύο αιώνων. Για βαθύτερη και πιο εξειδικευμένη προσέγγιση στο θέμα, ο αναγνώστης παραπέμπεται στις πηγές που παρατίθενται στο τέλος.
2. Ο Maxwell και η πρώτη θεωρία ενοποίησης αλληλεπιδράσεων
Έχουμε συνηθίσει να ακούμε για τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό σαν δύο ξεχωριστά φυσικά φαινόμενα. Κάθε ηλεκτρικό φορτίο (ανεξάρτητα από την κίνησή του) δέχεται μια δύναμη όταν βρίσκεται μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, ενώ σε κάθε κινούμενο φορτίο ασκείται δύναμη μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο.
Πράγματι, αν ζούσαμε σε έναν εξωπραγματικό κόσμο όπου όλα τα ηλεκτρικά και τα μαγνητικά πεδία έμεναν αμετάβλητα μέσα στο χρόνο, δεν θα είχαμε επίγνωση ότι τα ηλεκτρικά και τα μαγνητικά φαινόμενα είναι αλληλένδετα και αμοιβαία εξαρτημένα. Οι περίφημες τέσσερις εξισώσεις του Maxwell [1,2] θα έσπαζαν σε δύο ανεξάρτητα ζευγάρια, ένα για κάθε πεδίο (ηλεκτρικό και μαγνητικό).
Το 1831, όμως, σε μια σειρά πειραμάτων του [2], ο Michael Faraday ανακάλυψε κάτι ενδιαφέρον: κάθε φορά που ένα μαγνητικό πεδίο μεταβάλλεται χρονικά, ένα ηλεκτρικό πεδίο κάνει απαραίτητα την εμφάνισή του! Αν και δεν υπήρχαν τότε ανάλογες πειραματικές ενδείξεις, ο Maxwell πρόβλεψε πως και το αντίστροφο ήταν αληθές. Δηλαδή, ένα μαγνητικό πεδίο εμφανίζεται κάθε φορά που ένα ηλεκτρικό πεδίο αλλάζει χρονικά. Έτσι, δεν θα έπρεπε στο εξής να ξεχωρίζουμε απόλυτα τα ηλεκτρικά από τα μαγνητικά φαινόμενα, αφού το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο μοιάζουν να είναι σε στενή εξάρτηση μεταξύ τους.
Από ιστορική άποψη, έχουμε εδώ την πρώτη θεωρία ενοποίησης φαινομενικά διαφορετικών δυνάμεων (αλληλεπιδράσεων) – των ηλεκτρικών και των μαγνητικών – σε μία ενιαία ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Ο εικοστός αιώνας θα διεύρυνε το «κάδρο» της ενοποίησης βάζοντας στο παιχνίδι την ασθενή και την ισχυρή αλληλεπίδραση, και κάνοντας μια ηρωική προσπάθεια να εντάξει στο σχήμα και τη δύστροπη βαρύτητα...
3. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα
Με τη μαθηματική ιδιοφυΐα που τον διέκρινε, ο Maxwell κωδικοποίησε τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα με τέσσερις περίπλοκες εξισώσεις που περιγράφουν τη συμπεριφορά του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στο χώρο και το χρόνο [1,2]. Από τις εξισώσεις αυτές προκύπτει το ενδιαφέρον συμπέρασμα ότι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο έχει κυματικές ιδιότητες [1]. Δηλαδή, μια μεταβολή (διαταραχή) του πεδίου σε κάποιο σημείο του χώρου δεν γίνεται ακαριαία αισθητή σε άλλα σημεία αλλά διαδίδεται μέσω ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος που ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός. Ειδικά, το ίδιο το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα που έχει την ιδιότητα να γίνεται αντιληπτό από εμάς διότι ερεθίζει το αισθητήριο της όρασής μας.
Δεν χρειάζεται, νομίζω, να τονίσω τη σημασία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων για τη ζωή μας! Μέσω αυτών λαμβάνουμε φως και ζέστη από τον Ήλιο (αλλά, δυστυχώς, και άλλες ακτινοβολίες που είναι βλαπτικές για εμάς), απολαμβάνουμε στερεοφωνική μουσική στο ραδιόφωνο, βλέπουμε ποδοσφαιρικούς αγώνες στην τηλεόραση, επικοινωνούμε με τα κινητά μας τηλέφωνα... Όμως, πώς παράγονται αυτά τα κύματα;
Καταρχήν, λίγη ορολογία: Η διάδοση ενέργειας μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων καλείται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. (Στο εξής θα γράφουμε, σύντομα, «Η/Μ κύματα» και «Η/Μ ακτινοβολία».) Έτσι, ένα φυσικό σύστημα που εκπέμπει ενέργεια στη μορφή Η/Μ κυμάτων λέμε ότι εκπέμπει Η/Μ ακτινοβολία ή, απλά, ότι ακτινοβολεί. Παραδείγματα τέτοιων συστημάτων είναι τα άτομα, τα μόρια, οι πυρήνες, τα θερμά σώματα, οι κεραίες των ραδιοφωνικών σταθμών, κλπ.
Από μια προσεκτική εξέταση των εξισώσεων του Maxwell προκύπτει ότι η Η/Μ ακτινοβολία παράγεται με βασικά δύο τρόπους: (α) με επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία, και (β) με χρονικά μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά ρεύματα [1]. Ειδικά, ένα φορτίο που κινείται με σταθερή ταχύτητα (ευθύγραμμα και ομαλά) δεν ακτινοβολεί. Συνηθίζω να το εξηγώ αυτό στους μαθητές μου (πριν τους βομβαρδίσω με εξισώσεις) χρησιμοποιώντας την παρακάτω παραβολή:
Μια ζεστή μέρα του καλοκαιριού, πάτε ως το περίπτερο να αγοράσετε ένα παγωτό. Για να προλάβετε πριν λιώσει, αποφασίζετε να το φάτε στο δρόμο. Βαδίζετε αμέριμνοι σε ένα ευθύγραμμο μονοπάτι με σταθερό βήμα (άρα, με σταθερή ταχύτητα) χωρίς να πάρετε είδηση ένα σμήνος από μέλισσες που σας ακολουθούν πολιορκώντας το παγωτό σας! Όταν ξαφνικά τις αντιλαμβάνεστε, επιταχύνετε την κίνησή σας για να τους ξεφύγετε (είτε τρέχετε πιο γρήγορα προς τα μπρος, είτε απλά αλλάζετε κατεύθυνση πορείας). Τρομαγμένες, τότε, από την κίνησή σας αυτή, κάποιες μέλισσες αποκόπτονται από το σμήνος και πετούν μακριά, χωρίς ποτέ να επιστρέψουν.
Τι σημαίνουν όλα αυτά; Το «παγωτό» είναι ένα ηλεκτρικό φορτίο που αρχικά κινείται με σταθερή ταχύτητα, μεταφέροντας στην κατεύθυνση της κίνησής του την ολική ενέργεια του Η/Μ πεδίου του (το «σμήνος των μελισσών») η οποία μένει σταθερή. Όταν το φορτίο επιταχύνεται, ένα μέρος της ενέργειας αυτής (οι «μέλισσες» που πέταξαν μακριά) αποσπάται, κατά κάποιον τρόπο, και απομακρύνεται προς το άπειρο με την ταχύτητα του φωτός, υπό μορφή Η/Μ κύματος. Και, όσο πιο μεγάλη είναι η επιτάχυνση του φορτίου, τόσο πιο μεγάλη είναι και η ενέργεια της εκπεμπόμενης Η/Μ ακτινοβολίας στη μονάδα του χρόνου.
4. Ο Einstein και η Σχετικότητα
Στον κενό χώρο, η ταχύτητα του φωτός (τη συμβολίζουμε με c) είναι περίπου 300,000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Όμως, έχουμε συνηθίσει να μετράμε τις ταχύτητες σε σχέση με κάποιο προκαθορισμένο σύστημα αναφοράς. Για παράδειγμα, όταν ένας επιβάτης περπατά κατά μήκος του διαδρόμου ενός κινούμενου λεωφορείου, η ταχύτητά του, όπως τη μετρά ένας καθιστός συνεπιβάτης του, είναι διαφορετική από εκείνη που θα κατέγραφε κάποιος που στέκεται ακίνητος στο πεζοδρόμιο. Λεωφορείο και πεζοδρόμιο είναι δύο διαφορετικά συστήματα αναφοράς ως προς τα οποία προσδιορίζεται η ταχύτητα κίνησης του επιβάτη.
Σε σχέση με ποιο σύστημα αναφοράς, λοιπόν, η ταχύτητα του φωτός έχει τη γνωστή τιμή c; Με βάση τις αντιλήψεις της εποχής του, ο Maxwell δέχθηκε ότι η ταχύτητα διάδοσης της Η/Μ ακτινοβολίας έχει τη «σωστή» τιμή c σε ένα προνομιακό σύστημα που μένει ακίνητο ως προς τον αιθέρα, μια υποθετική ουσία με μεταφυσικές, σχεδόν, ιδιότητες που εθεωρείτο ότι καταλάμβανε ολόκληρο το χώρο. Σ’ αυτό και μόνο το σύστημα αναφοράς θα ίσχυαν και οι εξισώσεις του Maxwell. Έτσι, κάθε παρατηρητής κινούμενος ως προς τον αιθέρα θα έπρεπε να μετρά μια τιμή της ταχύτητας του φωτός που θα διέφερε από το c, ενώ θα έπρεπε, ως προς αυτόν, τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα να μην περιγράφονται σωστά από τις εξισώσεις του Maxwell.
Κάθε πειραματική προσπάθεια, όμως, να μετρηθεί διαφορετική τιμή της ταχύτητας του φωτός για διαφορετικούς παρατηρητές που βρίσκονταν σε σχετική κίνηση, αποτύγχανε. Ο Einstein, τότε, σε ένα ιστορικό άρθρο του το 1905, διατύπωσε μια τολμηρή ιδέα: Η ταχύτητα του φωτός στο κενό έχει την ίδια τιμή c για όλους τους παρατηρητές, ανεξάρτητα από την κίνησή τους. Επί πλέον, οι νόμοι της Φυσικής – και, ειδικά, οι εξισώσεις του Maxwell – θα πρέπει να ισχύουν στην ίδια μορφή σε όλα τα συστήματα αναφοράς. (Τεχνικά μιλώντας, οι παραπάνω αρχές ισχύουν για μια ειδική κατηγορία παρατηρητών, τους αδρανειακούς παρατηρητές, που σχετίζονται με αντίστοιχα αδρανειακά συστήματα αναφοράς.) Οι αρχές αυτές αποτελούν τη βάση της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας.
Στην κλασική (Νευτώνεια) Μηχανική, ο χρόνος έχει απόλυτη σημασία, κοινή για όλους τους παρατηρητές. Έτσι, σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, αν εκπέμψουμε έναν παλμό φωτός από ένα σημείο του χώρου προς ένα άλλο, διαφορετικοί παρατηρητές θα συμφωνήσουν μεταξύ τους για το χρόνο που πήρε στο φως να κάνει το ταξίδι, αν και πιθανώς θα διαφωνήσουν ως προς την απόσταση που διανύθηκε (ο κάθε παρατηρητής θα μετρά την απόσταση αυτή σε σχέση με τον εαυτό του).
Στη Σχετικότητα, εν τούτοις, όλοι οι παρατηρητές θα πρέπει να συμφωνήσουν μεταξύ τους για την ταχύτητα c με την οποία τρέχει το φως. Με δεδομένο ότι διαφωνούν, γενικά, ως προς το μήκος της διαδρομής, θα πρέπει τώρα να διαφωνήσουν και ως προς το χρονικό διάστημα που μεσολάβησε. Έτσι, η Σχετικότητα βάζει τέλος στην ιδέα του απόλυτου χρόνου. Τα χρονικά διαστήματα, όπως κι οι χωρικές αποστάσεις, βρίσκονται σε άμεσο συσχετισμό με την κίνηση του παρατηρητή και δεν προσδιορίζονται απόλυτα.
Επί πλέον, η αμεταβλητότητα της ταχύτητας του φωτός επιβάλλει ένα είδος μαθηματικής «διαπλοκής» ανάμεσα στις χωρικές και τις χρονικές συντεταγμένες ενός συμβάντος, έτσι που η διάκριση ανάμεσα στο χώρο και το χρόνο να μην είναι απόλυτη αλλά να εξαρτάται κι αυτή από την κίνηση του παρατηρητή. Γι’ αυτό το λόγο, αντί για τους χωριστούς όρους «χώρος» και «χρόνος», χρησιμοποιούμε την έκφραση «χωροχρόνος».
Η Σχετικότητα δεν πείραξε τις εξισώσεις του Maxwell, αναθεώρησε όμως δραματικά τη Νευτώνεια Μηχανική, η οποία αποδείχθηκε πως ίσχυε μόνο προσεγγιστικά στο όριο των «μικρών» ταχυτήτων (σε σύγκριση, φυσικά, με την τεράστια τιμή τού c!). Μεταξύ άλλων, η Σχετικότητα αποκάλυψε μια εκπληκτική – και πολύ διάσημη, πλέον – σχέση ανάμεσα στη μάζα και την ενέργεια, η οποία (σχέση) θα ήταν αδύνατο να προβλεφθεί από την κλασική Μηχανική. Η πειραματική επιβεβαίωσή της κόστισε αμέτρητες ανθρώπινες ζωές στα «εργαστήρια» της Χιροσίμα και του Ναγκασάκι...
5. Η βαρύτητα είναι... γεωμετρία!
Ο χωροχρόνος της Σχετικότητας είναι τετραδιάστατος: τρεις διαστάσεις αντιστοιχούν στο χώρο και μία στο χρόνο. Ας θεωρήσουμε όμως, για ευκολία, δύο μόνο διαστάσεις, μία χωρική και μία χρονική. Στην Ειδική Σχετικότητα, η γεωμετρία του χωροχρόνου θα μοιάζει τότε με εκείνη μιας απέραντης επίπεδης επιφάνειας (αν και η μαθηματική συνταγή για τον υπολογισμό αποστάσεων θα είναι κάπως διαφορετική). Από άποψη γεωμετρικών ιδιοτήτων, μια τέτοια επιφάνεια έχει ουσιαστικές διαφορές από καμπύλες επιφάνειες όπως, π.χ., η επιφάνεια μιας σφαίρας.
Το 1915 ο Einstein διατύπωσε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, η οποία βασιζόταν σε μια εξαιρετικά πρωτότυπη ιδέα: Αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως βαρύτητα δεν είναι στ’ αλήθεια μια δύναμη (όπως, π.χ., οι ηλεκτρικές ή οι μαγνητικές δυνάμεις) αλλά είναι αποτέλεσμα γεωμετρικής παραμόρφωσης του χώρου (τεχνικά μιλώντας, του χωροχρόνου) λόγω της παρουσίας της ύλης. Για παράδειγμα, η Γη κινείται όπως κινείται γύρω από τον Ήλιο όχι γιατί – όπως θα ‘λεγε ο Νεύτωνας – ο Ήλιος τής ασκεί μια βαρυτική δύναμη, αλλά λόγω της καμπύλωσης του χώρου που προκαλείται από την ίδια τη μάζα του Ήλιου! Ο χώρος δεν έχει πια γεωμετρικές ιδιότητες όμοιες με αυτές μιας επίπεδης επιφάνειας αλλά μάλλον με εκείνες της επιφάνειας μιας σφαίρας.
Στη Γενική Σχετικότητα, λοιπόν, το βαρυτικό πεδίο δεν αντιμετωπίζεται ως πεδίο δυνάμεων αλλά σαν πεδίο παραμορφώσεων (καμπυλώσεων ή «ρυτιδώσεων») του χώρου. Και, τοπικά, οι παραμορφώσεις αυτές είναι τόσο μεγαλύτερες όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα που τις προκαλεί.
6. Κύματα βαρύτητας
Τι γίνεται, όμως, όταν οι ρυτιδώσεις του χώρου, σε κάποια περιοχή του, μεταβάλλονται χρονικά λόγω ανακατανομής της ύλης στην περιοχή αυτή; Ας θυμηθούμε τι συμβαίνει στον Ηλεκτρομαγνητισμό: Κάθε ανακατανομή των πηγών του Η/Μ πεδίου (φορτίων ή ρευμάτων) σε μια περιοχή του χώρου, προκαλεί διαταραχή του Η/Μ πεδίου στην περιοχή αυτή, η οποία (διαταραχή) διαδίδεται στο χώρο με την ταχύτητα c του φωτός. Ειδικότερα, από ένα επιταχυνόμενο ηλεκτρικό φορτίο εκπέμπεται ενέργεια στη μορφή Η/Μ ακτινοβολίας (διάδοση ενέργειας μέσω ενός Η/Μ κύματος). Το εκπεμπόμενο Η/Μ κύμα, έτσι, παίρνει μαζί του ένα μέρος της ολικής ενέργειας του φορτίου.
Δεν θα εκπλαγείτε, φαντάζομαι, αν ακούσετε ότι, με βάση τη θεωρία που διατύπωσε ο Einstein το 1916 (ακριβώς έναν αιώνα πριν!), ανακατανομές της ύλης σε κάποια περιοχή του χώρου προκαλούν διαταραχή της τοπικής γεωμετρίας (σε κλασικούς όρους, του πεδίου βαρύτητας) η οποία (διαταραχή) διαδίδεται στο χώρο υπό μορφή ενός κύματος βαρύτητας [3–6] που τρέχει κι αυτό – μαντέψτε – με ταχύτητα c! Επί πλέον, ένα επιταχυνόμενο υλικό αντικείμενο χάνει μέρος της ενέργειάς του λόγω βαρυτικής ακτινοβολίας, όπου ο όρος εκφράζει διάδοση ενέργειας μέσω βαρυτικών κυμάτων.
Το πρόβλημα είναι ότι, ενώ ακόμα κι ένα ατομικό σύστημα μπορεί να εκπέμψει ανιχνεύσιμη Η/Μ ακτινοβολία (π.χ., ορατό φως), για να παραχθεί ανιχνεύσιμη βαρυτική ακτινοβολία απαιτούνται τεράστιες μάζες με πολύ μεγάλες επιταχύνσεις. Τέτοιες φυσικές συνθήκες πράγματι απαντώνται στο Σύμπαν (περιστρεφόμενα ζεύγη αστέρων νετρονίων ή μελανών οπών, αστρικές συγκρούσεις και αστρικές εκρήξεις, κλπ.) και η βαρυτική ενέργεια που απελευθερώνεται είναι ανυπολόγιστη. Όμως, τα φαινόμενα αυτά συμβαίνουν (ευτυχώς!) τόσο μακριά από εμάς ώστε, μέχρι να φτάσουν στη Γη, τα εκπεμπόμενα βαρυτικά κύματα θα έχουν εξασθενήσει κατά εκατομμύρια φορές. Έτσι, μόνο μια εξαιρετικά ευαίσθητη πειραματική διάταξη θα μπορούσε να τα εντοπίσει.
7. Τι μας χρειάζονται;
Μέχρι τώρα, όλες οι πληροφορίες μας για τα φαινόμενα του Σύμπαντος βασίζονταν σε παρατηρήσεις μέσω της Η/Μ ακτινοβολίας (ορατό φως, ραδιοκύματα, μικροκύματα, ακτίνες Χ, κλπ.). Τα βαρυτικά κύματα μπορούν τώρα να μας δώσουν πληροφορίες που θα ήταν αδύνατο να πάρουμε αλλιώς. Για παράδειγμα, από μια σύγκρουση μελανών οπών εκπέμπεται ελάχιστη Η/Μ ακτινοβολία, εκπέμπονται όμως τεράστιες ποσότητες βαρυτικών κυμάτων. Έτσι, με τη βοήθεια αυτών των κυμάτων θα μπορέσουμε να μελετήσουμε τέτοια κατακλυσμιαία κοσμικά φαινόμενα.
Εκτός αυτού, σε αντίθεση με την Η/Μ ακτινοβολία που αλληλεπιδρά έντονα με την ύλη και, ως εκ τούτου, υφίσταται απορροφήσεις και παραμορφώσεις καθώς διασχίζει αποστάσεις εκατομμυρίων ετών φωτός μέσα στο Σύμπαν, τα βαρυτικά κύματα διαπερνούν τεράστιες αποστάσεις μένοντας αναλλοίωτα (απλά εξασθενούν σε μέγεθος, αφού απλώνονται σε όλο και μεγαλύτερο χώρο). Έτσι, η πληροφορία που μεταφέρουν τα κύματα αυτά είναι πολύ περισσότερο αξιόπιστη σε σύγκριση με αυτή που μας δίνουν τα ηλεκτρομαγνητικά.
Και, τέλος, τα βαρυτικά κύματα αναμένεται να απαντήσουν σε σημαντικά ερωτήματα των κοσμολόγων σε ό,τι αφορά τα αρχικά στάδια εξέλιξης του Σύμπαντος. Κάτι τέτοιο είναι έξω από τις δυνατότητες της παραδοσιακής Αστρονομίας, δοθέντος ότι το Σύμπαν ήταν αρχικά αδιαφανές στην Η/Μ ακτινοβολία και καμία Η/Μ πληροφορία από εκείνη την περίοδο δεν φτάνει ως εμάς.
8. Επίλογος: Γιατί τόση φασαρία τελευταία;
Αν και ο Einstein είχε προβλέψει την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων ήδη από το 1916, μια έμμεση απόδειξη της ύπαρξής τους δόθηκε πολύ αργότερα, στα μέσα της δεκαετίας του 1970. Ποτέ όμως δεν είχαν άμεσα ανιχνευθεί τέτοια κύματα πάνω στη Γη.
Στις 11 Φεβρουαρίου του 2016, η επιστημονική ομάδα των δίδυμων ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) [4] ανακοίνωσε, τελικά, ότι ανίχνευσε βαρυτικά κύματα στις 14 Σεπτεμβρίου του 2015. Τα κύματα αυτά προήλθαν από τη σύγκρουση και τη συγχώνευση δύο μελανών οπών (που αρχικά σχημάτιζαν ένα περιστρεφόμενο ζεύγος) σε απόσταση 1.3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη [7]. Ήταν η τελική επιβεβαίωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein!
Το «παρατηρητήριο» LIGO αποτελείται από δύο πανομοιότυπους ανιχνευτές (συμβολόμετρα λέιζερ) που βρίσκονται στις ΗΠΑ, σε απόσταση περίπου 3,000 χιλιομέτρων μεταξύ τους. Ο ένας ανιχνευτής βρίσκεται στην πολιτεία Ουάσιγκτον και ο άλλος στην πολιτεία Λουϊζιάνα.
Οι επιστήμονες που συμμετείχαν στην ερευνητική αυτή ομάδα μάλλον δεν θα χρειαστούν τη βοήθεια έμπειρου αστρολόγου για να προβλέψει προς ποια συμπαντική κατεύθυνση θα κινηθεί το επόμενο βραβείο Νόμπελ στη Φυσική!
Σημειώσεις – Αναφορές:
[1] Κ. Ι. Παπαχρήστου, Εισαγωγή στην Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία και τη Φυσική των Αγώγιμων Στερεών (Εκδόσεις ΣΝΔ, 2010).
[2] Α. Ν. Μαγουλάς, Ηλεκτρομαγνητισμός και Εφαρμογές (Εκδόσεις ΣΝΔ, 2013).
[3] Βλ., π.χ., Wikipedia, Gravitational Wave .
[4] LIGO-Caltech, Gravitational Waves .
[5] The New York Times, Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein’s Theory (περιέχει video).
[6] Video: Gravitational Waves Explained .
[7] Αναλυτικά: Λόγω της περιστροφής (άρα της επιτάχυνσης που αυτή συνεπάγεται) το σύστημα των δύο οπών έχανε συνεχώς ενέργεια καθώς εξέπεμπε βαρυτικά κύματα. Αυτό είχε ως συνέπεια να μειώνεται όλο και περισσότερο η απόσταση ανάμεσα στις δύο οπές, πράγμα που, με τη σειρά του, τις έκανε να περιστρέφονται ολοένα και πιο γρήγορα, εκπέμποντας όλο και περισσότερη βαρυτική ακτινοβολία. Στην κορύφωση του φαινομένου, οι δύο οπές συγκρούστηκαν και συγχωνεύτηκαν εκπέμποντας ένα τεράστιο ποσό βαρυτικής ενέργειας μέσα σε ελάχιστο χρόνο. Αυτή την εκπομπή κατέγραψαν οι ανιχνευτές τού LIGO. Το ηχητικό σήμα ήταν, φυσικά, τεχνητό!
Aixmi.gr
Αν αναζητούσαμε τις κορυφαίες μορφές της Θεωρητικής Φυσικής κατά τον δέκατο-ένατο και τον εικοστό αιώνα, θα καταλήγαμε χωρίς δυσκολία στον James Clerk Maxwell (1831-1879) και τον Albert Einstein (1879-1955), αντίστοιχα. Μεταξύ των πολλών επιτευγμάτων τους, ο πρώτος ενοποίησε τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό σε μία ενιαία ηλεκτρομαγνητική θεωρία και πρόβλεψε την ύπαρξη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (χωρίς τα οποία η ίδια η ζωή αλλά και οι επικοινωνίες μας θα ήταν αδύνατες), ενώ ο δεύτερος άλλαξε για πάντα την αντίληψή μας για το χώρο και το χρόνο και διατύπωσε τη μοντέρνα θεωρία της βαρύτητας, στο πλαίσιο της οποίας προέβλεψε τα κύματα βαρύτητας.
Ο Maxwell έφυγε από τη ζωή αρκετά νέος και δεν ευτύχησε να δει, λίγα χρόνια αργότερα, την πειραματική επαλήθευση της θεωρίας του για την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Όσο για τον Einstein, κατά μία έννοια στάθηκε πιο «τυχερός» αφού θα ήταν ούτως ή άλλως βιολογικά αδύνατο να βρίσκεται παρών, εν έτει 2016, στην επίσημη αναγγελία της πλήρους επιβεβαίωσης της Γενικής Σχετικότητας σε ό,τι αφορά τα κύματα βαρύτητας!
Στο άρθρο που ακολουθεί θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε τι είναι τα μυστηριώδη κύματα που πρώτοι πρόβλεψαν οι δύο αυτοί γίγαντες της Φυσικής Επιστήμης των περασμένων δύο αιώνων. Για βαθύτερη και πιο εξειδικευμένη προσέγγιση στο θέμα, ο αναγνώστης παραπέμπεται στις πηγές που παρατίθενται στο τέλος.
2. Ο Maxwell και η πρώτη θεωρία ενοποίησης αλληλεπιδράσεων
Έχουμε συνηθίσει να ακούμε για τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό σαν δύο ξεχωριστά φυσικά φαινόμενα. Κάθε ηλεκτρικό φορτίο (ανεξάρτητα από την κίνησή του) δέχεται μια δύναμη όταν βρίσκεται μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, ενώ σε κάθε κινούμενο φορτίο ασκείται δύναμη μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο.
Πράγματι, αν ζούσαμε σε έναν εξωπραγματικό κόσμο όπου όλα τα ηλεκτρικά και τα μαγνητικά πεδία έμεναν αμετάβλητα μέσα στο χρόνο, δεν θα είχαμε επίγνωση ότι τα ηλεκτρικά και τα μαγνητικά φαινόμενα είναι αλληλένδετα και αμοιβαία εξαρτημένα. Οι περίφημες τέσσερις εξισώσεις του Maxwell [1,2] θα έσπαζαν σε δύο ανεξάρτητα ζευγάρια, ένα για κάθε πεδίο (ηλεκτρικό και μαγνητικό).
Το 1831, όμως, σε μια σειρά πειραμάτων του [2], ο Michael Faraday ανακάλυψε κάτι ενδιαφέρον: κάθε φορά που ένα μαγνητικό πεδίο μεταβάλλεται χρονικά, ένα ηλεκτρικό πεδίο κάνει απαραίτητα την εμφάνισή του! Αν και δεν υπήρχαν τότε ανάλογες πειραματικές ενδείξεις, ο Maxwell πρόβλεψε πως και το αντίστροφο ήταν αληθές. Δηλαδή, ένα μαγνητικό πεδίο εμφανίζεται κάθε φορά που ένα ηλεκτρικό πεδίο αλλάζει χρονικά. Έτσι, δεν θα έπρεπε στο εξής να ξεχωρίζουμε απόλυτα τα ηλεκτρικά από τα μαγνητικά φαινόμενα, αφού το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο μοιάζουν να είναι σε στενή εξάρτηση μεταξύ τους.
Από ιστορική άποψη, έχουμε εδώ την πρώτη θεωρία ενοποίησης φαινομενικά διαφορετικών δυνάμεων (αλληλεπιδράσεων) – των ηλεκτρικών και των μαγνητικών – σε μία ενιαία ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Ο εικοστός αιώνας θα διεύρυνε το «κάδρο» της ενοποίησης βάζοντας στο παιχνίδι την ασθενή και την ισχυρή αλληλεπίδραση, και κάνοντας μια ηρωική προσπάθεια να εντάξει στο σχήμα και τη δύστροπη βαρύτητα...
3. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα
Με τη μαθηματική ιδιοφυΐα που τον διέκρινε, ο Maxwell κωδικοποίησε τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα με τέσσερις περίπλοκες εξισώσεις που περιγράφουν τη συμπεριφορά του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στο χώρο και το χρόνο [1,2]. Από τις εξισώσεις αυτές προκύπτει το ενδιαφέρον συμπέρασμα ότι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο έχει κυματικές ιδιότητες [1]. Δηλαδή, μια μεταβολή (διαταραχή) του πεδίου σε κάποιο σημείο του χώρου δεν γίνεται ακαριαία αισθητή σε άλλα σημεία αλλά διαδίδεται μέσω ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος που ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός. Ειδικά, το ίδιο το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα που έχει την ιδιότητα να γίνεται αντιληπτό από εμάς διότι ερεθίζει το αισθητήριο της όρασής μας.
Δεν χρειάζεται, νομίζω, να τονίσω τη σημασία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων για τη ζωή μας! Μέσω αυτών λαμβάνουμε φως και ζέστη από τον Ήλιο (αλλά, δυστυχώς, και άλλες ακτινοβολίες που είναι βλαπτικές για εμάς), απολαμβάνουμε στερεοφωνική μουσική στο ραδιόφωνο, βλέπουμε ποδοσφαιρικούς αγώνες στην τηλεόραση, επικοινωνούμε με τα κινητά μας τηλέφωνα... Όμως, πώς παράγονται αυτά τα κύματα;
Καταρχήν, λίγη ορολογία: Η διάδοση ενέργειας μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων καλείται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. (Στο εξής θα γράφουμε, σύντομα, «Η/Μ κύματα» και «Η/Μ ακτινοβολία».) Έτσι, ένα φυσικό σύστημα που εκπέμπει ενέργεια στη μορφή Η/Μ κυμάτων λέμε ότι εκπέμπει Η/Μ ακτινοβολία ή, απλά, ότι ακτινοβολεί. Παραδείγματα τέτοιων συστημάτων είναι τα άτομα, τα μόρια, οι πυρήνες, τα θερμά σώματα, οι κεραίες των ραδιοφωνικών σταθμών, κλπ.
Από μια προσεκτική εξέταση των εξισώσεων του Maxwell προκύπτει ότι η Η/Μ ακτινοβολία παράγεται με βασικά δύο τρόπους: (α) με επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία, και (β) με χρονικά μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά ρεύματα [1]. Ειδικά, ένα φορτίο που κινείται με σταθερή ταχύτητα (ευθύγραμμα και ομαλά) δεν ακτινοβολεί. Συνηθίζω να το εξηγώ αυτό στους μαθητές μου (πριν τους βομβαρδίσω με εξισώσεις) χρησιμοποιώντας την παρακάτω παραβολή:
Μια ζεστή μέρα του καλοκαιριού, πάτε ως το περίπτερο να αγοράσετε ένα παγωτό. Για να προλάβετε πριν λιώσει, αποφασίζετε να το φάτε στο δρόμο. Βαδίζετε αμέριμνοι σε ένα ευθύγραμμο μονοπάτι με σταθερό βήμα (άρα, με σταθερή ταχύτητα) χωρίς να πάρετε είδηση ένα σμήνος από μέλισσες που σας ακολουθούν πολιορκώντας το παγωτό σας! Όταν ξαφνικά τις αντιλαμβάνεστε, επιταχύνετε την κίνησή σας για να τους ξεφύγετε (είτε τρέχετε πιο γρήγορα προς τα μπρος, είτε απλά αλλάζετε κατεύθυνση πορείας). Τρομαγμένες, τότε, από την κίνησή σας αυτή, κάποιες μέλισσες αποκόπτονται από το σμήνος και πετούν μακριά, χωρίς ποτέ να επιστρέψουν.
Τι σημαίνουν όλα αυτά; Το «παγωτό» είναι ένα ηλεκτρικό φορτίο που αρχικά κινείται με σταθερή ταχύτητα, μεταφέροντας στην κατεύθυνση της κίνησής του την ολική ενέργεια του Η/Μ πεδίου του (το «σμήνος των μελισσών») η οποία μένει σταθερή. Όταν το φορτίο επιταχύνεται, ένα μέρος της ενέργειας αυτής (οι «μέλισσες» που πέταξαν μακριά) αποσπάται, κατά κάποιον τρόπο, και απομακρύνεται προς το άπειρο με την ταχύτητα του φωτός, υπό μορφή Η/Μ κύματος. Και, όσο πιο μεγάλη είναι η επιτάχυνση του φορτίου, τόσο πιο μεγάλη είναι και η ενέργεια της εκπεμπόμενης Η/Μ ακτινοβολίας στη μονάδα του χρόνου.
4. Ο Einstein και η Σχετικότητα
Στον κενό χώρο, η ταχύτητα του φωτός (τη συμβολίζουμε με c) είναι περίπου 300,000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Όμως, έχουμε συνηθίσει να μετράμε τις ταχύτητες σε σχέση με κάποιο προκαθορισμένο σύστημα αναφοράς. Για παράδειγμα, όταν ένας επιβάτης περπατά κατά μήκος του διαδρόμου ενός κινούμενου λεωφορείου, η ταχύτητά του, όπως τη μετρά ένας καθιστός συνεπιβάτης του, είναι διαφορετική από εκείνη που θα κατέγραφε κάποιος που στέκεται ακίνητος στο πεζοδρόμιο. Λεωφορείο και πεζοδρόμιο είναι δύο διαφορετικά συστήματα αναφοράς ως προς τα οποία προσδιορίζεται η ταχύτητα κίνησης του επιβάτη.
Σε σχέση με ποιο σύστημα αναφοράς, λοιπόν, η ταχύτητα του φωτός έχει τη γνωστή τιμή c; Με βάση τις αντιλήψεις της εποχής του, ο Maxwell δέχθηκε ότι η ταχύτητα διάδοσης της Η/Μ ακτινοβολίας έχει τη «σωστή» τιμή c σε ένα προνομιακό σύστημα που μένει ακίνητο ως προς τον αιθέρα, μια υποθετική ουσία με μεταφυσικές, σχεδόν, ιδιότητες που εθεωρείτο ότι καταλάμβανε ολόκληρο το χώρο. Σ’ αυτό και μόνο το σύστημα αναφοράς θα ίσχυαν και οι εξισώσεις του Maxwell. Έτσι, κάθε παρατηρητής κινούμενος ως προς τον αιθέρα θα έπρεπε να μετρά μια τιμή της ταχύτητας του φωτός που θα διέφερε από το c, ενώ θα έπρεπε, ως προς αυτόν, τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα να μην περιγράφονται σωστά από τις εξισώσεις του Maxwell.
Κάθε πειραματική προσπάθεια, όμως, να μετρηθεί διαφορετική τιμή της ταχύτητας του φωτός για διαφορετικούς παρατηρητές που βρίσκονταν σε σχετική κίνηση, αποτύγχανε. Ο Einstein, τότε, σε ένα ιστορικό άρθρο του το 1905, διατύπωσε μια τολμηρή ιδέα: Η ταχύτητα του φωτός στο κενό έχει την ίδια τιμή c για όλους τους παρατηρητές, ανεξάρτητα από την κίνησή τους. Επί πλέον, οι νόμοι της Φυσικής – και, ειδικά, οι εξισώσεις του Maxwell – θα πρέπει να ισχύουν στην ίδια μορφή σε όλα τα συστήματα αναφοράς. (Τεχνικά μιλώντας, οι παραπάνω αρχές ισχύουν για μια ειδική κατηγορία παρατηρητών, τους αδρανειακούς παρατηρητές, που σχετίζονται με αντίστοιχα αδρανειακά συστήματα αναφοράς.) Οι αρχές αυτές αποτελούν τη βάση της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας.
Στην κλασική (Νευτώνεια) Μηχανική, ο χρόνος έχει απόλυτη σημασία, κοινή για όλους τους παρατηρητές. Έτσι, σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, αν εκπέμψουμε έναν παλμό φωτός από ένα σημείο του χώρου προς ένα άλλο, διαφορετικοί παρατηρητές θα συμφωνήσουν μεταξύ τους για το χρόνο που πήρε στο φως να κάνει το ταξίδι, αν και πιθανώς θα διαφωνήσουν ως προς την απόσταση που διανύθηκε (ο κάθε παρατηρητής θα μετρά την απόσταση αυτή σε σχέση με τον εαυτό του).
Στη Σχετικότητα, εν τούτοις, όλοι οι παρατηρητές θα πρέπει να συμφωνήσουν μεταξύ τους για την ταχύτητα c με την οποία τρέχει το φως. Με δεδομένο ότι διαφωνούν, γενικά, ως προς το μήκος της διαδρομής, θα πρέπει τώρα να διαφωνήσουν και ως προς το χρονικό διάστημα που μεσολάβησε. Έτσι, η Σχετικότητα βάζει τέλος στην ιδέα του απόλυτου χρόνου. Τα χρονικά διαστήματα, όπως κι οι χωρικές αποστάσεις, βρίσκονται σε άμεσο συσχετισμό με την κίνηση του παρατηρητή και δεν προσδιορίζονται απόλυτα.
Επί πλέον, η αμεταβλητότητα της ταχύτητας του φωτός επιβάλλει ένα είδος μαθηματικής «διαπλοκής» ανάμεσα στις χωρικές και τις χρονικές συντεταγμένες ενός συμβάντος, έτσι που η διάκριση ανάμεσα στο χώρο και το χρόνο να μην είναι απόλυτη αλλά να εξαρτάται κι αυτή από την κίνηση του παρατηρητή. Γι’ αυτό το λόγο, αντί για τους χωριστούς όρους «χώρος» και «χρόνος», χρησιμοποιούμε την έκφραση «χωροχρόνος».
Η Σχετικότητα δεν πείραξε τις εξισώσεις του Maxwell, αναθεώρησε όμως δραματικά τη Νευτώνεια Μηχανική, η οποία αποδείχθηκε πως ίσχυε μόνο προσεγγιστικά στο όριο των «μικρών» ταχυτήτων (σε σύγκριση, φυσικά, με την τεράστια τιμή τού c!). Μεταξύ άλλων, η Σχετικότητα αποκάλυψε μια εκπληκτική – και πολύ διάσημη, πλέον – σχέση ανάμεσα στη μάζα και την ενέργεια, η οποία (σχέση) θα ήταν αδύνατο να προβλεφθεί από την κλασική Μηχανική. Η πειραματική επιβεβαίωσή της κόστισε αμέτρητες ανθρώπινες ζωές στα «εργαστήρια» της Χιροσίμα και του Ναγκασάκι...
5. Η βαρύτητα είναι... γεωμετρία!
Ο χωροχρόνος της Σχετικότητας είναι τετραδιάστατος: τρεις διαστάσεις αντιστοιχούν στο χώρο και μία στο χρόνο. Ας θεωρήσουμε όμως, για ευκολία, δύο μόνο διαστάσεις, μία χωρική και μία χρονική. Στην Ειδική Σχετικότητα, η γεωμετρία του χωροχρόνου θα μοιάζει τότε με εκείνη μιας απέραντης επίπεδης επιφάνειας (αν και η μαθηματική συνταγή για τον υπολογισμό αποστάσεων θα είναι κάπως διαφορετική). Από άποψη γεωμετρικών ιδιοτήτων, μια τέτοια επιφάνεια έχει ουσιαστικές διαφορές από καμπύλες επιφάνειες όπως, π.χ., η επιφάνεια μιας σφαίρας.
Το 1915 ο Einstein διατύπωσε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, η οποία βασιζόταν σε μια εξαιρετικά πρωτότυπη ιδέα: Αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως βαρύτητα δεν είναι στ’ αλήθεια μια δύναμη (όπως, π.χ., οι ηλεκτρικές ή οι μαγνητικές δυνάμεις) αλλά είναι αποτέλεσμα γεωμετρικής παραμόρφωσης του χώρου (τεχνικά μιλώντας, του χωροχρόνου) λόγω της παρουσίας της ύλης. Για παράδειγμα, η Γη κινείται όπως κινείται γύρω από τον Ήλιο όχι γιατί – όπως θα ‘λεγε ο Νεύτωνας – ο Ήλιος τής ασκεί μια βαρυτική δύναμη, αλλά λόγω της καμπύλωσης του χώρου που προκαλείται από την ίδια τη μάζα του Ήλιου! Ο χώρος δεν έχει πια γεωμετρικές ιδιότητες όμοιες με αυτές μιας επίπεδης επιφάνειας αλλά μάλλον με εκείνες της επιφάνειας μιας σφαίρας.
Στη Γενική Σχετικότητα, λοιπόν, το βαρυτικό πεδίο δεν αντιμετωπίζεται ως πεδίο δυνάμεων αλλά σαν πεδίο παραμορφώσεων (καμπυλώσεων ή «ρυτιδώσεων») του χώρου. Και, τοπικά, οι παραμορφώσεις αυτές είναι τόσο μεγαλύτερες όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα που τις προκαλεί.
6. Κύματα βαρύτητας
Τι γίνεται, όμως, όταν οι ρυτιδώσεις του χώρου, σε κάποια περιοχή του, μεταβάλλονται χρονικά λόγω ανακατανομής της ύλης στην περιοχή αυτή; Ας θυμηθούμε τι συμβαίνει στον Ηλεκτρομαγνητισμό: Κάθε ανακατανομή των πηγών του Η/Μ πεδίου (φορτίων ή ρευμάτων) σε μια περιοχή του χώρου, προκαλεί διαταραχή του Η/Μ πεδίου στην περιοχή αυτή, η οποία (διαταραχή) διαδίδεται στο χώρο με την ταχύτητα c του φωτός. Ειδικότερα, από ένα επιταχυνόμενο ηλεκτρικό φορτίο εκπέμπεται ενέργεια στη μορφή Η/Μ ακτινοβολίας (διάδοση ενέργειας μέσω ενός Η/Μ κύματος). Το εκπεμπόμενο Η/Μ κύμα, έτσι, παίρνει μαζί του ένα μέρος της ολικής ενέργειας του φορτίου.
Δεν θα εκπλαγείτε, φαντάζομαι, αν ακούσετε ότι, με βάση τη θεωρία που διατύπωσε ο Einstein το 1916 (ακριβώς έναν αιώνα πριν!), ανακατανομές της ύλης σε κάποια περιοχή του χώρου προκαλούν διαταραχή της τοπικής γεωμετρίας (σε κλασικούς όρους, του πεδίου βαρύτητας) η οποία (διαταραχή) διαδίδεται στο χώρο υπό μορφή ενός κύματος βαρύτητας [3–6] που τρέχει κι αυτό – μαντέψτε – με ταχύτητα c! Επί πλέον, ένα επιταχυνόμενο υλικό αντικείμενο χάνει μέρος της ενέργειάς του λόγω βαρυτικής ακτινοβολίας, όπου ο όρος εκφράζει διάδοση ενέργειας μέσω βαρυτικών κυμάτων.
Το πρόβλημα είναι ότι, ενώ ακόμα κι ένα ατομικό σύστημα μπορεί να εκπέμψει ανιχνεύσιμη Η/Μ ακτινοβολία (π.χ., ορατό φως), για να παραχθεί ανιχνεύσιμη βαρυτική ακτινοβολία απαιτούνται τεράστιες μάζες με πολύ μεγάλες επιταχύνσεις. Τέτοιες φυσικές συνθήκες πράγματι απαντώνται στο Σύμπαν (περιστρεφόμενα ζεύγη αστέρων νετρονίων ή μελανών οπών, αστρικές συγκρούσεις και αστρικές εκρήξεις, κλπ.) και η βαρυτική ενέργεια που απελευθερώνεται είναι ανυπολόγιστη. Όμως, τα φαινόμενα αυτά συμβαίνουν (ευτυχώς!) τόσο μακριά από εμάς ώστε, μέχρι να φτάσουν στη Γη, τα εκπεμπόμενα βαρυτικά κύματα θα έχουν εξασθενήσει κατά εκατομμύρια φορές. Έτσι, μόνο μια εξαιρετικά ευαίσθητη πειραματική διάταξη θα μπορούσε να τα εντοπίσει.
7. Τι μας χρειάζονται;
Μέχρι τώρα, όλες οι πληροφορίες μας για τα φαινόμενα του Σύμπαντος βασίζονταν σε παρατηρήσεις μέσω της Η/Μ ακτινοβολίας (ορατό φως, ραδιοκύματα, μικροκύματα, ακτίνες Χ, κλπ.). Τα βαρυτικά κύματα μπορούν τώρα να μας δώσουν πληροφορίες που θα ήταν αδύνατο να πάρουμε αλλιώς. Για παράδειγμα, από μια σύγκρουση μελανών οπών εκπέμπεται ελάχιστη Η/Μ ακτινοβολία, εκπέμπονται όμως τεράστιες ποσότητες βαρυτικών κυμάτων. Έτσι, με τη βοήθεια αυτών των κυμάτων θα μπορέσουμε να μελετήσουμε τέτοια κατακλυσμιαία κοσμικά φαινόμενα.
Εκτός αυτού, σε αντίθεση με την Η/Μ ακτινοβολία που αλληλεπιδρά έντονα με την ύλη και, ως εκ τούτου, υφίσταται απορροφήσεις και παραμορφώσεις καθώς διασχίζει αποστάσεις εκατομμυρίων ετών φωτός μέσα στο Σύμπαν, τα βαρυτικά κύματα διαπερνούν τεράστιες αποστάσεις μένοντας αναλλοίωτα (απλά εξασθενούν σε μέγεθος, αφού απλώνονται σε όλο και μεγαλύτερο χώρο). Έτσι, η πληροφορία που μεταφέρουν τα κύματα αυτά είναι πολύ περισσότερο αξιόπιστη σε σύγκριση με αυτή που μας δίνουν τα ηλεκτρομαγνητικά.
Και, τέλος, τα βαρυτικά κύματα αναμένεται να απαντήσουν σε σημαντικά ερωτήματα των κοσμολόγων σε ό,τι αφορά τα αρχικά στάδια εξέλιξης του Σύμπαντος. Κάτι τέτοιο είναι έξω από τις δυνατότητες της παραδοσιακής Αστρονομίας, δοθέντος ότι το Σύμπαν ήταν αρχικά αδιαφανές στην Η/Μ ακτινοβολία και καμία Η/Μ πληροφορία από εκείνη την περίοδο δεν φτάνει ως εμάς.
8. Επίλογος: Γιατί τόση φασαρία τελευταία;
Αν και ο Einstein είχε προβλέψει την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων ήδη από το 1916, μια έμμεση απόδειξη της ύπαρξής τους δόθηκε πολύ αργότερα, στα μέσα της δεκαετίας του 1970. Ποτέ όμως δεν είχαν άμεσα ανιχνευθεί τέτοια κύματα πάνω στη Γη.
Στις 11 Φεβρουαρίου του 2016, η επιστημονική ομάδα των δίδυμων ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) [4] ανακοίνωσε, τελικά, ότι ανίχνευσε βαρυτικά κύματα στις 14 Σεπτεμβρίου του 2015. Τα κύματα αυτά προήλθαν από τη σύγκρουση και τη συγχώνευση δύο μελανών οπών (που αρχικά σχημάτιζαν ένα περιστρεφόμενο ζεύγος) σε απόσταση 1.3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη [7]. Ήταν η τελική επιβεβαίωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein!
Το «παρατηρητήριο» LIGO αποτελείται από δύο πανομοιότυπους ανιχνευτές (συμβολόμετρα λέιζερ) που βρίσκονται στις ΗΠΑ, σε απόσταση περίπου 3,000 χιλιομέτρων μεταξύ τους. Ο ένας ανιχνευτής βρίσκεται στην πολιτεία Ουάσιγκτον και ο άλλος στην πολιτεία Λουϊζιάνα.
Οι επιστήμονες που συμμετείχαν στην ερευνητική αυτή ομάδα μάλλον δεν θα χρειαστούν τη βοήθεια έμπειρου αστρολόγου για να προβλέψει προς ποια συμπαντική κατεύθυνση θα κινηθεί το επόμενο βραβείο Νόμπελ στη Φυσική!
Σημειώσεις – Αναφορές:
[1] Κ. Ι. Παπαχρήστου, Εισαγωγή στην Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία και τη Φυσική των Αγώγιμων Στερεών (Εκδόσεις ΣΝΔ, 2010).
[2] Α. Ν. Μαγουλάς, Ηλεκτρομαγνητισμός και Εφαρμογές (Εκδόσεις ΣΝΔ, 2013).
[3] Βλ., π.χ., Wikipedia, Gravitational Wave .
[4] LIGO-Caltech, Gravitational Waves .
[5] The New York Times, Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein’s Theory (περιέχει video).
[6] Video: Gravitational Waves Explained .
[7] Αναλυτικά: Λόγω της περιστροφής (άρα της επιτάχυνσης που αυτή συνεπάγεται) το σύστημα των δύο οπών έχανε συνεχώς ενέργεια καθώς εξέπεμπε βαρυτικά κύματα. Αυτό είχε ως συνέπεια να μειώνεται όλο και περισσότερο η απόσταση ανάμεσα στις δύο οπές, πράγμα που, με τη σειρά του, τις έκανε να περιστρέφονται ολοένα και πιο γρήγορα, εκπέμποντας όλο και περισσότερη βαρυτική ακτινοβολία. Στην κορύφωση του φαινομένου, οι δύο οπές συγκρούστηκαν και συγχωνεύτηκαν εκπέμποντας ένα τεράστιο ποσό βαρυτικής ενέργειας μέσα σε ελάχιστο χρόνο. Αυτή την εκπομπή κατέγραψαν οι ανιχνευτές τού LIGO. Το ηχητικό σήμα ήταν, φυσικά, τεχνητό!
Aixmi.gr
Παρασκευή 12 Φεβρουαρίου 2016
Πέμπτη 20 Ιουνίου 2013
Μια απλή εισαγωγή στη Σχετικότητα
Ίσως η καλύτερη εισαγωγή στη Θεωρία της Σχετικότητας που έχω δει σε video! Ζητώ συγνώμη για την απουσία υποτίτλων...
Τετάρτη 28 Μαρτίου 2012
Ήταν "γαύρος" ο θείος Αλβέρτος;
 |
| - Μαρινάκης και ξερό ψωμί, ρε!! |
Ένα σύντομο σχόλιο του (απελπισμένου συν-Αεκτζή) ΑΝΤΩΝΗ-ΨΕΡΗΜΟΣ, για το άρθρο: Ο τερματοφύλακας απέκρουσε πριν γίνει το σουτ (ή, μήπως έκανε λάθος ο θείος Αλβέρτος;). Άπαιχτο!
Δηλαδή, Κώστα, για να καταλάβω: αν υπάρχουν σωματίδια που κινούνται ταχύτερα από το φως και εισέλθουν στο δικό μας χωροχρόνο, υπάρχει περίπτωση να έχουμε πάρει πρωτάθλημα και να μην το έχουμε ζήσει ακόμα;;; Δηλαδή και ο Θείος Αλβέρτος γάβρος, έτσι;;;
ΑΝΤΩΝΗΣ-ΨΕΡΗΜΟΣ
Σημείωση costaspap: Φοβερή ερώτηση κρίσεως για μαθήματα Φυσικής! Θα την θέσω στους δευτεροετείς μου, να σκάσει κανένα χαμόγελο και το χειλάκι των Αεκτζήδων!
Δευτέρα 26 Μαρτίου 2012
ΤΟ ΒΗΜΑ - Ο τερματοφύλακας απέκρουσε πριν γίνει το σουτ (ή, μήπως έκανε λάθος ο θείος Αλβέρτος;)
Η είδηση πριν λίγες μέρες (http://www.tovima.gr/science/physics-space/article/?aid=448981) ήταν καθησυχαστική για τους περισσότερους Φυσικούς. (Με την ευκαιρία, δεν κατανοώ την ειρωνεία αναγνώστη προς τον συντάκτη του «Βήματος» σχετικά με τα αισθήματα «ανακούφισης» των επιστημόνων!) Σύμφωνα, λοιπόν, με όλες τις ενδείξεις, η ομάδα του πειράματος OPERA, που τον Σεπτέμβριο του 2011 είχε αναγγείλει στην εμβρόντητη επιστημονική κοινότητα τον εντοπισμό νετρίνων που ταξιδεύουν γρηγορότερα από το φως, είχε κάνει λάθος στις μετρήσεις!
Όπως έχει ανακοινωθεί, νέα, καθοριστικά πειράματα θα διεξαχθούν προσεχώς για την οριστική διευθέτηση του ζητήματος. Απ’ ό,τι αντιλαμβάνομαι, όμως, ουκ ολίγοι Φυσικοί (μεταξύ αυτών, ενδεχομένως, και ο προαναφερθείς ανώνυμος αναγνώστης του «Βήματος») δεν θα στενοχωρηθούν ιδιαίτερα αν αυτά επιβεβαιώσουν τα αρχικά ευρήματα του OPERA. Ούτε λίγο, ούτε πολύ, δηλαδή, αν ανοίξει μια πελώρια τρύπα στο ιερό δισκοπότηρο της Σχετικότητας, απ’ το οποίο ήπιαν και έχτισαν καριέρες γενιές επιστημόνων!
Σύμφωνα με την Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein, καμία μορφή ύλης ή ενέργειας (ή, αν προτιμάτε, καμία «πληροφορία») δεν μπορεί να αναπτύξει ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα c του φωτός στο κενό (c=300,000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο). Αντίστροφα, ακόμα κι αν υπήρχε μια τέτοια εξωτική μορφή ύλης –της οποίας τα υποθετικά σωματίδια έχουν ονομαστεί «ταχυόνια»- δεν θα μπορούσε ποτέ να εισέλθει στον δικό μας χωροχρόνο, αφού δεν θα ήταν δυνατό οι ταχύτητες τέτοιων σωματιδίων να σπάσουν προς τα κάτω το φράγμα της ταχύτητας του φωτός. Το πιο παράδοξο απ’ όλα, όμως, είναι ότι ο χρόνος γι’ αυτά τα σωματίδια θα φαινόταν να κυλά αντίστροφα, έτσι ώστε η κίνησή τους (όπως εμείς θα την αντιλαμβανόμασταν) θα γινόταν από το μέλλον προς το παρόν, αντί απ’ το παρόν προς το μέλλον! Κάτι τέτοιο, βέβαια, θα παραβίαζε την αρχή της αιτιότητας, σύμφωνα με την οποία το αίτιο προηγείται πάντα του αιτιατού...
Φανταστείτε δύο γεγονότα. Γεγονός Α: Ο ποδοσφαιριστής σουτάρει το πέναλτι. Γεγονός Β: Ο αντίπαλος τερματοφύλακας αποκρούει το σουτ. Με δεδομένο ότι η μπάλα κινείται με ταχύτητα μικρότερη απ’ αυτή του φωτός, όλοι οι παρατηρητές –όσο γρήγορα κι αν κινούνται ο ένας ως προς τον άλλον- θα συμφωνήσουν ότι το Α (σουτ) προηγείται χρονικά του Β (απόκρουση). Με απλά λόγια, πρώτα σούταρε ο επιθετικός και μετά απέκρουσε ο τερματοφύλακας. Τι θα συνέβαινε, όμως, στην υποθετική περίπτωση που η μπάλα έφευγε από το πόδι του επιθετικού με ταχύτητα μεγαλύτερη απ’ την οριακή ταχύτητα c; Τότε θα μπορούσαν να υπάρξουν δύο κατηγορίες παρατηρητών που δεν θα συμφωνούσαν μεταξύ τους, αφού κάποιοι θα έλεγαν ότι η απόκρουση έγινε μετά το σουτ, ενώ κάποιοι άλλοι ότι η απόκρουση έγινε πριν την εκτέλεση του πέναλτι! Αυτό, βέβαια, θα έβαζε σε κίνδυνο την αρχή της αιτιότητας, η οποία θέτει αυστηρή χρονική διάταξη ανάμεσα στην αιτία και το αποτέλεσμα.
Ο λόγος για τον οποίο δεν ανησυχούμε είναι ότι, κανένα φυσικό σωματίδιο που κινείται αρχικά με ταχύτητα μικρότερη απ’ αυτή του φωτός (όπως η μπάλα, που ήταν αρχικά ακίνητη) δεν θα μπορούσε να επιταχυνθεί τόσο ώστε να ξεπεράσει το φως, αφού κάτι τέτοιο θα απαιτούσε άπειρη (όχι απλά πολύ μεγάλη) ενέργεια! (Σημειώνουμε ότι η Σχετικότητα επίσης απαγορεύει σε σώματα που κινούνται γρηγορότερα από το φως να επιβραδυνθούν τόσο ώστε να φτάσουν ή να σπάσουν προς τα κάτω το φράγμα τού c, αφού κι αυτό θα απαιτούσε άπειρη ενέργεια.)
Έτσι, αν βασιστούμε στη Σχετικότητα, κανένα σωμάτιο του κόσμου μας δεν θα μπορούσε να μετατραπεί σε ταχυόνιο, ενώ η ύπαρξη ταχυονίων θα έθετε και σε άμεσο κίνδυνο την αρχή της αιτιότητας. Ο μόνος δρόμος συμβιβασμού ανάμεσα στα υποθετικά αυτά σωμάτια και την Σχετικότητα είναι να θεωρήσουμε ότι, ακόμα κι αν τα ταχυόνια είναι υπαρκτά, δεν είναι ανιχνεύσιμα, καθώς δεν αλληλεπιδρούν με την ύλη που γνωρίζουμε (και πάλι, όμως, εγείρονται ζητήματα σχετικά με τις πανταχού παρούσες βαρυτικές αλληλεπιδράσεις...).
Αν λοιπόν όντως ανιχνευτεί σωματίδιο που να μπορεί είτε να κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη απ’ αυτή του φωτός, είτε να σπάει –προς τα πάνω ή προς τα κάτω- το φράγμα της ταχύτητας αυτής, τότε η Σχετικότητα θα αντιμετωπίσει μείζον πρόβλημα και ίσως χρειαστεί μια εκ βάθρων αναθεώρησή της. Ο θείος Αλβέρτος μάλλον θα πρέπει να το ξαναπιάσει απ’ την αρχή!
Παρασκευή 23 Μαρτίου 2012
ΤΟ ΒΗΜΑ - Τα νετρίνα... έκοψαν ταχύτητα!
Επανάληψη του πειράματος έδειξε ότι δεν κινούνται ταχύτερα από το φως
 |
| Photo: ΤΟ ΒΗΜΑ |
Γκραν Σάσο
Η επανάληψη του αμφιλεγόμενου πειράματος, στο οποίο τα νετρίνα βρέθηκαν να κινούνται ταχύτερα από το φως, δείχνει ότι τα φευγαλέα υποατομικά σωματίδια δεν θα ανατρέψουν τελικά τη θεωρία της Eιδικής Σχετικότητας.
Ταξίδι στην ίδια διαδρομή
Η ταχύτητα των νετρίνων μετρήθηκε εκ νέου στην ίδια διαδρομή των 730 χιλιομέτρων όπου είχε πραγματοποιηθεί το αρχικό πείραμα, με την ονομασία Opera. Και σε αυτή την περίπτωση, μια δέσμη νετρίνων ταξίδεψε από το CERN, που βρίσκεται στα γαλλο-ελβετικά σύνορα, μέχρι το εργαστήριο του Γκραν Σάσο στην Ιταλία, περνώντας μέσα από εκατοντάδες χιλιόμετρα βράχου.
Η ομάδα Icarus του Γκραν Σάσο έχει αναρτήσει τα νέα αποτελέσματα στην υπηρεσία προδημοσίευσης arXiv.
«Είμαστε απόλυτα συμβατοί με την ταχύτητα του φωτός όπως τη διδαχθήκαμε στο σχολείο [...] Είμαστε πλέον 100% σίγουροι ότι η ταχύτητα του φωτός είναι η ταχύτητα των νετρίνων» δήλωσε στο BBC ο δρ. Σάντρο Τσέντρο, εκπρόσωπος της ομάδας Icarus.
Ενδείξεις για λάθος μετρήσεις
Πιο επιφυλακτικός εμφανίστηκε πάντως ο Σέρτζιο Μπερτολούτσι, διευθυντής ερευνών του CERN: «Αρχίζουμε να έχουμε ενδείξεις με βάση τις οποίες τα αποτελέσματα του πειράματος Opera οφείλονται σε λάθος μετρήσεις» είπε στο Γαλλικό Πρακτορείο.
Τον περασμένο Σεπτέμβριο, η ομάδα Opera του Γκραν Σάσο σόκαρε τους φυσικούς σε όλο τον κόσμο ανακοινώνοντας, έστω και με επιφύλαξη, τα αποτελέσματα του πειράματος χρονομέτρησης. Τα νετρίνα επέμειναν να υπερβαίνουν την ταχύτητα του φωτός και στην επανάληψη του πειράματος από την ίδια ομάδα.
Παρόλα αυτά, ο προκλητικός ισχυρισμός αντιμετωπίστηκε με δυσπιστία, και οι ερευνητές του Icarus υπολόγισαν τον Νοέμβριο ότι τα αποτελέσματα πρέπει να ήταν εσφαλμένα λόγω προβλημάτων στη χρονομέτρηση.
Δεν ανατρέπεται η θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας;
Αυτό άρχισε να φέρνει ανακούφιση σε πολλούς θεωρητικούς φυσικούς, καθώς η υπέρβαση της ταχύτητας του φωτός θα ανέτρεπε τη θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Η θεωρία αυτή εξετάζει την παραμόρφωση του χωροχρόνου όταν κανείς κινείται με μεγάλες ταχύτητες, και προβλέπει ότι η ταχύτητα του φωτός είναι ανεξάρτητη από την ταχύτητα του παρατηρητή.
Για την ακρίβεια, η γενική σχετικότητα προβλέπει ότι ο χρόνος σταματά εντελώς όταν κανείς φτάσει την ταχύτητα των φωτονίων, τα οποία κινούνται με 299.792.458 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο στο κενό.
Πάντως, για την οριστική διάψευση των αποτελεσμάτων του Opera, οι επιστήμονες σχεδιάζουν αρκετά ακόμα πειράματα: νέες δοκιμές θα πραγματοποιηθούν από τις τέσσερις ομάδες που χρησιμοποιούν την ίδια δέσμη νετρίνων στο Γκραν Σάσο, καθώς και τα ανεξάρτητα εργαστήρια Fermilab στις ΗΠΑ και KEK στην Ιαπωνία.
Πηγή: ΤΟ ΒΗΜΑ
Πέμπτη 29 Σεπτεμβρίου 2011
Πρόλαβε ο Wagner τον Einstein?
Τέχνη και Επιστήμη
Στην πρώτη πράξη του Parsifal, τελευταίας (και κορυφαίας) όπερας του Richard Wagner, λίγο πριν το υπέροχο μυστηριακό ορχηστρικό ιντερλούδιο, ο συνθέτης-φιλόσοφος βάζει τον παρακάτω διάλογο ανάμεσα στον Parsifal και τον Gurnemanz:
PARSIFAL: Μόλις και μετά βίας βαδίζω, κι όμως νιώθω πως ήδη έχω πάει πολύ μακριά!
GURNEMANZ: Βλέπεις, γιε μου, σ' αυτό εδώ το μέρος ο χρόνος γίνεται χώρος!
Όσο κι αν θέλει κανείς να αποφύγει τη σκέψη ως παράλογη, δεν μπορεί να μην διερωτηθεί ως πού άραγε θα μπορούσε να φτάσει η προφητική διορατικότητα του Wagner! Η όπερα πρωτοπαρουσιάστηκε το 1882 στο Bayreuth, 23 χρόνια πριν ο Albert Einstein προτείνει τη φημισμένη (Ειδική) Θεωρία της Σχετικότητας. Και ο παραπάνω διάλογος, που σίγουρα θα παραξένεψε όσους τον πρωτάκουσαν, αποκτά ξαφνικά νόημα στο πλαίσιο της Μοντέρνας Φυσικής, και ειδικά της Σχετικότητας, που επιτρέπει το μετασχηματισμό του χώρου σε χρόνο και αντίστροφα.
Αντί άλλων σχολίων, παραθέτω το σχετικό απόσπασμα από τον Parsifal:
Τετάρτη 28 Σεπτεμβρίου 2011
Πάτε στοίχημα;
Ευχαριστώ την αναγνώστρια evypap που μου έστειλε το κείμενο που ακολουθεί (το οποίο προσυπογράφω).
Μεγάλες προσδοκίες
Πολλοί προσπάθησαν, κανείς όμως δεν κατάφερε να διαψεύσει τον Αϊνστάιν
Γενεύη
Η ανακοίνωση για τον εντοπισμό σωματιδίων που φαίνονται να ταξιδεύουν ταχύτερα από το φως έκανε αίσθηση την περασμένη εβδομάδα. Αν και μένει να αποδειχθεί αν οι παρατηρήσεις ευσταθούν, η Ιστορία έχει δείξει ότι το να στοιχηματίζει κανείς κατά του Αϊνστάιν είναι σίγουρος τρόπος να χάσει τα λεφτά του.
Εδώ και πάνω από έναν αιώνα, πολλοί προσπάθησαν να βρουν ασυνέπειες στη Γενική και την Ειδική Σχετικότητα -από διάφορους φυσικούς μέχρι το Ναζιστικό Κόμμα της Γερμανίας, το οποίο ενθάρρυνε τη δημοσίευση ενός έργου με τίτλο Εκατό Συγγραφείς Κατά του Αϊνστάιν. Και παρόλο που υπήρξαν πειραματικά αποτελέσματα που έδειχναν στην αρχή να διαψεύδουν τη Σχετικότητα, όλα διαπιστώθηκε τελικά ότι δεν απέκλιναν από τη θεωρία.
Όπως επισημαίνει ο Πίτερ Γκάλισον, ιστορικός της επιστήμης στο Χάρβαρντ, η Σχετικότητα επέζησε μέχρι σήμερα «παρόλο που δοκιμάστηκε πιο σκληρά από οποιαδήποτε άλλη θεωρία στις φυσικές επιστήμες».
Ακόμα και ο ίδιος ο Αϊνστάιν έκανε λάθος όταν αποκάλεσε τη λεγόμενη κοσμολογική σταθερά τη «μεγαλύτερη γκάφα» του. Ο μεγάλος φυσικός είχε εισάγει τη σταθερά στη Γενική Σχετικότητα ως δύναμη που εμποδίζει την κατάρρευση του Σύμπαντος. Το 1998, όμως, νέες παρατηρήσεις έδειξαν ότι δεν επρόκειτο για γκάφα, αφού η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται λόγω μιας μυστηριώδους δύναμης(*) που αντιστοιχεί στην κοσμολογική σταθερά.
Δεδομένης της μαθηματικής κομψότητας των θεωριών του Αϊνστάιν και μιας πληθώρας πειραμάτων που τις επιβεβαιώνουν, οι 12 επιστήμονες που κλήθηκαν να σχολιάσουν την τελευταία είδηση στο Associated Press ήταν επιφυλακτικοί, δύσπιστοι, ή απλά δεν την πίστεψαν.
Την περασμένη Πέμπτη, ο Αντόνιο Ερεντιτάτο, ο οποίος είναι και επικεφαλής του Κέντρου Στοιχειώδους Φυσικής «Άλμπερτ Αϊνστάιν» στη Βρέμη, παρουσίασε με κάθε επιφύλαξη τις παρατηρήσεις του για νετρίνα που κινούνται ταχύτερα από το φως. Η ομάδα του πέρασε μάλιστα δύο ώρες στο CERN απαντώντας στις αυστηρές ερωτήσεις ενός δύσπιστου ακροατήριου.
Δεδομένου ότι η ταχύτητα του φωτός (299.792 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτα στο κενό) είναι μια σταθερά (c) που απαντάται σε πλήθος εξισώσεων της σύγχρονης φυσικής, η υπέρβασή της από οποιοδήποτε σωματίδιο θα προκαλούσε ρωγμές στα θεμέλια της Σχετικότητας.
Μεταξύ άλλων, η υπέρβαση της ταχύτητας του φωτός θα άνοιγε το δρόμο για ταξίδια πίσω στο χρόνο, και επιπλέον θα παραβίαζε την αρχή της αιτιότητας, αφού ένα αποτέλεσμα θα μπορούσε να προηγείται της αιτίας του.
«Είναι επικίνδυνο να στοιχηματίζει κανείς κατά του Αϊνστάιν» λέει ο Ρομπ Πλάνκετ, φυσικός του αμερικανικού εργαστηρίου Fermilab, ο οποίος έχει πειραματιστεί κι αυτός με την ταχύτητα του φωτός και θα εξετάσει τα νέα ευρήματα.
Στο τελευταίο πείραμα, που ονομάζεται OPERA, μια δέσμη εξωτικών σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα ταξίδεψε από το CERN, στα σύνορα Γαλλίας-Ελβετίας, μέχρι το Εθνικό Εργαστήριο του Γκραν Σάσο στην Ιταλία. Οι μετρήσεις έδειξαν ότι τα νετρίνα διήνυσαν τη διαδρομή των 730 χιλιομέτρων 60 νανοδευτερόλεπτα ταχύτερα από το αναμενόμενο.
Τα ευρήματα δεν έχουν ακόμα επιβεβαιωθεί και οι ερευνητές έσπευσαν να δηλώσουν ότι προς το παρόν «αποφεύγουν εσκεμμένα κάθε θεωρητική ή φαινομενολογική ερμηνεία των αποτελεσμάτων».
Σχολιάζοντας την είδηση, ο καθηγητής του Πανεπιστημίου Κολούμπια Μπράιαν Γκριν δήλωσε ότι στοιχηματίζει «ό,τι πολυτιμότερο έχει» πως οι παρατηρήσεις θα διαψευστούν.
Ακόμα και ο Εραντιτάτο επισημαίνει ότι, ακόμα και σε περίπτωση που τα αποτελέσματα του πειράματός του αποδειχθούν αληθή, οι θεωρίες του Αϊνστάιν δεν θα πεθάνουν: «Όταν ο Αϊνστάιν διατύπωσε τη σχετικότητα, αυτό δεν κατέστρεψε τον Νεύτωνα. Στην πραγματικότητα, ο Νεύτωνας εξηγεί το 99,9% όσων συμβαίνουν γύρω μας. Σε ορισμένες όμως ειδικές περιπτώσεις, αναγκαζόμαστε να καταφύγουμε στη Σχετικότητα».
»Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι μια μέρα διαπιστώνουμε ότι, κάτω από ακραίες συνθήκες, θα πρέπει να κάνουμε διορθώσεις σε όσα γνωρίζουμε. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι ο Αϊνστάιν είχε άδικο» λέει ο ερευνητής.
Προφανώς, η πίστη των φυσικών στον μεγάλο δάσκαλο είναι σχεδόν ακλόνητη. Αυτό, όμως, δεν σημαίνει ότι η πίστη τους παίρνει θρησκευτικές διαστάσεις.
Το καλό με την επιστήμη είναι ότι κάθε θεωρία μπορεί και πρέπει να υποβάλλεται σε πειραματικό έλεγχο. Ουσιαστικά, οι πειραματικοί επιστήμονες ενθαρρύνονται να τα βάζουν με το κατεστημένο, να τα βάζουν ακόμα και με εμβληματικές φυσιογνωμίες όπως ο Άλμπερτ Αϊνστάιν.
Πηγή: in.gr
(*)Σημ. QUANTUM: Πρόκειται για μια υποθετική μορφή ενέργειας -της οποίας η φύση και οι ιδιότητες είναι άγνωστες- η οποία δρα σαν "δύναμη αντιβαρύτητας", προκαλώντας βαρυτική άπωση αντί της συνηθισμένης βαρυτικής έλξης. Η μοντέρνα Κοσμολογία την ονομάζει "σκοτεινή ενέργεια". Η υπόθεση που οδηγεί στην ύπαρξή της βασίζεται στην παρατηρούμενη επιτάχυνση στο ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος.
Ο τερματοφύλακας απέκρουσε πριν γίνει το σουτ (ή, μήπως έκανε λάθος ο θείος Αλβέρτος;)
Σωματίδια κινούνται ταχύτερα από το φως!
Νετρίνα ταξιδεύουν στο CERN με ταχύτητες που ανατρέπουν τη Θεωρία της Σχετικότητας
Γενεύη
Διεθνής ομάδα επιστημόνων κατέγραψε υποατομικά σωματίδια τα οποία ταξίδευαν με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός! Εάν αυτό το πείραμα που διεξάγεται στο CERN επιβεβαιωθεί, τότε αναμένεται να ταράξει συθέμελα μια από τις βασικές αρχές της φυσικής.
Ο Αντόνιο Ερεντιτάτο που εργάζεται στο CERN δήλωσε στο ειδησεογραφικό πρακτορείο Reuters ότι μετρήσεις που διεξάγονται τα τελευταία τρία χρόνια αποκάλυψαν νετρίνα τα οποία κινούνταν με ταχύτητα μεγαλύτερη κατά 60 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου (nanosecond) σε σύγκριση με εκείνη του φωτός καλύπτοντας μια απόσταση 730 χιλιομέτρων μεταξύ της Γενεύης και ενός εργαστηρίου στο Γκραν Σάσο της Ιταλίας.
Τα νετρίνα εμφανίζονται με διαφορετικούς τύπους («γεύσεις») και πρόσφατα αποδείχθηκε ότι μπορούν να αλλάξουν αυθόρμητα τύπο. Ο δρ Ερεντιτάτο και η ομάδα του δημιούργησαν μια δέσμη ενός τύπου νετρίνων - μιονικά νετρίνα- και τα έστειλαν από το CERN στο εργαστήριο στο Γκραν Σάσο. Στόχος τους ήταν να δουν πόσα από αυτά τα σωματίδια θα άλλαζαν τύπο (θα μετατρέπονταν συγκεκριμένα σε ταυ-νετρίνα).
Απίστευτη παρατήρηση
Διεξάγοντας αυτά τα πειράματα όμως οι ειδικοί παρατήρησαν ότι τα σωματίδια κάλυπταν την απόσταση των 730 χιλιομέτρων ταχύτερα από ό,τι το φως. Εμειναν τόσο έκπληκτοι από τα αποτελέσματά τους ώστε επανέλαβαν το πείραμα περί τις 15.000 φορές. Ετσι τα ευρήματά τους είναι στατιστικά σημαντικά, τόσο ώστε να ταράξουν για καλά τα νερά της φυσικής.
«Εχουμε μεγάλη εμπιστοσύνη στα αποτελέσματά μας. Ωστόσο χρειάζεται να διεξαγάγουν άλλοι συνάδελφοι αντίστοιχα πειράματα προκειμένου να τα επιβεβαιώσουν» ανέφερε ο δρ Ερεντιτάτο στο Reuters. Ο ερευνητής ζήτησε περαιτέρω ανάλυση των απίστευτων αυτών αποτελεσμάτων καθώς εάν επιβεβαιωθούν τότε θα ανατρέψουν μια βασική αρχή της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας που θεμελίωσε το 1905 ο Αλβέρτος Αϊνστάιν. Σύμφωνα με αυτήν τίποτα στο Σύμπαν δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως.
Ο δρ Ερεντιτάτο ανέφερε ότι τα ευρήματα θα εμφανιστούν σύντομα σε δικτυακή μορφή προκειμένου να αποτελέσουν αντικείμενο ενδελεχούς μελέτης και από άλλες ομάδες. Παράλληλα η ερευνητική ομάδα οργάνωσε σήμερα Παρασκευή συνάντηση ειδικών στο CERN ώστε να συζητηθούν τα... φωτεινά της αποτελέσματα.
Στη συνάντηση ο δρ Ερεντιτάτο ζήτησε για άλλη μια φορά νέες ανεξάρτητες μετρήσεις από άλλες ομάδες, καθώς όπως είπε, τα ευρήματα της ομάδας του, εάν ευσταθούν, θα αλλάξουν τη φυσική. «Δεν ισχυριζόμαστε τίποτα, θέλουμε απλώς να βοηθηθούμε από την επιστημονική κοινότητα προκειμένου να καταλάβουμε τα ''τρελά'' μας αποτελέσματα, διότι πρόκειται πράγματι για ''τρελά'' αποτελέσματα» κατέληξε ο επιστήμονας.
Πηγή: ΤΟ ΒΗΜΑ
Σημείωση QUANTUM:
Σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein, καμία μορφή ύλης ή ενέργειας (ή, αν προτιμάτε, καμία «πληροφορία») δεν μπορεί να ταξιδέψει με ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα c του φωτός στο κενό (c=300,000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο). Ή, ακόμα κι αν υπήρχε μια τέτοια εξωτική μορφή ύλης -της οποίας τα υποθετικά σωματίδια έχουν ονομαστεί «ταχυόνια»- δεν θα ήταν καθόλου εύκολο να την εντοπίσουμε, αφού δεν θα μπορούσαν ποτέ οι ταχύτητες τέτοιων σωματιδίων να σπάσουν προς τα κάτω το φράγμα της ταχύτητας του φωτός, ή και να περιέλθουν σε κατάσταση ηρεμίας. Το πιο παράδοξο απ’ όλα, όμως, είναι ότι ο χρόνος γι’ αυτά τα σωματίδια θα φαινόταν να κυλά αντίστροφα, έτσι ώστε η κίνησή τους (όπως εμείς θα την αντιλαμβανόμασταν) θα γινόταν από το μέλλον προς το παρόν, αντί απ’ το παρόν προς το μέλλον! Κάτι τέτοιο, βέβαια, θα μπορούσε να παραβιάσει την αρχή της αιτιότητας, σύμφωνα με την οποία το αίτιο προηγείται πάντα του αποτελέσματος.
Φανταστείτε δύο γεγονότα. Γεγονός Α: Ο ποδοσφαιριστής σουτάρει το πέναλτι. Γεγονός Β: Ο αντίπαλος τερματοφύλακας αποκρούει το σουτ. Με δεδομένο ότι η μπάλα κινείται με ταχύτητα μικρότερη απ’ αυτή του φωτός, όλοι οι παρατηρητές στο Σύμπαν –όσο γρήγορα κι αν κινούνται ο ένας ως προς τον άλλον- θα συμφωνήσουν ότι το Α (σουτ) προηγείται χρονικά του Β (απόκρουση). Με απλά λόγια, πρώτα σούταρε ο επιθετικός και μετά απέκρουσε ο τερματοφύλακας. Τι θα συνέβαινε, όμως, στην υποθετική περίπτωση που η μπάλα έφευγε από το πόδι του επιθετικού με ταχύτητα μεγαλύτερη απ’ την οριακή ταχύτητα c; Τότε θα μπορούσαν να υπάρξουν δύο κατηγορίες παρατηρητών που δεν θα συμφωνούσαν μεταξύ τους, αφού κάποιοι θα έλεγαν ότι η απόκρουση έγινε μετά το σουτ, ενώ κάποιοι άλλοι ότι η απόκρουση έγινε πριν την εκτέλεση του πέναλτι! Αυτό, βέβαια, θα έβαζε σε κίνδυνο την αρχή της αιτιότητας, η οποία θέτει αυστηρή χρονική διάταξη ανάμεσα στο αίτιο και το αιτιατό.
Ο λόγος για τον οποίο δεν ανησυχούμε είναι ότι, κανένα φυσικό σωματίδιο που κινείται αρχικά με ταχύτητα μικρότερη απ’ αυτή του φωτός δεν θα μπορούσε να επιταχυνθεί τόσο ώστε να ξεπεράσει το φως, αφού κάτι τέτοιο θα απαιτούσε άπειρη (όχι απλά πολύ μεγάλη) ενέργεια. Η Σχετικότητα, τώρα, δεν απαγορεύει, θεωρητικά, την ύπαρξη και «ταχυονίων» που οι ταχύτητές τους ξεπερνούν το c, τους απαγορεύει όμως να επιβραδυνθούν τόσο ώστε να κινούνται με ταχύτητες μικρότερες ή και ίσες με το φως. Έτσι, τέτοια σωματίδια δεν μπορούν να αλληλεπιδρούν με την ύλη που γνωρίζουμε (η οποία υπόκειται σε ένα άνω όριο ταχυτήτων και σέβεται απόλυτα τους αιτιατικούς νόμους), πράγμα που καθιστά την ανίχνευσή τους με συμβατικά μέσα μια πολύ δύσκολη υπόθεση. Αν, λοιπόν, όντως ανιχνευτεί σωματίδιο που να μπορεί να σπάσει –προς τα πάνω ή προς τα κάτω- το φράγμα της ταχύτητας του φωτός, τότε η Σχετικότητα θα αντιμετωπίσει μείζον πρόβλημα και ίσως χρειαστεί μια εκ βάθρων αναθεώρησή της. Ο θείος Αλβέρτος μάλλον θα πρέπει να το ξαναπιάσει απ’ την αρχή!
Διαβάστε περισσότερα:
http://en.wikipedia.org/wiki/Tachyon
http://www.physics4u.gr/faq/tachyons.html
Εγγραφή σε:
Αναρτήσεις (Atom)