Το βάθος του κόσμου

Από τις φυσικομαθηματικές επιστήμες

ΤΟΥ ΧΡΗΣΤΟΥ ΛΑΣΚΟΥ

BRIAN GREEN, Το κομψό σύμπαν, Μετάφραση: Τάσος Τσιαντούλας, εκδ. Ωκεανίδα, σελ. 632

[Ο Τζιορντάνο Μπρούνο ισχυρίστηκε πως τα αστέρια είναι ήλιοι]. Τι πιο αλλόκοτο από μια τέτοια ενοποίηση, «ήλιου» και «αστεριών»; Μέχρι τότε όλοι ήξεραν ότι ο «ήλιος» είναι μια μεγάλη μπάλα φωτιάς που δημιουργήθηκε από το Θεό για να ζεστάνει τη Γη, ενώ τα «αστέρια» ήταν τρύπες στην ουράνια σφαίρα από όπου περνούσε το φως του παραδείσου. Η ενοποίηση είναι αυτό που ανατρέπει αίφνης έναν ολόκληρο κόσμο […] Αν τα αστέρια είναι ήλιοι, τότε το Σύμπαν είναι απίστευτα μεγαλύτερο από ό,τι φανταζόμασταν. Ο παράδεισος δεν μας χαϊδεύει τα μαλιά.

Λη Σμόλιν

Ο Μπράιαν Γκριν, συγγραφέας του βιβλίου που είναι η αφορμή για τις σημερινές σκέψεις, είναι ένας από τους πρώτους και σημαντικότερους φυσικούς, που ασχολήθηκαν με το πεδίο της Θεωρίας των Χορδών. Στο Κομψό Σύμπαν (The Elegant Universe) έχουμε μια πολύ βαθειά και εμπεριστατωμένη έκθεση των εξελίξεων στο συγκεκριμένο πεδίο της Φυσικής και έτσι την ευκαιρία να γνωρίσουμε αυτά που βρίσκονται στην αιχμή, πραγματικά, της έρευνας των τριάντα τελευταίων χρόνων.

Δεν είναι λάθος να πούμε πως ο πιο συνεκτικός τρόπος προκειμένου να παρουσιαστεί η ιστορική εξέλιξη της Φυσικής είναι να την περιγράψουμε ως μια διαδικασία όλο και μεγαλύτερης ενοποίησης, που πάει να πει συμπερίληψης όλο και περισσότερων φαινομένων σε μια ενιαία περιγραφή. Με ύστατο στόχο την Μεγάλη Ενοποίηση, που θα εξηγήσει το σύνολο της φυσικής πραγματικότητας με βάση μια μοναδική αρχή, ίσως με μια μοναδική τελική εξίσωση[1]. Αυτήν που ο, μαχητικά άθεος, Χόκινγκ ονομάζει προκλητικά «Εξίσωση του Θεού», στο μέτρο που θα είναι η μαθηματική αποτύπωση της «σκέψης Του».

Η Θεωρία των Χορδών, λοιπόν, είναι η πιο πρόσφατη και φέρελπις υποψήφια να επιτύχει τη Μεγάλη Ενοποίηση, μέσω της οποίας μπορεί, εκτός των άλλων, να αρθεί και η περιβόητη ασυμβατότητα μεταξύ της «συνεχούς» Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας με τη «διακριτή» Κβαντική Μηχανική.

***

Η ατομική περιγραφή της ύλης έχει πλέον ζωή μεγαλύτερη από δυόμιση χιλιάδες χρόνια. Αφού πρωτοδιατυπώθηκε από τον Λεύκιππο, αναπτύχθηκε από τον Δημόκριτο και εξελίχθηκε περαιτέρω από τον Επίκουρο[2], αφού διαδόθηκε με την έκδοση του De Rerum Natura από τον Λουκρήτιο, εξαφανίστηκε από το προσκήνιο για σχεδόν 18 αιώνες, μέχρις ότου η επιστημονική ανάπτυξη της Χημείας έδειξε, στις αρχές του 19^ου αι., πως η αποδοχή του ατομικού μοντέλου εξηγούσε μια σειρά από ευρήματα, μπροστά στα οποία η αντίληψη περί του συνεχούς χαρακτήρα της ύλης ήταν εντελώς αναποτελεσματική.

Η θεμελιώδης υπόθεση της ατομικής θεωρίας των Αρχαίων Ελλήνων ήταν, ως γνωστόν, πως ο κόσμος συντίθετο από συνδυασμούς άτμητων απειροελάχιστων –εξ ου και αόρατων- συστατικών, των ατόμων. «Όπως ακριβώς ο τεράστιος αριθμός λέξεων σε μια γλώσσα που διαθέτει αλφάβητο, προκύπτει από τις συνδυαστικές δυνατότητες ενός περιορισμένου αριθμού γραμμάτων, έτσι και η τεράστια γκάμα των υλικών αντικειμένων θα μπορούσε να προέρχεται από συνδυασμούς ενός μικρού αριθμού διακριτών, στοιχειωδών δομικών μονάδων».

Αυτή η βασική ιδέα αποδείχτηκε εξαιρετικά παραγωγική στο πλαίσιο της σύγχρονης Φυσικής. Περνώντας από διάφορα στάδια, περίπου στα 1930 είχε διαμορφωθεί η εικόνα, την οποία έχει σήμερα όποιος τελειώνει τη δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Το «άτομο» πλέον είναι τμητό, δεν αποτελεί το μικρότερο συστατικό της ύλης, αλλά το ίδιο αποτελείται από έναν πυρήνα -που, επιπλέον, περιέχει πρωτόνια και νετρόνια- και ηλεκτρόνια τα οποία περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα σε διάφορες αποστάσεις από αυτόν. Η ομοιότητα με το ηλιακό σύστημα είναι περισσότερο από προφανής, πράγμα που κάνει εξαιρετικά οικείο το συγκεκριμένο μοντέλο.

Το «δυστύχημα» είναι πως το ηλιακό μοντέλο δεν έμελλε να είναι και το τελικό. Γιατί αργότερα –και με πειραματική στήριξη από το 1968- αποδείχτηκε πως τόσο τα πρωτόνια όσο και τα νετρόνια δεν ήταν «έσχατα» σωματίδια, αλλά διέθεταν εσωτερική δομή, στο μέτρο που το καθένα τους αποτελείτο από τρία στοιχειωδέστερα σωματίδια, στα οποία, αντλώντας έμπνευση από το Finegans Wake του Τζέημς Τζόυς, ο θεωρητικός φυσικός Murray Gell-Mann, έδωσε το όνομα κουάρκ. 

Στη συνέχεια έμελλε να μάθουμε πως και τα κουάρκ δεν είναι ενός είδους, αλλά έξι. Το πάνω και το κάτω, που συγκροτούν τα πρωτόνια (δύο πάνω κι ένα κάτω) και τα νετρόνια (δύο κάτω κι ένα πάνω), αλλά μαζί και το γοητευτικό, το παράξενο, το κουάρκ κορυφή και το κουάρκ πυθμένας, που ανάθεμά μας αν ξέρουμε γιατί υπάρχουν και τι ρόλος τους έχει ανατεθεί.

Και σαν να μην έφτανε αυτό υπήρχαν και άλλα σωματίδια, όπως το μυόνιο και το ταυ, που είναι ίδια κι απαράλλακτα με το ηλεκτρόνιο, μόνο που έχουν πολύ μεγαλύτερες μάζες από αυτό- π.χ. 207 φορές το μυόνιο.  Και, επιπλέον, δεν αποτελούν συστατικά κανενός συνθετότερου αντικειμένου περιφέροντας την μονήρη ύπαρξή τους στον κόσμο για μερικά απειροελάχιστα κλάσματα χρόνου, πριν εξαϋλωθούν και περάσουν δια παντός στην ανυπαρξία.  

Στην άλλη πλευρά, του «σχεδόν μηδενικού», από τη δεκαετία του 1950 είναι γνωστό πως υπάρχουν τα νετρίνα, τα οποία είναι τόσο «αμελητέα» -πράγμα που δεν μειώνει, ωστόσο, σε τίποτε την ύπαρξή τους- ώστε να αλληλεπιδρούν σπανιότατα με την υπόλοιπη ύλη. Χαρακτηριστικά, ένα μέσης ενέργειας νετρίνο μπορεί, χωρίς καμιά δυσκολία, να διαπεράσει μόλυβδο πάχους πολλών τρισεκατομμυρίων χιλιομέτρων, χωρίς την παραμικρότερη επίδραση στην πορεία του. Γι’ αυτό, άλλωστε, την ώρα που διαβάζετε αυτές τις γραμμές δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων από αυτά τα σωματίδια-φαντάσματα, με προέλευση τις πυρηνικές αντιδράσεις του Ήλιου, σας διαπερνούν, πριν συνεχίσουν το μοναχικό τους ταξίδι στο Σύμπαν, χωρίς να αλληλεπιδρούν καθόλου – αντιμετωπίζοντας το σώμα σας ως απολύτως κενό.

Αν προσθέσουμε και τα σωματίδια-φορείς των τεσσάρων αλληλεπιδράσεων – γλοιόνια για την ισχυρή, φωτόνια για την ηλεκτρομαγνητική, μποζόνια ασθενούς βαθμίδας για την ασθενή και βαρυτόνια για τη βαρυτική- και χωρίς να παρουσιάσουμε και τα άλλα, έχουμε την εικόνα μιας άγριας ζούγκλας, η οποία αποδιαρθρώνει ολοκληρωτικά την απλή αναπαράσταση που επιδίωκε να προσφέρει το ατομικό μοντέλο.

Και όσο κι αν έχει επιχειρηθεί, στο πλαίσιο του Καθιερωμένου  Προτύπου, να μπει μια τάξη σε αυτήν την ζούγκλα τα πράγματα εμφανίζονται σχεδόν απελπιστικά σε ό,τι αφορά την εξήγηση της συγκρότησης του κόσμου. Αναρωτιέται ο Γκριν: «Γιατί υπάρχουν τόσο πολλά στοιχειώδη σωματίδια, αφού, όπως φαίνεται, η μεγάλη πλειονότητα των πραγμάτων στον κόσμο γύρω μας χρειάζεται μόνο ηλεκτρόνια, πάνω και κάτω κουάρκ; Γιατί τα σωματίδια έχουν φαινομενικά τυχαία κατανομή μαζών- γιατί, για παράδειγμα, το ταυ ζυγίζει περίπου 3520 φορές περισσότερο από το ηλεκτρόνια; Γιατί το κουάρκ κορυφή ζυγίζει περίπου 40200 φορές όσο το πάνω κουάρκ; [Γιατί η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια (10⁴²) φορές μεγαλύτερη από τη βαρυτική;]  Είναι τόσο παράξενα αυτά τα φαινομενικά τυχαία νούμερα! Προέκυψαν τυχαία, οφείλονται ίσως σε θεϊκή προαίρεση ή μήπως υπάρχει κάποια εύλογη επιστημονική εξήγηση γι’ αυτά τα θεμελιώδη γνωρίσματα του σύμπαντος;».

***

Το Κομψό Σύμπαν απαντάει σε αυτά τα ερωτήματα. Και η βασική ιδέα, που στηρίζει την απάντηση, είναι πως τα στοιχειώδη σωματίδια δεν θα πρέπει να θεωρούνται ούτε, βάσει της κοινής αντίληψης, ως συμπαγή «σφαιρίδια» ούτε, επιστημονικότερα, ως σημειακά αντικείμενα χωρίς διαστάσεις. Αντίθετα, η εικόνα που θα πρέπει να αξιοποιηθεί είναι αυτή της χορδής. Που σημαίνει πως καθένα από τα στοιχειώδη σωμάτια δεν είναι παρά ένας μικροσκοπικός μονοδιάστατος βρόχος, μια ίνα απείρως λεπτή «που πάλλεται, ταλαντώνεται και χορεύει». Οι διαφορετικές ιδιότητες των σωματίων -μάζες, φορτία, ιδιοπεριστροφές, …- τότε μπορούν να εξηγηθούν βάσει, απλά και μόνο, των διαφορετικών τρόπων που πάλλεται, ταλαντώνεται ή  χορεύει η χορδή. «Αντί να συνιστούν ένα σύνολο χαοτικών πειραματικών δεδομένων, οι σωματιδιακές ιδιότητες στη θεωρία των χορδών είναι η εκδήλωση μιας και μόνης φυσικής ιδιότητας: του τρόπου ταλάντωσης της μουσικής σαν να λέμε- των θεμελιωδών χορδών […] [Τα] πάντα, κάθε μορφή ύλης και δύναμης, ενοποιούνται εντασσόμενα στην κατηγορία των μικροσκοπικών χορδών που ταλαντώνονται –είναι οι «νότες» που μπορούν να παίξουν οι χορδές». Και όλα αυτά σε μια τόσο μικροσκοπική κλίμακα, που η παρατήρησή της βρίσκεται πολύ μακριά από τις τωρινές τεχνολογικές μας δυνατότητες, της τάξης του μήκους Planck (10^-35 m). Ή, παραστατικότερα, αν μεγεθύναμε ένα άτομο στις διαστάσεις του αστρονομικού Σύμπαντος, η χορδή με τα βίας θα έφτανε το ύψος ενός δέντρου.

Καταπληκτική ιδέα, προφανώς.

Που παραμένει τέτοια όσο και αν η βαθύτερη επαφή μαζί της παρουσιάζει αρκετές περιπλοκές. Όπως το γεγονός, πως ο δημιουργικός χορός των χορδών απαιτεί εννέα χωρικές διαστάσεις αντί για τις συνηθισμένες τρεις της δικής μας γεωμετρίας. Ή πως η ύπαρξή τους επιτρέπει στον χώρο να «σχίζεται». Και στις μαύρες τρύπες να εμφανίζονται ως στοιχειώδη σωμάτια. Και το Σύμπαν «ολόκληρο» να θεωρείται πως ξεκίνησε να υπάρχει παγωμένο και άπειρο σε έκταση και όχι τρομερά καυτό και σφιχτά κουλουριασμένο σε ένα μικροσκοπικό ψήγμα χώρου, όπως προτείνει η τρέχουσα εικόνα του Big Bang… Πραγματικά καταπληκτική ιδέα, σε ένα μοναδικό βιβλίο.

---

[1] Εξαιρετική και κριτικά περιεκτική περιγραφή αυτής της αναζήτησης γίνεται στο: David Lindley, The End of Physics: The Myth of a Unified Theory, Basic Books, 1993

[2] Ο οποίος Επίκουρος, εισαγάγοντας την φιλοσοφική κατηγορία του κλίναμεν, διατύπωσε την ιδέα πως η συγκρότηση του κόσμου είναι τυχαία στην προέλευσή της, χωρίς καμιά «νομοτέλεια» να την καθορίζει.

Φανή Μπήτου, Ασπασία, 2012, τύπωμα  και κέντημα σε ύφασμα, 45Χ57 εκ.