Από το Βήμα της Κυριακής

«Αντέχει» ο Αϊνστάιν;

Ενας άσχετος που θέλει να τα... φτιάξει με τη Θεωρία της Σχετικότητας πώς πρέπει να προχωρήσει; Αντίθετα από άλλες σχέσεις, εδώ βοηθάει το να διαβάσει και κανένα βιβλίο. Το αστείο είναι ότι μερικοί, αφού τα φτιάξουν καλά μαζί της, καταλαμβάνονται από μια επιθυμία να τα χαλάσουν. Διαβάστε μια σύντομη παρουσίαση των αντιρρήσεων που υπάρχουν αυτόν τον καιρό αλλά και έναν μπούσουλα μελέτης για όποιον θα ήθελε να αποκτήσει τις πρώτες γνώσεις στο θέμα.

Μπορώ να προσθέτω σε έναν αριθμό έναν ακόμη και στο αποτέλεσμα άλλον έναν και έτσι το αποτέλεσμα να μεγαλώνει απεριόριστα. Φαντάζομαι ότι μπορώ να κάνω το ίδιο και με τις ταχύτητες. Θα κινούμαι μόνο σε ευθεία γραμμή και θα προσθέτω μια ταχύτητα σε μιαν άλλη και στο αποτέλεσμα μιαν άλλη κ.ο.κ. Είμαι μέσα σε ένα τρένο επάνω σε ένα σκέιτμπορντ και πυροβολώ. Προσθέτω την ταχύτητα του τρένου με εκείνη του σκέιτμπορντ και σε αυτή την ταχύτητα της σφαίρας ως προς το όπλο και βρίσκω με πόση ταχύτητά κινείται ως προς κάποιον που με παρακολουθεί όντας ακίνητος στην αποβάθρα του σταθμού. Γιατί δεν θα μπορούσα σε ένα νοητικό πείραμα να κάνω τόσο πολλές προσθέσεις ταχυτήτων που να ξεπεράσω και αυτή την ταχύτητα του φωτός που μας λένε τα βιβλία της Φυσικής ότι είναι αξεπέραστη; Η απάντηση είναι: διότι μάλλον δεν έχω καταλάβει καλά τη Θεωρία της Σχετικότητας.

Ποιος έχει πρόβλημα με τον Αϊνστάιν;

Αυτή την εποχή υπάρχει μια τάση να εκδίδονται στο εξωτερικό αρκετά βιβλία που ασχολούνται με την εκλαΐκευση των Θεωριών της Σχετικότητας, της Ειδικής και της Γενικής, και με το πώς συνδέεται η μάζα με την ενέργεια. Την ίδια στιγμή εμφανίζονται άλλα βιβλία ή γράφονται άρθρα σε περιοδικά με τίτλους εντυπωσιακούς, του τύπου «Εinstein estil d pass ?». Και, εντάξει, «ξεπερασμένο» όπως λέει ο τίτλος του γαλλικού περιοδικού «La Recherche» (Νοέμβριος 2009) δεν μπορούμε να τον θεωρήσουμε τον Αϊνστάιν. Οι εξισώσεις του από το 1916 καλά κρατούν στον κόσμο μας, γενικεύοντας τις εξισώσεις του Νεύτωνα από το 1687 που διδάσκονται στο Λύκειο και ισχύουν μόνο για κάποιες περιπτώσεις. Τώρα λοιπόν δεν ήλθε η ώρα να πετάξουμε τη δουλειά του Αϊνστάιν, αλλά με βάση κάποιες παρατηρήσεις υπάρχουν και άνθρωποι που αναρωτιούνται αν και οι δικές του εξισώσεις δεν είναι μέρος μιας ακόμη γενικότερης θεωρίας για τη Βαρύτητα.

Από τον Νεύτωνα, που μας έκανε να πιστεύουμε ότι κάθε σώμα έλκει όλα τα άλλα σώματα και έλκεται, φυσικά, και το ίδιο από αυτά, φθάσαμε στον Αϊνστάιν που μας λέει ότι δεν είναι ακριβώς έτσι τα πράγματα, αλλά η παρουσία των σωμάτων επηρεάζει τις ιδιότητες του χώρου και του χρόνου έτσι ώστε να φαίνεται ότι το ένα έλκει το άλλο. Εδώ και κάποιον καιρό όμως έχουν προκύψει και άλλα προβλήματα.

Τα «αγκάθια» της Σχετικότητας
* Αν όλο το Σύμπαν προήλθε από μια μεγάλη αρχική έκρηξη, εκείνη την πρώτη στιγμή όπου θερμοκρασία, πίεση, πυκνότητα κτλ. είχαν άπειρες τιμές, οι εξισώσεις μας δεν μπορούν να λειτουργήσουν και να περιγράψουν την κατάσταση.

* Η Θεωρία της Σχετικότητας δεν «δουλεύει» καλά όταν κατέβουμε στο επίπεδο των ατόμων και μπούμε σε χώρους ακόμη πιο μικρούς, όπου μπορούμε να μιλάμε πιο πολύ για πιθανότητες κάποια σωματίδια να βρίσκονται εδώ ή εκεί. Σε βοήθειά της έχουν σπεύσει δύο άλλες θεωρίες, ανταγωνιστικές μεταξύ τους. Η Θεωρία των Χορδών, που λέει ότι κάθε σωματίδιο αντιστοιχεί στο πώς πάλλεται κάποια χορδή απείρως πιο μικρή από το σωματίδιο και θα πρέπει να τη συναντήσουμε σε έναν χώρο δέκα διαστάσεων(!). Σε αντίθεση με αυτήν είναι η Θεωρία της Κβαντικής Βαρύτητας. Αυτή που εμφανίστηκε το 1990 από τους Αshtekar, Rovelli και Smolin και προσπαθεί να συμβιβάσει την Κβαντική Θεωρία, τη θεωρία δηλαδή για τα πώς συμπεριφέρεται η ύλη σε χώρους πιο μικρούς απ΄ όσο πιάνει ένα άτομο, με τη Θεωρία του Αϊνστάιν. Θεωρεί μάλιστα ότι πρέπει να υπάρχει ένα σωματίδιο, το βαρυτόνιο ή γκραβιτόνιο, με σπιν 2 και χωρίς μάζα, που ακόμη κανείς δεν έχει επιβεβαιώσει πειραματικά την ύπαρξή του αλλά οι ιδιότητές του θα δείχνουν το ότι η Σχετικότητα προκύπτει από την Κβαντική Μηχανική.

* Ζούμε σε ένα Σύμπαν που θεωρείται ότι διαστέλλεται. Αλλά αντί αυτή η διαστολή, μετά την υποτιθέμενη μεγάλη έκρηξη, να χάνει τη... φόρα της, φαίνεται να επιταχύνεται. Και για να γίνεται αυτό πρέπει να τροφοδοτείται από κάποια ενέργεια. Με άγνωστη προς το παρόν προέλευση και με γνωστό αλλά μυστηριώδες όνομα: Μαύρη Ενέργεια. Στο Σύμπαν υποτίθεται αυτή τη στιγμή ότι η ορατή ύλη καταλαμβάνει μόλις το 4%, η μη ορατή ή μαύρη ύλη το 23% και η μαύρη ενέργεια έχει τη «μερίδα του λέοντος» με το 72%. Και για χάρη της προτείνεται τώρα να αλλάξουν κάπως οι εξισώσεις και να προστεθεί κάποιος αριθμητικός όρος που θα αντισταθμίζει την απρόβλεπτη ως τώρα εμφάνιση αυτής της ενέργειας.

* Εναν ακόμη πονοκέφαλο απέκτησαν οι αστρονόμοι και οι κοσμολόγοι με τα δεδομένα από την πτήση των δύο Ρioneer. Ο 10 και ο 11 εκτοξεύθηκαν αρχές της δεκαετίας του ΄70 προς τον πλανήτη Δία και μετά με την επίδραση της μάζας του εκσφενδονίστηκαν κυριολεκτικά έξω από το ηλιακό μας σύστημα. Το «πρόβλημα» προέκυψε όταν παρακολουθώντας στη δεκαετία του ΄80 την πορεία τους διαπιστώθηκε από τα δεδομένα της πτήσης που ακόμη διαρκούσε ότι προχωρούσαν με μικρότερη ταχύτητα απ΄ ό,τι είχε προβλεφθεί. Από το 2006 άλλοι προτείνουν να τροποποιηθούν οι εξισώσεις του Αϊνστάιν και άλλοι πιστεύουν ότι όλα μπορεί να οφείλονται σε ανωμαλίες κατά τη διάρκεια της μακροχρόνιας πτήσης και να μην πειράξουμε τίποτε.

* Υπάρχουν και ερευνητές όπως ο Ισραηλινός Μορντεχάι Μίλγκρομ που από το 1983 με τη θεωρία τη γνωστή ως ΜΟΝD (Μodified Νewtonian Dynamics) υποστηρίζουν ότι δεν υπάρχει αυτή η σκοτεινή και αόρατη για τους ανιχνευτικούς μηχανισμούς μας ύλη. Αρα θα πρέπει να αλλάξει ακόμη και ο νόμος του Νεύτωνα (και κατ΄ επέκταση η θεωρία του Αϊνστάιν) που λέει ότι η επιτάχυνση ελαττώνεται με το τετράγωνο όσο απομακρυνόμαστε από ένα σώμα. Δηλαδή σε διπλάσια απόσταση έχει γίνει τέσσερις φορές πιο μικρή από πριν και σε τριπλάσια απόσταση εννέα φορές. Οταν όμως η επιτάχυνση γίνει πιο μικρή από 0,000000012 εκατοστά ανά δευτερόλεπτο εις το τετράγωνο, τότε δεν ελαττώνεται τό σο απότομα, με το τετράγωνο δηλαδή της απόστασης, αλλά με την απόσταση, σκέτα. Και η δύναμη δεν είναι ανάλογη με τη μάζα αλλά με την τετραγωνική ρίζα της. Η θεωρία ΜΟΝD δεν μας δίνει κάτι άλλο από μια εμπειρική σχέση που επιτρέπει στην ουσία μέσα σε έναν Γαλαξία να ταιριάζουν καλύτερα τα θεωρητικά αποτελέσματα με τις μετρήσεις των αστρονόμων, αλλά έξω από έναν γαλαξία η θεωρία αρχίζει και χάνει έδαφος, οπότε και το να αλλάξουν οι εξισώσεις του Αϊνστάιν κάνει σκεπτικούς πολλούς ερευνητές.

Και όμως αντέχει
Πέρα όμως από αυτόν τον αναθεωρητισμό γύρω από τις εξισώσεις του Αϊνστάιν, έχουμε άλλες περιπτώσεις όπου οι εξισώσεις επιβεβαιώνονται μια χαρά. Οπως είναι η εντυπωσιακή περίπτωση ενός συστήματος δύο παλλόμενων εξαιρετικά πυκνών αστρικών σωμάτων (pulsar). Που είναι ό,τι έμεινε από την έκρηξη δύο άλλων άστρων με πολύ μεγάλη μάζα, νεκρών όμως πια. Υστερα από μια τεράστια έκρηξη, έχουμε το ένα να επηρεάζει το άλλο και μάλιστα να στροβιλίζονται με τέτοιον τρόπο ώστε να θυμίζουν οι γίγαντες αυτοί τον αργό εκείνο υπνωτιστικό κλονισμό της σβούρας γύρω από τον άξονά της. Αυτό ακριβώς προβλέπεται να συμβαίνει όταν χρησιμοποιηθούν οι εξισώσεις του Αϊνστάιν. Αυτό ακριβώς μελετήθηκε και αποδείχθηκε ότι συμβαίνει στην πραγματικότητα παρακολουθώντας το σύστημα ΡSR J0737-3039Α/Β των pulsars. Με ευτυχή κατάληξη το να επιβεβαιωθούν για άλλη μία φορά τα αποτελέσματα των εξισώσεων.

Πέρα όμως και από την κλασική πια επιτυχία του 1919, με την τροχιά του πλανήτη Ερμή, που παρουσίαζε μια ολίσθηση γύρω από τον Ηλιο, η οποία εξηγήθηκε από τη φρέσκια τότε Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, έχουμε πλέον τη δυνατότητα να περνάμε από ελέγχους τις αϊνσταϊνικές εξισώσεις κάνοντας τερατώδεις σε ποσότητα υπολογισμών προσομοιώσεις. Οπως αυτή που εξετάζει το τι γίνεται αν πλησιάσουν και συγχωνευθούν δύο μαύρες οπές. Επί είκοσι χρόνια αυτό ήταν ένα άλυτο πρόβλημα και μόλις το 2005 έγινε δυνατόν να προσομοιωθεί ο χωροχρόνος των 4 διαστάσεων, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν να αντιμετωπιστούν σαν να περιγράφουν κύματα και τελικά να μπορείς να παρακολουθήσεις στον υπολογιστή την εξέλιξη της συγχώνευσης δύο γιγάντων κλεισμένων σε σκληρούς δίσκους.