Εκατό χρόνια χωρόχρονος – Ενα ορόσημο στην πορεία της σύγχρονης φυσικής

0
68

Κωνσταντίνος Ε. Βαγιονάκης* 

H ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, την οποία ο Αlbert Εinstein πρότεινε τον Ιούνιο του 1905, εγκαινίασε μια νέα κινηματική, σύμφωνα με την οποία, για αρκούντως μεγάλες ταχύτητες, οι χωρικές και οι χρονικές συντεταγμένες που αντιλαμβάνονται και μετρούν οι παρατηρητές διαφέρουν, αλλά συσχετίζονται και αλληλεξαρτώνται, και δεν είναι δυνατόν να μιλάμε ξεχωριστά για χώρο και για χρόνο. Η σχετικότητα του χώρου και του χρόνου αποτέλεσε βασική σύλληψη της νέας επαναστατικής θεώρησης της φυσικής πραγματικότητας. Οταν όμως ο Εinstein πρότεινε τους μετασχηματισμούς που περιγράφουν τη σχέση των συντεταγμένων των γεγονότων σε διαφορετικά συστήματα αναφοράς- και τους οποίους λίγο πριν είχε επεξεργαστεί ο Ηendrik Lorentz, γι΄ αυτό και ονομάζονται μετασχηματισμοί Lorentz- δεν αναφέρθηκε σε κάποιο ενιαίο γεωμετρικό πλαίσιο. Αυτό που έκανε είναι ότι παρουσίασε τη νέα κινηματική ως τη μόνη φυσική πραγματικότητα. 

Εκείνος που υπέδειξε ότι οι μετασχηματισμοί Lorentz μπορεί να θεωρηθούν ως έκφραση μιας υποκείμενης γεωμετρίας ήταν ο Ηermann Μinkowski, ο οποίος τρία χρόνια μετά, το 1908, εισήγαγε την έννοια του «χωρόχρονου των γεγονότων». Η γεωμετρία του χωρόχρονου βασίστηκε στον τρόπο που καθόριζε ένα νέο είδος χωροχρονικής απόστασης ανάμεσα στα γεγονότα, η οποία συνδύαζε χώρο και χρόνο: σε διαφορετικά συστήματα αναφοράς οι παρατηρητές διαφωνούν για τις χωρικές αποστάσεις και τα χρονικά διαστήματα μεταξύ των γεγονότων, αλλά συμφωνούν για τη χωροχρονική απόσταση. Αν και στην αρχή η γεωμετρία του χωρόχρονου φάνηκε απλά σαν μια ενδιαφέρουσα κατασκευή, γρήγορα έγινε αντιληπτό ότι η σχετικότητα του Εinstein θα πρέπει να θεωρηθεί ως μια περιγραφή του χωρόχρονου των γεγονότων και της γεωμετρίας του, με τους μετασχηματισμούς Lorentz να αποτελούν ένα είδος στροφής σε αυτή τη χωροχρονική γεωμετρία. Εκτοτε, έγινε γενικά παραδεκτό (και όχι άδικα) ότι μόνο μέσα στο πλαίσιο της τετραδιάστατης χωροχρονικής θεώρησης η θεωρία της σχετικότητας βρήκε το πλήρες νόημά της. 

Η τεχνική εργασία του Μinkowski, στην οποία ανάπτυξε τον φορμαλισμό του τετραδιάστατου χωρόχρονου, αναδιατυπώνοντας την ειδική σχετικότητα, δημοσιεύτηκε τον Απρίλιο του 1908. Ο Μinkowski ήταν μαθηματικός και η εργασία του χρησιμοποιούσε έναν αφηρημένο μαθηματικό συμβολισμό, όχι ιδιαίτερης βοήθειας στους φυσικούς. Μολονότι η αφηρημένη διατύπωση του Μinkowski απλοποιήθηκε γρήγορα, το πιο καθοριστικό ίσως συμβάν, που στάθηκε αφορμή για την αναγνώριση της σημασίας και τη διάδοση του νέου τρόπου αναπαράστασης της φυσικής πραγματικότητας, υπήρξε μια διάλεξη που έδωσε ο Μinkowski τον Σεπτέμβριο του 1908 στην 80ή Συνέλευση των Γερμανών Φυσικών Επιστημόνων στην Κολονία και που θεωρήθηκε ορόσημο στην πορεία για την κατανόηση του χώρου και του χρόνου. Τόσο ο δραματικός τόνος όσο και η μη τεχνική φύση της διάλεξης της Κολονίας, στην οποίαν ο Μinkowski αγωνίστηκε να μεταδώσει σε ένα μεγάλο ακροατήριο τον δικό του ενθουσιασμό για το νέο όραμα και την επαναστατική φύση της έννοιας του χωρόχρονου, συνέτειναν αποφασιστικά στο να εξάψουν τη φαντασία και να προκαλέσουν το ενδιαφέρον των επιστημόνων. Ο αιφνίδιος μάλιστα θάνατος (από σκωληκοειδίτιδα) λίγους μήνες αργότερα (τον Ιανουάριο του 1909) του νέου ακόμη (44χρονου) Μinkowski προσέδωσε μιαν αύρα ρομαντισμού στο κύκνειο άσμα του. Ο τετραδιάστατος χωρόχρονος αποτέλεσε, χωρίς αμφιβολία, μια εννοιολογική καινοτομία και οδήγησε σε όλες τις λαμπρές επιτυχίες της σύγχρονης Φυσικής. Πράγματι, η γεωμετρία του χωρόχρονου υπήρξε η βάση που επέτρεψε στον Εinstein να διατυπώσει το 1915 τη γενική σχετικότητα, που περιγράφει τη βαρύτητα. Στην ειδική σχετικότητα, που εφαρμόζεται μόνο σε ειδικές περιπτώσεις όταν απουσιάζουν βαρυτικές επιδράσεις, ο χωρόχρονος είναι, όπως λέγεται, «επίπεδος». Η γενική σχετικότητα, από την άλλη, περιγράφει τις βαρυτικές επιδράσεις συναρτήσει «καμπύλων» χωρόχρονων, που έχουν μια φυσική σύνδεση με τη βαρύτητα. Η γενική σχετικότητα υπήρξε η πρώτη, και ως σήμερα η απλούστερη, θεωρία που χρησιμοποιεί καμπύλους χωρόχρονους για να περιγράψει τις βαρυτικές επιδράσεις. Είναι αξιοσημείωτο ότι η απλούστερη θεωρία έχει περάσει μέχρι τώρα κάθε λεπτομερή σχετικό πειραματικό έλεγχο, και μπορεί να τροποποιηθεί ελαφρά εισάγοντας τη λεγόμενη «κοσμολογική σταθερά», την οποία πάλι εισήγαγε ο Εinstein (αν και για λάθος λόγο) και που σήμερα θεωρείται ότι παίζει σημαντικό ρόλο στη δυναμική της διαστολής του Σύμπαντος. Αλλά δεν ήταν μόνο η γεωμετρία του χωρόχρονου που επέτρεψε τη διατύπωση της γενικής σχετικότητας ως θεωρίας της βαρύτητας. Ο τετραδιάστατος χωροχρονικός φορμαλισμός ενσωματώθηκε πλήρως στην κβαντική θεωρία, οι αρχές της οποίας μορφοποιήθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 1920, και επέτρεψε τη διατύπωση της σχετικιστικής κβαντικής θεωρίας των πεδίων. Ως το τέλος του 20ού αιώνα, αυτή οδήγησε στο λεγόμενο καθιερωμένο πρότυπο της Σωματιδιακής Φυσικής, που περιγράφει όλες τις υπόλοιπες- πλην της βαρύτητας- αλληλεπιδράσεις της φύσης- ηλεκτρομαγνητικές, ασθενείς πυρηνικές και ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις. Την ίδια στιγμή όμως ο χωροχρονικός φορμαλισμός φαίνεται να μας κληρονόμησε και δυσκολίες τόσο σε φυσικό όσο και σε εννοιολογικό επίπεδο. Σε φυσικό επίπεδο, τεχνικά παραμένει βαθιά προβληματική μια ενιαία κατανόηση γενικής σχετικότητας και σχετικιστικής κβαντικής θεωρίας πεδίων. Σε εννοιολογικό επίπεδο, η έννοια του χωρόχρονου, όπου ο χρόνος αντιμετωπίζεται ως μια διάσταση, η τέταρτη απέναντι στον τρισδιάστατο χώρο, έφερε μαζί της μιαν ορισμένη αντίληψη για τον χρόνο και τον χώρο, που παραμένει αινιγματική. Ηδη στη διάλεξη της Κολονίας υπάρχει μια φημισμένη πρόταση του Μinkowski: «Από ΄δώ και πέρα, ο χώρος καθεαυτός και ο χρόνος καθεαυτός είναι καταδικασμένοι να ξεθωριάσουν σε απλές σκιές, και μόνο ένα είδος ένωσης των δύο θα διατηρήσει μιαν ανεξάρτητη πραγματικότητα.» Ομως, αν και αντιμετωπίζουμε, φυσικά και μαθηματικά, τον τετραδιάστατο χωρόχρονο ως βάση για την περιγραφή της φυσικής πραγματικότητας, είναι δυνατόν να σκεφτούμε, φιλοσοφικά και υπαρξιακά, τον χώρο και τον χρόνο ως απλές σκιές; Ο τετραδιάστατος χωρόχρονος, που αντικατέστησε τον τρισδιάστατο χώρο συν τον χρόνο, οδήγησε στην αντίληψη σύμφωνα με την οποίαν μπορούμε να φανταστούμε ότι ολόκληρη η πραγματικότητα παριστάνεται από έναν τετραδιάστατο χωροχρονικό χάρτη, πάνω στον οποίον το μόνο που αντιλαμβανόμαστε πραγματικά είναι η ολότητα του χωρόχρονου. Ετσι, όπως αντιλαμβανόμαστε ότι όλος ο χώρος υπάρχει πραγματικά, με τον ίδιο τρόπο θα πρέπει να αντιληφθούμε ότι και όλος ο χρόνος υπάρχει πραγματικά, και όλες οι χρονικές στιγμές είναι εξίσου παρούσες. Κατά συνέπεια, αν και παρελθόν, παρόν και μέλλον ασφαλώς εμφανίζονται ως διακεκριμένες οντότητες, στην πραγματικότητα η χωροχρονική εικόνα συνεπάγεται μιαν «άχρονη» φυσική πραγματικότητα, και η «ροή του χρόνου» δεν είναι παρά ένα είδος ψευδαίσθησης. Ο ίδιος ο Εinstein δεν είναι αμέτοχος στη διάδοση αυτής της αντίληψης. Στο γνωστό εκλαϊκευτικό βιβλίο του «Relativity, Τhe Special and General Τheory: Α Ρopular Εxposition» γράφει: «Από ένα “συμβάν” στον τρισδιάστατο χώρο, η Φυσική γίνεται, όπως ήταν, μια “ύπαρξη” στον τετραδιάστατο “κόσμο”… οι έννοιες “συμβαίνει” και “γίγνεσθαι” δεν αίρονται πράγματι πλήρως, αλλά περιπλέκονται. Φαίνεται λοιπόν πιο φυσικό να σκεφτούμε τη φυσική πραγματικότητα ως μια τετραδιάστατη ύπαρξη, αντί, όπως μέχρι τώρα, ως εξέλιξη μιας τρισδιάστατης ύπαρξης». Και σε ένα φημισμένο γράμμα του προς τη χήρα του παλαιού του φίλου Μichele Βesso, λίγο πριν και τον δικό του θάνατο, γράφει: «Τώρα, έφυγε από αυτόν τον παράξενο κόσμο λίγο πριν από μένα. Αυτό δεν σημαίνει τίποτα. Για μας, Φυσικούς στην ψυχή, η διάκριση μεταξύ παρελθόντος, παρόντος και μέλλοντος είναι μόνο μια πεισματικά επίμονη ψευδαίσθηση». Η αντίληψη αυτή εγείρει μια σειρά θεμελιακών ερωτημάτων σχετικά με την τύχη του κόσμου, που μας προξενούν απορία: μήπως το μέλλον είναι «ήδη εκεί» και απλώς περιμένει να κινηθούμε προς αυτό; Και παραπέρα, πώς η αντίληψη αυτή συμβιβάζεται με την υπαρξιακή μας συνείδηση για μια ρέουσα πραγματικότητα, που καταγράφει την ιστορία σαν μια δυναμική διαδικασία που ξεδιπλώνεται στον χώρο και αναπτύσσεται στον χρόνο, μια συνείδηση τόσο κυριαρχική που μας είναι αδύνατο να την απορρίψουμε και να πιστέψουμε ότι πρόκειται μόνο για ψευδαίσθηση; Χωρίς αμφιβολία, εκατό χρόνια μετά την εισαγωγή του, ο τετραδιάστατος χωρόχρονος είναι το καλύτερο πλαίσιο που έχουμε όταν συζητάμε για τη φυσική πραγματικότητα, όμως τα μεγάλα αινίγματα της αληθινής, θεμελιώδους φύσης του χώρου και του χρόνου παραμένουν ανοικτά.  

* Καθηγητής της θεωρητικής φυσικής στο πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

πηγή: ΒΗΜΑ ΙΔΕΩΝ    

Σχολιάστε:

Πληκτρολογήστε το σχόλιό σας
Please enter your name here