Αλέξανδρος Κατέρης, Φυσικός, ΜSc, PhD 2ο Πειραματικό Γενικό Λύκειο Αθήνας

Τι είναι χώρος? Τι είναι χρόνος? Ερωτήματα που θα μας απασχολουν πάντα.. Βρισκόμαστε στη μέση μιας επιστημονικής επανάστασης: Νέοι επιστήμονες συνεχίζουν σήμερα αυτό που ο Einstein άρχισε!

Με τον Einstein άρχισε άλλη μία επιστημονική επανάσταση πριν 100 χρόνια: Νέες ιδέες διατυπώθηκαν: Κβαντική φυσική Σχετικότητα Ατομική Φυσική Η επανάσταση συνεχίστηκε.. Διαστελλόμενο σύμπαν Στοιχειώδη σωματίδια Πότε τέλειωσε αυτή η επανάσταση ? Όχι ακόμη, το πιθανότερο σενάριο είναι και σε 200 χρόνια να είναι ακόμη εδώ...

Ποιες είναι οι ερωτήσεις που απασχολούν αυτή την Επιστημονική επανάσταση: Τι είναι χώρος? Τι είναι χρόνος? Τι είναι ύλη? Ποιοι είναι οι νόμοι? Τι είναι το σύμπαν και από τι αποτελείται? Τι είναι ζωή? Πως όλες οι παραπάνω ερωτήσεις συνδυάζονται?

Παλαιότερες επιστημονικές επαναστάσεις Κεντρική προσωπικότητα: Sir Isaak Newton Ξεκίνησε : Κοπέρνικος, De revolutionibus 1543 Galileo, Descartes, Kepler.... Ολοκληρώθηκε: Newton, Principia 1687 Κεντρική προσωπικότητα: Αριστοτέλης Ξεκίνησε : Αριστοτέλης, Δημόκριτος, Προσωκρατικοί φιλόσοφοι~ 350π.Χ Ολοκληρώθηκε : Πτολεμαίος Almagest ~150 μ.Χ Άρα οι επαναστάσεις διαρκούν πολύ χρόνο... Και είναι λογικό αφού τα αλλάζουν όλα!

Ποιες είναι οι απαντήσεις στην Επιστημονική Επανάσταση με κεντρικό πρόσωπο τον Αριστοτέλη?: Πως αντιλαμβάνεται το σύμπαν? -Ομόκεντρες στρεφόμενες σφαίρες, με τη γη στο κέντρο ενώ εξωτερικά της υποσελήνιας σφαίρας κυριαρχεί η πεμπτουσία. -Πως αντιλαμβάνεται το χώρο? -Πεπερασμένο, -Με αυστηρά όρια -με απόλυτο κέντρο -Καθόλου κενός χώρος, Ανυπαρξία κενού Πως αντιλαμβάνεται το χρόνο? Οι αλλαγές συμβαίνουν μόνο στη σφαίρα που εφάπτεται με τη γήινη και έχει όριο τη Σελήνη. Η σφαίρα περιστρέφεται αιώνια.

Τι είναι ύλη? Γήινη Σφαίρα: Γη, νερό, φωτιά, αέρας. Πάνω από αυτήν: Πεμπτουσία Ποιοι είναι οι νόμοι? Το οτιδήποτε έχει μία φυσική κίνηση: Πεμπτουσία: Κυκλική Γη, Νερό: Προς το κέντρο Aέρας, Φωτιά: Προς τον ουρανό. Τι είναι ζωή? Βιολογική, υψηλότατη μορφή της ύλης Γιατί στο σύμπαν μπορούν να φιλοξενηθούν ζωντανοί οργανισμοί? Η Γήινη σφαίρα έχει δημιουργηθεί για εμάς.. Πως όλες οι παραπάνω απαντήσεις συνδυάζονται? Ο Θεός ελέγχει τα πάντα

Ο Κατήφορος προς το σκοτάδι 642μΧ η πτώση της Αλεξάνδρειας Μετά από 14-μηνη πολιορκία από Αραβικά στρατεύματα, η Αλεξάνδρεια καταστρέφεται. Η μεγάλη βιβλιοθήκη καταστρέφεται συθέμελα  Μεσαίωνας (700 μ.Χ – 1400 μΧ) Η Δύση μπαίνει σε μία περίοδο στασιμότητας Την Ελληνική Αστρονομία διαδέχεται η Αραβική και Ινδική. Οι γνώσεις διατηρούνται και επεκτείνονται σε Μουσουλμανικές σχολές στη Βαγδάτη. 

Η μεγάλη αφύπνιση 760 μ.Χ Ισλαμιστές ηγέτες στη Βαγδάτη χορηγούν μεταφρασμένα βιβλία της Αρχαίας Ελληνικής γραμματείας.  1000 μ.Χ Η Ισλαμική Αυτοκρατορία επεκτείνεται στην Ισπανία. Η Ελληνική-Αραβική επιστήμη εισέρχεται στη Δύση 1400 μ.Χ Βαθμιαία, η Δύση αρχίζει να ξυπνάει από το βαθύ λήθαργο 

Δεν υπάρχει απόλυτη «ακινησία» Οι νόμοι της Φυσικής είναι ακριβώς ίδιοι για τον οποιδήποτε κινείται με σταθερή ταχύτητα κατά μήκος ευθείας γραμμής Galileo Galilei (1564-1642))

“Απόλυτος χώρος, χωρίς να λαμβάνει υπόψη τίποτα εξωτερικό, παραμένει συνέχεια ίδιος και ακίνητος. Σχετικός χώρος είναι κάποιες κινούμενες διαστάσεις, ή η μέτρηση του απόλυτου χώρου που οι αισθήσεις μας καθορίζουν, από τις θέσεις των σωμάτων και οι οποίες λαμβάνονται ως απόλυτος χώρος... Και έτσι αντί για απόλυτους χώρους και κινήσεις, χρησιμοποιούμε σχετικούς” Ο χώρος είναι απόλυτος Οι μετρήσεις όμως γίνονται μόνο σχετικά με άλλα αντικείμενα που βρίσκονται σε αυτόν. Isaac Newton (1643-1727)

“Απόλυτος, αληθινός, Μαθηματικός χρόνος… ρέει ομοιόμορφα χωρίς να λαμβάνει υπόψη τίποτα εξωτερικό … Σχετικός, Φαινόμενος, κοινός Ο χρόνος είναι κάτι αντιληπτό και εξωτερικό (είτε σταθερός είτε ευμετάβλητος) που μετρά τη διάρκεια υπό την έννοια της κίνησης, που συνήθως χρησιμοποιείται αντί του Πραγματικού χρόνου ; Όπως μία ώρα, μία μέρα, ένας μήνας , ή ένας χρόνος.” Ο χρόνος είναι απόλυτος, αλλά εμείς μετράμε σχετικό χρόνο

Ποιες είναι όμως οι απαντήσεις στην επιστημονική επανάσταση με κεντρική προσωπικότητα τον Newton: Πως αντιλαμβάνεται το χώρο? Απόλυτο, άπειρο και αιώνιο. 3 διάσταστος Ευκλείδειος χώρος. Προτείνεται ένα απόλυτο υπόβαθρο, που ορίζει που τα σώματα βρίσκονται και με ποιο τρόπο κινούνται. O Newton είπε: “Tο μυαλό του Θεού.” Τι είναι χρόνος? Μία απόλυτη ακολουθία, με βάση την οποία μετρώνται όλες οι μεταβολές. Ρέει ανεξάρτητα με το αν γεγονότα συμβαίνουν ή όχι. Τι είναι ύλη? Σωμάτια: σημεία που κινούνται Πεδία: Έχουν ισχύ σε κάθε σημείο του χώρου

Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 - 1716)

Leibniz: Η αρχή της επαρκούς αιτίας. Σε κάθε ερώτηση, γιατί το σύμπαν μοιάζει με το X και όχι με το Y, πρέπει να υπάρχει μία λογική δικαιολογία. “Ο θεός δεν μπορεί να κάνει κάτι χωρίς λογική δικαιολογία.” Παράδειγμα: Γιατί το σύμπαν βρίσκεται εδώ, και όχι κάποια χιλιόμετρα πιο αριστερά? Δεν μπορεί να υπάρχει λογική αιτία, καθώς όλες οι δυνάμεις εξαρτώνται από τις σχετικές απόστάσεις. Άρα, δεν υπάρχει λογική αιτία για το αν το σύμπαν βρίσκεται εδώ, και όχι κάποια χιλιόμετρα πιο αριστερά. Άρα μόνο η σχετική θέση έχει σημασία.

Η παραπάνω αρχή μπορεί να εφαρμοστεί και για το χρόνο: Γιατί το σύμπαν δημιουργήθηκε τότε και όχι μία ώρα αργότερα ? Δεν μπορεί να υπάρχει λογική αιτία, καθώς όλα τα γεγονότα σχετίζονται με τον σχετικό χρόνο. Άρα ό χρόνος πρέπει να είναι μέτρηση σχέσεων ανάμεσα σε γεγονότα . Δεν μπορεί να υπάρχει απόλυτη έννοια του πότε κάτι συμβαίνει. Άρα, χώρος και χρόνος πρέπει να είναι σχετικά και όχι απόλυτα!

Ernst Mach, 1838-1916

Ο Ernest Mach διατύπωσε στα τέλη του 19ου αιώνα τις εξής απόψεις: Δεν αισθανόμαστε τίποτα όταν κινούμαστε με σταθερή ταχύτητα σε σταθερή κατεύθυνση. Αντίθετα αντιλαμβανόμαστε όταν περιστρεφόμαστε ή επιταχυνόμαστε. Αλλά ποια είναι η αιτία που αισθανόμαστε την περιστροφή? Το σύστημα ως προς το οποίο περιστρεφόμαστε μας επηρεάζει? Για τον Newton, περιστρεφόμαστε ως προς τον απόλυτο χώρο. Αλλά αν δεν υπάρχει απόλυτος χώρος, πρέπει να περιστρεφόμαστε ως προς κάτι πραγματικό. Mach: “Αισθανόμαστε την περιστροφή διότι περιστρεφόμαστε ως προs απομακρυσμένα άστρα”

Η αρχή του Mach: “Αν μπορούσαμε να παραμένουμε ακίνητοι και τα ακίνητα άστρα να περιστρέφονται γύρω μας, θα αισθανόμαστε ακριβώς το ίδιο όπως όταν περιστρεφόμαστε εμείς.”

Τι κατάφερε ο Einstein ? Ο απλούστερος τρόπος να πούμε τι κατάφερε ο Einstein είναι, σε συμφωνία με τη θεωρία του Mach, να προτείνει και να αποδείξει ένα πλήρως σχετικιστικό μοντέλο για το χώρο και το χρόνο.

Albert Einstein 1879-1955 Νόμπελ Φυσικής 1921

ΓΗ Πανω Κατω

Άλλαξε τον ορισμό του χρόνου: “It might appear possible to overcome all the difficulties attending the definition of ‘time’ by substituting ‘the position of the small hand of my watch’ for ‘time’ ”. Example: By “ ‘That train arrives here at 7 o’clock,’ I mean something like this: ‘The pointing of the small hand of my watch to 7 and the arrival of the train are simultaneous events’ ” - famous 1905 Einstein paper

Ως προς τον Jack, το φως από τα δύο βαγόνια κάνει τον ίδιο χρόνο για να φτάσει σε αυτόν Ως προς τον John, πρώτα φτάνει το φως από το βαγόνι Β και μετά από το βαγόνι Α Η έννοια του ταυτόχρονου είναι σχετική – Γεγονότα που συμβαίνουν στον ίδιο χρόνο σε ένα σημείο μπορεί να συμβαίνουν σε διαφορετικούς χρόνους σε κάποιο άλλο.

Χρειαζόμαστε φωτεινά σήματα για να συζητήσουμε για χώρο και χρόνο Ο John στέλνει ένα φωτεινό σήμα για να μαρκάρει τα άκρα του τραίνου στο οποίο επιβαίνει Για κάποιον αδρανειακό παρατηρητή στο έδαφος, το σήμα θέλει περισσότερο χρόνο να φτάσει στο άκρο του Βαγονιού Β και μικρότερο να φτασει στο άκρο του Α! Χρειαζόμαστε φωτεινά σήματα για να συζητήσουμε για χώρο και χρόνο Σχετικότητα του ταυτόχρονου-> Σχετικότητα στο μήκος! Ένα κινούμενο τραίνο φαίνεται μικρότερο!

-Οι νόμοι της Φυσικής είναι οι ίδιοι για όλους τους αδρανειακούς παρατηρητές -Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι ίδια για όλους τους αδρανειακούς παρατηρητές Το σύμπαν είναι οικονομικό...

Ερώτηση: Εάν δεν συμφωνούμε στις μετρήσεις, τότε σε τι μπορούμε να συμφωνήσουμε? Απάντηση: Η ταχύτητα του φωτός είναι η ίδια για όλους τους παρατηρητές! Για ένα παρατηρητή τα σώματα που κινούνται μπορεί να φαίνονται: Αλλά οι ταχύτητες πρέπει να είναι πολύ μεγάλες για να παρατηρηθεί αυτή η διαφορά. Μπορείς να κινείσαι όλο και πιο γρήγορα, αλλά ποτέ δε θα αγγίξεις την ταχύτητα του φωτός! Ο χώρος και ο χρόνος συνενώνονται σε. . . Χωρόχρονο! Μικρότερα Πιο αργά Βαρύτερα

Ο επιταχυντής του Fermilab επιτάχυνε πρωτόνια σε: 0.9999995 x (ταχύτητα φωτός) Κάθε δευτερόλεπτο, περιστρέφονται γύρω από το δακτύλιο περιμέτρου 4μιλίων, 50,000 φορές! Τα πρωτόνια: Φαίνονται 1000 φορές βαρύτερα. Φαίνονται 1000 φορές λεπτότερα. Έχουν ρολόγια στα οποία ο χρόνος τρέχει 1000 φορές πιο αργά. 4 MILES

Ο χρόνος, δεν επηρεάζεται μονο απο την ταχύτητα , αλλά και απο τον χώρο. Ενα ρολόι το οποίο βρίσκεται στην κορυφή ενός ψηλού βουνού, τρέχει γρηγορότερα από ένα ρολόι στην θάλασσα. Όσο πιο ισχυρή γίνεται η βαρύτητα, τοσο πιο αργά περνάει ο χρόνος

Χώρος και χρόνος καμπυλώνεται από την ύλη www.unmuseum.org Αυτό οφείλεται στη βαρύτητα! Τα ουράνια σώματα κινούνται “όσο ευθύγραμμα μπορούν”!

Μάϊος 1919 Η έκλειψη που άλλαξε το σύμπαν . . . Και απέδειξε ότι ο Einstein είχε δίκιο! Ο χώρος καμπυλώνεται από τη βαρύτητα του ήλιου! . . . www.unmuseum.org

Φασματικές γραμμές neon hydrogen

Μετατόπιση προς το κόκκινο (Ένα αντικείμενο απομακρύνεται από εμάς) Μετατόπιση προς το μπλε (Ένα αντικείμενο μας πλησιάζει) www.astro.ucla.edu/%7Ewright/doppler.htm

Μεγάλη έκρηξη Μία φωτογραφία από το Hubble Space Telescope Ότι βλέπεται είναι γαλαξίες με ~100,000,000,000 αστέρια Και όλα απομακρύνονται από εμάς, RED SHIFT . . . Διαστελλόμενο σύμπαν! Ο Dr. Hubble το ανακάλυψε Μεγάλη έκρηξη 13.5 δισ χρόνια πριν!

Η κοσμολογική σταθερά Η μεγαλύτερη γκάφα του Einstein.. Ή η μεγαλύτερη κληρονομιά του? Μία άποψη ενός επιταχυνόμενου σύμπαντος

Μαύρες Τρύπες From Astronomy Picture of the Day www.phy.mtu.edu/apod/ap971107.html Η μαύρη τρύπα είναι αόρατη, αλλά μπορεί να δεις πολύ υλικό γύρω της!!

Το Hubble αποκάλυψε ένα δίσκο από σκόνη γύρω από μία γιγάντια μαύρη τρύπα

Πως πέτυχε ο Einstein να φτιάξει τη σχετικιστική θεωρία Για το χώρο και το χρόνο? Το σημείο κλειδί είναι ότι έκανε τη δυναμική γεωμετρία του χώρου και του χρόνου. Η Γεωμετρία του χώρου και του χρόνου καθορίζει τρία πράγματα: Μετρήσεις απόστασεων, χρόνου και όγκου. Ποιες κινήσεις είναι επιταχυνόμενες και ποιες όχι. Ποια γεγονότα μπορούν αιτιολογικά να επηρεάσουν άλλα. (επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή) Στη θεωρία του Einstein, όλα αυτά είναι αποτελέσματα των σχέσεων μεταξύ των γεγονότων. Τα γεγονότα δεν είναι απόλυτα. Αλλά εκτελίσσονται δυναμικά, υπακούωντας τους νόμους.

Κβαντική θεωρία: Κύματα και σωματίδια Η αρχή της αβεβαιότητας Η γάτα του Schroedinger Ποια είναι η βασική αρχή?

Luis De Broglie 1892-1987 Νόμπελ Φυσικής 1929

Eξίσωση de Broglie

Werner Heisenberg 1901-1976 Νόμπελ Φυσικής 1932

Το γινόμενο της αβεβαιότητας (ή του σφάλματος) στον καθορισμό της θέσης ενός μικρού σωματιδίου Δx και της αβεβαιότητας (ή του σφάλματος) στον καθορισμό της ορμής Δp δεν μπορεί να γίνει μικρότερη από h/4π. Αν υποθέσουμε ότι γνωρίζουμε με απόλυτη ακρίβεια τη θέση ενός μικρού σωματιδίου, δηλαδή Δx=0, τότε έχουμε απόλυτη άγνοια για την ορμή αυτού, δηλαδή Δp=. Επίσης, αν γνωρίζουμε με απόλυτη ακρίβεια την ορμή ενός μικρού σωματιδίου, δηλαδή Δp=0, τότε έχουμε απόλυτη άγνοια για τη θέση που βρίσκεται το σωματίδιο, δηλαδή Δx=.

Erwin Schrödinger 1887-1961 Νόμπελ Φυσικής 1933

Οι αρχές της κοινωνίας μας παραλληλίζονται με τις ιδέες μας για το χώρο και το χρόνο:

-Όλες οι ιδιότητες ορίζονται με βάση την ιεραρχία -Παρατηρητής/Θεός είναι σε πλήρη κυριαρχία έξω από το σύμπαν -Η κοσμολογία του Αριστοτέλη Μεσαιωνική Κοινωνία

Όλες οι ιδιότητες του ορίζονται με σεβασμό σε ένα απόλυτο, αιώνιο υπόβαθρο του χώρου και του χρόνου Όλα τα σώματα εξίσου έχουν ιδιότητες properties ανεξάρτητες από τα άλλα σώματα Παντογνώστης, “Θεός”, βρίσκεται έξω από το σύμπαν και δε συμμετέχει στα τεκταινόμενα σε αυτό. Νευτώνεια Φυσική Φιλελεύθερη πολιτική και κοινωνίες που ζουν με κανόνες (νόμους)

-Το σύμπαν είναι συνεχώς εξελισσόμενο δίκτυο σχέσεων . -Όλες οι ιδιότητες αποτελούν σχέσεις μεταξύ υποσυστημάτων. -Καμία θέα ή παρατηρητής εκτός σύμπαντος: μόνο εσωτερικοί παρατηρητές με μερική θέαση στο σύμπαν. Γενική Σχετικότητα Κβαντική θεωρία Πολύπλοκα Oικονομικοπολιτικά συστήματα στηριζόμενα σε αντίστοιχο νομικό υπόβαθρο

Υπάρχουν 5 πολύ σημαντικά προβλήματα: Η επάρκεια της Κβαντικής Μηχανικής. Είναι η σωστή θεωρία, ή άλλη μία προσωρινή θεωρία? Το πρόβλημα των παραμέτρων στο καθιερωμένο πρότυπο. Το πρόβλημα της ενοποίησης των δυνάμεων και των σωματιδίων. Τι είναι σκοτεινή ύλη? Τι είναι σκοτεινή ενέργεια? Το πρόβλημα της κβαντικής βαρύτητας Γίνονται δειλά βήματα, πολλές ιδέες, αλλά σε κανένα δεν υπάρχει σημαντική πρόοδος

Ευχαριστώ!