ΑΪΝΣΤΑΪΝ : Αναζητώντας τον μόνο φυσικό νόμο

Τα τελευταία τριάντα χρόνια της ζωής του o Aϊνστάιν επιχείρησε να συγκροτήσει μια τελική ενοποιημένη θεωρία πεδίου

Επιμέλεια: Στεφανος Xελιεδονης

Οι New York Times της 12ης Ιανουαρίου 1929 έγραφαν στην πρώτη σελίδα τους ότι ο Einsteiθεωρούσε το νέο του, τότε, έργο -την προσπάθεια προς μια ενιαία θεωρία πεδίου, η οποία θα ενοποιούσε τη θεωρία του για τον χωρόχρονο και τη βαρύτητα με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία- ως μακράν την πιο σημαντική του συνεισφορά στην ανθρωπότητα και επιστημονικά περισσότερο σημαντική από τη θεωρία της σχετικότητας. Το όνομα του Albert Einsteiείχε ήδη ταυτιστεί με τη θεωρία της σχετικότητας, η οποία είχε αποκτήσει τεράστια δημοσιότητα. Ο προσδιορισμός «θεωρία της σχετικότητας» συμπεριλαμβάνει δύο διακριτές και σχετικά ανεξάρτητες θεωρίες της Φυσικής: τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας (1905) και τη θεωρία της γενικής σχετικότητας (1916). Η ειδική θεωρία της σχετικότητας ανατρέπει από φυσική σκοπιά τη μέχρι τότε ισχύουσα κινηματική, τους νόμους δηλαδή που αναφέρονται στις σχέσεις με τον χώρο και τον χρόνο. Οσο για τη γενική θεωρία της σχετικότητας, αυτή ουσιαστικά συνιστά μια νέα θεωρία για τη βαρύτητα. Το επόμενο βήμα ήταν να περιληφθεί ο ηλεκτρομαγνητισμός σε μια ενοποιημένη θεωρία πεδίου. Η αναζήτηση για μια τελική θεωρία, για έναν και μόνο νόμο της φύσης, συνεχίζεται, καθώς μέχρι σήμερα οι επιστήμονες δεν έχουν κατορθώσει να ενσωματώσουν τη βαρύτητα. Μπορεί η απόπειρα του Einsteiγια τη συγκρότηση μιας ενοποιημένης θεωρίας πεδίου -στην οποία αφιέρωσε τα τελευταία τριάντα χρόνια της ζωής του- τελικά να μην ήταν επιτυχής, όμως με αυτή διεύρυνε τους ορίζοντές μας. Σήμερα, με τα πειράματα που εκτελούνται στον νέο μεγάλο επιταχυντή του CERN (Conseil Europeenne pour la Recherche Nucleaire), του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών, στα γαλλοελβετικά σύνορα δυτικά της Γενεύης, οι επιστήμονες ελπίζουν να έρθουν πιο κοντά σε μια τελική θεωρία των δυνάμεων της φύσης.

Διεύρυνε τους ορίζοντές μας προς άγνωστες περιοχές

Του Θεοδωρου Kρητικου*

Η κατανόηση της τεράστιας ποικιλίας των φυσικών φαινομένων με έναν όσο το δυνατόν ενοποιημένο και λογικά αναπόφευκτο τρόπο συνιστά έναν από τους πρωταρχικούς στόχους της θεωρητικής φυσικής. Οι σημαντικές εξελίξεις κατά το παρελθόν πέτυχαν ήδη αξιοσημείωτα βήματα προς τον σκοπό αυτό. Ας επισημάνουμε την ενοποίηση της επίγειας με την ουράνιο μηχανική από τον Isaac Newton (1642-1727) κατά τον 17ο αιώνα, την ενοποίηση της οπτικής με τις θεωρίες για τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό από τον James Clerk Maxwell (1831-79) κατά τον 19ο αιώνα, την ενοποίηση της γεωμετρίας του χωρόχρονου με τη θεωρία για τη βαρύτητα από τον Albert Einstein (1879-1955) τις χρονιές 1905 και 1916, και την ενοποίηση εντέλει της χημείας με την ατομική φυσική μέσω της κβαντικής μηχανικής στη διάρκεια της δεκαετίας του 1920.

Είναι γνωστό ότι ο Einstein αφιέρωσε τα τελευταία τριάντα χρόνια του βίου του σε μια προσπάθεια για να συγκροτηθεί μια «ενοποιημένη θεωρία πεδίου», η οποία θα ενοποιούσε τη γενική σχετικότητα, τη δική του θεωρία για τον χωρόχρονο και τη βαρύτητα, με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell. Παρ’ όλο που οι προσπάθειές του αυτές δεν στέφθηκαν τελικά με επιτυχία, έχει σημασία να υπογραμμίσουμε ακριβώς την περίοδο κατά την οποία σημειώνονται οι πρώτες συστηματικές προσπάθειες για την ενοποίηση των πεδίων, αλλά και να παρακολουθήσουμε στη συνέχεια τη σχετική επιτυχία που γνώρισε η προσπάθεια αυτή.

Ιδιοφυής καθοδήγηση

Η ανεκτίμητης αξίας συνεισφορά του Einstein έγκειται στον ιδιοφυή τρόπο με τον οποίο χρησιμοποίησε τις συμμετρίες στη φυσική ως καθοδηγητικό νήμα για τη συγκρότηση νέων θεωριών, οι οποίες με τη σειρά τους θα διεύρυναν τους ορίζοντές μας προς εντελώς άγνωστες περιοχές. Μπορούμε να ισχυριστούμε ότι η θεωρία της σχετικότητας συνιστά μια συμμετρία συντεταγμένων, η οποία με τον τρόπο της επιβάλλει κατάλληλες δεσμεύσεις στις εξισώσεις της φυσικής. Ο ισχυρισμός ότι οι νόμοι της φυσικής οφείλουν να είναι ανεξάρτητοι από το σύστημα συντεταγμένων μας παραπέμπει ουσιαστικά σε μια θεμελιώδη συμμετρία στη φυσική, στη συμμετρία της σχετικότητας.

Ο πρωταγωνιστικός ρόλος της γεωμετρίας στη φυσική, όπως αυτός αναδείχθηκε με τη θεωρία της σχετικότητας του Einstein, πολύ γρήγορα ενέπνευσε και άλλους ερευνητές με μαθηματικό κυρίως υπόβαθρο. Ετσι, ήδη το 1918 ο Hermann Weyl (1885-1955) με βάση τη γεωμετρία που χρησιμοποίησε ο Einstein προκειμένου να αναδείξει τη δική του θεωρία για τη βαρύτητα, πρότεινε μια θεωρία ενοποίησης του ηλεκτρομαγνητισμού με τη βαρύτητα, η οποία, όπως ήταν φυσικό, δεν πέρασε απαρατήρητη. Πρόκειται ουσιαστικά για την πρώτη απόπειρα συγκρότησης μιας θεωρίας ενοποίησης, όπου εισάγεται ένα πεδίο προκειμένου να ικανοποιηθεί το κριτήριο του αναλλοίωτου. Εχουμε να κάνουμε προφανώς με την τεχνική, η οποία επρόκειτο να οδηγήσει, ιδιαίτερα μετά την ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας, στην περίφημη συμμετρία βαθμίδας (gauge symmetry).

Ο Einstein, παρά τον αρχικό του σκεπτικισμό, ενεπλάκη προσωπικά στο πρόγραμμα της ενοποιημένης θεωρίας πεδίου, το οποίο, όπως ήδη αναφέραμε, επρόκειτο να τον απασχολήσει για το υπόλοιπο του βίου του. Ειδικότερα, το 1929 ήταν η χρονιά όπου ο διάσημος φυσικός έδινε την εντύπωση ότι βρισκόταν στον σωστό δρόμο. Αρκεί να σημειώσουμε ότι τη χρονιά αυτή αλλά και την επόμενη δημοσίευσε συνολικά εννέα άρθρα που αφορούσαν την ενοποιημένη θεωρία πεδίου. Τα νέα ερευνητικά του ενδιαφέροντα δεν άργησαν φυσικά να αποκτήσουν ευρεία δημοσιότητα. Ετσι, στο τεύχος της 2ας Φεβρουαρίου του 1929 του περιοδικού Nature διαβάζουμε: «Για κάποιο διάστημα διεδίδετο η φήμη πως ο καθηγητής Einstein επρόκειτο να δημοσιεύσει τα αποτελέσματα μιας παρατεταμένης μελέτης σχετικά με τη δυνατότητα γενίκευσης της θεωρίας της σχετικότητας, ώστε να συμπεριλάβει τα φαινόμενα του ηλεκτρομαγνητισμού. Τώρα ανηγγέλθη ότι υπέβαλε στην Ακαδημία Επιστημών της Πρωσσίας ένα μικρό άρθρο, όπου οι νόμοι της βαρύτητας και του ηλεκτρομαγνητισμού αποδίδονται σε μια ενιαία μορφή». Στη συνέχεια το Nature παραθέτει ένα χαρακτηριστικό απόσπασμα της συνέντευξης που παραχώρησε ο διακεκριμένος φυσικός στην εφημερίδα Daily Chronicle της 26ης Ιανουαρίου του ιδίου έτους, όπου ο Einstein υπογραμμίζει τα εξής: «Τώρα, και μόνον τώρα γνωρίζουμε ότι η δύναμη που κινεί τα ηλεκτρόνια στις ελλειπτικές τροχιές τους γύρω από τον πυρήνα των ατόμων, είναι η ίδια δύναμη που κινεί τη Γη μας κατά την ετήσια περιφορά της γύρω από τον ήλιο, και είναι η ίδια δύναμη που μας μεταφέρει τις ακτίνες του φωτός και τη θερμότητα, που καθιστούν δυνατή τη ζωή πάνω σε αυτό τον πλανήτη».

Το Καθιερωμένο Πρότυπο

Οι προσπάθειες του Einstein για μία ενοποιημένη θεωρία πεδίου γνωρίζουμε ότι εντέλει δεν απέδωσαν γόνιμους καρπούς. Αντίθετα, κατά τις τελευταίες δεκαετίες μπορούμε να ισχυριστούμε ότι σημειώθηκαν αξιοσημείωτες επιτυχίες προς την κατεύθυνση αυτή, από διαφορετική όμως διαδρομή. Σήμερα διαθέτουμε το λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model), το οποίο αναφέρεται στα στοιχειώδη σωματίδια και τις θεμελιώδεις δυνάμεις αλληλεπίδρασης.

Με το Καθιερωμένο Πρότυπο έχει πράγματι επιτευχθεί η ενοποίηση του ηλεκτρομαγνητισμού με τις λεγόμενες ασθενείς αλληλεπιδράσεις, τις δυνάμεις δηλαδή που είναι υπεύθυνες για τις αμοιβαίες μετατροπές νετρονίων και πρωτονίων στις ραδιενεργές αποδιεγέρσεις, αλλά και στα αστέρια. Το πρότυπο αυτό εξασφαλίζει επίσης και μια περιγραφή για τις λεγόμενες ισχυρές αλληλεπιδράσεις, τις δυνάμεις δηλαδή που συγκρατούν τα κουάρκς ως θεμελιώδη συστατικά στο εσωτερικό των πρωτονίων και των νετρονίων, αλλά και τα ίδια τα πρωτόνια και τα νετρόνια στο εσωτερικό του πυρήνα των ατόμων. Εχουν διατυπωθεί επίσης προτάσεις για ενδεχόμενη ενοποίηση των ισχυρών αλληλεπιδράσεων με τη θεωρία των ασθενών και των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων (πρόκειται για την αποκαλούμενη Μεγάλη Ενοποίηση), αλλά είναι απαραίτητο για τον σκοπό αυτό να συμπεριλάβουμε και τη βαρύτητα, γεγονός που μας προκαλεί τεράστιες δυσκολίες. Υποψιαζόμαστε ότι ο παρατηρούμενος διαχωρισμός των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων ανάγεται στις απαρχές της λεγόμενης μεγάλης έκρηξης (big bang), χωρίς ωστόσο να είμαστε σε θέση να παρακολουθήσουμε την εξαιρετικά πρώιμη ιστορία του σύμπαντός μας σε όλες της τις λεπτομέρειες, αφού δεν διαθέτουμε μια καλύτερη θεωρία, δηλαδή μια ενοποιημένη θεωρία για τη βαρύτητα και τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης.

Θα φτάσουμε στο τέλος ενός συγκεκριμένου είδους επιστήμης

Ο Steven Weinberg (1933- ), ένας από τους πλέον διαπρεπείς φυσικούς των ημερών μας, ο οποίος μοιράστηκε το Nobel Φυσικής το 1979 με τους Abdus Salam (1926-1996) και Sheldon Lee Glashow (1932- ) ακριβώς για την επιτυχημένη ενοποίηση της ασθενούς με την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, συνοψίζει με τον καλύτερο τρόπο τη σημασία της προσπάθειας του Einstein, που προανήγγειλε και το πρωτοσέλιδο των New York Times στις 12 Ιανουαρίου 1929. «Στον αιώνα μας», υπογραμμίζει ο Weinberg στο βιβλίο του που φέρει τον εύγλωττο τίτλο «Ονειρα για μια τελική θεωρία», «ήταν ο Einstein εκείνος που είχε σαφώς ως στόχο την τελική θεωρία. Οπως αναφέρει και ο βιογράφος του Abraham Pais, ο Einstein ήταν μια τυπική βιβλική μορφή, με την εβραϊκού τύπου αντίληψη ότι υπάρχει ένας νόμος τον οποίο είναι καθήκον μας να ανακαλύψουμε. Τα τελευταία τριάντα χρόνια της ζωής του Einstein ήταν κατά το μεγαλύτερο μέρος τους αφιερωμένα στην έρευνα για τη λεγόμενη ενοποιημένη θεωρία πεδίου, η οποία θα ενοποιούσε την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του J.C.Maxwell με τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Η απόπειρα του Einstein δεν ήταν επιτυχής, και εκ των υστέρων μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι δεν ήταν και ορθή, όχι μόνον επειδή ο ίδιος απέρριπτε την κβαντική μηχανική, αλλά και επειδή το πλαίσιο των προσπαθειών του ήταν περιορισμένο. Η ηλεκτρομαγνητική και η βαρυτική δύναμη τυχαίνει να είναι οι μόνες θεμελιώδεις δυνάμεις που γίνονται αντιληπτές στην καθημερινή ζωή (και οι μόνες που ήταν γνωστές όταν ο Einstein ήταν νέος), αλλά υπάρχουν και άλλα είδη δυνάμεων στη φύση, οι ασθενείς και οι ισχυρές πυρηνικές. Πράγματι, η πρόοδος που έχει σημειωθεί προς την κατεύθυνση της ενοποίησης έγκειται στην ενοποίηση της θεωρίας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με τη θεωρία της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, και όχι με τη θεωρία της βαρυτικής δύναμης. Ωστόσο, ο αγώνας του Einstein», συνεχίζει ο Weinberg, «είναι σήμερα και δικός μας αγώνας. Πρόκειται για την αναζήτηση μιας τελικής θεωρίας, η οποία θα είναι τελική μόνον κατά μια έννοια: θα είναι το τέλος ενός συγκεκριμένου είδους επιστήμης, της αρχαίας αναζήτησης των αρχών που δεν είναι δυνατόν να εξηγηθούν με τη χρήση άλλων, βαθύτερων αρχών».

* Ο κ. Θεόδωρος Κρητικός είναι φυσικός, δρ Ιστορίας των Επιστημών.

Πηγές:

http://news.kathimerini.gr/4dcgi/_w_articles_world_100005_10/01/2010_386209

http://news.kathimerini.gr/4dcgi/_w_articles_world_100006_10/01/2010_386208