Συνέντευξη του Francesco Provinciali για το Start Magazine με τον αστροφυσικό Roberto Pesce σχετικά με τις τελευταίες ανακαλύψεις που σχετίζονται με τα βαρυτικά κύματα και άλλα
Ο Γενοβέζος αστροφυσικός Roberto Pesce μίλησε στο Start Magazine για τα τελευταία νέα σχετικά με τα βαρυτικά κύματα ως την αιτία αυτού που έχει ονομαστεί «η ανάσα του Σύμπαντος».
Ο καθηγητής Pesce απέκτησε το πτυχίο και το διδακτορικό του στη Φυσική από το Πανεπιστήμιο της Γένοβας, με ειδίκευση στον τομέα των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας και συνεργαζόμενος με το Παρατηρητήριο «Pierre Auger» στην Αργεντινή. Μετά από περίπου δέκα χρόνια αφιερωμένο στην έρευνα, άρχισε να διδάσκει μαθηματικά και φυσική σε διάφορα σχολεία της Γενουάτης και σήμερα εργάζεται στο γυμνάσιο «Luigi Lanfranconi» στη Γένοβα-Βόλτρι. Ανάμεσα στα πάθη του, εκτός φυσικά από την αστρονομία, είναι η φωτογραφία και η χορωδιακή και οργανική μουσική.
***
Αγαπητέ καθηγητή Roberto Pesce, με την έγκυρη βοήθειά σας εμβαθύνουμε την εξερεύνηση του Διαστήματος και τα μυστήρια του Σύμπαντος.
Μετά την ενατένιση του Κόσμου και του ουράνιου θησαυρού, από τις φωτογραφίες που ελήφθησαν από το Ultima Thule έως τις υποθέσεις της ζωής αλλού, την ανακάλυψη του Τοξότη Α – τη μαύρη τρύπα του γαλαξία μας – και το ευφάνταστο ταξίδι στο κέντρο της Γης για να κατανοήσουμε τα μυστήρια των εσωτερικών περιστροφικών κινήσεων.
Οφείλουμε την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων σε μια διαίσθηση του Αϊνστάιν (το 1916), αλλά μόλις πρόσφατα – ακριβώς τον Σεπτέμβριο του 2015 – εντοπίστηκαν ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης δύο μαύρων τρυπών. Έχουν χαρακτηριστεί η πιο σημαντική ανακάλυψη του αιώνα.
Για ποιό λόγο? Από τι αποτελούνται;
Υπάρχουν βαρυτικά κύματα υψηλής και χαμηλής συχνότητας. Θέλετε να μιλήσουμε για αυτό;
Θα προσπαθήσω να συνοψίσω την έννοια του βαρυτικού κύματος, ελπίζοντας να γίνω κατανοητός ακόμη και σε όσους δεν έχουν γνώσεις πάνω στο θέμα.
Το 1916, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η οποία ουσιαστικά ασχολείται με τη δύναμη της βαρύτητας και την αλληλεπίδρασή της με τη χωροχρονική δομή του σύμπαντος. Η καρδιά αυτής της θεωρίας είναι δέκα εξισώσεις, που ονομάζονται «εξισώσεις πεδίου», οι οποίες χρησιμοποιούν πολύ περίπλοκα μαθηματικά μοντέλα και εργαλεία. Όπως όλες οι «σύνθετες» εξισώσεις, ακόμη και οι εξισώσεις του Αϊνστάιν είναι εξαιρετικά δύσκολο να λυθούν και πολλές λύσεις μπορούν να ληφθούν μόνο χάρη σε απλοποιήσεις και προσεγγίσεις. Ακριβώς με τη χρήση κάποιων προσεγγίσεων μπορεί να βρεθεί ότι μεταξύ των πιθανών λύσεων των εξισώσεων του Αϊνστάιν υπάρχουν κάποιες του τύπου κύματος, δηλ. διαταραχές που διασχίζουν τη χωροχρονική δομή του σύμπαντος και τον κάνουν να ταλαντώνεται γύρω από μια θέση ισορροπίας. Στην πράξη, όταν διέρχεται ένα βαρυτικό κύμα, η απόσταση μεταξύ δύο αντικειμένων ταλαντώνεται μεταξύ μιας ελάχιστης και μιας μέγιστης τιμής. Προφανώς αυτό το αποτέλεσμα είναι εξαιρετικά μικρό και είναι αδύνατο να το παρατηρήσετε χωρίς τα κατάλληλα όργανα. Προσέξτε να μην συγχέετε τα βαρυτικά κύματα με τα σεισμικά. Στη δεύτερη περίπτωση οι ταλαντώσεις είναι πολύ πιο εμφανείς και η γη είναι αυτή που δονείται και κάνει τα αντικείμενα που βρίσκονται πάνω της να δονούνται. στην περίπτωση ενός βαρυτικού κύματος είναι ακριβώς ο ίδιος ο χωροχρόνος που ταλαντώνεται.
Λίγες δεκαετίες πριν από τον Αϊνστάιν, γύρω στο 1860, ο James Clerk Maxwell είχε συνοψίσει τις ιδιότητες των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων σε τέσσερις εξισώσεις, και ακόμη και σε αυτή την περίπτωση διαπιστώθηκε ότι αυτές οι εξισώσεις παρείχαν "ταλαντούμενες" λύσεις, που ονομάζονται ηλεκτρομαγνητικά κύματα, που περιγράφουν πρακτικά όλη την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που περιβάλλει τα πειράματα των ραδιομαγνητικών ακτίνων. πίσω στο 1888 από τον Heinrich Hertz και το 1895 από τον Marco ni και τον Roentgen αντίστοιχα, εφηύραν το ραδιόφωνο και τη μηχανή ακτίνων Χ.
Ήδη το 1893 ο Oliver Heaviside και το 1905 ο Henri Poincaré είχαν φανταστεί την ύπαρξη ενός βαρυτικού αναλόγου ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, χωρίς να ξεκινήσουμε από μια επαρκή φυσικομαθηματική θεωρία, αλλά μόνο επειδή με αυτόν τον τρόπο η περιγραφή των ηλεκτρομαγνητικών και βαρυτικών δυνάμεων θα ήταν παρόμοια από όλες τις απόψεις. Όταν δέκα χρόνια αργότερα ο Αϊνστάιν κατασκευάζει μια θεωρία με την οποία μπορεί να προβλεφθεί η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων με μια ορισμένη έννοια, πολλοί βλέπουν μια ελκυστική πιθανότητα επιβεβαίωσης αυτής της ιδέας. Το πρόβλημα είναι ότι, σε αντίθεση με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, το σήμα ενός βαρυτικού κύματος είναι εξαιρετικά αδύναμο και επομένως πολύ δύσκολο να εντοπιστεί, αδύνατο με τα μέσα της εποχής. Μάλιστα, η άμεση ανακάλυψή τους χρονολογείται στα τέλη του 2015 (με δημόσια ανακοίνωση στις αρχές του 2016), εκατό χρόνια μετά τη δημοσίευση της θεωρίας της σχετικότητας. Τα πρώτα κύματα που παρατηρήθηκαν δημιουργήθηκαν από τη σύγκρουση δύο τεράστιων μαύρων τρυπών (με μάζες ίσες με 29 και 36 ηλιακές μάζες), ένα σπάνιο και καταστροφικό γεγονός.
Πριν από αυτή την ανακάλυψη, υπήρχαν μόνο έμμεσες ενδείξεις για την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων, χάρη στις παρατηρήσεις πάλσαρ, αστέρια νετρονίων με ισχυρό μαγνητικό πεδίο, με εκπομπές σε ραδιοκύματα. Είναι επομένως μια πολύ σημαντική ανακάλυψη που μας επιτρέπει να κλείσουμε τον κύκλο που άνοιξε ο Αϊνστάιν και επιβεβαιώνει τις θεμελιώδεις φυσικές θεωρίες, ανοίγοντας ταυτόχρονα νέους ερευνητικούς ορίζοντες.
Για να καταλάβουμε τι συμβαίνει όταν παράγεται ένα βαρυτικό κύμα, ας σκεφτούμε το κλασικό βότσαλο που ρίχνεται στη λίμνη, βλέπουμε το νερό να ανεβαίνει και να πέφτει, σχηματίζοντας πολλούς ομόκεντρους κύκλους που διαστέλλονται. Η συγχώνευση των δύο μαύρων τρυπών είναι το βότσαλο μας. η λιμνούλα αντίθετα είναι χωροχρόνος. Για να παραχθούν κυματισμοί που μπορούν να παρατηρηθούν εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, απαιτούνται «αποκαλυπτικά» γεγονότα για τη δημιουργία ενός ανιχνεύσιμου σήματος. Στην πραγματικότητα, για να αποτυπωθούν οι ταλαντώσεις του χωροχρόνου χρειάζονται πολύ ευαίσθητες συσκευές, τοποθετημένες με τον κατάλληλο τρόπο για να θωρακίζουν όλες τις πιθανές πηγές «θορύβου» που θα μπορούσαν να ακυρώσουν το σήμα (επιπόλαια αρκούν οι δονήσεις ενός διερχόμενου τρένου).
Φυσικά, τα κύματα περιγράφονται από δύο πολύ σημαντικές παραμέτρους: τη συχνότητα, δηλαδή πόσες φορές το δευτερόλεπτο συμβαίνει η διαταραχή (σκέφτομαι τη λίμνη, πόσες φορές το νερό ανεβαίνει και πέφτει σε ένα σημείο κάθε δευτερόλεπτο) και το μήκος κύματος, δηλαδή η απόσταση μεταξύ δύο σημείων όπου η διαταραχή είναι στο μέγιστο ή στο ελάχιστο της ταυτόχρονα (βλ.
Το γινόμενο της συχνότητας με το μήκος κύματος δίνει την ταχύτητα διάδοσης του κύματος. Στην περίπτωση των βαρυτικών κυμάτων, όπως και για τα ηλεκτρομαγνητικά, προκύπτει η ταχύτητα του φωτός, δηλαδή τριακόσιες χιλιάδες χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Επομένως τα κύματα υψηλής συχνότητας έχουν μικρό μήκος κύματος και το αντίστροφο. Στην περίπτωση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, δηλαδή του φωτός που βλέπουμε, κάθε μήκος κύματος αντιστοιχεί σε διαφορετικό χρώμα. για ηχητικά κύματα αντιστοιχεί σε διαφορετική νότα.
Για τα βαρυτικά κύματα η συζήτηση είναι πιο περίπλοκη. Ενώ οι λεγόμενες «υψηλές συχνότητες», δηλαδή οι ταλαντώσεις που συμβαίνουν με ρυθμό μερικές δεκάδες ή εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο, προέρχονται από γεγονότα όπως αστρικές εκρήξεις ή συγχώνευση μαύρων οπών χαμηλής μάζας, η συγχώνευση υπερμεγέθων μαύρων οπών (δηλαδή με μάζα ίση με εκατομμύρια ηλιακή μάζα) θα έδινε πολύ χαμηλότερη ηλιακή συχνότητα. Απλώς για να έχουμε μια ιδέα της τάξης μεγέθους, μπορούμε να φανταστούμε ότι χρειάζονται περίπου ένα δισεκατομμύριο δευτερόλεπτα για να ολοκληρωθεί ένας πλήρης κύκλος ή μια χρονική περίοδος ίση με σχεδόν 32 χρόνια. Στην πράξη, η συχνότητα ταλάντωσης των κυμάτων μειώνεται όσο αυξάνεται η εμπλεκόμενη μάζα.
Θα μπορούσαν επίσης να υπάρχουν κύματα με «πολύ υψηλή» συχνότητα, της τάξεως των δεκάδων χιλιάδων φορές ανά δευτερόλεπτο, που θα σηματοδοτούσαν την παρουσία πολύ συγκεκριμένων φαινομένων, τα οποία θα έφερναν στο παιχνίδι σωματίδια που θεωρούνται αλλά δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί. Η έρευνα αρχίζει να κάνει τα πρώτα της βήματα και προς αυτή την κατεύθυνση.
Ο καθηγητής Barry Clark Barish, ομότιμος καθηγητής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) και βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2017 σε μια συνέντευξη που δόθηκε το 2020 με την ευκαιρία του Φεστιβάλ Επιστήμης της Γένοβας, αναφερόμενος στα βαρυτικά κύματα υψηλής συχνότητας, δήλωσε ότι «Η ανακάλυψη καταδεικνύει μια σημαντική πρόβλεψη της ύπαρξης βαρύτητας του Αϊνστάιν. Το πιο σημαντικό, ανοίγει ένα νέο είδος επιστήμης. Πρώτα απ 'όλα, θα είναι δυνατό να δοκιμαστεί λεπτομερώς η θεωρία της γενικής σχετικότητας που διατύπωσε ο Αϊνστάιν, συγκρίνοντάς την με τις προτάσεις που υποβλήθηκαν από άλλους επιστήμονες. Αν και στην πραγματικότητα ήταν ο Αϊνστάιν που σκέφτηκε τη θεωρία, υπάρχουν εναλλακτικές θεωρίες που δεν περιλαμβάνουν την κβαντική φυσική. Αυτές περιλαμβάνουν τεχνικές διαφορές που καταλήγουν σε διαφορετικές παρατηρήσεις, συμπεριλαμβανομένων των διανυσματικών θεωριών, των βαθμωτών θεωριών και της λεγόμενης κοσμολογικής σταθεράς. Η επαλήθευση τους περιλαμβάνει λεπτομερείς μετρήσεις και σύγκριση με δεδομένα βαρυτικών κυμάτων ή κυματομορφές. Ένας περαιτέρω στόχος είναι η ελπίδα ανάπτυξης μιας κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας. Αυτό θα μπορούσε να ενοποιήσει την κβαντική φυσική και τη γενική σχετικότητα. Η κβαντική φυσική εξηγεί φαινόμενα σε πολύ μικρές αποστάσεις, όπως η φυσική στο Cern, ενώ η γενική σχετικότητα εξηγεί τη φυσική σε μεγάλες αποστάσεις, όπως το Ligo. Σε μια ευρύτερη προοπτική, υπάρχει ελπίδα ανάπτυξης μιας ενοποιημένης θεωρίας».
Κατά τη γνώμη σας, σε ποιο βαθμό μπορεί να είναι ρεαλιστική αυτή η υπόθεση ανάπτυξης μιας ενοποιημένης θεωρίας μεταξύ της κβαντικής φυσικής και της γενικής σχετικότητας;
Η ενοποίηση μεταξύ της κβαντικής φυσικής και της γενικής σχετικότητας ήταν ένα από τα πιο σημαντικά άλυτα προβλήματα της θεωρητικής φυσικής για σχεδόν εκατό χρόνια. Αυτήν τη στιγμή έχουμε δύο θεωρίες που πιθανώς επιβεβαιώνονται: τη γενική σχετικότητα, η οποία περιγράφει το βαρυτικό πεδίο και την εξέλιξη του σύμπαντος σε μεγάλη κλίμακα, και την κβαντική θεωρία πεδίου, που γεννήθηκε από την ένωση της κβαντικής μηχανικής με την περιορισμένη εκδοχή της θεωρίας της σχετικότητας, η οποία περιγράφει τη συμπεριφορά υποατομικών σωματιδίων και πυρηνικών σωματιδίων και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Δυστυχώς αυτές οι δύο θεωρίες δεν συνδέονται καλά μεταξύ τους για διάφορους λόγους που είναι πολύ τεχνικοί για να εξηγηθούν.
Το επώδυνο σημείο είναι ακριβώς αυτό της βαρυτικής αλληλεπίδρασης, η οποία είναι «διαφορετική» από τις άλλες τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις (δηλαδή τις ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές πυρηνικές και αδύναμες πυρηνικές αλληλεπιδράσεις) και δεν είναι ακόμη καλά ενσωματωμένη σε μια λεγόμενη «θεωρία πεδίου» σε υποατομικό επίπεδο. Οι διάφορες γνωσιολογικές ερμηνείες της βαρύτητας έχουν προκαλέσει με τα χρόνια πολύ ζωηρές συζητήσεις μέσα στην κοινότητα της φυσικής, σε σημείο που, τη δεκαετία του 1970, ο Richard Feynman, ένας από τους μεγαλύτερους φυσικούς όλων των εποχών, είπε στη γυναίκα του να του υπενθυμίσει να μην παρακολουθήσει άλλα συνέδρια για τη βαρύτητα.
Επί του παρόντος, οι δύο κύριοι ανταγωνιστικοί κλώνοι στις θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας, που προσπαθούν να ενοποιήσουν την κβαντική μηχανική με τη γενική σχετικότητα, είναι η θεωρία χορδών και η κβαντική βαρύτητα βρόχου. Δεν προσπαθώ καν να σας εξηγήσω τις αρχές και τις βαθιές διαφορές μεταξύ αυτών των δύο θεωριών, ούτε εκφράζω δημόσια την προτίμησή μου. Για να αποκτήσετε μια πιο προχωρημένη εισαγωγική ιδέα για αυτό το πρόβλημα, προτείνω τη μη τετριμμένη ανάγνωση του δημοφιλούς βιβλίου του Anthony Zee «Gravity. Ελαφριά επεξεργασία ενός βαριού θέματος» επιμέλεια Bollati Boringhieri.
Πώς ταιριάζει η ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων υψηλής και χαμηλής συχνότητας σε αυτήν την εικόνα; Είναι ακόμη πολύ νωρίς για να πούμε, αλλά αυτές οι παρατηρήσεις, εφόσον υπάρχει μεγάλος αριθμός από αυτές και έχουν αναλυθεί καλά, θα αποτελέσουν ένα θεμελιώδες στοιχείο για την κατανόηση της φύσης της βαρύτητας και ίσως για τον προσδιορισμό της πλευράς που πρέπει να εξετάσουν οι θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας. Ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον σημείο που πρέπει να διευκρινιστεί είναι η ύπαρξη ή όχι του λεγόμενου graviton, δηλαδή του υποθετικού στοιχειώδους σωματιδίου αντίστοιχου των βαρυτικών κυμάτων, δηλαδή του σωματιδίου που θα μεταδώσει τη δύναμη της βαρύτητας (παρόμοιο με το φωτόνιο που μεταδίδει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και με τα μεσολαβητικά σωματίδια των πυρηνικών δυνάμεων).
Το όνομα του Άλμπερτ Αϊνστάιν και η θεωρία της σχετικότητας επαναλαμβάνονται σε όλες τις μελέτες που αφορούν το Σύμπαν: ιδιαίτερα με την επιμονή στις ιδέες για τις μαύρες τρύπες και τις λευκές τρύπες (που στην πραγματικότητα ο Carlo Rovelli ορίζει συγκεκριμένη ύλη της κβαντικής φυσικής). Μπορούμε να ανοίξουμε μια παρένθεση για να συζητήσουμε το αμέτρητο μεγαλείο αυτού του επιστήμονα και τη σημασία της θεωρίας της σχετικότητας που εφαρμόζεται στη μελέτη του διαστήματος;
Θυμάμαι τι μου είπε η Rita Levi Montalcini σε μια συνέντευξη: «Η επιστήμη είναι θεμελιώδης για την πρόοδο, αλλά δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι είναι το αποτέλεσμα της φαντασίας». Που στη συνέχεια αντανακλά έναν περίφημο αφορισμό του ίδιου του Αϊνστάιν: «Η φαντασία είναι πιο σημαντική από τη γνώση».
Καθ. Pesce, άρα όλα προέρχονται από μια πράξη «διαίσθησης»;
Αναμφίβολα η φιγούρα του Αϊνστάιν είναι θρυλική. Πολλά βιβλία έχουν γραφτεί και θα γραφτούν για αυτόν, όχι μόνο για τις θεωρίες του, αλλά και για την ανθρώπινη φιγούρα του. Προτείνω ανάμεσα στα πολλά «Άλμπερτ Αϊνστάιν. Ο οικοδόμος των συμπάντων» του Vincenzo Barone, εκδ. Laterza.
Για να είμαστε συνοπτικοί, μπορούμε να πούμε ότι οι πιο έξυπνες ιδέες του μοιάζουν να προκύπτουν από σχεδόν στιγμιαίες σκέψεις, από την αναζήτηση απαντήσεων σε φαινομενικά «περίεργες» ερωτήσεις. Για παράδειγμα, η ειδική θεωρία της σχετικότητας του 1905 φαίνεται να προέκυψε, τουλάχιστον εν μέρει, από την ερώτηση "Και αν μπορούσατε να οδηγήσετε μια δέσμη φωτός;" την οποία σκέφτηκε ο επιστήμονας όταν ήταν μόλις δεκαέξι ετών, δηλαδή το 1895. Η θεωρία της γενικής σχετικότητας, η οποία επεκτείνει την περιορισμένη θεωρία στο βαρυτικό πεδίο, περιστρέφεται γύρω από τη λεγόμενη «αρχή της ισοδυναμίας» στην οποία κατέληξε ο Αϊνστάιν σκεπτόμενος τι θα συνέβαινε στο διάστημα χωρίς βαρύτητα και στην καμπίνα ελεύθερων βαρύτητας.
Είναι όλα θέμα διαίσθησης; Ούτε ναι ούτε όχι. Σίγουρα η διαίσθηση είναι μια θεμελιώδης πτυχή για την οικοδόμηση μιας νέας επιστημονικής θεωρίας, μπορεί να δώσει το αρχικό σημείο εκκίνησης, μπορεί να «κλείσει τον κύκλο» ή μπορεί να προσφέρει έναν τρόπο επίλυσης ενός εμποδίου. Αλλά πρέπει πάντα να υπάρχει βαθιά κατανόηση όλων όσων είναι επί του παρόντος διαθέσιμα για το φαινόμενο που μελετάται. Πιθανότατα συνέβη σε όλους όσους κάνουν κάποιο πρόβλημα μαθηματικών ή φυσικής για το σχολείο: μαζεύουμε το μυαλό μας για μια καλή μισή ώρα και μετά το αφήνουμε να πάει. Εδώ, ενώ είμαστε απασχολημένοι με κάτι άλλο, μας έρχεται η λύση. Μου συνέβη πολλές φορές στο πανεπιστήμιο. προφανώς πρέπει να έχεις μελετήσει πρώτα τη θεωρία γιατί αλλιώς η λύση των ασκήσεων δεν φαίνεται από μόνη της στο κεφάλι μας.
Ας εξετάσουμε τώρα την ειδική σχετικότητα. Επιλύει ένα πρόβλημα με το οποίο παλεύουν οι φυσικοί εδώ και δεκαετίες και το οποίο μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: σύμφωνα με τη φυσική του Νεύτωνα, η ταχύτητα του φωτός θα πρέπει να είναι διαφορετική ανάλογα με την αναφορά που εξετάζεται (για παράδειγμα το φως ενός σταθερού φανοστάτη στο σταθμό και ενός λαμπτήρα τρένου που κινείται σε σχέση με το σταθμό), αλλά η θεωρία του Maxwell του ανεξάρτητου συστήματος ταχύτητας φωτός πρόβλεψης. Έγιναν διάφορα πειράματα και υποτέθηκε η ύπαρξη μιας ουσίας φάντασμα που ονομάζεται αιθέρας, αλλά δεν έγινε κατανοητό έως ότου ο Αϊνστάιν εξέτασε το θέμα από μια άλλη οπτική γωνία, βοηθούμενος εν μέρει από τη διαίσθηση που είχε ως αγόρι. Ο γερμανός φυσικός όχι μόνο βασίστηκε στη φαντασία του, αλλά βασίστηκε επίσης στις θεωρίες και τα πειραματικά αποτελέσματα άλλων φυσικών, συμπεριλαμβανομένου του Lorentz, για να δώσει μια πλήρη μορφή στις ιδέες του και από μαθηματική άποψη.
Στην περίπτωση της γενικής σχετικότητας, η εικόνα του αστροναύτη που επιπλέει χωρίς βάρος στο διάστημα και του ατόμου στη Γη που επιπλέει στον ανελκυστήρα του οποίου τα καλώδια στήριξης έχουν σπάσει είναι σίγουρα σημαντική: και οι δύο αντιλαμβάνονται την απουσία βαρύτητας και δεν μπορούν να διακρίνουν τις δύο καταστάσεις (μέχρι τη στιγμή της πρόσκρουσης του ανελκυστήρα…). Είναι μια λαμπρή διαίσθηση ακριβώς επειδή είναι απλό στην κατανόηση, αλλά κανείς δεν το είχε σκεφτεί ποτέ πριν. Ωστόσο, για να φτιάξει τη μαθηματική συσκευή ικανή να περιγράψει ολόκληρη τη θεωρία και να καταλήξει στις περίφημες εξισώσεις που προβλέπουν, μεταξύ άλλων, τα βαρυτικά κύματα, το σχηματισμό αστρικών μαύρων οπών και τη διαστολή του Σύμπαντος, ο Αϊνστάιν χρειάστηκε να μελετήσει πολύ, ακόμη και με τη βοήθεια άλλων ανθρώπων, συμπεριλαμβανομένου του μαθηματικού φίλου του Gros.
Μεταξύ άλλων, οι δύο θεωρίες της σχετικότητας επιβεβαιώθηκαν πειραματικά μόνο αρκετά χρόνια μετά τη δημοσίευσή τους. Η Ειδική Σχετικότητα και μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, χάρη στους επιταχυντές σωματιδίων, ενώ η γενική σχετικότητα είχε ήδη επιβεβαιωθεί από την παρατήρηση μιας έκλειψης ηλίου το 1919 (για λεπτομέρειες μπορείτε να διαβάσετε τον όμορφο «Πόλεμο του Αϊνστάιν» του Matthew Stanley, Newton Compton Editore).
Αυτές οι θεωρίες επέτρεψαν, μεταξύ άλλων, να εξηγήσουν τη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων μαζί με την κβαντική μηχανική όσον αφορά την περιορισμένη θεωρία, ενώ η γενική θεωρία περιγράφει τη δομή του χωροχρόνου και την εξέλιξη του σύμπαντος. Για να δώσουμε ένα παράδειγμα πιο κοντά μας, χωρίς τη σχετικότητα σήμερα δεν θα είχαμε GPS με όλες τις εφαρμογές του.
Επομένως, ακόμα κι αν σίγουρα δεν είναι μια τέλεια θεωρία (από την άλλη πλευρά, ούτε η θεωρία του Νεύτωνα, η φυσική προχωρά με διαδοχικές προσεγγίσεις), η σημασία του έργου του Αϊνστάιν με αυτή την έννοια είναι επομένως εξαιρετικά σημαντική.
Ενώ τα βαρυτικά κύματα υψηλής συχνότητας είναι το αποτέλεσμα μιας ισχυρής πρόσκρουσης που στέλνει τα κύματα έκρηξης να διαδίδονται μετά το συμβάν, τα βαρυτικά κύματα χαμηλής συχνότητας χρειάστηκαν δεκαετίες εκτεταμένων μελετών για την ανίχνευσή τους: οι ειδήσεις της ανακάλυψής τους αυτές τις μέρες αναφέρονται σε μια ανάπτυξη 13 ραδιοτηλεσκοπίων διάσπαρτα σε όλο τον κόσμο, που στοχεύουν σε 115 άστρα. Μερικοί περιστρέφονται εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο, αναβοσβήνουν δέσμες ραδιοκυμάτων σε εξαιρετικά τακτά χρονικά διαστήματα, όπως οι κοσμικοί φάροι. Επιστήμονες από όλο τον κόσμο που αποτελούν μέρος της Διεθνούς Συστοιχίας Χρονισμού Pulsar έχουν μετρήσει τις απίστευτα μικρές διαφορές στο χρόνο των παλμών, αναζητώντας τα ενδεικτικά σημάδια των κυμάτων βαρύτητας. Η κύρια θεωρία είναι ότι τα κύματα προέρχονται από ζεύγη τεράστιων μαύρων τρυπών στα κέντρα γαλαξιών που συγχωνεύονται αργά. Υποτίθεται ότι τα βαρυτικά κύματα χαμηλής συχνότητας που ορίζονται ως «υπερμακριά» είναι ένα είδος «βουητού» που διαδίδεται σε όλο το διάστημα. Αυτός ο θόρυβος φόντου αναφέρεται ευφημιστικά και γραφικά ως «η ανάσα του Σύμπαντος». «Γνωρίζουμε τώρα ότι το σύμπαν είναι πλημμυρισμένο με βαρυτικά κύματα», δήλωσε στο Γαλλικό Πρακτορείο ο Μάικλ Κιθ του European Pulsar Timing Array (EPTA).
Πόσο σημαντικοί είναι αυτοί οι σιωπηλοί κυματισμοί που κινούνται στο Σύμπαν με την ταχύτητα του φωτός, για την κατανόηση των περίπλοκων, γιγαντιαίων φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο ασυγκρίσιμο του Διαστήματος;
Κάποιοι υποθέτουν ότι αποτελούν ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση του τι συνέβη με τη Μεγάλη Έκρηξη. Είναι εύλογο;
Όπως ήδη αναφέρθηκε προηγουμένως, η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης προκύπτει επίσης από τις εξισώσεις του Αϊνστάιν ξεκινώντας από ορισμένες αρχικές συνθήκες. Ο Ρώσος Aleksandr Friedman ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε ότι το σύμπαν θα έπρεπε να διαστέλλεται το 1922, αλλά πέθανε λίγο μετά την ανακάλυψή του. το 1927 ο Βέλγος ιερέας Georges Lemaitre ανακάλυψε ξανά αυτόνομα τις ιδέες του Friedman, αλλά στον Αϊνστάιν δεν άρεσε που από τη θεωρία του φτάσαμε σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν και τροποποίησε τις εξισώσεις του για να κάνει τις διαστάσεις του σύμπαντος σταθερές στο χρόνο (αυτό ήταν λάθος του μεγάλου επιστήμονα. ούζοι των σημερινών κοσμολόγων). Το 1929 το Hubble παρατήρησε ότι οι πιο μακρινοί γαλαξίες απομακρύνονταν όλοι από εμάς, γεγονός σίγουρα συμβατό με την ιδέα ενός διαστελλόμενου σύμπαντος, αλλά και εξηγήσιμο με άλλες θεωρίες σύμφωνα με τις οποίες το σύμπαν θα υπήρχε πάντα και δεν θα άλλαζε το μέγεθός του. Μόνο το 1964, όταν ο Αϊνστάιν είχε πεθάνει για 9 χρόνια, η θεωρία της «Μεγάλης Έκρηξης» έγινε σχεδόν καθολικά αποδεκτή με την ανακάλυψη της «ακτινοβολίας» απολιθωμάτων από τους Penzias και Wilson, ένα πραγματικό τείχος ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (που τώρα βλέπουμε ως μικροκύματα) που γεννήθηκε 400.000 χρόνια μετά την αρχή του σύμπαντος από τον Simon Singh, Rizzoli).
Αυτός ο «τοίχος φωτός», όμως, μας εμποδίζει να «δούμε» τι συνέβη πριν από τη δημιουργία του, ακόμα κι αν μπορούσαμε να έχουμε απείρως ισχυρότερα τηλεσκόπια από τα σημερινά. Επομένως, για να επιβεβαιωθούν οι θεωρίες για τις αρχικές φάσεις του σύμπαντος, χρειάζονται άλλα είδη σημάτων εκτός από τα ηλεκτρομαγνητικά. Αλλά ακόμα και μένοντας πιο κοντά, αν θέλουμε να παρατηρήσουμε κάποιες περιοχές του σύμπαντος δεν μπορούμε λόγω των νεφών σκόνης και αερίων που απορροφούν όλο το φως που προέρχεται από τα ουράνια αντικείμενα πίσω τους. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, δυστυχώς, απορροφάται. αλλά τα βαρυτικά κύματα καταφέρνουν να περάσουν μέσα από την ύλη αλώβητα ή σχεδόν έτσι. Η ικανότητα να λαμβάνουμε αυτό το είδος «βαρυτικού βόμβου» είναι απαραίτητη για να φτάσουμε εκεί που δεν μπορούμε με πιο παραδοσιακά μέσα.
Παρεμπιπτόντως, μια άλλη πιθανότητα που ερευνούν οι επιστήμονες είναι αυτή της παρατήρησης ενός παρόμοιου βουητού αλλά λόγω νετρίνων, αλλά ίσως θα το συζητήσουμε άλλη φορά, ελπίζοντας ότι θα υπάρξουν νέα και σε αυτό το μέτωπο.
Ένα από τα κρίσιμα σημεία που πρέπει να διευκρινιστεί είναι πώς σχηματίστηκαν οι γαλαξίες. παρατηρώντας την ακτινοβολία των απολιθωμάτων είναι δυνατόν να καταλάβουμε ότι δημιουργήθηκαν στα σημεία που βλέπουμε αυτή την ακτινοβολία ελαφρώς θερμότερη από τον μέσο όρο. Ωστόσο, από πειραματική άποψη δεν έχουμε άλλες συνεπείς ενδείξεις. Δεδομένου ότι φαίνεται να υπάρχει μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο κάθε γαλαξία, η παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων συγχωνεύσεων μεταξύ αντικειμένων αυτού του τύπου μπορεί να μας βοηθήσει πολύ να βελτιώσουμε τα μοντέλα σχηματισμού γαλαξιών, μερικά από τα οποία προβλέπουν ότι μεγαλύτεροι γαλαξίες σχηματίζονται από συγχωνεύσεις μικρότερων γαλαξιών.
Ένα άλλο ανοιχτό πρόβλημα είναι να κατανοήσουμε κάτι περισσότερο για τις αρχικές στιγμές του σύμπαντος. Θεωρείται ότι αρχικά οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής και ισχυρή πυρηνική) ήταν ενωμένες, αλλά μόλις μετά από 10-43 δευτερόλεπτα (0, ακολουθούμενα από 42 μηδενικά και 1) η λεγόμενη «Big Bang» βαρύτητα θα είχε διαχωριστεί από τις άλλες αλληλεπιδράσεις. Χάρη στη σωματιδιακή φυσική και τα πειράματα με επιταχυντές όπως το CERN στη Γενεύη, είμαστε σε θέση να καταλάβουμε πολύ καλά τι συνέβη στα πρώτα λεπτά της ζωής του σύμπαντος, αλλά μόνο από περίπου 10-32 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Μεταξύ 10-43 και 10-32 δευτερολέπτων έχουμε μόνο μερικές ιδέες, αλλά τις στιγμές πριν είναι απόλυτο σκοτάδι σχετικά με το πόσο υπήρχε στο νεογέννητο σύμπαν. Μια σωστή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας είναι απολύτως απαραίτητη για να καλύψει αυτά τα κενά και να επιβεβαιώσει ή όχι αυτό που ήδη γνωρίζουμε.
Πόσο μακριά είναι δυνατόν να γυρίσουμε τον χρόνο πίσω ακούγοντας την «ανάσα του Σύμπαντος» είναι προς το παρόν άγνωστο. Αλλά σίγουρα θα πρέπει να βελτιώσει την κατανόησή μας για την κοσμική εξέλιξη. Ας δώσουμε χρόνο στον χρόνο. Νομίζω ότι θα υπάρξουν εκπλήξεις.
Ολοκληρώνουμε αυτή τη συνέντευξη αναφερόμενοι για άλλη μια φορά στα λόγια του νομπελίστα Barish: «Όλοι ζούμε σε μια σύγχρονη κοινωνία όπου η καθημερινότητά μας διαμορφώνεται από την επιστήμη και την τεχνολογία. Αλλά πώς μπορούμε να είμαστε ολοκληρωμένα ανθρώπινα όντα που ζούμε σε αυτόν τον κόσμο, αν δεν έχουμε μια συγκεκριμένη κατανόηση του κόσμου στον οποίο ζούμε; Βλέπουμε τηλεόραση, μαγειρεύουμε στο φούρνο μικροκυμάτων, αλλά πώς λειτουργούν αυτά τα εργαλεία; Ταξιδεύουμε με αεροπλάνο, αλλά πώς καταφέρνει αυτό το όχημα να πετάξει; Ή πάλι, περνάμε ώρες με τα κινητά μας, αλλά πώς καταφέρνουν να μας γεωτοποθετήσουν, να στείλουν μηνύματα ή να κάνουν τη φωνή μας να ακουστεί; Και υπάρχει μια ακόμη πιο σημαντική πτυχή: ως άνθρωποι είμαστε περίεργοι και αναρωτιόμαστε πώς ξεκινούν όλα. Αναρωτιόμαστε τι είναι η ζωή, η συνείδηση. Αναρωτιόμαστε αν υπάρχει ζωή αλλού. Τα θαύματα της φύσης, της ζωής, οι γνώσεις μας, αλλά και όσα έχουμε ακόμα να εξερευνήσουμε, μας κάνουν πλουσιότερους ανθρώπους».
Δεν σας φαίνεται, κύριε Pesce, ότι στον τρόπο ζωής, τις συνήθειες, τις εμπειρίες και τις γνώσεις μας για την καθημερινή μας ζωή, αυτά τα υπονοούμενα που αναφέρει ο φυσικός Καθ. Barish έχουν σχεδόν απαλειφθεί από τα κυρίαρχα ενδιαφέροντά μας;
Η μελέτη του Σύμπαντος είναι αναγκαστικά αντικείμενο επιστημόνων που διαθέτουν εξαιρετική επαγγελματική τεχνογνωσία καθώς και εξαιρετικά περίπλοκα και εξελιγμένα τεχνολογικά χαρίσματα.
Ωστόσο, δεν σας φαίνεται ότι μεγάλο μέρος του χρόνου μας αφιερώνουμε φροντίζοντας ένα απειροελάχιστο μέρος του μεγάλου Σύμπαντος του οποίου είμαστε μέρος και ότι θα ήταν επίσης χρήσιμο για την επίλυση των προβλημάτων μας να σηκώνουμε τα μάτια μας στον ουρανό πιο συχνά για να καταλάβουμε με μεγαλύτερη ταπεινοφροσύνη ότι είμαστε μέρος ενός και μόνο τεράστιου μυστηρίου;
Συμφωνώ απόλυτα με τα λόγια του Prof. Barry Barish, Νόμπελ το 2017 για την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων και διευθυντής του μεγαλύτερου «παρατηρητηρίου» αφιερωμένου σε αυτά. Είμαστε σκλάβοι της τεχνολογίας, αλλά δεν έχουμε ιδέα πώς λειτουργεί. Το παρατηρώ καθημερινά στη δουλειά μου. Δυστυχώς αυτές οι συσκευές που έχουμε στα χέρια μας σχεδόν 24 ώρες το 24ωρο συχνά μας κάνουν να βρίσκουμε έτοιμες παιδικές τροφές και σε πολλές περιπτώσεις μας σβήνουν την περιέργεια να προχωρήσουμε παρακάτω. Η ανάγνωση ενός βιβλίου που δεν είναι σχολαστικό ή δεν σχετίζεται με το επάγγελμά του θεωρείται συχνά ως "για χαμένους", η ανάγνωση ενός δημοφιλούς επιστημονικού βιβλίου είναι ακόμη περισσότερο.
Όπως είπε ο αστροφυσικός Καρλ Σάγκαν, ο πλανήτης μας είναι απλώς «μια χλωμή μπλε κουκκίδα» στην απεραντοσύνη του σύμπαντος και παρόλα αυτά τον καταστρέφουμε με πολέμους και ρύπανση. Πιστεύω ότι η παρατήρηση του απείρως μεγάλου (αλλά και του απείρως μικρού, που στη συνέχεια συνδέεται στενά) μπορεί να μας βοηθήσει να αποκτήσουμε τη σωστή δόση ταπεινότητας με την οποία πρέπει να αντιμετωπίζουμε τη ζωή. Ολοκληρώνω δίνοντας μερικές συμβουλές, ελπίζω χρήσιμες στους νέους, που στην πραγματικότητα δεν είναι δικές μου, αλλά του μεγάλου Stephen Hawking: «Να θυμάστε λοιπόν να κοιτάτε ψηλά, προς τα αστέρια και όχι προς τα πόδια σας. Προσπαθήστε να καταλάβετε τι βλέπετε και αναρωτηθείτε γιατί υπάρχει το σύμπαν. Είμαι περίεργος. Όσο δύσκολη κι αν φαίνεται η ζωή, υπάρχει πάντα κάτι που μπορείτε να κάνετε με επιτυχία. Το σημαντικό είναι να μην τα παρατάς. Ελευθερώστε τη φαντασία σας. Διαμορφώστε το μέλλον».
Αυτή είναι μια αυτόματη μετάφραση μιας ανάρτησης που δημοσιεύτηκε στο Start Magazine στη διεύθυνση URL https://www.startmag.it/sanita/ecco-perche-le-onde-gravitazionali-sono-la-piu-importante-scoperta-del-secolo/ στις Sat, 22 Jul 2023 05:23:36 +0000.