Physics Geek
Του
Χρήστου Ταβαντζή

Στο πλαίσιο αυτού του άρθρου, θα προσπαθήσω να δώσω μια οπτική πλευρά, σε ένα από τα χαρακτηριστικά της μελέτης της φυσικής αλλά και άλλων θετικών επιστημών για το οποίο συχνά δε γίνεται αρκετός λόγος.  Ως φυσικοί καλούμαστε να περιγράψουμε τα φαινόμενα τα οποία παρατηρούμε. Είναι ωστόσο γεγονός ότι οι τρόποι με τους οποίους τα περιγράφουμε, τις περισσότερες φορές, έχουν εντελώς αντί-διαισθητικό χαρακτήρα σε σχέση με τα φαινόμενα τα ίδια.

Θα διασαφηνίσω τι εννοώ, θέτοντας το εξής επιχείρημα:

Στην Γη, συναντάμε μια σειρά από διάφορα χημικά στοιχεία, όπως για παράδειγμα, το οξυγόνο και ο άνθρακας. Όταν τα δυο αυτά στοιχεία, τύχει να πλησιάσουν αρκετά το ένα το άλλο, σχηματίζουν μεταξύ τους δεσμούς. Κατά τον σχηματισμό των δεσμών παράγεται διοξείδιο του άνθρακα και φως. Να σημειωθεί ότι τα οξυγόνα και οι άνθρακες κρατάνε μεταξύ τους απόσταση γιατί απωθούνται ηλεκτρικά .

Είναι αξιοσημείωτο, το ότι μια τέτοιου είδους αναλογία, ενώ περιγράφει σε κάποιο βαθμό το φυσικό φαινόμενο της φωτιάς, δεν μας δίνει καμία  πληροφορία για το ίδιο το φαινόμενο με κάποιο προφανή τρόπο (αν και  μας δίνει πληροφορίες για τις χημικές διαδικασίες που συμβαίνουν). Για παράδειγμα, δεν μας λέει τίποτα για τη θερμοκρασία της φωτιάς ή το σχήμα της . Για να αντλήσουμε αυτές τις πληροφορίες, θα έπρεπε ίσως να σκαρφιστούμε διάφορα μαθηματικά τεχνάσματα και μια άλλου είδους αναλογία η οποία θα αναφερόταν σε φωτόνια και σε κινήσεις αερίων μαζών. Η περιγραφή γίνεται με έναν τρόπο, ο οποίος σε πρώτη φάση μοιάζει τελείως αφηρημένος. Τα οξυγόνα, οι άνθρακες, οι δεσμοί και τα φωτόνια είναι έννοιες οι οποίες αν δεν συνοδεύονται από ένα ευρύτερο πλαίσιο σκέψης. Δεν έχουν δηλαδή κάποιο συγκεκριμένο νόημα. Τι είναι αυτοί οι δεσμοί ας πούμε?

Αξιοθαύμαστο, κατά τη γνώμη μου, αποτελεί το γεγονός του ότι η φύση έχει χαρακτήρα τέτοιο, ώστε να επιδέχεται περιγραφή μέσω αναλογιών, οι οποίες άλλοτε γίνονται μέσω χημικών συμβολισμών που υπακούν σε διάφορους κανόνες, και άλλοτε μέσω της χρήσης φυσικών αρχών και μαθηματικών συμβολισμών (αν και θα ήταν αφελές  να αναφερθώ στα μαθηματικά λέγοντας πως είναι απλώς σύμβολα καθώς έχουν έναν χαρακτήρα από μόνα τους).

Βαρύτητα & Αναλογίες

Ένα άλλο παράδειγμα αναλογίας, αποτελεί η γεωμετρική περιγραφή της βαρύτητας, η οποία πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Einstein το 1915 μέσω της γενικής θεωρίας της σχετικότητας . Βέβαια, η επαναστατική ιδέα στην προκειμένη περίπτωση, δεν είναι η βαρύτητα αλλά ο γεωμετρικός χαρακτήρας της. Αυτό διότι, ο Νεύτωνας από το 1666 και αργότερα το 1687 στο έργο του principia, είχε ήδη διατυπώσει μια φυσική θεωρία, η οποία περιγράφει τη βαρύτητα ως μια δύναμη, η οποία προκύπτει από μια ιδιότητα των αντικειμένων την οποία αποκαλούμε μάζα. Η θεωρία του Νεύτωνα, περιγράφει σε εξαιρετικά ικανοποιητικό βαθμό γεγονότα όπως η κρούση των σωμάτων,η κίνηση εκκρεμών, μέχρι τις κινήσεις των πλανητών –με εξαίρεση μια μικρή παρέκκλιση στην τροχιά του Ερμή, η οποία ήταν ένα από τα πράγματα τα οποία εξηγήθηκαν με τη βοήθεια της θεωρίας του Einstein.

Αξίζει να σημειωθεί πως η θεωρία του Νεύτωνα οδήγησε για πρώτη φορά στον υπολογισμό της ταχύτητας του φωτός από τον Romer’s το 1676 σε μια προσπάθεια του να μετρήσει το χρόνο ανάμεσα στις εκλείψεις για ένα από τα φεγγάρια του Δια. Ο Romer’s παρατήρησε ο’τι ο χρόνος μεταξύ δυο διαδοχικών εκλείψεων δεν ήταν σταθερός, ενώ οι μεταβολές οι ίδιες, φαίνονταν να σχηματίζουν ένα μοτίβο το οποίο έριχνε “εκτός” τις τιμές των μετρήσεων με βάση το θεωρητικό μοντέλο του Νεύτωνα κατά 16.7 λεπτά κάθε χρόνο. Έχοντας βαθιά πίστη λοιπόν στην εγκυρότητα των νόμων,ο Romer’s, θεώρησε πως παίρνει κάποια ώρα στο φως για να φτάσει από το Δία στη Γη . Ο υπολογισμός του βέβαια ήταν 220,000 km/sec το οποίο είναι λιγότερο από την τιμή που γνωρίζουμε σήμερα αν και για μεγάλο μέρος αυτού του σφάλματος οφείλονταν κυρίως οι μετρήσεις του και όχι τόσο η θεωρία.

Ο γεωμετρικός χαρακτήρας της βαρύτητας , ως καμπύλωση, κατά τον Einstein

Τόσο από την Νευτώνια σκοπιά όσο και από τη Σχετικιστική, βλέπουμε  την περιγραφή της φύσης, μέσω δύο διαφορετικών αναλογιών, οι οποίες φαίνονται να έχουν τελείως διαφορετικό χαρακτήρα μεταξύ τους, αλλά περιγράφουν και οι δύο το ίδιο ακριβώς φαινόμενο, η κάθε μια με κάποιο βαθμό λεπτομέρειας. Η Βαρύτητα ως δύναμη από τη μια και ως γεωμετρική καμπύλωση από την άλλη.

Αλλά και πάλι πριν από τον Einstein και το Νεύτωνα, ο Κepler, ξεκινώντας το έτος 1609 και ολοκληρώνοντας το έργο του δέκα χρόνια μετά ,το 1619, είχε ήδη διατυπώσει τους τρεις νόμους του, οι οποίοι περιέγραφαν τις κινήσεις των πλανητών και μπορούσαν να προβλέψουν τις θέσεις τους.

Όσο για την κρούση σωμάτων, ο Νεύτωνας ο ίδιος  στο έργο του , αναφέρει πως οι Sir Christ, Wren Dr Wallis και ίσως πιο γνωστός στους φυσικούς Huygens, έχουν περιγράψει ήδη μαθηματικά, την κρούση σώματος κρεμασμένου  από εκκρεμές, ο καθένας τους ξεχωριστά, έχοντας καταλήξει στα ίδια συμπεράσματα.

Οι βαρυτικές δυνάμεις κατά τον Νεύτωνα

Οι νόμοι του Kepler

Οι νόμοι του Kepler, λειτουργούν ως μια καθαρά μαθηματική περιγραφή της κίνησης των πλανητών, η οποία μπορεί να εκφραστεί μέσω τριών προτάσεων :

1ος Νόμος: Η τροχιά των πλανητών είναι ελλειπτική με τον Ήλιο να βρίσκεται στη μία εστία της έλλειψης.
2ος Νόμος: Η ακτίνα που ενώνει τον Ήλιο και τον κάθε πλανήτη διαγράφει σε ίσους χρόνους ίσα εμβαδά.
3ος Νόμος: Το τετράγωνο της περιόδου περιφοράς του κάθε πλανήτη είναι ανάλογο με τον κύβο του μήκους του μεγάλου ημιάξονα της έλλειψης που διαγράφει.

Η παρατήρηση εδώ, είναι ότι πουθενά, δε γίνεται κανένας λόγος για βαρύτητα, ενώ η βαρύτητα ως έννοια εκείνη την εποχή, έχει εισαχθεί ήδη και από τον Γαλιλαίο, ο οποίος μάλιστα, έχει υπολογίσει την επιτάχυνση την οποία προκαλεί η βαρύτητα στα σώματα, όταν αυτά βρίσκονται σε ελεύθερη πτώση. Παρ’όλα αυτά, μέχρι πριν το Νεύτωνα, κανείς δεν κατάφερε να αντιληφθεί (δικαιολογημένα) πώς οι νόμοι του Keppler κρύβουν μέσα τους, το νόμο παγκόσμιας έλξης. Οι νόμοι του Kepler, είναι εκφρασμένοι με έναν τεχνικό τρόπο, ο οποίος μοιάζει να έχει καθαρά μαθηματικό χαρακτήρα αφού οι νόμοι αποτελούν ουσιαστικά ένα σύνολο συμπερασμάτων, τα οποία ο ίδιος άρχισε να διατυπώνει, μελετώντας έναν τρομακτικό αριθμό από μετρήσεις θέσεων των ουράνιων σωμάτων του Tycho Brahe. Αργότερα χρησιμοποίησε και μετρήσεις που πήρε ο ίδιος ξεχωριστά ,σε μια προσπάθεια του να τελειοποιήσει τους νόμους του. Οι μετρήσεις αυτές γίνονταν με χωρίς τηλεσκόπιο με το μάτι και τη βοήθεια ενός οργάνου το οποίο ονομάζεται τεταρτοκύκλιο . Η ακρίβεια τους βέβαια ήταν εντυπωσιακή όσο πρωτόγονη και αν μοιάζει η μέθοδος (σύμφωνα με τους ισχυρισμούς του Brahe άγγιζε τα 10 δευτερόλεπτα τόξου).

Από τον Kepler, στον Νεύτωνα και από τον Νεύτωνα στον Einstein, βλέπουμε την εξέλιξη της ανθρώπινης προσπάθειας, στην κατανόηση του φυσικού μας κόσμου, μέσα από μια σειρά αναλογιών, οι οποίες κάθε φορά εξετάζουν το αντικείμενο από μια διαφορετική σκοπιά, εξελίσσοντας  την αντίληψη μας πάνω σε αυτό.

Θέλω να κλείσω λέγοντας πως προσωπικά, θεωρώ πως η ομορφιά που ανακαλύπτει κανείς μελετώντας φυσική, είναι πως η φαντασία της φύσης και των νόμων της, μας αναγκάζει να εξελίξουμε τη δική μας φαντασία και αντίληψη όλο και περισσότερο, ενώ όσο πλησιάζουμε  αυτή πάντα βρίσκει ένα τρόπο να μας ξεφύγει οδηγώντας μας, σε ένα -ίσως- ατελείωτο ταξίδι γνώσης.

Εμπνευσμένο από τη σειρά διαλέξεων του Richard Feynman με τίτλο “The Character of the Physical Law”.