Άρθρα

Την βαρύτητα την γνωρίζουμε και την νιώθουμε όλοι μας. ‘Όταν σηκώνουμε το χέρι μας, όταν τρέχουμε, όταν παίζουμε μπάσκετ. Την κατανόηση των βαρυτι- κών φαινομένων, ως οφειλομένων σε μία βαρυτική δύναμη την χρωστάμε σ’ ένα “φυσικό φιλόσοφο”, τον Ισαάκ Νεύ- τωνα. To 1679 εξήγησε με επιτυχία την κίνηση των σωμάτων κάτω από την επίδραση του βαρυτικού πεδίου της γής και τις ελλειπτι- κές τροχιές των πλανητών γύρω από τον ήλιο. Οι ιδέες του Νεύ- τωνα για την βαρύτητα ήταν κυρίαρχες μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα.

Πότε και γιατί αλλάζουν οι ιδέες μας για την φύση; Συνήθως είναι απρόσμενα πειραματικά δεδομένα που μας αναγκάζουν να προχωρήσουμε σε καινούργιες θεωρίες. Στη περίπτωση όμως του Einstein, στις αρχές του 20ου αιώνα, δεν συνέβη κάτι τέτοιο. Ήταν η ίδια η αντίληψη του Einstein για την φύση και τα φυσικά δρώμενα που τον οδήγησαν σε δύο σημαντικές θεωρίες, την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας και την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Στην Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας συναντάμε την ενοποίηση του χώρου και του χρόνου σ’ ένα συνεχές, τον χωρόχρονο. Στην Γενική Θεωρία της Σχετικότητας συναντάμε πλέον ριζοσπαστικές μεταβολές που μεταβάλλουν άρδην τις αντιλήψεις μας για την βαρύτητα. Σημείο αναφοράς για τον Einstein ήταν οι παρατηρήσεις του Ιωάννη Φιλόπονου και του Γαλιλαίου, ότι σώματα με διαφορετική μάζα κινούνται με τον ίδιο τρόπο κάτω από την επίδραση της βαρύτητας.

Η θεμελιώδης αυτή παρατήρηση ώθησε τον Einstein να παραμερίσει την βαρύ- τητα ως δύναμη και να θεωρήσει ότι η ύλη (μία μεγάλη μάζα, ορμή, ενέργεια) καμπυλώνει τον χωρόχρονο και ο καμ- πυλωμένος χωρόχρονος υποδεικνύει σ’ ένα υλικό σωματίδιο πώς να κινηθεί. Η θεωρία του Einstein δημοσιεύτηκε τον Νοέμβριο του 1915. Δύο μήνες αργό τερα, ο Schwarzschild, ένας Γερμανός υπολοχαγός που συμμετείχε στο Ανατολικό Μέτωπο, στο σφαγείο του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου, κατανόησε την καινούργια θεωρία του Einstein. Θεώ- ρησε ένα στατικό σφαιρικό αστέρι και καθόρισε τον χωρόχρονο που δημιουργεί το αστέρι αυτό. Μία σημαντική παράμετρος στη λύση Schwarzschild είναι η ακτίνα Schwarzschild RS = 2GM/c2, όπου G είναι η βαρυτική σταθερά και Μ η μάζα που έχει το αστέρι. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι η ακτίνα Schwarzschild για την Γη είναι 8 χιλιοστά του μέτρου, ενώ για τον Ήλιο είναι 3 χιλιόμετρα. Και στις δύο περιπτώσεις η ακτίνα Schwarzschild είναι βαθειά στο εσω- τερικό του αστεριού. Τι συμβαίνει όμως όταν ένα αστέρι με με- γάλη μάζα καταρρέει κάτω από την επί- δραση της βαρύτητας σε μία ακτίνα πιο μικρή από την ακτίνα Schwarzschild; Τότε έχουμε μπροστά μας μία μελανή οπή!

Ας υποθέσουμε ότι εμείς από την Γη στέλνουμε ένα πύραυλο προς την μελανή οπή και ο πύ- ραυλος μας στέλνει σήματα σε τακτικά χρονικά διαστήματα τ. Στην αρχή θα λαμβάνουμε τα σήματα στα ίδια χρονικά διαστήματα τ. Όσο όμως ο πύραυλος απομακρύνεται από την Γή και πλησιάζει την μελανή οπή τα σήματα θα μας έρχονται με καθυστέρηση. Όταν ο πύ- ραυλος είναι κοντά στην ακτίνα Schwarzschild, γνωστής ως ορίζοντας γεγονότων, τα σήματα που μας στέλνει ο πύραυλος θα κάνουν άπειρο χρόνο να φθάσουν σε μας. Τι σημαίνει αυτό; Ενώ ο πύραυλος θα έχει περάσει τον ορίζοντα γεγονότων και καταδύεται στην μελανή οπή, εμείς θα έχουμε την ψευ- δαίσθηση ότι ο πύραυλος δεν πέρασε τον ορίζοντα γεγονότων. Σ’ εμάς ο χώρος εντός του ορίζοντα γεγονότων θα είναι απροσπέλαστος, θα είναι μία με- λανή οπή. Το παράδοξο αυτό μελέτησε με αυστηρά μαθηματικά ο Roger Pen- rose. Θεώρησε ότι ένα φωτόνιο, μία ακτίνα φωτός, εκτοξεύεται από το εσω- τερικό της μελανής οπής προς το εξωτερικό της μελανής οπής. Απέδειξε ότι το φωτόνιο δεν εγκαταλείπει την μελανή οπή, αλλάζει πορεία και παραμένει εντός της μελανής οπής. Χαρακτήρισε το όλο φαινόμενο ως “παγιδευμένες επιφάνειες”. Γι’ αυτή την εργασία του ο Penrose τιμήθηκε το 2020 με το βραβείο Nobel. Το άλλο μισό του βραβείου Nobel απονεμήθηκε σε δύο αστροφυσι- κούς, τον Reinhard Genzel και την An- drea Ghez. Μελέτησαν τις κινήσεις αστεριών στο κέντρο του γαλαξία μας, γύρω από τον Sagittarius A, και έδειξαν ότι ο Sagittarius A είναι μία μελανή οπή με μάζα τέσσερα εκατομμύρια ηλιακές μάζες!

Να το γιορτάσουμε; Φυσικά. Υπάρχουν όμως ανοιχτά και σύνθετα προβλήματα που περιμένουν απάντηση. Ας σκε- φθούμε ότι μία μελανή οπή “καταπίνει” ένα αστροναύτη που μαζί με το σκάφανδρο ζυγίζει 120 κιλά. Μπορούμε όμως να σκεφθούμε ότι η μελανή οπή “καταπίνει” μία μεταλλική σφαίρα που ζυγίζει
120 κιλά. Με τις θεωρίες που έχουμε στη διάθεση μας δεν μπορούμε να ξεχωρίσουμε τις δύο περιπτώσεις. Αυτό αποτελεί σκάνδαλο για τους θεωρητι- κούς φυσικούς που διεκδικούν την δια- τήρηση της πληροφορίας και την ικανότητα μας να ξεχωρίζουμε διαφορε- τικές καταστάσεις. Το πρόβλημα αυτό ετέθη έντονα από τον Stephen Hawking. Αν η Γενική Θεωρία Σχετικότητας είναι ο ένας πυλώνας της σύγχρονης φυσικής, ο άλλος είναι η Κβαντική Μηχανική. Ο στόχος μας παραμένει να παντρέψουμε την Γενική Θεωρία Σχετικότητας με την Κβαντική Θεωρία, να δημιουργήσουμε την κβαντική βαρύτητα, η τον κβαντικό χωρόχρονο. Θα πρέπει να αναμένουμε.

Ο Αργύρης Νικολαΐδης έλαβε το διδακτορικό του στο πανεπιστήμιο McGill του Μόντρεαλ και εργάστηκε ως μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Collège de France στο Παρίσι. Τιμήθηκε με το Εμ- πειρίκειο Βραβείο Φυσικών Επιστημών (1988). Fulbright scholar την χρο- νιά1995. Προσκεκλημένος ερευνητής
στο Institute of Basic Science (Ν. Κορέα, θέρος 2016). Μέλος του Επιστημονικού Συμβουλίου του τηλεσκοπίου νετρίνων ΝΕΣΤΩΡ.
Το ερευνητικό έργο του καλύπτει ευρύ- τατα θέματα: Κβαντική Χρωμοδυναμική, αστροφυσική νετρίνων και τηλεσκόπια νετρίνων, θεωρία χορδών, μελανές οπές, επιπλέον διαστάσεις του χώρου, σχεσιακή λογική και τα θεμέλια της Κβαντικής Μηχανικής, τυχαίοι πίνακες και γλώσσα, κωδικοποίηση του DNA.