Τρίτη, 15 Σεπτεμβρίου 2015

Χωρόχρονος. Spacetime

Ω​​ς γνωστόν ο Σεπτέμβριος είναι ο μήνας της επιστροφής των μαθητών στα σχολεία για μια νέα χρονιά. Από τις αρχές, όμως, του 4ου αιώνα μ.Χ., ο Σεπτέμβριος καθιερώθηκε και ως η αρχή του εκκλησιαστικού αλλά και του πολιτικού έτους, επειδή η 1η Σεπτεμβρίου συνέπιπτε με την αρχή της ινδικτιώνος. Ακόμη και σήμερα η Ανατολική Ορθόδοξη Εκκλησία εξακολουθεί να εορτάζει την 1η Σεπτεμβρίου ως «αρχή της ινδίκτου», επειδή στο Βυζάντιο εχρησιμοποιείτο για τη χρονολόγηση πράξεων και γεγονότων και είχε παγιωθεί ως το δημοφιλέστερο σύστημα χρονολόγησης για τους Βυζαντινούς. Γι’ αυτό, άλλωστε, σε ορισμένες περιοχές της χώρας μας η 31η Αυγούστου ονομάζεται «κλειδοχρονιά» επειδή «κλειδώνει» (τελειώνει) ο προηγούμενος χρόνος, ενώ η 1η Σεπτεμβρίου ονομάζεται «αρχιχρονιά».
Σχηματοποιώντας τον χώρο σε δύο διαστάσεις, το ξεδίπλωμα του χρόνου μας δίνει την αίσθηση του χωροχρόνου σε τρεις διαστάσεις. Schematic representation of asymmetric velocity time dilation. The animation represents motion as mapped in a Minkowski space-time diagram, with two dimensions of space, (the horizontal plane) and position in time vertically. The circles represent clocks, counting lapse of proper time. The Minkowski coordinate system is co-moving with the non-accelerating clock.

Όλα αυτά τα «λαογραφικά» με οδήγησαν προ ημερών σε σκέψεις σχετικά με το «πέρασμα» του χρόνου και γενικότερα μ’ αυτό που ονομάζουμε «χρόνος», γιατί ως γνωστόν εμείς οι άνθρωποι είμαστε όντα με χρονικό προσανατολισμό. Η έννοια δηλαδή του χρόνου, επιφανειακά τουλάχιστον, φαίνεται να είναι τόσο ευκολονόητη και άμεσα συνδεδεμένη με την καθημερινότητά μας ώστε να μοιάζει σχεδόν κοινότοπη και εμφανής. Κι όμως, μερικά από τα μεγαλύτερα ανθρώπινα μυαλά έχουν καταπιαστεί με την ανάλυση και τα παράδοξά του χωρίς επιτυχία. Οι σύγχρονοι φυσικοί αναφέρονται συχνά-πυκνά στον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, στην εντροπία του σύμπαντος και στο βέλος του χρόνου, αλλά τίποτε απ’ όλα αυτά δεν μας δίνει έναν πλήρη ορισμό της έννοιας του χρόνου.

Ακόμη και ο Αϊνστάιν δεν κατόρθωσε να βρει την απάντηση, αν και μας περιέγραψε τι συμβαίνει στον χρόνο όταν τον παρατηρούμε από ένα αντικείμενο που πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός ή όταν πλησιάζουμε ορισμένα αντικείμενα μεγάλης βαρύτητας όπως είναι οι μαύρες τρύπες. Όλα αυτά, όμως, δεν σημαίνουν ότι γνώριζε τι είναι ο χρόνος, αν και μας έδειξε ότι ζούμε σ’ ένα σύμπαν τεσσάρων διαστάσεων, γιατί όλοι μας υπάρχουμε μέσα σ’ αυτό που ονόμασε «χωρόχρονο». Ο χρόνος δηλαδή είναι μία από τις τέσσερις διαστάσεις όπου ο τρισδιάστατος χώρος και ο μονοδιάστατος χρόνος αποτελούν ένα τετραδιάστατο χωροχρονικό συνεχές. Σύμφωνα, δηλαδή, με τον Αϊνστάιν, ένα αντικείμενο δεν μπορεί να υπάρχει στον χώρο χωρίς τη διάσταση του χρόνου, γιατί στη φυσική της Σχετικότητας ένα αντικείμενο κινείται στον χωρόχρονο και όχι μόνο στον χώρο. Κι ενώ οι έννοιες του χώρου και του χρόνου είναι σχετικές και εξαρτώνται από τον παρατηρητή και το σύστημα συντεταγμένων που αυτός επιλέγει, ο χωρόχρονος, ως ενοποιημένη έννοια, είναι απόλυτος.

Σχηματοποιώντας αφαιρετικά τον χώρο σε δύο διαστάσεις (επίπεδο πλέγμα), ο χωροχρόνος μπορεί να αποδοθεί με τρεις. Η βαρύτητα, που εκφράζεται ως η καμπύλωση του χωροχρόνου, σχηματοποιείται ως παραμόρφωση του χωρικού πλέγματος. Einstein's theory of general relativity predicts that massive objects warp the space-time around them. NASA's Gravity Probe B found that the space-time around Earth is indeed curved by our planet, and twisted by its rotation. Credit: NASA

Η Σχετικότητα μας λέει επίσης ότι η βαρύτητα δεν είναι μια «πραγματική» δύναμη αλλά το αποτέλεσμα της παραμόρφωσης των τεσσάρων διαστάσεων του χωρόχρονου. Και έτσι η «βαρυτική δύναμη» του Ηλιου δεν είναι αυτή που έλκει τους πλανήτες, ούτε είναι η «βαρύτητα» της Γης η οποία έλκει προς τα κάτω τα μήλα ή οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο που πέφτει. Γιατί αυτό που συμβαίνει στην πραγματικότητα είναι ότι ο Ήλιος παραμορφώνει τον χωρόχρονο γύρω του και τον κάνει να καμπυλώνει. Όσο, μάλιστα, πλησιέστερα πάμε προς τον Ήλιο τόσο μεγαλύτερη είναι και η καμπυλότητα του χωρόχρονου. Έτσι, καθώς τα διάφορα αντικείμενα κινούνται μέσα στο σύμπαν, είναι σαν να κυλάνε μέσα, έξω και γύρω από αυτές τις χωροχρονικές παραμορφώσεις, ενώ η κίνησή τους επηρεάζεται από τις παραμορφώσεις αυτές παρόλο που δεν μπορούμε να τις δούμε. Βλέπουμε όμως το αποτέλεσμα που έχει η χωροχρονική παραμόρφωση πάνω στα διάφορα αντικείμενα και την επίδραση της φαινομενικά μυστηριώδους δύναμης που ονομάζουμε βαρύτητα. Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, δηλαδή, η δύναμη της βαρύτητας έχει την ικανότητα να παραμορφώνει έντονα τη γεωμετρία του χωρόχρονου, που με απλά λόγια σημαίνει ότι «ο χωρόχρονος λέει στην ύλη πώς να κινείται και η ύλη λέει στον χωρόχρονο πώς να παραμορφώνεται», όπως έλεγε χαρακτηριστικά ο περίφημος φυσικός Τζον Γουίλερ.

Μ’ αυτόν τον τρόπο μπορούμε να περιγράψουμε καλύτερα τις διαδικασίες που συμβαίνουν όχι μόνο στον μικρόκοσμο αλλά και στον μακρόκοσμο, στο εσωτερικό του ατόμου αλλά και στα όρια του σύμπαντος των γαλαξιών. Η «πραγματικότητα», άλλωστε, αυτής της διαπίστωσης έχει επανειλημμένα αποδειχθεί στα πειράματα των πυρηνικών επιταχυντών, αλλά και στις παρατηρήσεις μας στο σύμπαν. Γιατί όταν κοιτάζουμε τους απόμακρους γαλαξίες, βλέπουμε το φως τους όπως ήταν στο παρελθόν και όχι όπως είναι τη στιγμή που τους κοιτάμε. Το σύμπαν δηλαδή δεν εκτείνεται μόνο χωροταξικά, αλλά και χρονικά. Αυτή άλλωστε είναι και η σύγχρονη αντίληψη που έχουμε για το χωροχρονικό μας σύμπαν που γεννήθηκε με μια «Μεγάλη Έκρηξη». Φυσικά, όταν αναφερόμαστε σήμερα στις απαρχές του σύμπαντος και του χωρόχρονου με μια «Μεγάλη Έκρηξη», δεν κάνουμε απλές εικασίες που δεν βασίζονται πουθενά, αλλά αντίθετα αναφερόμαστε σε ένα μαθηματικά θεμελιωμένο μοντέλο που δημιουργήθηκε με τη βοήθεια της Γενικής Σχετικότητας και της Κβαντικής Μηχανικής και συμπληρώθηκε τα τελευταία χρόνια με τις θεωρίες του Πληθωρισμού και των Υπερχορδών. Το μοντέλο, μάλιστα, αυτό επεξηγεί ικανοποιητικά πολλές από τις παρατηρήσεις και τα πειράματα που έχουν γίνει ως τώρα, έστω κι αν δεν είναι ακόμη πλήρως ολοκληρωμένο.

Διονύσης Π. Σιμόπουλος, επίτιμος διευθυντής του Ευγενιδείου Πλανηταρίου.