Δευτέρα, 7 Μαρτίου 2016

Τα λάθη του Άλμπερτ Αϊνστάιν. When Einstein Was Wrong

O Einstein στο σπίτι του στο Princeton το 1944. Einstein at home in Princeton, N.J., in 1944. Credit: Popperfoto/Getty Images

Ποιες ήταν, σύμφωνα με τον Λόρενς Κράους, οι μεγαλύτερες επιστημονικές αστοχίες του γίγαντα της σύγχρονης φυσικής;

Την Πέμπτη 11 Φεβρουαρίου 2016 ανακοινώθηκε επίσημα ότι η διεθνής ερευνητική κοινοπραξία LIGO κατάφερε, για πρώτη φορά, να ανιχνεύσει τα ακριβοθώρητα βαρυτικά κύματα.

Επί έναν αιώνα τα βαρυτικά κύματα ήταν μόνο μια ανεπιβεβαίωτη πρόβλεψη της Γενικής Σχετικότητας, σήμερα όμως, χάρη σε αυτήν την ανακάλυψη, η ύπαρξή τους θεωρείται από τους φυσικούς μια σχεδόν επιστημονική βεβαιότητα. Ωστόσο θα ήταν λάθος να πιστέψει κανείς ότι ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ήταν αλάνθαστος ή ότι οι επιστημονικές προβλέψεις του ήταν πάντοτε σωστές.

Το γεγονός αυτό θέλησε να μας το θυμίσει ο διάσημος θεωρητικός φυσικός και συγγραφέας Λόρενς Μ. Κράους* (Lawrence M. Krauss), ο οποίος αμέσως μετά τη συγκλονιστική ανακάλυψη δημοσίευσε στην εφημερίδα «New York Times» ένα εκτενές σχόλιο [When Einstein Was Wrong] σχετικά με το ποια θεωρούνται σήμερα τα τέσσερα σοβαρότερα επιστημονικά σφάλματα που διέπραξε ο μεγαλύτερος φυσικός του εικοστού αιώνα. 
Με αφορμή αυτό το άρθρο έχει ενδιαφέρον και είναι εξόχως διδακτικό να δούμε ποιες ήταν αυτές οι ατυχείς στιγμές.

Η πρόσφατη πειραματική επιβεβαίωση των βαρυτικών κυμάτων μας αποκαλύπτει τη δύναμη της σκέψης και της επιστημονικής διαίσθησης του Αϊνστάιν. Όμως ακόμη και ο πατέρας της Σχετικότητας έκανε κάποια ολέθρια λάθη˙ στην πραγματικότητα πολύ λίγα.

1. Η κοσμολογική σταθερά ήταν πράγματι μια «μεγάλη γκάφα»;

Screenshot of the 1956 Scientific American article in which Gamow originally recalled Einstein's claim (Scientific American).

Όταν το 1916 διατυπώθηκε επίσημα η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας οι φυσικοί πίστευαν ότι το Σύμπαν ήταν στατικό και ουσιαστικά αμετάβλητο στον χρόνο. Η διαστολή του Σύμπαντος δεν είχε ακόμη διαπιστωθεί από τους αστρονόμους.

Ωστόσο ο Αϊνστάιν είχε συνειδητοποιήσει ότι εφόσον η βαρυτική δύναμη είναι πάντοτε ελκτική, τότε, λόγω των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων, το Σύμπαν δεν μπορεί να είναι στατικό.

Και κάποια στιγμή η αμοιβαία βαρυτική έλξη όλων των μαζών θα οδηγήσει τελικά στην κατάρρευσή τους προς κάποιο σημείο.Με άλλα λόγια, στο απώτερο μέλλον όλα τα υλικά σώματα είναι καταδικασμένα να καταρρεύσουν σε μια Μεγάλη Σύνθλιψη.

Για να διασφαλίσει τη σταθερότητα, και άρα για να αποφύγει την τελική κατάρρευση του Σύμπαντος, ο Αϊνστάιν αποφάσισε, το 1917, να εισαγάγει έναν επιπρόσθετο όρο στις εξισώσεις της Σχετικότητας.

Αυτός ο όρος ονομάστηκε αργότερα «κοσμολογική σταθερά- Λ» η οποία, όταν έπαιρνε θετικές τιμές, παρείχε μια απωστική δύναμη ικανή να αντισταθμίζει τη βαρυτική κατάρρευση, λειτουργούσε δηλαδή σαν μια κοσμική αντιβαρυτική δύναμη.

Όμως μόλις μια δεκαετία μετά, ο μεγάλος αστρονόμος Έντουιν Χάμπλ (E. Hubble) απέδειξε με τις παρατηρήσεις του με το ισχυρό τηλεσκόπιο που βρίσκεται στο όρος Γουίλσον ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους. Το Σύμπαν λοιπόν όχι μόνο δεν είναι στατικό αλλά, αντίθετα με ό,τι πίστευαν μέχρι τότε, διαστέλλεται προς όλες τις κατευθύνσεις.

Αυτές οι αστρονομικές εξελίξεις έπεισαν τον Αϊνστάιν να απαλείψει την κοσμολογική σταθερά από τις εξισώσεις του, όχι μόνο επειδή ήταν περιττή, αλλά και επειδή κατέστρεφε την αισθητική ισορροπία και την ομορφιά των εξισώσεων της αρχικής εκδοχής της Γενικής Σχετικότητας.

Και υπό αυτήν την έννοια ο Αϊνστάιν θεωρούσε την εισαγωγή της κοσμολογικής σταθεράς ως τη «μεγαλύτερη γκάφα» της ζωής του.

Έκτοτε η έννοια της κοσμολογικής σταθεράς θα αποκτήσει ένα πολύ κακό όνομα μεταξύ των φυσικών, τουλάχιστον μέχρι τα τέλη του εικοστού αιώνα.

Ωστόσο, κατά τις δύο τελευταίες δεκαετίες η ιδέα της κοσμολογικής σταθεράς φαίνεται να επιστρέφει ως φυσική αναγκαιότητα, καθώς όλο και περισσότερες αστρονομικές παρατηρήσεις και θεωρητικές μελέτες επιβεβαιώνουν ότι το ορατό Σύμπαν, όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά η διαστολή του είναι επιταχυνόμενη!

Αν και περιττή σε ένα στατικό Σύμπαν, η κοσμολογική σταθερά φαίνεται πως είναι σήμερα απαραίτητη γιατί εξηγεί τη δύναμη που αναγκάζει το Σύμπαν να διαστέλλεται με επιταχυνόμενους ρυθμούς.

Πράγματι από το 1998 οι αστρονομικές παρατηρήσεις των σουπερνόβα (υπερκαινοφανών αστέρων) στους πιο απομακρυσμένους γαλαξίες αποκάλυψαν την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος, οπότε οι φυσικοί, για να εξηγήσουν αυτό το γεγονός, κατέφυγαν στην ιδέα της «σκοτεινής ενέργειας», μια σύγχρονη εκδοχή της κοσμολογικής σταθεράς του Αϊνστάιν!

Όπως εύστοχα υποστηρίζει ο Κράους, ο Αϊνστάιν διέπραξε ένα διπλό νοητικό ατόπημα: εισήγαγε την κοσμολογική σταθερά χωρίς να υπάρχει καμιά φυσική αναγκαιότητα και εν συνεχεία την απάλειψε με περισσή ευκολία χωρίς να εξετάσει επαρκώς τις δυνατότητές της.

Ίσως εν τέλει η μεγαλύτερη «γκάφα» του Αϊνστάιν να αποδειχτεί, στο μέλλον, μία από τις πιο ουσιαστικές κοσμολογικές διαισθήσεις του!

2. Η υποτίμηση των βαρυτικών φακών

Διάλεξη του Albert Einstein στη Βιέννη το 1921. Albert Einstein at a lecture in Vienna in 1921. Credit: Ferdinand Schmutzer/ÖNB-Bildarchiv via, Picturedesk

Μία θεμελιώδης πρόβλεψη της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας ήταν ότι τα ουράνια σώματα πολύ μεγάλης μάζας, όπως οι γαλαξίες, οι μαύρες τρύπες, τα υπέρπυκνα αστέρια κ.λπ., λόγω του ισχυρότατου πεδίου βαρύτητας που δημιουργεί γύρω από αυτά η μάζα τους, πρέπει να εκτρέπουν ή να ενισχύουν το φως ή τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που εκπέμπονται από άλλα ουράνια σώματα. Συνεπώς, σε σχέση μ’ έναν γήινο παρατηρητή, λειτουργούν σαν «φακοί».

Η δημιουργία τέτοιων βαρυτικών ειδώλων είναι μια λογική συνέπεια της θεωρίας, σύμφωνα με την οποία η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υφίσταται καμπύλωση όταν συναντά ένα ισχυρό πεδίο βαρύτητας.

Το αποτέλεσμα είναι ένα είδος οπτικής απάτης σε κοσμική κλίμακα, καθώς δημιουργούνται διπλά ή και πολλαπλά είδωλα (εικόνες) του ουράνιου αντικειμένου, όπως ακριβώς θα συνέβαινε στην περίπτωση ενός οπτικού φακού.

Αυτό το πολύ σημαντικό φαινόμενο ο Αϊνστάιν το περιέγραψε σε ένα άρθρο του το 1936, χωρίς όμως να προβλέψει τις εντυπωσιακές δυνατότητες που διανοίγονται για την κοσμολογική έρευνα από την αξιοποίηση του φαινομένου της καμπύλωσης του φωτός όταν αυτό περνά κοντά από ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο.

Μολονότι η θεωρητική υπόθεση και η μαθηματική περιγραφή της ήταν σωστές, ο ίδιος ο Αϊνστάιν στο σχετικό άρθρο υποστήριζε ότι: «Βέβαια δεν υπάρχει η παραμικρή ελπίδα να παρατηρήσουμε άμεσα αυτό το φαινόμενο».

Ο λόγος γι’ αυτήν τη λανθασμένη πρόβλεψη ήταν ότι ο πατέρας της σχετικιστικής φυσικής σκεφτόταν μόνο τα αστέρια.Πολύ σύντομα όμως έγινε σαφές ότι οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών, που στην πραγματικότητα είναι συστήματα αστέρων, μπορούν να λειτουργούν ως βαρυτικοί φακοί.

Το γεγονός αυτό δεν αποτελεί απλώς μία ακόμη επιβεβαίωση των θεωρητικών προβλέψεων της Γενικής Σχετικότητας, αλλά προσέφερε και νέες ασύλληπτες δυνατότητες στην κοσμολογική έρευνα: αν η κατανομή της μάζας στον χωροχρόνο μπορεί να δρα ως «βαρυτικός φακός», τότε οι μάζες των ουράνιων σωμάτων που παρεμβάλλονται μεγεθύνουν τα πολύ απομακρυσμένα ουράνια αντικείμενα επιτρέποντας στους ειδικούς να τα μελετάνε λεπτομερώς.

3. Όταν ο Αϊνστάιν αμφισβήτησε ακόμη και τα βαρυτικά κύματα

Artist's rendering/Simulating eXtreme Spacetimes.

Ίσως ακούγεται εξωφρενικό, όμως ακόμη και ο άνθρωπος που συνέλαβε την ιδέα των βαρυτικών κυμάτων, κάποια στιγμή απέρριψε τη δυνατότητα να υπάρχουν πραγματικά. Η ύπαρξή τους ήταν λογική συνέπεια και μια σημαντική πρόβλεψη της Γενικής Σχετικότητας, που διατυπώθηκε από τον Αϊνστάιν πριν από έναν αιώνα, στα 1916.

Και όπως υπέθετε τότε, θα πρέπει να πρόκειται για ιδιαίτερα σπάνια φυσικά φαινόμενα που προκύπτουν όταν συγκρούονται στο Διάστημα σώματα πολύ μεγάλης μάζας. Σύμφωνα με τη θεωρία, όποτε συγκρούονται τέτοια υπέρπυκνα κοσμικά αντικείμενα θα πρέπει να παράγονται τοπικά πτυχώσεις ή «ρυτιδώσεις» στον χωρόχρονο.

Παρ’ όλα αυτά, είκοσι χρόνια μετά (το 1936), όπως επισημαίνει ο Κράους, ο Αϊνστάιν φαίνεται πως άλλαξε γνώμη και σε ένα ατυχέστατο άρθρο του υποστήριξε ότι «τα βαρυτικά κύματα δεν μπορεί να υπάρχουν»!

Όμως έκανε λάθος, όχι τόσο γιατί η ύπαρξή τους επιβεβαιώθηκε μετά από έναν αιώνα, αλλά επειδή είχε διαπράξει ένα σοβαρό μαθηματικό ατόπημα επιλέγοντας εντελώς λανθασμένες μεταβλητές.

Ευτυχώς το λάθος εντοπίστηκε εγκαίρως από έναν διαπρεπή Αμερικανό μαθηματικό, τον Χάουαρντ Ρόμπερτσον (Howard P. Robertson), ο οποίος αξιολογούσε την επιστημονική αρτιότητα των άρθρων πριν αυτά δημοσιευτούν στο έγκυρο περιοδικό «Physical Review».

4. Η επίμονη άρνηση της «κβαντικής σύμπλεξης»

Sorry, Einstein. Quantum Study Suggests ‘Spooky Action’ Is Real. Part of the laboratory setup for an experiment at Delft University of Technology, in which two diamonds were set 1.3 kilometers apart, entangled and then shared information. Credit: Frank Auperle/Delft University of Technology

Ο όρος «σύμπλεξη» είναι η απόδοση του αγγλικού όρου «entanglement», που έχει επίσης μεταφραστεί, κατά τη γνώμη μας εσφαλμένα, ως «διεμπλοκή», «εμπλοκή» και «εναγκαλισμός».

Η «κβαντική σύμπλεξη» εμφανίζεται ανάμεσα σε δύο ή περισσότερα σωματίδια (π.χ. ανάμεσα σε ηλεκτρόνια ή ανάμεσα σε φωτόνια), τα οποία, μολονότι απέχουν πολύ μεταξύ τους, μπορούν -με έναν σχεδόν μαγικό τρόπο- να «επικοινωνούν» και να «αντιλαμβάνονται» το καθένα τις ιδιότητες ή τις μεταβολές που υφίσταται το άλλο!

Αν, για παράδειγμα, αλλάξει το σπιν (η ιδιοπεριστροφή) του ενός σωματιδίου, αυτό γίνεται ταυτοχρόνως «αντιληπτό» και έχει αμέσως επιπτώσεις στο σπιν και του άλλου, παρά την τεράστια απόσταση που υπάρχει μεταξύ τους.

Και μολονότι ακόμη και σήμερα οι φυσικοί αγνοούν τον τρόπο με τον οποίο «επικοινωνούν» αυτά τα σωματίδια, έχει πολλές φορές επιβεβαιωθεί πειραματικά η ύπαρξη αυτού του μυστηριώδους αλλά πραγματικού φυσικού φαινομένου. Πρόκειται αναμφίβολα για το πιο αλλόκοτο και εξωφρενικό από όλα τα παράδοξα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής.

Καθόλου περίεργο λοιπόν που ο Αϊνστάιν το είχε χαρακτηρίσει υποτιμητικά ως «στοιχειωμένο», επειδή η κατάσταση σύμπλεξης των δύο ή περισσότερων μικροσωματιδίων τούς επιτρέπει μυστηριωδώς να επικοινωνούν και να αλληλοεπηρεάζονται από τεράστιες αποστάσεις.

Όπως εξηγεί ο Κράους στο άρθρο του στους «New York Times»: «Ο Αϊνστάιν δεν πίστευε ότι η δράση από απόσταση θα μπορούσε ποτέ να επιβεβαιωθεί πειραματικά. Ηταν πεπεισμένος ότι πρόκειται για κάτι εντελώς αφύσικο. Και χρησιμοποιούσε τη σύμπλεξη ως παράδειγμα για το ότι η κβαντική φυσική είναι μια εσφαλμένη ερμηνεία».

Στην πραγματικότητα όμως μέχρι σήμερα η κβαντική ερμηνεία αποδείχτηκε ότι είναι η μόνη δυνατή επιστημονική περιγραφή για μια σειρά από αινιγματικά φαινόμενα, τα οποία διαφορετικά θα παρέμεναν ανεξήγητα.

Το μεγαλύτερο ίσως σφάλμα του μεγάλου ανανεωτή της Φυσικής ήταν η επίμονη άρνησή του να αποδεχτεί ότι η κβαντομηχανική είναι η οριστική εξήγηση των μικροφυσικών φαινομένων. Και η άρνηση αυτή αποκτά ακόμη μεγαλύτερη βαρύτητα επειδή εκείνος ήταν ο πρώτος που, το 1905, εισήγαγε την έννοια των «κβάντων» για να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Δεν είναι λοιπόν καθόλου αλήθεια, όπως πολύ συχνά λέγεται, ότι δεν αποδεχόταν τη μη αιτιοκρατική -πιθανοκρατική και στατιστική- περιγραφή της κβαντομηχανικής, στη διατύπωση της οποίας είχε πρωτοστατήσει.

Αυτό που επίμονα αρνούνταν ήταν ότι η μη αιτιοκρατία είναι εγγενές χαρακτηριστικό της φυσικής πραγματικότητας! Μολονότι θεωρούσε απολύτως νόμιμη την πιθανοκρατική περιγραφή των κβαντικών φαινομένων, αναζητούσε επίμονα -αλλά μάταια!- μια βαθύτερη αιτιοκρατική εξήγησή τους.

Μάλιστα τα τελευταία χρόνια της ζωής του προσπάθησε (ανεπιτυχώς) να ενοποιήσει τις εξισώσεις της Γενικής Σχετικότητας για τη βαρύτητα με τον ηλεκτρομαγνητισμό, με την πρόθεση να δημιουργήσει μια νέα αιτιοκρατική θεωρία του ενοποιημένου πεδίου.

Ωστόσο ακόμη και αυτές οι ατελέσφορες προσπάθειές του δεν ήταν ολότελα μάταιες, αφού τις επόμενες δεκαετίες οδήγησαν στις αναζητήσεις των κρυφών κοσμικών διαστάσεων του Σύμπαντος και στην ανάπτυξη της θεωρίας των χορδών.

Ακόμη και στην περίπτωση του Αϊνστάιν λοιπόν ισχύει ότι «το σφάλλειν ανθρώπινον». Οφείλουμε πάντως να αναγνωρίσουμε ότι το να διαπράξει κάποια δημιουργικά «λάθη» ήταν σχεδόν αναπόφευκτο, αφού μόνο μέσα από τέτοια λάθη καταφέρνει η επιστημονική σκέψη να αποκαλύπτει τη λειτουργία του πολύπλοκου, δυναμικού και γνωστικά αβέβαιου Σύμπαντος.

*Ο Λόρενς Μ. Κράους, επιφανής θεωρητικός φυσικός και καθηγητής Κοσμολογίας στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Συγγραφέας επιτυχημένων επιστημονικών βιβλίων, τρία από τα οποία κυκλοφορούν και στα ελληνικά: το «Σκοτεινή ύλη» και το «Ένα Σύμπαν από το τίποτε» κυκλοφορούν από τις εκδ. Τραυλός, ενώ το βιβλίο που τον έκανε διάσημο, «Η Φυσική του Σταρ Τρεκ», κυκλοφορεί από τις εκδ. Λιβάνη.

Πηγή: efsyn.gr