Γιατί ο χρόνος φαίνεται να περνά πιο γρήγορα όσο μεγαλώνουμε; New study reveals why time seems to move faster the older we get

Γιατί όσο μεγαλώνουμε ο χρόνος φαίνεται να περνά πιο γρήγορα; Η απάντηση σε αυτό το διαχρονικό ερώτημα βρίσκεται στον τρόπο που ο εγκέφαλός μας επεξεργάζεται τα γεγονότα. A new study hints that age-related changes in our brains may explain why time feels like it's slipping away faster with every passing year. Pompeo Girolamo Batoni (1708-1787), Time Orders Old Age to destroy Beauty (c 1746), oil on canvas, 135.3 x 96.5 cm, The National Gallery, London. Wikimedia Commons.

Γιατί όσο μεγαλώνουμε ο χρόνος φαίνεται να περνά πιο γρήγορα; Η απάντηση σε αυτό το διαχρονικό ερώτημα βρίσκεται στον τρόπο που ο εγκέφαλός μας επεξεργάζεται τα γεγονότα. Το συμπέρασμα αυτό προέκυψε στο πλαίσιο μελέτης κατά την οποία, οι συμμετέχοντες υποβλήθηκαν σε λειτουργική μαγνητική τομογραφία, αφού είχαν παρακολουθήσει ένα επεισόδιο της εμβληματικής σειράς «Ο Άλφρεντ Χίτσκοκ παρουσιάζει» (Alfred Hitchcock Presents, 1955–1965).

Σε άρθρο τους που δημοσιεύθηκε στις 30 Σεπτεμβρίου στο επιστημονικό περιοδικό Communications Biology, οι ερευνητές αναφέρουν πως χρησιμοποίησαν δεδομένα από το Cambridge Centre for Ageing and Neuroscience (Cam-CAN), ένα μακροπρόθεσμο ερευνητικό πρόγραμμα για τη γήρανση του εγκεφάλου.

A 5-year-old boy finds his uncle's revolver, partially loads it with bullets, and plays with it in public, unaware of its deadly power. Credit: https://www.imdb.com/title/tt0508131/

Στη μελέτη συμμετείχαν 577 άτομα, ηλικίας 18 έως 88 ετών, τα οποία παρακολούθησαν ένα οκτάλεπτο απόσπασμα από το επεισόδιο «Bang! You’re Dead» της σειράς του Άλφρεντ Χίτσκοκ. Κατά τη διάρκεια της προβολής, οι ερευνητές κατέγραφαν με λειτουργικές μαγνητικές τομογραφίες (fMRI) τις μεταβολές στη δραστηριότητα του εγκεφάλου τους. Το συγκεκριμένο απόσπασμα επιλέχθηκε επειδή, σύμφωνα με προηγούμενες έρευνες, συγχρονίζει περισσότερο τη δραστηριότητα του εγκεφάλου μεταξύ διαφορετικών θεατών — κάτι που το καθιστά ιδανικό για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε και «κόβουμε» τα γεγονότα σε διαδοχικές σκηνές.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν αλγόριθμο που ονομάζεται Greedy State Boundary Search (GSBS) για να αναλύσουν τις αλλαγές στα δεδομένα. Ο συγκεκριμένος αλγόριθμος ανιχνεύει μεταβάσεις μεταξύ σταθερών προτύπων εγκεφαλικής δραστηριότητας. Αυτό το κάνει με «άπληστο» τρόπο, εντοπίζοντας αυτές τις μετατοπίσεις στιγμή προς στιγμή, χωρίς να λαμβάνει υπόψη τη συνολική δομή της αφήγησης σε μεγαλύτερη χρονική κλίμακα. Κατά τη διάρκεια του οκτάλεπτου βίντεο, ο εγκέφαλος των μεγαλύτερων σε ηλικία συμμετεχόντων μετατοπίζονταν σε νέες καταστάσεις δραστηριότητας λιγότερο συχνά και αυτές οι καταστάσεις διαρκούσαν περισσότερο σε σχέση με τους νεότερους. Αυτό το μοτίβο ήταν σταθερό σε όλο το φάσμα των 18 έως 88 ετών.

«Αυτό υποδηλώνει ότι οι μεγαλύτερες σε διάρκεια και, επομένως, λιγότερες νευρωνικές καταστάσεις εντός της ίδιας περιόδου μπορεί να συμβάλλουν στο να νιώθουν οι ηλικιωμένοι ότι ο χρόνος περνάει πιο γρήγορα», έγραψαν οι ερευνητές στο άρθρο τους.

Το εύρημα αυτό συνδέεται με μια ιδέα για τον χρόνο που ανάγεται στον Αριστοτέλη: όσο περισσότερα αξιοσημείωτα γεγονότα συμβαίνουν σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα, τόσο περισσότερο φαίνεται να διαρκεί υποκειμενικά. Τα νέα ευρήματα υποδεικνύουν ότι ο εγκέφαλος των μεγαλύτερων ανθρώπων καταγράφει λιγότερα «γεγονότα» μέσα στο ίδιο χρονικό διάστημα, και ίσως γι’ αυτό τους φαίνεται ότι ο χρόνος «τρέχει».

Αν και πρόκειται μόνο για μια υπόθεση, «η ιδέα ότι αυτό μπορεί να επηρεάζει την αντίληψη και τη μνήμη στην καθημερινή ζωή — συμπεριλαμβανομένου του αισθήματος ότι ο χρόνος περνά ταχύτερα με την ηλικία — μου φαίνεται απολύτως εύλογη», δήλωσε ο Τζόρτζιο Βαλλορτιγκάρα, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Τρέντο στην Ιταλία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Scientists may be closer to understanding why time seems to pass more quickly as we age — and brain scans of people watching an old Alfred Hitchcock show helped them address this enduring question. Image credit: VICTOR HABBICK VISIONS/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

«Αυτό υποδηλώνει ότι οι μεγαλύτερες σε διάρκεια και, επομένως, λιγότερες νευρωνικές καταστάσεις εντός της ίδιας περιόδου μπορεί να συμβάλλουν στο να νιώθουν οι ηλικιωμένοι ότι ο χρόνος περνάει πιο γρήγορα», έγραψαν οι ερευνητές στο άρθρο τους.

Το εύρημα αυτό συνδέεται με μια ιδέα για τον χρόνο που ανάγεται στον Αριστοτέλη: όσο περισσότερα αξιοσημείωτα γεγονότα συμβαίνουν σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα, τόσο περισσότερο φαίνεται να διαρκεί υποκειμενικά. Τα νέα ευρήματα υποδεικνύουν ότι ο εγκέφαλος των μεγαλύτερων ανθρώπων καταγράφει λιγότερα «γεγονότα» μέσα στο ίδιο χρονικό διάστημα, και ίσως γι’ αυτό τους φαίνεται ότι ο χρόνος «τρέχει».

Αν και πρόκειται μόνο για μια υπόθεση, «η ιδέα ότι αυτό μπορεί να επηρεάζει την αντίληψη και τη μνήμη στην καθημερινή ζωή — συμπεριλαμβανομένου του αισθήματος ότι ο χρόνος περνά ταχύτερα με την ηλικία — μου φαίνεται απολύτως εύλογη», δήλωσε ο Τζόρτζιο Βαλλορτιγκάρα, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Τρέντο στην Ιταλία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Οι συγγραφείς απέδωσαν το γεγονός ότι οι ηλικιωμένοι εμφανίζουν λιγότερες μεταβάσεις μεταξύ νευρωνικών καταστάσεων στο φαινόμενο που είναι γνωστό ως νευρωνική αποδιαφοροποίηση που σχετίζεται με την ηλικία. Σε αυτή τη διαδικασία, η δραστηριότητα διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου γίνεται λιγότερο εξειδικευμένη με την ηλικία. Για παράδειγμα, στους νεότερους ανθρώπους, ορισμένες ομάδες νευρώνων που «ειδικεύονται» στην αναγνώριση προσώπων ενεργοποιούνται κυρίως όταν βλέπουν πρόσωπα. Αντίθετα, στους ηλικιωμένους, οι ίδιες περιοχές του εγκεφάλου αντιδρούν πιο συχνά και σε εικόνες που δεν περιλαμβάνουν πρόσωπα.

Αυτή η γενίκευση – στο επίπεδο ευρύτερων ομάδων νευρώνων και όχι σε επίπεδο μεμονωμένων νευρώνων – ενδέχεται να ισχύει και για ολόκληρο τον εγκέφαλο και να καθιστά πιο δύσκολο να αναγνωρίσει κανείς πότε τελειώνει ένα γεγονός και αρχίζει το επόμενο, σύμφωνα με τους ερευνητές. Ωστόσο, η νευρωνική αποδιαφοροποίηση από μόνη της ίσως δεν αρκεί για να εξηγήσει γιατί ο χρόνος φαίνεται να επιταχύνεται με την ηλικία.

Η Γιοάνα Σαντούρα, γλωσσολόγος στο Πανεπιστήμιο Μαρία Κιουρί-Σκλοντόφσκα της Πολωνίας, που μελετά το πώς η γλώσσα διαμορφώνει την αντίληψή μας για τον χρόνο, εξήγησε ότι η υπόθεση των ερευνητών είναι βάσιμη, αλλά τόνισε ότι πρέπει να λάβουμε υπόψη και το γεγονός πως ο καθένας μας λειτουργεί με δύο χρονικές κλίμακες.

Η κοινωνία μετρά τον χρόνο γραμμικά — σε ώρες, ημέρες και έτη — ενώ η εσωτερική μας αντίληψη ακολουθεί λογαριθμικούς νόμους. Για παράδειγμα, ένα έτος αντιστοιχεί στο 20% της ζωής ενός παιδιού πέντε ετών, αλλά μόλις στο 2% της ζωής ενός 50χρονου. Έτσι, η αίσθηση του χρόνου εξαρτάται όχι μόνο από τον αριθμό των νευρωνικών «γεγονότων» που καταγράφει ο εγκέφαλος, αλλά και από τον μη γραμμικό τρόπο με τον οποίο τον μετράμε εσωτερικά.

Οι ερευνητές σημείωσαν ότι οι μεγαλύτεροι σε ηλικία άνθρωποι μπορούν να κάνουν τον χρόνο να φαίνεται πιο «γεμάτος».

«Η εκμάθηση νέων πραγμάτων, τα ταξίδια και οι πρωτότυπες δραστηριότητες μπορούν να κάνουν τον χρόνο να φαίνεται πιο εκτεταμένος εκ των υστέρων», δήλωσε η Λίντα Χέερλιγκς, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο Ράντμπουντ της Ολλανδίας και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Οι ουσιαστικές κοινωνικές αλληλεπιδράσεις και οι δραστηριότητες που φέρνουν χαρά, είναι ακόμη πιο σημαντικές— κι αυτές μπορούν να συμβάλουν σε μια πιο πλήρη αίσθηση του χρόνου» κατέληξε.

Πηγές: https://www.nature.com/articles/s42003-025-08792-4 - https://www.ertnews.gr/eidiseis/giati-o-xronos-fainetai-na-perna-pio-grigora-oso-megalonoume/ -  Live Science

 

Ίθαν Σίγκελ, Ναι, ο αναγωγισμός μπορεί να εξηγήσει τα πάντα σε ολόκληρο το Σύμπαν. Ethan Siegel, Yes, reductionism can explain everything in the whole Universe

Το όλον δεν είναι μεγαλύτερο από το άθροισμα των μερών του· αυτό είναι ένα ελάττωμα στον τρόπο σκέψης μας. Ο μη-αναγωγισμός απαιτεί μαγεία, όχι απλώς επιστήμη. Υπάρχουν πάρα πολλές πτυχές αυτού του κόσμου που αποτελούνται από σύνθετα φαινόμενα των οποίων οι ιδιότητες δεν μπορούν εύκολα να εξαχθούν από τους θεμελιώδεις νόμους και τα συστατικά που τον διέπουν. Αυτό δεν αποτελεί καλό επιχείρημα κατά του αναγωγισμού. The whole isn’t greater than the sum of its parts; that’s a flaw in our thinking. Non-reductionism requires magic, not merely science. There are a great many aspects of this world that consist of complex phenomena whose properties cannot be easily derived from the fundamental laws and constituents that govern it. That does not make for a good argument against reductionism. Credit: rolffimages via Adobe Stock

Υπάρχει μια δήλωση που μπορεί κανείς να κάνει, η οποία θα ήταν εντελώς μη αμφιλεγόμενη στα τέλη του 19ου αιώνα, αλλά πολλοί άνθρωποι, τόσο εντός όσο και εκτός επιστήμης, θα διαφωνούσαν σήμερα με αυτήν. Σκεφτείτε μόνοι σας πώς νιώθετε γι' αυτό:

«Οι θεμελιώδεις νόμοι που διέπουν τα μικρότερα συστατικά της ύλης και της ενέργειας, όταν εφαρμόζονται στο Σύμπαν σε αρκετά μεγάλα κοσμικά χρονικά διαστήματα, μπορούν να εξηγήσουν όλα όσα θα προκύψουν ποτέ».

Αυτό σημαίνει ότι ο σχηματισμός κυριολεκτικά των πάντων στο Σύμπαν μας, από τους ατομικούς πυρήνες έως τα άτομα, από τα απλά μόρια έως τα σύνθετα μόρια, τη ζωή, τη νοημοσύνη, τη συνείδηση ​​και πέρα ​​από αυτήν, μπορεί να γίνει κατανοητός ως κάτι που προκύπτει άμεσα από τους θεμελιώδεις νόμους που διέπουν την πραγματικότητα, χωρίς να απαιτούνται πρόσθετοι νόμοι, δυνάμεις ή αλληλεπιδράσεις.

Αυτή η απλή ιδέα — ότι όλα τα φαινόμενα στο Σύμπαν είναι θεμελιωδώς φυσικά φαινόμενα — είναι γνωστή ως αναγωγισμός. Σε πολλά μέρη, συμπεριλαμβανομένου και εδώ στο Big Think, ο αναγωγισμός αντιμετωπίζεται σαν να μην είναι η δεδομένη προεπιλεγμένη θέση για το πώς λειτουργεί το Σύμπαν. Η εναλλακτική πρόταση είναι η ανάδυση, η οποία δηλώνει ότι ποιοτικά νέες ιδιότητες βρίσκονται σε πιο σύνθετα συστήματα που δεν μπορούν ποτέ, ούτε καν κατ' αρχήν, να εξαχθούν ή να υπολογιστούν από θεμελιώδεις νόμους, αρχές και οντότητες. Ενώ είναι αλήθεια ότι πολλά φαινόμενα δεν προκύπτουν προφανώς από τη συμπεριφορά των συστατικών τους μερών, ο αναγωγισμός θα πρέπει να είναι η προεπιλεγμένη θέση (ή μηδενική υπόθεση) για οποιαδήποτε ερμηνεία της πραγματικότητας. Οτιδήποτε άλλο θα πρέπει να αντιμετωπίζεται ως το ισοδύναμο του επιχειρήματος του Θεού των κενών, και αυτό που ακολουθεί είναι μια εξήγηση για το γιατί.

Στα δεξιά, απεικονίζονται τα μποζόνια βαθμίδας, τα οποία μεσολαβούν στις τρεις θεμελιώδεις κβαντικές δυνάμεις του Σύμπαντός μας. Υπάρχει μόνο ένα φωτόνιο που μεσολαβεί στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη, υπάρχουν τρία μποζόνια που μεσολαβούν στην ασθενή δύναμη και οκτώ που μεσολαβούν στην ισχυρή δύναμη. Αυτό υποδηλώνει ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι ένας συνδυασμός τριών ομάδων: U(1), SU(2) και SU(3), των οποίων οι αλληλεπιδράσεις και τα σωματίδια συνδυάζονται για να αποτελέσουν όλα όσα είναι γνωστά στην ύπαρξη. Παρά την επιτυχία αυτής της εικόνας, πολλά αινίγματα παραμένουν. On the right, the gauge bosons, which mediate the three fundamental quantum forces of our Universe, are illustrated. There is only one photon to mediate the electromagnetic force, there are three bosons mediating the weak force, and eight mediating the strong force. This suggests that the Standard Model is a combination of three groups: U(1), SU(2), and SU(3), whose interactions and particles combine to make up everything known in existence. Despite the success of this picture, many puzzles still remain. Credit: Daniel Domingues/CERN

Το θεμελιώδες

Όταν σκεφτόμαστε το ερώτημα «τι είναι θεμελιώδες» σε αυτό το Σύμπαν, συνήθως στρεφόμαστε στις πιο αδιαίρετες, στοιχειώδεις οντότητες από όλες και στους νόμους που τις διέπουν. Για τη φυσική μας πραγματικότητα, αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να ξεκινήσουμε με τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου και τις αλληλεπιδράσεις που τα διέπουν — καθώς και με ό,τι είναι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια και τις αλληλεπιδράσεις που τα διέπουν· μέχρι στιγμής η φύση τους είναι άγνωστη — και να δούμε αν αυτό μας δίνει τα απαραίτητα και επαρκή συστατικά για να χτίσουμε κάθε γνωστό φαινόμενο και σύνθετη οντότητα μόνο από αυτά τα δομικά στοιχεία.

Εφόσον υπάρχει ένας συνδυασμός δυνάμεων που είναι σχετικά ελκτικές σε μια κλίμακα αλλά σχετικά απωθητικές σε διαφορετική κλίμακα, είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα σχηματίσουμε συνδεδεμένες δομές από αυτές τις θεμελιώδεις οντότητες. Δεδομένου ότι έχουμε τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στο Σύμπαν, συμπεριλαμβανομένων:

• πυρηνικές δυνάμεις μικρής εμβέλειας που διατίθενται σε δύο τύπους, μια ισχυρή έκδοση και μια ασθενή έκδοση,
• μια ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεγάλης εμβέλειας, όπου τα «όμοια» φορτισμένα σωματίδια απωθούνται και τα «ανόμοια» φορτισμένα σωματίδια έλκονται,
• και μια βαρυτική δύναμη μεγάλης εμβέλειας, όπου η μόνη δύναμη μεταξύ τους είναι πάντα ελκτική,

Θα πρέπει να αναμένουμε πλήρως ότι οι δομές θα αναδυθούν σε μια ποικιλία κλιμάκων απόστασης: σε μικρές, ενδιάμεσες και μεγάλες κλίμακες.

Το παραδοσιακό μοντέλο ενός ατόμου, που είναι πλέον άνω των 100 ετών, είναι ενός θετικά φορτισμένου πυρήνα σε τροχιά γύρω από τον οποίο βρίσκονται αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Αν και η εικόνα αυτή προέρχεται από το ξεπερασμένο μοντέλο Bohr, το μέγεθος του ίδιου του ατόμου καθορίζεται από την αναλογία φορτίου προς μάζα του ηλεκτρονίου. Εάν το ηλεκτρόνιο ήταν βαρύτερο ή ελαφρύτερο, τα άτομα θα ήταν μικρότερα ή μεγαλύτερα, καθώς και πιο δύσκολο ή πιο εύκολο να ιονιστούν, αντίστοιχα. The traditional model of an atom, now more than 100 years old, is of a positively charged nucleus orbited by negatively charged electrons. Although the outdated Bohr model is where this picture comes from, the size of the atom itself is determined by the charge-to-mass ratio of the electron. If the electron were heavier or lighter, atoms would be smaller or larger, as well as more difficult or more easy to ionize, respectively. Credit: U.S. Department of Energy

Πράγματι: αυτό ακριβώς διαπιστώνουμε όταν εξετάζουμε το Σύμπαν στο οποίο κατοικούμε. Στις μικρότερες κλίμακες, η ισχυρή πυρηνική δύναμη συνδέει τα κουάρκ σε συνδεδεμένες δομές, τρία κάθε φορά, γνωστές ως βαρυόνια. Τα δύο ελαφρύτερα βαρυόνια είναι τα πιο σταθερά: το πρωτόνιο, το οποίο είναι 100% σταθερό, και το νετρόνιο, το οποίο είναι αρκετά σταθερό ώστε να επιβιώσει με χρόνο ημιζωής περίπου ~15 λεπτών, ακόμη και όταν δεν είναι συνδεδεμένο με τίποτα άλλο.

Αυτά τα πρωτόνια και τα νετρόνια μπορούν στη συνέχεια να σχηματίσουν συνδεδεμένες δομές που αποτελούνται από αυτές τις σύνθετες οντότητες ως δομικά στοιχεία μεγαλύτερων δομών. Αυτή τη φορά, η αιτία είναι η ισχυρή πυρηνική δύναμη: ικανή να συνδέει πρωτόνια και νετρόνια μαζί σε ατομικούς πυρήνες, ξεπερνώντας ακόμη και την απωστική ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ όμοιων (θετικών) φορτίων λόγω της ύπαρξης πολλαπλών πρωτονίων στους περισσότερους σύνθετους πυρήνες. Μερικοί πυρήνες θα είναι σταθεροί έναντι των διασπάσεων, άλλοι θα υποστούν μία ή περισσότερες διασπάσεις (ραδιενεργά) πριν παράγουν ένα σταθερό τελικό προϊόν.

Και έπειτα, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη αξιοποιεί δύο γεγονότα για το Σύμπαν.

1. Ότι, συνολικά, είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, με τον ίδιο αριθμό αρνητικών φορτίων (ηλεκτρόνια) όσα και θετικά φορτία (πρωτόνια) που υπάρχουν.
2. Και ότι κάθε ηλεκτρόνιο έχει μικροσκοπική μάζα σε σύγκριση με κάθε πρωτόνιο, νετρόνια και ατομικό πυρήνα.

Αυτό επιτρέπει στα ηλεκτρόνια και τους πυρήνες να συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ουδέτερα άτομα, όπου κάθε μοναδικό είδος ατόμου, ανάλογα με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα του, έχει τη δική του μοναδική ηλεκτρονική δομή, σύμφωνα με τους θεμελιώδεις νόμους της κβαντικής φυσικής που διέπουν το Σύμπαν μας.

Τα επίπεδα ενέργειας και οι κυματοσυναρτήσεις ηλεκτρονίων που αντιστοιχούν σε διαφορετικές καταστάσεις μέσα σε ένα άτομο υδρογόνου, αν και οι διαμορφώσεις είναι εξαιρετικά παρόμοιες για όλα τα άτομα. Ο τρόπος με τον οποίο τα άτομα συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μόρια και άλλες, πιο σύνθετες δομές είναι ένα δύσκολο έργο όταν κάποιος ξεκινά από τα θεμελιώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις, αλλά η κατανόηση των βασικών είναι ο τρόπος με τον οποίο προχωράμε στην εξήγηση πιο σύνθετων συστημάτων. The energy levels and electron wavefunctions that correspond to different states within a hydrogen atom, although the configurations are extremely similar for all atoms. The way atoms bind together to form molecules and other, more complex structures is a challenging task when one begins from fundamental particles and interactions, but understanding the basics is how we build up to explaining more complex systems. Credit: PoorLeno/Wikimedia Commons

Πώς βλέπει το Σύμπαν ένας αναγωγιστής

Είναι πολύ σημαντικό, όταν συζητάμε την ιδέα του αναγωγισμού, να μην «υπερβολικά» χαρακτηρίζουμε τη θέση του αναγωγιστή. Ο αναγωγιστής δεν υποστηρίζει - ούτε χρειάζεται να ισχυριστεί - ότι έχει μια πλήρη και ολοκληρωμένη εξήγηση για κάθε σύνθετο φαινόμενο που προκύπτει μέσα σε κάθε φανταστική σύνθετη δομή. Ορισμένες σύνθετες δομές και ορισμένες ιδιότητες σύνθετων δομών θα είναι εύκολα εξηγήσιμες από τους υποκείμενους κανόνες, σίγουρα, αλλά όσο πιο περίπλοκο γίνεται το σύστημά σας, τόσο πιο δύσκολο μπορείτε να περιμένετε ότι θα είναι να εξηγήσετε όλα τα διάφορα φαινόμενα και ιδιότητες που προκύπτουν.

Αυτό το τελευταίο άρθρο δεν μπορεί να θεωρηθεί «απόδειξη κατά του αναγωγισμού» με κανέναν τρόπο, σχήμα ή μορφή. Το γεγονός ότι «υπάρχει αυτό το φαινόμενο που βρίσκεται πέρα ​​από την ικανότητά μου να κάνω αξιόπιστες, ποσοτικές προβλέψεις» δεν πρέπει ποτέ να ερμηνευτεί ως απόδειξη υπέρ του ότι «αυτό το φαινόμενο απαιτεί πρόσθετους νόμους, κανόνες, ουσίες ή αλληλεπιδράσεις πέρα ​​από αυτά που είναι σήμερα γνωστά».

Είτε κατανοείς το σύστημά σου αρκετά καλά ώστε να καταλαβαίνεις τι πρέπει και τι δεν πρέπει να προκύψει από αυτό, οπότε μπορείς να θέσεις τον αναγωγισμό σε δοκιμασία, είτε δεν το κάνεις, οπότε πρέπει να επιστρέψεις στην μηδενική υπόθεση: ότι μέχρι να μπορέσεις να κάνεις τέτοιες προβλέψεις από μια αναγωγιστική προσέγγιση, δεν μπορείς να θεωρήσεις κανένα στοιχείο που βρίσκεις ως στοιχείο για την ανάγκη για κάτι πέρα ​​από την αναγωγιστική οπτική γωνία.

Ένα ποτήρι κρασιού, όταν δονείται στη σωστή συχνότητα, θα θρυμματιστεί. Αυτή είναι μια διαδικασία που αυξάνει δραματικά την εντροπία του συστήματος και είναι θερμοδυναμικά ευνοϊκή. Η αντίστροφη διαδικασία, όπου θραύσματα γυαλιού επανασυναρμολογούνται σε ένα ολόκληρο, μη ραγισμένο ποτήρι, είναι τόσο απίθανη που δεν συμβαίνει ποτέ αυθόρμητα στην πράξη. Ωστόσο, εάν η κίνηση των μεμονωμένων θραυσμάτων, καθώς απομακρύνονται, ήταν ακριβώς αντίστροφη, θα πετάγονταν πίσω μαζί και, τουλάχιστον για μια στιγμή, θα επανασυναρμολογούσαν με επιτυχία το ποτήρι κρασιού. Η συμμετρία αντιστροφής του χρόνου είναι ακριβής στη Νευτώνεια φυσική, αλλά δεν τηρείται στη θερμοδυναμική. A wine glass, when vibrated at the right frequency, will shatter. This is a process that dramatically increases the entropy of the system and is thermodynamically favorable. The reverse process, of shards of glass reassembling themselves into a whole, uncracked glass, is so unlikely that it never occurs spontaneously in practice. However, if the motion of the individual shards, as they fly apart, were exactly reversed, they would indeed fly back together and, at least for an instant, successfully reassemble the wine glass. Time reversal symmetry is exact in Newtonian physics, but it is not obeyed in thermodynamics. Credit: BBC Worldwide/GIPHY

Και, για να είμαστε σαφείς, αυτό ακριβώς είναι η «μηδενική υπόθεση»: ότι το Σύμπαν είναι 100% αναγωγιστικό. Αυτό σημαίνει μια σειρά από πράγματα.

• Ότι όλες οι δομές που αποτελούνται από άτομα και τα συστατικά τους — συμπεριλαμβανομένων των μορίων, των ιόντων και των ενζύμων — μπορούν να περιγραφούν με βάση τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης και τις συνιστώσες δομές από τις οποίες αποτελούνται.
• Ότι όλες οι μεγαλύτερες δομές και διεργασίες που συμβαίνουν μεταξύ αυτών των δομών, συμπεριλαμβανομένων όλων των χημικών αντιδράσεων, δεν απαιτούν τίποτα περισσότερο από αυτούς τους θεμελιώδεις νόμους και τα συστατικά.
• Ότι όλες οι βιολογικές διεργασίες, από τη βιοχημεία μέχρι τη μοριακή βιολογία και πέρα ​​από αυτήν, όσο περίπλοκες κι αν φαίνονται, είναι στην πραγματικότητα απλώς το άθροισμα των μερών τους, ακόμα κι αν κάθε «μέρος» ενός βιολογικού συστήματος είναι αξιοσημείωτα περίπλοκο.
• Και ότι όλα όσα θεωρούμε «ανώτερη λειτουργία», συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας των διαφόρων κυττάρων, οργάνων, ακόμη και του εγκεφάλου μας, δεν απαιτούν τίποτα πέρα ​​από τα γνωστά φυσικά συστατικά και τους νόμους της φύσης για να εξηγηθούν.

Μέχρι σήμερα, αν και δεν θα έπρεπε να προκαλεί αμφιβολία μια τέτοια δήλωση, δεν υπάρχουν στοιχεία για την ύπαρξη οποιουδήποτε φαινομένου που να εμπίπτει σε αυτό που ο αναγωγισμός είναι ικανός να εξηγήσει.

Ο βραχώδης σχηματισμός Al Naslaa, που βρίσκεται στη Σαουδική Αραβία, αποτελείται από ιζηματογενή πετρώματα υψηλής πυκνότητας και παρουσιάζει σημαντικά στοιχεία αποσάθρωσης και διάβρωσης. Ωστόσο, το βάθρο από κάτω του έχει διαβρωθεί πιο γρήγορα, τα πετρογλυφικά πάνω του είναι χιλιάδων ετών και η εξαιρετικά ομαλή ρωγμή στο κέντρο του δεν έχει ακόμη εξηγηθεί πλήρως. The Al Naslaa rock formation, located in Saudi Arabia, is made of high-density sedimentary rock and shows significant evidence of weathering and erosion. However, the pedestal beneath it has eroded more quickly, the petroglyphs upon it are thousands of years old, and the extremely smooth fissure down its center is not yet fully explained. Credit: OnPoint TV/YouTube

Πώς η «φαινομενική εμφάνιση» εξηγείται εύκολα από τον αναγωγισμό

Για ορισμένες ιδιότητες που είναι εγγενείς σε πολύπλοκα συστήματα, είναι αρκετά εύκολο να εξηγήσουμε γιατί υπάρχουν όπως υπάρχουν. Η μάζα (ή το βάρος, αν προτιμάτε να χρησιμοποιείτε κλίμακες) ενός μακροσκοπικού αντικειμένου είναι, πολύ απλά, το άθροισμα των μαζών των συστατικών που το αποτελούν, μείον τη μάζα που χάνεται από την ενέργεια που συνδέει αυτά τα συστατικά μεταξύ τους, μέσω της εξίσωσης E = mc² του Αϊνστάιν .

Για άλλες ιδιότητες, δεν είναι απαραίτητα τόσο εύκολο έργο, αλλά έχει επιτευχθεί. Μπορούμε να εξηγήσουμε πώς θερμοδυναμικές ποσότητες όπως η θερμότητα, η θερμοκρασία, η εντροπία και η ενθαλπία προκύπτουν από ένα πολύπλοκο, μεγάλης κλίμακας σύνολο σωματιδίων. Μπορούμε να εξηγήσουμε τις ιδιότητες πολλών μορίων μέσω της επιστήμης της κβαντικής χημείας, η οποία και πάλι μπορεί να προκύψει απευθείας από τους υποκείμενους θεμελιώδεις νόμους. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τους ίδιους θεμελιώδεις νόμους για να κατανοήσουμε - αν και η απαιτούμενη υπολογιστική ισχύς είναι τεράστια - πώς διάφορα μόρια, όπως τα πεπτίδια και οι πρωτεΐνες, αναδιπλώνονται στις διαμορφώσεις ισορροπίας τους και πώς μπορούν επίσης να καταλήξουν σε μετασταθείς καταστάσεις.

Και έπειτα, υπάρχουν ιδιότητες που δεν μπορούμε να εξηγήσουμε πλήρως, αλλά και που δεν είμαστε σε θέση να κάνουμε αξιόπιστες προβλέψεις για το τι περιμένουμε να δούμε υπό αυτές τις συνθήκες. Αυτά τα «δύσκολα προβλήματα» συχνά περιλαμβάνουν συστήματα που είναι πολύ περίπλοκα για να μοντελοποιηθούν με την τρέχουσα τεχνολογία, όπως η ανθρώπινη συνείδηση.

Ο τότε μεταπτυχιακός φοιτητής Chao He μπροστά από τον θάλαμο αερίων στο πλανητικό εργαστήριο Horst στο Johns Hopkins, το οποίο αναδημιουργεί συνθήκες που υποψιάζεται ότι υπάρχουν στις ομίχλες των ατμοσφαιρών των εξωπλανητών. Υποβάλλοντάς το σε συνθήκες που έχουν σχεδιαστεί για να μιμούνται εκείνες που προκαλούνται από τις εκπομπές υπεριώδους ακτινοβολίας και τις εκκενώσεις πλάσματος, οι ερευνητές εργάζονται για την ανάδυση οργανικών ουσιών και ζωής από μη-ζωή. Then-graduate student Chao He in front of the gas chamber in the Horst planetary lab at Johns Hopkins, which recreates conditions suspected to exist in the hazes of exoplanet atmospheres. By subjecting it to conditions designed to mimic those induced by ultraviolet emissions and plasma discharges, researchers work toward the emergence of organics, and life, from non-life. Credit: Chanapa Tantibanchachai/Johns Hopkins University

Με άλλα λόγια, αυτό που φαίνεται να είναι αναδυόμενο για εμάς σήμερα, με τους τρέχοντες περιορισμούς μας σε ό,τι μπορούμε να υπολογίσουμε, μπορεί κάποια μέρα στο μέλλον να περιγραφεί με καθαρά αναγωγικούς όρους. Πολλά τέτοια συστήματα που κάποτε δεν μπορούσαν να περιγραφούν μέσω αναγωγισμού, έχουν πλέον περιγραφεί με επιτυχία με έναν ακριβώς αναγωγικό τρόπο, με ανώτερα μοντέλα (όσον αφορά το τι επιλέγουμε να προσέξουμε) και την έλευση της βελτιωμένης υπολογιστικής ισχύος. Πολλά φαινομενικά χαοτικά συστήματα μπορούν, στην πραγματικότητα, να προβλεφθούν με όποια ακρίβεια επιλέξουμε αυθαίρετα, εφόσον υπάρχουν διαθέσιμοι αρκετοί υπολογιστικοί πόροι. Παραδείγματα περιλαμβάνουν:

• το πρόβλημα των τριών σωμάτων για τη βαρύτητα ,
• οι συνεισφορές της αδρονικής πόλωσης κενού στο μιόνιο g – 2 παζλ,
• ή γιατί η ύλη εμφανίζεται και αισθάνεται «στερεά» παρά το γεγονός ότι τα άτομα είναι ως επί το πλείστον κενός χώρος.

Ναι, δεν μπορούμε να αποκλείσουμε τον μη-αναγωγισμό, αλλά όπου έχουμε καταφέρει να κάνουμε ισχυρές προβλέψεις για το τι συνεπάγονται οι θεμελιώδεις νόμοι της φύσης για μεγάλης κλίμακας, πολύπλοκες δομές, αυτές συμφωνούν με αυτά που έχουμε καταφέρει να παρατηρήσουμε και να μετρήσουμε. Ο συνδυασμός των γνωστών σωματιδίων που αποτελούν το Σύμπαν και των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων μέσω των οποίων αλληλεπιδρούν ήταν επαρκής για να εξηγήσει, από την ατομική έως την αστρική κλίμακα και πέραν αυτής, όλα όσα έχουμε συναντήσει ποτέ σε αυτό το Σύμπαν. Η ύπαρξη συστημάτων που είναι πολύ περίπλοκα για να προβλεφθούν με την τρέχουσα τεχνολογία δεν αποτελεί επιχείρημα κατά του αναγωγισμού.

Πολλοί έχουν υποστηρίξει, ανεπιτυχώς, ότι η εξέλιξη ενός πολύπλοκου οργάνου όπως το ανθρώπινο μάτι δεν θα μπορούσε να έχει συμβεί μόνο μέσω φυσικών διεργασιών. Κι όμως, το μάτι έχει εξελιχθεί, φυσικά, σε πολλούς διαφορετικούς οργανισμούς ανεξάρτητα, πολλές φορές. Η διεκδίκηση της ανάγκης για κάτι υπερφυσικό σε μια ενδιάμεση κλίμακα στο Σύμπαν είναι θεμελιωδώς αντίθετη με τη διαδικασία της επιστήμης και είναι πιθανό να αποδειχθεί περιττή και άσχετη καθώς η επιστήμη συνεχίζει να προοδεύει. Many have argued, unsuccessfully, that the evolution of a complex organ like the human eye could not have occurred through natural processes alone. And yet, the eye has evolved, naturally, in many different organisms independently a large number of independent times. Asserting the need for something supernatural in an intermediate scale in the Universe is fundamentally antithetical to the process of science, and is likely to be proven unnecessary and extraneous as science continues to advance. Credit: Venti Views / Unsplash

Η φύση του μη-αναγωγισμού που βασίζεται στον Θεό των κενών

Αλλά είναι αλήθεια ότι η καταφυγή στον μη-αναγωγισμό - ή στην ιδέα ότι εντελώς νέες ιδιότητες θα αναδυθούν μέσα σε ένα πολύπλοκο σύστημα που δεν μπορούν να προκύψουν από τις αλληλεπιδράσεις των συστατικών του μερών - ισοδυναμεί, σε αυτό το σημείο, με ένα επιχείρημα του Θεού των κενών . Βασικά λέει: «Λοιπόν, γνωρίζουμε πώς συμπεριφέρονται τα πράγματα σε μια συγκεκριμένη κλίμακα ή σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, και γνωρίζουμε πώς συμπεριφέρθηκαν σε μικρότερη κλίμακα ή σε προγενέστερη χρονική στιγμή, αλλά δεν μπορούμε να ολοκληρώσουμε όλα τα βήματα για να φτάσουμε από αυτή τη μικρή κλίμακα/πρώιμο χρόνο για να κατανοήσουμε πώς προκύπτει η συμπεριφορά σε μεγάλη κλίμακα/μεταγενέστερο χρόνο, και ως εκ τούτου, θα εισάγω την πιθανότητα να τίθεται σε εφαρμογή κάτι μαγικό, θεϊκό ή αλλιώς μη φυσικό».

Αν και αυτός είναι ένας ισχυρισμός που είναι δύσκολο ή ακόμα και αδύνατο να διαψευσθεί, είναι ένας ισχυρισμός που έχει όχι μόνο μηδενική, αλλά και αρνητική επιστημονική αξία. Ολόκληρη η διαδικασία της επιστήμης περιλαμβάνει τη διερεύνηση του Σύμπαντος με τα εργαλεία που έχουμε στη διάθεσή μας για τη διερεύνηση της πραγματικότητας και τον προσδιορισμό του καλύτερου φυσικού μοντέλου, περιγραφής και συνόλου συνθηκών που περιγράφει αυτήν την πραγματικότητα. Τι ανόητο κόλπο είναι να ισχυριζόμαστε «ίσως χρειαζόμαστε περισσότερα από το τρέχον καλύτερο μοντέλο μας για να περιγράψουμε την πραγματικότητα» όταν:

• δεν έχουμε καν την υπολογιστική ή μοντελοποιητική ισχύ που απαιτείται για να δοκιμάσουμε το τρέχον μοντέλο μας,
• και όπου αυτά είναι τα καθεστώτα που είναι πιο πιθανό — αν προσθέσουμε κάτι μαγικό, θεϊκό ή μη φυσικό — όπου η επιστήμη είναι πολύ πιθανό, στο πολύ εγγύς μέλλον, να δείξει ότι μια τέτοια παρέμβαση είναι εντελώς περιττή.

Αν η ζωή ξεκίνησε με ένα τυχαίο πεπτίδιο που μπορούσε να μεταβολίσει θρεπτικά συστατικά/ενέργεια από το περιβάλλον της, η αντιγραφή θα μπορούσε να προκύψει από τη συνεξέλιξη πεπτιδίου-νουκλεϊκού οξέος. Εδώ, απεικονίζεται η συνεξέλιξη DNA-πεπτιδίου, αλλά θα μπορούσε να λειτουργήσει με RNA ή ακόμα και PNA ως νουκλεϊκό οξύ. Ο ισχυρισμός ότι χρειάζεται μια «θεϊκή σπίθα» για να προκύψει η ζωή είναι ένα κλασικό επιχείρημα του «Θεού των κενών», αλλά ο ισχυρισμός ότι γνωρίζουμε ακριβώς πώς προέκυψε η ζωή από τη μη ζωή είναι επίσης μια πλάνη. Αυτές οι συνθήκες, συμπεριλαμβανομένων των βραχωδών πλανητών με αυτά τα μόρια που υπάρχουν στις επιφάνειές τους, πιθανότατα υπήρχαν μέσα στα πρώτα 1-2 δισεκατομμύρια χρόνια της Μεγάλης Έκρηξης. If life began with a random peptide that could metabolize nutrients/energy from its environment, replication could then ensue from peptide-nucleic acid coevolution. Here, DNA-peptide coevolution is illustrated, but it could work with RNA or even PNA as the nucleic acid instead. Asserting that a “divine spark” is needed for life to arise is a classic “God-of-the-gaps” argument, but asserting that we know exactly how life arose from non-life is also a fallacy. These conditions, including rocky planets with these molecules present on their surfaces, likely existed within the first 1-2 billion years of the Big Bang. Credit: A. Chotera et al., Chemistry Europe, 2018

Αν πιστεύετε ή απλώς θέλετε να πιστεύετε ότι το Σύμπαν είναι κάτι περισσότερο από το άθροισμα των φυσικών του μερών, αυτή είναι μια δήλωση όπου η επιστήμη δεν έχει τίποτα ουσιαστικό να πει επί του θέματος. Η επιστήμη είναι εντελώς αγνωστικίστρια ως προς αυτή την πιθανότητα. Ωστόσο, αν θέλετε να πιστεύετε ότι μια περιγραφή των φυσικών φαινομένων που υπάρχουν σε αυτό το Σύμπαν απαιτεί είτε:

• κάτι περισσότερο από τους φυσικούς νόμους που διέπουν το Σύμπαν,
• και/ή κάτι άλλο εκτός από τα φυσικά αντικείμενα που υπάρχουν μέσα στο Σύμπαν,

Ίσως η λιγότερο επιτυχημένη απόφαση που μπορείτε να πάρετε είναι να εισάγετε οποιεσδήποτε «μεταφυσικές» οντότητες στις οποίες πιστεύετε σε ένα μέρος όπου η επιστήμη, μόλις προχωρήσει έστω και λίγο περισσότερο, μπορεί να διαψεύσει εντελώς την ανάγκη για αυτές.

Ποτέ δεν κατάλαβα γιατί κάποιος θα ήταν τόσο πρόθυμος να ισχυριστεί την ύπαρξη του θείου ή του υπερφυσικού σε ένα τόσο μικρό μέρος: ένα μέρος όπου θα ήταν τόσο εύκολο να διαψεύσει κανείς την ανάγκη για αυτό. Γιατί να πιστεύετε, ενώ κατοικείτε σε ένα τόσο απέραντο Σύμπαν, ότι κάτι πέρα ​​από την ικανότητα των φυσικών μας νόμων να το περιγράψουν θα εμφανιζόταν κυρίως σε ένα τόσο ξένο, περιττό μέρος; Αν το Σύμπαν, όπως το παρατηρούμε και το μετράμε, δεν μπορεί να περιγραφεί από αυτό που υπάρχει φυσικά μέσα σε αυτό σύμφωνα με τους γνωστούς νόμους της πραγματικότητας, δεν θα έπρεπε να διαπιστώσουμε ότι αυτό ισχύει στην πραγματικότητα πριν καταφύγουμε σε μια μη επιστημονική, υπερφυσική εξήγηση;

Ένας εγκέφαλος μύγας φρούτων όπως φαίνεται μέσα από ένα ομοεστιακό μικροσκόπιο. Η λειτουργία του εγκεφάλου οποιουδήποτε ζώου δεν είναι πλήρως κατανοητή, αλλά είναι εξαιρετικά πιθανό ότι η ηλεκτρική δραστηριότητα στον εγκέφαλο και σε όλο το σώμα είναι υπεύθυνη για αυτό που γνωρίζουμε ως «συνείδηση» και, επιπλέον, ότι οι άνθρωποι δεν είναι τόσο μοναδικοί μεταξύ των ζώων ή ακόμα και άλλων ζωντανών πλασμάτων στην κατοχή της. A fruit fly brain as viewed through a confocal microscope. The workings of the brain of any animal are not fully understood, but it’s eminently plausible that electrical activity in the brain and throughout the body is responsible for what we know as “consciousness,” and furthermore, that human beings are not so unique among animals or even other living creatures in possessing it. Credit: Garaulet et al., Developmental Cell, 2020

Τελικές σκέψεις

Τα θεμελιώδη συστατικά του φυσικού μας Σύμπαντος, μαζί με τους θεμελιώδεις νόμους που διέπουν όλη την ύπαρξη, αντιπροσωπεύουν την πιο επιτυχημένη επιστημονική εικόνα του Σύμπαντος σε όλη την ιστορία. Ποτέ πριν, από τα πιο μικροσκοπικά υποατομικά σωματίδια μέχρι τα μακροσκοπικά φαινόμενα και τις κοσμικές κλίμακες, δεν είχαμε έναν τόσο επιτυχημένο τρόπο περιγραφής της φυσικής μας πραγματικότητας όσο σήμερα. Η ιδέα του αναγωγισμού είναι απλή: ότι τα φυσικά φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν από τον πολύπλοκο συνδυασμό των αντικειμένων που υπάρχουν μέσα στο Σύμπαν, που διέπονται από τους ίδιους φυσικούς νόμους που διέπουν όλα τα φυσικά συστήματα μέσα στο Σύμπαν.

Αυτό είναι το προεπιλεγμένο σημείο εκκίνησής μας: η «μηδενική υπόθεση» για το τι είναι η πραγματικότητα.

Αν αυτό δεν είναι το σημείο εκκίνησής σας, είναι καθήκον μου να σας ενημερώσω ότι το βάρος της απόδειξης για την κοσμοθεωρία σας — μια κοσμοθεωρία που περιλαμβάνει ένα νέο σύνολο θεμελιωδών δυνάμεων, νέες οντότητες, νέες αλληλεπιδράσεις ή την παρέμβαση του υπερφυσικού — βαρύνει εσάς. Πρέπει να δείξετε ότι η μηδενική υπόθεση δεν επαρκεί για να περιγράψει ένα φαινόμενο όπου οι προβλέψεις της είναι σαφείς και σε αντίθεση με αυτό που μπορεί να παρατηρηθεί ή/και να μετρηθεί. Αυτός είναι ένας πολύ υψηλός πήχης και μια προσπάθεια στην οποία κανένας αντίπαλος του αναγωγισμού δεν έχει καταφέρει ποτέ. Μπορεί να μην κατανοούμε όλα όσα πρέπει να γνωρίζουμε για όλα τα σύνθετα φαινόμενα: αυτό είναι αλήθεια. Όσο πιο σύνθετο είναι ένα φαινόμενο, τόσο πιο δύσκολο είναι να εξαγάγουμε όλες τις ιδιότητές του από το θεμελιώδες, αλλά αυτό δεν είναι το ίδιο με το να έχουμε αποδείξεις ότι απαιτείται κάτι περισσότερο.

Στην επιστήμη, ωστόσο, δεν είμαστε ποτέ ικανοποιημένοι με μια δήλωση που απλώς λέει «αυτό το πρόβλημα είναι δύσκολο, οπότε ίσως η απάντηση βρίσκεται πέρα ​​από την επιστήμη». Δεν επιτυγχάνεται έτσι η πρόοδος. Ο μόνος τρόπος για να προχωρήσουμε είναι να διεξάγουμε περισσότερη και καλύτερη επιστήμη, αδιάκοπα, μέχρι να καταλάβουμε πώς λειτουργεί όλο αυτό.

Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά τον Αύγουστο του 2022. Ενημερώθηκε τον Οκτώβριο του 2025.

Πηγή: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-reductionist/

Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2025. Nobel Prize in Physics 2025

Το βραβείο Νόμπελ 2025 στην Φυσική απονεμήθηκε στους John Clarke, Michel H. Devoret και John M. Martinis «για την ανακάλυψη του μακροσκοπικού φαινομένου κβαντομηχανικής σήραγγας (macroscopic quantum tunnelling) και της κβάντωσης ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα». John Clarke, Michel H. Devoret and John M. Martinis were awarded the Nobel Prize in Physics on Tuesday in Sweden for their work in quantum mechanics and electric circuits. © Nobel Prize Outreach

Οι βραβευθέντες χρησιμοποίησαν μια σειρά πειραμάτων για να δείξουν ότι οι παράξενες ιδιότητες του κβαντικού κόσμου μπορούν να εκδηλωθούν σε μακροσκοπικά συστήματα.

Η κβαντική σήραγγα είναι ένα από τα χαρακτηριστικότερα κβαντομηχανικά φαινόμενα που αναδεικνύουν την βαθύτερη διαφορά του μικρόκοσμου με τον μακρόκοσμο. Ρίξτε μια μπάλα στον τοίχο. Θα αναπηδήσει προς τα πίσω. Όμως, ένα κβαντομηχανικό σωματίδιο μπορεί περιστασιακά να διασχίζει τον κλασικά αδιαπέραστο τοίχο!  Attribute ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Το ηλεκτρικό ρεύμα (χιλιάδων ή εκατομμυρίων ηλεκτρονίων) μπορεί να διαπερνά φράγματα δυναμικού με τρόπο που δεν επιτρέπεται κλασσικά, παρόμοια με το γνωστό κβαντομηχανικό φαινόμενο σήραγγας. Έδειξαν επίσης ότι αυτά τα μακροσκοπικά συστήματα απορροφούσαν και απέδιδαν την ενέργεια κβαντισμένα. όπως προβλέπει η κβαντομηχανική για τα άτομα.

Τα πειράματά τους σε ένα τσιπ αποκάλυψαν την κβαντική φυσική σε δράση

Attribute ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Ένα βασικό ερώτημα στη φυσική είναι το μέγιστο μέγεθος ενός συστήματος που μπορεί να εμφανίσει κβαντομηχανικά φαινόμενα. Οι βραβευθέντες με το Νόμπελ Φυσικής 2025, διεξήγαγαν πειράματα με ένα ηλεκτρικό κύκλωμα στα οποία επέδειξαν τόσο το κβαντομηχανικό φαινόμενο σήραγγας όσο και την κβάντωσης της ενέργειας σε ένα αρκετά μεγάλο και χειροπιαστό σύστημα.

A scanning tunelling microscope (pictured) relies on quantum tunnelling to create ultra high resolution images. Credit: Stan Olszewski/IBM Research/Science Photo Library

Η κβαντομηχανική επιτρέπει σε ένα σωματίδιο να κινείται κατευθείαν μέσα από ένα φράγμα, διαμέσου του φαινομένου σήραγγας. Όταν όμως εμπλέκεται μεγάλος αριθμός σωματιδίων, τα κβαντομηχανικά φαινόμενα συνήθως γίνονται αμελητέα. Τα πειράματα των βραβευμένων απέδειξαν ότι οι κβαντομηχανικές ιδιότητες μπορούν να εκδηλωθούν σε μακροσκοπική κλίμακα.

Το 1984 και το 1985, οι John Clarke, Michel H. Devoret και John M. Martinis διεξήγαγαν μια σειρά πειραμάτων με ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα κατασκευασμένο από υπεραγωγούς, οι οποίοι άγουν το ρεύμα χωρίς να εμφανίζουν ηλεκτρική αντίσταση. Στο κύκλωμα, τα υπεραγώγιμα στοιχεία διαχωρίζονταν από ένα λεπτό στρώμα μονωτικού υλικού, μια διάταξη γνωστή ως επαφή Josephson. Βελτιώνοντας και μετρώντας τις διάφορες ιδιότητες του κυκλώματός τους, κατάφεραν να ελέγξουν και να εξερευνήσουν τα φαινόμενα που προέκυπταν όταν διοχέτευαν ρεύμα σε αυτό. Συνολικά, τα φορτισμένα σωματίδια που κινούνταν στον υπεραγωγό αποτελούσαν ένα σύστημα που συμπεριφερόταν σαν να ήταν ένα ενιαίο σωματίδιο που καταλάμβανε ολόκληρο το κύκλωμα.

Αυτό το μακροσκοπικό- σαν σωματίδιο – σύστημα βρίσκεται αρχικά σε μια κατάσταση στην οποία το ρεύμα ρέει χωρίς τάση. Το σύστημα είναι παγιδευμένο σ’ αυτήν την κατάσταση, σαν να βρίσκεται πίσω από ένα εμπόδιο που δεν μπορεί να διασχίσει. Στο πείραμα, το σύστημα δείχνει τον κβαντικό του χαρακτήρα καταφέρνοντας να ξεφύγει από την κατάσταση μηδενικής τάσης μέσω σήραγγας. Η αλλαγή της κατάστασής του ανιχνεύεται μέσω της εμφάνισης μιας τάσης.

Οι βραβευθέντες κατάφεραν επίσης να αποδείξουν ότι το σύστημα συμπεριφέρεται με τον τρόπο που προβλέπεται από την κβαντομηχανική – είναι κβαντισμένο, που σημαίνει ότι απορροφά ή εκπέμπει μόνο συγκεκριμένα ποσά ενέργειας.

«Είναι υπέροχο που μπορούμε να γιορτάσουμε το γεγονός ότι η κβαντομηχανική, παρότι συμπληρώνει έναν αιώνα, συνεχίζει να μας εκπλήσσει. Είναι επίσης εξαιρετικά χρήσιμη, δεδομένου ότι αποτελεί τη βάση κάθε ψηφιακής τεχνολογίας», δήλωσε ο Olle Eriksson, Πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ Φυσικής.

The Nobel Prize in Physics has been awarded to John Clarke, Michel H. Devoret and John M. Martinis for their work on quantum mechanics that is paving the way for a new generation of very powerful computers. "There is no advanced technology used today that does not rely on quantum mechanics, including mobile phones, cameras... and fibre optic cables," said the Nobel committee. Getty Images

Τα τρανζίστορ στα μικροτσίπ υπολογιστών είναι ένα παράδειγμα της καθιερωμένης κβαντικής τεχνολογίας που μας περιβάλλει. Το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσική ανοίγει δρόμους για την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς κβαντικής τεχνολογίας, που περιλαμβάνει την κβαντική κρυπτογραφία, τους κβαντικούς υπολογιστές και τους κβαντικούς αισθητήρες.

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:

1. Popular science background: Quantum properties on a human scale (pdf)
2. Scientific background to the Nobel Prize in Physics 2025 (pdf)

Πηγές: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/press-release/ - https://physicsgg.me/2025/10/06/ 

 

 

 

Ίθαν Σίγκελ, Το «άτομο» έχασε την αρχική του σημασία, και αυτό είναι καλό για την επιστήμη. Ethan Siegel, The “atom” lost its original meaning, and that’s good for science

Αρχικά, το «άτομο» ονομάστηκε έτσι επειδή υπήρχε η πεποίθηση ότι αυτά τα δομικά στοιχεία της ύλης θα ήταν αδιαίρετα και άκοπα. Παρόλο που έχει περάσει περισσότερος χρόνος από τότε που μάθαμε ότι τα άτομα όντως αποτελούνται από συστατικά, από όσος χρόνος πριν θεωρούνταν τα άτομα θεμελιώδη, το όνομά τους, που εξακολουθεί να σημαίνει «ανίκανο να κοπεί», δεν έχει αλλάξει. Originally, the “atom” was named as such because it was thought that these building blocks of matter would be indivisible and uncuttable. Even though more time has passed since we learned that atoms are indeed made of components, than all the time before that atoms were thought to be fundamental, their name, still meaning “unable to be cut,” has not changed. Credit: LanaPo / Adobe Stock

Εδώ στον πλανήτη Γη, όλα όσα βλέπουμε, αισθανόμαστε ή με τα οποία αλληλεπιδρούμε αποτελούνται από άτομα. Υπάρχουν περίπου 90 φυσικά είδη ατόμων που μπορούμε να βρούμε στη Γη και περίπου 30 ακόμη που μπορούμε να συνθέσουμε σε εργαστηριακές συνθήκες. Έχουμε μάθει, χάρη στη δύναμη της σύγχρονης επιστήμης, ότι τα ίδια τα άτομα δεν είναι θεμελιώδη, αλλά μπορούν να χωριστούν σε μικρότερα κομμάτια: ηλεκτρόνια και έναν ατομικό πυρήνα, όπου ο πυρήνας με τη σειρά του μπορεί να αποσυντεθεί περαιτέρω σε πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία αποτελούνται από κουάρκ και γλουόνια. Μόνο όταν φτάσουμε σε αυτό το βαθύ επίπεδο - το επίπεδο των ηλεκτρονίων, των κουάρκ και των γλουονίων - συναντάμε σωματίδια που είναι πραγματικά θεμελιώδη.

Αλλά η ίδια η λέξη άτομο, που προέρχεται από την ελληνική λέξη άτομο, σημαίνει κυριολεκτικά αδιαίρετο ή αδιάσπαστο. Πώς γίνεται, λοιπόν, να ονομάζουμε ακόμα αυτά τα σημαντικά συστατικά της πραγματικότητας «άτομα» αντί για κάποιο άλλο όνομα που αντανακλά καλύτερα τη σύνθετη φύση τους; Είναι ένα συναρπαστικό παράδειγμα κάτι αξιοσημείωτου για το πώς εξελίσσεται η επιστήμη: μόλις ανακαλυφθεί κάτι, διατηρεί το αρχικό όνομα που του δόθηκε, αλλά η σημασία αυτού του ονόματος θα αλλάξει με την πάροδο του χρόνου για να αντικατοπτρίζει τις νέες πληροφορίες που έχουμε αποκτήσει. Έχει συμβεί σε όλη την ιστορία και αν συνεχίσουμε να ασχολούμαστε με την επιστήμη σωστά, θα συμβαίνει ξανά και ξανά καθώς συνεχίζουμε να μαθαίνουμε περισσότερα για την πραγματικότητα.

Αν και στον σύγχρονο κόσμο μας συνήθως αντιλαμβανόμαστε τα άτομα ως πυρήνες με ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω τους, η αρχική έννοια ενός ατόμου ήταν ότι ήταν ένα εξαιρετικά μικροσκοπικό, αδιαχώριστο συστατικό κάθε ύλης και ότι υπήρχαν μόνο άτομα και το κενό. Αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως «πραγματικά αντικείμενα» θα προερχόταν από τους συνδυασμούς αμέτρητων ατόμων μαζί, με τα διάφορα ατομικά συστατικά να δημιουργούν ένα άπειρο σύνολο πιθανών συνδυασμών. Although we normally conceive of atoms as nuclei with electrons orbiting them in our modern world, the original concept of an atom was that it was an extremely tiny, uncuttable constituent of all matter, and that only atoms and the void existed. What we perceive of as “real objects” would originate from the combinations of countless atoms put together, with the various atomic ingredients giving rise to an infinite set of possible combinations. Credit: Sergey Nivens / Adobe Stock

Η λέξη άτομο εισήχθη τον 5ο αιώνα π.Χ. από δύο αρχαίους Έλληνες φιλοσόφους, τον Δημόκριτο και τον Λεύκιππο, όπου ο Δημόκριτος ήταν μαθητής του Λεύκιππου. Τότε, οι φιλόσοφοι και οι επιστήμονες ήταν ένα και το αυτό, καθώς δεν είχε γίνει διάκριση μεταξύ εκείνων που εκφράζουν γνώμη για τη φυσική πραγματικότητα και εκείνων που την ερευνούν από μια τεκμηριωμένη οπτική γωνία. Πριν από τον Λεύκιππο, οι προηγούμενοι επιστήμονες-φιλόσοφοι είχαν επινοήσει τις έννοιες των στοιχείων ως συστατικών της πραγματικότητας και συχνά θεωρούσαν ένα συγκεκριμένο συστατικό ως τον θεμελιώδη δημιουργό - ή αρχή (ἀρχή) - όλων των άλλων. Άλλοι, επιστρέφοντας στον ποιητή Ησίοδο, αντιπαρέβαλαν την τάξη του Σύμπαντος, ή κόσμου, με το μεγάλο κενό του μηδενός.

Η ιδέα του Λεύκιππου ήταν ότι το κενό ήταν πραγματικό, αλλά ότι όλα όσα μπορούσαμε να δούμε, να νιώσουμε ή με τα οποία αλληλεπιδρούσαμε δεν αποτελούνταν από στοιχεία όπως η Γη, η Φωτιά, ο Αέρας και το Νερό, αλλά αντίθετα αποτελούνταν από άτομα: αδιαίρετες, μικροσκοπικές οντότητες που αποτελούσαν τα πάντα. Ανάμεσα στα άτομα υπήρχε κενό, και όλα τα πράγματα που υπήρχαν ήταν άτομα. Ο Δημόκριτος βελτίωσε περαιτέρω τις ιδέες του Λεύκιππου, γράφοντας ότι:

• υπήρχε ένας άπειρος αριθμός ατόμων,
• ότι η διαιρετότητα της ύλης κάποια στιγμή θα έπαυε να υπάρχει,
• ότι όταν φτάνατε σε αυτό το σημείο, θα ανακαλύπτατε ότι είχατε πολλούς διαφορετικούς τύπους ατόμων: σώματα με διαφορετικά μεγέθη και σχήματα,
• και ότι αυτά τα άτομα βρίσκονται σε συνεχή κίνηση και μπορούν να συγκρουστούν μεταξύ τους,
• και καθώς το κάνουν, δημιουργούν μεγαλύτερες και πιο σύνθετες δομές, δημιουργώντας τον κόσμο που βιώνουμε μπροστά μας.

Ενώ κανένα από τα πρωτότυπα έργα του Δημόκριτου δεν έχει διασωθεί, άσκησε αρκετή επιρροή ώστε άλλοι να γράφουν για τις ιδέες του για αιώνες και χιλιετίες μετά.

Αν και η αρχική ιδέα για τα άτομα ήταν ότι θα είχαν διαφορετικά σχήματα και μεγέθη και ότι όλες οι οντότητες θα αποτελούνταν από διαφορετικούς συνδυασμούς αυτών των ατόμων, τα πραγματικά, φυσικά άτομα που ανακαλύψαμε δεν είχαν απαραίτητα αυτές τις ιδιότητες. Ωστόσο, τα επίπεδα ενέργειας που καταλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια μέσα σε αυτά τα άτομα λαμβάνουν διαφορετικά σχήματα και έχουν διαφορετικά μεγέθη, επιτρέποντας την ευρεία ποικιλία χημικών ενώσεων που βρίσκουμε στη σύγχρονη πραγματικότητά μας. Although the original idea of atoms was that they would have different shapes and sizes to them, and that all entities would be composed of different combinations of these atoms, the actual, physical atoms that we discovered didn’t necessarily have these properties. The energy levels occupied by the electrons within those atoms, however, do take on different shapes and have different sizes, enabling the wide variety of chemical compounds we find in our modern reality. Credit: LibreTexts Library/UC Davis

Η ιδέα των ατόμων αναβιώθηκε στις αρχές του 19ου αιώνα, όταν ο Άγγλος χημικός Τζον Ντάλτον επανέφερε την ιδέα του ατομισμού στον τομέα της χημείας. (Αν και άλλοι, όπως ο Γουίλιαμ Χίγκινς, ισχυρίστηκαν ότι ο Ντάλτον έκλεψε τις ιδέες άλλων .) Εξετάζοντας διαφορετικές γνωστές χημικές ενώσεις, ο Ντάλτον αναγνώρισε ότι μια ατομιστική οπτική θα επέτρεπε σε κάποιον να υπολογίσει μοριακά βάρη και μοριακούς τύπους με βάση μια σειρά από απλούστερα δομικά στοιχεία: άτομα, το καθένα με το δικό του μοναδικό ατομικό βάρος για τα διαφορετικά είδη ατόμων που υπάρχουν στο μόριο. Ο Ντάλτον εισήγαγε για πρώτη φορά τη νέα του «ατομική θεωρία» το 1803, παρέχοντας μια εξήγηση για τη σύνθεση του νιτρικού οξέος.

Στη συνέχεια, το 1808, ο Ντάλτον δημοσίευσε μια εκτενή συζήτηση για την ατομική του θεωρία, διατυπώνοντας συνολικά έξι αρχές:

1. Τα στοιχεία αποτελούνται από άτομα.
2. Τα άτομα ενός δεδομένου στοιχείου είναι πανομοιότυπα σε μέγεθος, μάζα και όλες τις άλλες ιδιότητες.
3. Τα άτομα δεν μπορούν να διαιρεθούν, να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν.
4. Άτομα διαφορετικών στοιχείων συνδυάζονται σε ακέραιες αριθμητικές αναλογίες για να σχηματίσουν ενώσεις.
5. Στις χημικές αντιδράσεις, τα άτομα συνδυάζονται, διαχωρίζονται ή αναδιατάσσονται.
6. Και ο κανόνας της μέγιστης απλότητας: ότι αν άτομα δύο διαφορετικών στοιχείων σχημάτιζαν μια ένωση, τα μόρια αυτής της ένωσης θα έπρεπε να αποτελούνται από ένα από κάθε στοιχείο.

Αν και οι αρχές 1, 4 και 5 παραμένουν σωστές ακόμη και σήμερα, οι αρχές 2 (το ίδιο άτομο μπορεί να έχει διαφορετικά ατομικά βάρη), 3 (η ύλη και η αντιύλη μπορούν να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν σε ίσες ποσότητες) και 6 (δεν ισχύει για το νερό, το οποίο είναι H2O και όχι HO, ή για την αμμωνία, η οποία είναι NH3 και όχι NH) αποδείχθηκαν αργότερα ψευδείς.

Ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων είναι ταξινομημένος ως έχει (σε ​​περιόδους που μοιάζουν με γραμμές και ομάδες που μοιάζουν με στήλες) λόγω του αριθμού των ελεύθερων/κατειλημμένων ηλεκτρονίων σθένους, ο οποίος είναι ο νούμερο ένα παράγοντας στον προσδιορισμό των χημικών ιδιοτήτων κάθε ατόμου. Τα άτομα μπορούν να συνδεθούν για να σχηματίσουν μόρια σε τεράστιες ποικιλίες, αλλά η ηλεκτρονική δομή του καθενός είναι αυτή που καθορίζει κυρίως ποιες διαμορφώσεις είναι πιθανές, πιθανές και ενεργειακά ευνοϊκές. The periodic table of the elements is sorted as it is (in row-like periods and column-like groups) because of the number of free/occupied valence electrons, which is the number one factor in determining each atom’s chemical properties. Atoms can link up to form molecules in tremendous varieties, but it’s the electron structure of each one that primarily determines what configurations are possible, likely, and energetically favorable. Credit: Adobe Stock

Η ατομική θεωρία σημείωσε τεράστια επιτυχία. Σύντομα ανακαλύψαμε ότι άτομα διαφορετικών ειδών μπορούσαν να ταξινομηθούν με τρόπους όπου άτομα με παρόμοιες χημικές ιδιότητες θα ομαδοποιούνταν: τοποθετώντας στοιχεία όπως το νάτριο και το κάλιο στην ίδια βάση, καθώς και το ασβέστιο και το μαγνήσιο, το χλώριο και το φθόριο, καθώς και το ήλιο, το νέον και το αργό. Ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων του Μεντελέγιεφ, που αναπτύχθηκε το 1869, αναγνώρισε τη σημασία της ταξινόμησης των στοιχείων με βάση αυτές τις χημικές ιδιότητες και όχι μόνο τη μάζα, και άφησε με επιτυχία κενά για άγνωστα ακόμη στοιχεία που ανακαλύφθηκαν με τις ιδιότητες που προέβλεψε: για παράδειγμα, το γάλλιο και το γερμάνιο.

Οι πτυχές της θεωρίας του Ντάλτον που διαφωνούσαν με την πραγματικότητα απορρίφθηκαν, όπως ακριβώς οι πτυχές των ιδεών του Δημόκριτου που δεν ευθυγραμμίζονταν με την πραγματικότητα δεν διατηρήθηκαν ως μέρος της θεωρίας. Αλλά για σχεδόν όλο τον 19ο αιώνα, η ιδέα ότι τα ίδια τα άτομα ήταν θεμελιώδη και αδιαίρετα παρέμεινε μέρος της επικρατούσας σοφίας. Ωστόσο, όλα άρχισαν να αλλάζουν προς τα τέλη του 19ου αιώνα, καθώς μερικές ανακαλύψεις άρχισαν πραγματικά να αμφισβητούν τη συμβατική εικόνα της ατομικής φυσικής. Η μελέτη των καθοδικών ακτίνων, η ανακάλυψη των ακτίνων Χ και η ύπαρξη της ραδιενέργειας - με επικεφαλής πρωτοπόρους όπως ο Ανρί Μπεκερέλ, η Μαρί και ο Πιερ Κιουρί, και ο Τζ. Τζ. Τόμσον - θα αποκάλυπταν την ύπαρξη υποατομικών σωματιδίων: σωματίδια μέσα στο ίδιο το άτομο και μικρότερα από αυτό.

Αυτή η απεικόνιση δείχνει 5 από τους κύριους τύπους ραδιενεργών διασπάσεων: διάσπαση άλφα, όπου ένας πυρήνας εκπέμπει ένα σωματίδιο άλφα (2 πρωτόνια και 2 νετρόνια), διάσπαση βήτα, όπου ένας πυρήνας εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο, διάσπαση γάμμα, όπου ένας πυρήνας εκπέμπει ένα φωτόνιο, εκπομπή ποζιτρονίων (γνωστή και ως διάσπαση βήτα-συν), όπου ένας πυρήνας εκπέμπει ένα ποζιτρόνιο, και σύλληψη ηλεκτρονίων (γνωστή και ως αντίστροφη διάσπαση βήτα), όπου ένας πυρήνας απορροφά ένα ηλεκτρόνιο. Αυτές οι διασπάσεις μπορούν να αλλάξουν τον ατομικό ή/και μαζικό αριθμό του πυρήνα, αλλά ορισμένοι γενικοί νόμοι διατήρησης, όπως η ενέργεια, η ορμή και η διατήρηση του φορτίου, πρέπει να τηρούνται. Η διάσπαση βήτα περιλαμβάνει πάντα ένα νετρόνιο, είτε ελεύθερο είτε εντός ενός πυρήνα, που διασπάται σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο ηλεκτρονίων. This illustration shows 5 of the main types of radioactive decays: alpha decay, where a nucleus emits an alpha particle (2 protons and 2 neutrons), beta decay, where a nucleus emits an electron, gamma decay, where a nucleus emits a photon, positron emission (also known as beta-plus decay), where a nucleus emits a positron, and electron capture (also known as inverse beta decay), where a nucleus absorbs an electron. These decays can change the atomic and/or mass number of the nucleus, but certain overall conservation laws, like energy, momentum, and charge conservation, must still be obeyed. Beta decay always involves a neutron, whether free or within a nucleus, decaying into a proton, electron, and electron antineutrino. Credit: CNX Chemistry, OpenStax/Wikimedia Commons

Σύντομα ανακαλύφθηκε ότι τουλάχιστον τρεις τύποι σωματιδίων εκπέμπονταν σε διάφορες ραδιενεργές διεργασίες:

• σωματίδια άλφα, τα οποία ήταν θετικά φορτισμένα,
• σωματίδια βήτα, τα οποία ήταν αρνητικά φορτισμένα,
• και σωματίδια γάμμα, τα οποία ήταν ηλεκτρικά ουδέτερα.

Τα πειράματα του Thomson με τις καθοδικές ακτίνες, ειδικότερα, οδήγησαν στην ανακάλυψη του ηλεκτρονίου: ενός σωματιδίου με πολύ μικρή μάζα και μικρό μέγεθος σε σύγκριση με τα άτομα, αλλά με μεγάλο και σημαντικό αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Λίγο αργότερα, τα σωματίδια βήτα αναγνωρίστηκαν ως ηλεκτρόνια, συνδυάζοντας αυτές τις δύο ανεξάρτητες πτυχές της πραγματικότητας.

Αυτό σήμαινε ότι τα ίδια τα άτομα δεν ήταν στην πραγματικότητα αδιαίρετα, αλλά μάλλον μπορούσαν να διαιρεθούν σε τουλάχιστον δύο συστατικά: τα ηλεκτρόνια που υπήρχαν μέσα σε αυτά, με κάποιο τρόπο, και κάποιο άλλο θετικά φορτισμένο συστατικό. Ο Thomson ήταν ο πρώτος που μοντελοποίησε τα άτομα ως τέτοια: αυτό που ονόμασε μοντέλο «δαμάσκηνου», όπου τα ηλεκτρόνια ήταν σαν αρνητικά φορτισμένα δαμάσκηνα μέσα στο θετικά φορτισμένο πουτίγκα του υπόλοιπου ατόμου.

Αλλά στη συνέχεια, στις αρχές του 1900, ο Έρνεστ Ράδερφορντ σχεδίασε ένα υπέροχο πείραμα που είχε σχεδιαστεί για να δοκιμάσει ακριβώς αυτό: το περίφημο πείραμά του με το φύλλο χρυσού.

Το πείραμα του Ράδερφορντ με το χρυσό φύλλο έδειξε ότι το άτομο ήταν ως επί το πλείστον κενός χώρος, αλλά ότι υπήρχε μια συγκέντρωση μάζας σε ένα σημείο που ήταν πολύ μεγαλύτερη από τη μάζα ενός σωματιδίου άλφα: τον ατομικό πυρήνα. Παρατηρώντας ότι ορισμένα από τα εκπεμπόμενα, ραδιενεργά σωματίδια αναπήδησαν πίσω ή εξοστρακίστηκαν σε διαφορετική κατεύθυνση από αυτήν προς την οποία εκπεμπόντουσαν, ο Ράδερφορντ μπόρεσε να αποδείξει την ύπαρξη ενός συμπαγούς, ογκώδους πυρήνα στο άτομο. Rutherford’s gold foil experiment showed that the atom was mostly empty space, but that there was a concentration of mass at one point that was far greater than the mass of an alpha particle: the atomic nucleus. By observing that some of the emitted, radioactive particles bounced back, or ricocheted off, in a different direction than they were emitted in, Rutherford was able to demonstrate the existence of a compact, massive nucleus to the atom. Credit: Chris Impey

Αυτό που έκανε ο Ράδερφορντ ήταν να πάρει ένα λεπτό φύλλο χρυσού, ένα μέταλλο που ήταν γνωστό για την εύπλαστη φύση του, και να το σφυρηλατήσει όσο το δυνατόν λεπτότερο, μέχρι που μετά βίας συγκρατήθηκε. Στη συνέχεια, ο Ράδερφορντ τοποθέτησε μια ραδιενεργό πηγή στη μία πλευρά του φύλλου, περιβάλλοντας την υπόλοιπη συσκευή με έναν απορροφητικό δακτύλιο από στερεό υλικό. Αυτό που περίμενε ότι θα έβρισκε ήταν ότι αυτά τα ραδιενεργά σωματίδια θα περνούσαν κατευθείαν μέσα από το φύλλο και θα κατέληγαν στην άλλη πλευρά, δεδομένου του πόσο ενεργητικά ήταν τα εκπεμπόμενα σωματίδια και πόσο λεπτό και εύθραυστο ήταν στην πραγματικότητα το φύλλο χρυσού.

Και πράγματι, αυτό συνέβη για την πλειονότητα των εκπεμπόμενων σωματιδίων που στάλθηκαν προς την κατεύθυνση του φύλλου χρυσού: πέρασαν κατευθείαν στην άλλη πλευρά. Αλλά για ένα κλάσμα αυτών των σωματιδίων, συνέβη κάτι άλλο. Αντί να περάσουν, φάνηκαν να εξοστρακίζονται από κάτι σκληρό, ογκώδες και ακίνητο μέσα σε αυτό το φύλλο χρυσού, εκτρέποντας σε ορισμένες περιπτώσεις ή αναπηδώντας πίσω, σε άλλες περιπτώσεις, στο εσωτερικό της πειραματικής συσκευής. Ο Ράδερφορντ δεν μπορούσε να συγκρατήσει τον ενθουσιασμό και την αμηχανία του για το θέμα, σημειώνοντας για το πείραμά του του 1909:

«Ήταν το πιο απίστευτο γεγονός που μου έχει συμβεί ποτέ στη ζωή μου. Ήταν σχεδόν τόσο απίστευτο σαν να έριχνες ένα βλήμα 15 ιντσών σε ένα κομμάτι χαρτομάντιλο και αυτό να γύριζε πίσω και να σε χτυπούσε.»

Αν τα άτομα ήταν φτιαγμένα από συνεχείς δομές, τότε όλα τα σωματίδια που εκτοξεύονταν σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού θα αναμενόταν να περάσουν κατευθείαν μέσα από αυτό. Το γεγονός ότι οι σκληρές ανάκρουσεις παρατηρούνταν αρκετά συχνά, προκαλώντας μάλιστα ορισμένα σωματίδια να αναπηδήσουν πίσω από την αρχική τους κατεύθυνση, βοήθησε να καταδειχθεί ότι υπήρχε ένας σκληρός, πυκνός πυρήνας εγγενής σε κάθε άτομο. Ενώ τα άτομα έχουν μέγεθος περίπου ένα άνγκστρομ, ο πυρήνας μοιάζει περισσότερο με μερικά φεμτόμετρα σε διάμετρο: μια διαφορά ενός παράγοντα ~100.000. If atoms had been made of continuous structures, then all the particles fired at a thin sheet of gold would be expected to pass right through it. The fact that hard recoils were seen quite frequently, even causing some particles to bounce back from their original direction, helped illustrate that there was a hard, dense nucleus inherent to each atom. Whereas atoms are about one angstrom in size, the nucleus is more like a few femtometers across: a difference of a factor of ~100,000. Credit: Kurzon/Wikimedia Commons

Με άλλα λόγια, τα άτομα όχι μόνο δεν ήταν άκοπα, αλλά αποτελούνταν από δύο πολύ διαφορετικά μέρη: τα ελαφρά, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και έναν βαρύ, θετικά φορτισμένο ατομικό πυρήνα. 10 χρόνια αργότερα, το 1919, η συνεχιζόμενη εργασία του Ράδερφορντ ήταν σε θέση να παρατηρήσει πυρήνες υδρογόνου να εκτοξεύονται από άτομα αζώτου που είχαν βομβαρδιστεί με σωματίδια άλφα (τώρα γνωστά ως πυρήνες ηλίου), αποδεικνύοντας την ύπαρξη του πρωτονίου. Την επόμενη χρονιά, το 1920, ο Ράδερφορντ έδωσε στα πρωτόνια το όνομά τους, διδάσκοντάς μας ποια ήταν τα δύο κύρια συστατικά των ατόμων.

Πώς, όμως, υπήρχαν ισότοπα αυτών των διαφορετικών στοιχείων, όπου άτομα με τις ίδιες χημικές ιδιότητες μεταξύ τους θα μπορούσαν να έχουν διαφορετικές μάζες μεταξύ τους; Μια ιδέα ήταν ότι μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα, δεν υπήρχαν μόνο πρωτόνια, αλλά και κάποια ηλεκτρόνια που είχαν σχηματίσει συνδεδεμένες καταστάσεις με πρωτόνια στο εσωτερικό τους. Αυτό οδήγησε σε ένα παράδοξο, ωστόσο: γιατί μόνο ορισμένα ηλεκτρόνια θα σχηματίζουν συνδεδεμένη κατάσταση με πρωτόνια, ενώ άλλα παρέμειναν σε τροχιά γύρω από το άτομο; Υπήρχαν δύο θεμελιωδώς διαφορετικοί τύποι ηλεκτρονίων;

Τελικά, το ζήτημα θα διευθετούνταν πειραματικά: από τον James Chadwick το 1932, ο οποίος βομβάρδισε πυρήνες βηρυλλίου με σωματίδια άλφα και σημείωσε την εκπομπή ενός ογκώδους, ουδέτερου σωματιδίου που εκπέμπεται από τη διαδικασία. Αυτό το νέο σωματίδιο, το νετρόνιο, ολοκλήρωσε τελικά τη βασική εικόνα του ατόμου.

Όλα τα άτομα άνθρακα αποτελούνται από 6 πρωτόνια στον ατομικό τους πυρήνα, αλλά υπάρχουν τρεις κύριες ποικιλίες που υπάρχουν στη φύση. Ο άνθρακας-12, με 6 νετρόνια, αποτελεί την πιο κοινή μορφή σταθερού άνθρακα. Ο άνθρακας-13 έχει 7 νετρόνια και αποτελεί το υπόλοιπο 1,1% του σταθερού άνθρακα. Ο άνθρακας-14 είναι ασταθής, με χρόνο ημιζωής λίγο περισσότερο από 5.700 χρόνια, αλλά σχηματίζεται συνεχώς στην ατμόσφαιρα της Γης λόγω των προσπίπτουσων κοσμικών ακτίνων. Η ύπαρξη τόσο του πρωτονίου όσο και του νετρονίου είναι απαραίτητη για να εξηγηθούν αυτά τα διαφορετικά ισότοπα. All carbon atoms consist of 6 protons in their atomic nucleus, but there are three main varieties that exist in nature. Carbon-12, with 6 neutrons, makes up the most common form of stable carbon; carbon-13 has 7 neutrons and makes up the remaining 1.1% of stable carbon; carbon-14 is unstable, with a half-life of a little more than 5,700 years, but is constantly being formed in Earth’s atmosphere due to incident cosmic rays. The existence of both the proton and the neutron is required to explain these different isotopes. Credit: Coastal Systems Group/Woods Hole Oceanographic Institute

Οι ατομικοί πυρήνες, λοιπόν, αποτελούνταν από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ηλεκτρικά αφόρτιστα νετρόνια, τα οποία με τη σειρά τους περιβάλλονταν από πολύ ελαφριά, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια για να ολοκληρώσουν το άτομο. Αυτά τα άτομα μπορούσαν στη συνέχεια να συνδεθούν μεταξύ τους, όπως ακριβώς είχε διατυπώσει ο Δημόκριτος περισσότερα από 2000 χρόνια πριν, στα μόρια και τις μεγαλύτερες δομές που αποτελούσαν τον μακροσκοπικό μας κόσμο. Δεν υπήρχαν άπειροι αριθμοί από αυτούς, αλλά μάλλον ένας τεράστιος αλλά μετρήσιμος αριθμός υποατομικών συστατικών αυτών των ατόμων, και συναρμολογούνταν για να συνθέσουν ολόκληρη την πραγματικότητα.

Στο διάστημα που μεσολάβησε από τότε, ανακαλύψαμε μια ομάδα ασταθών σωματιδίων που ονομάζονται μεσόνια: σωματίδια για τα οποία αρχικά υπήρχαν υποψίες (σύμφωνα με το λαμπρό αλλά λανθασμένο μοντέλο Sakata ) ότι ήταν σύνθετα βαρυόνια όπως πρωτόνια, νετρόνια, αντιπρωτόνια και αντινετρόνια, τα οποία θα μπορούσαν να επιτύχουν πολύ χαμηλότερες μάζες μαζί λόγω της έννοιας της ενέργειας σύνδεσης. Μεσόνια όπως τα καόνια θα μπορούσαν στη συνέχεια να εξηγηθούν αν προσθέσουμε και το ασταθές βαρυόνιο Λάμδα (και το αντισωματίδιό του) στο μείγμα, με πρωτόνια, νετρόνια και το βαρυόνιο Λάμδα να αποτελούν μια τριάδα που μερικές φορές είναι γνωστή ως σακατόνια.

Καθώς όμως προχωρούσαμε στην εκτέλεση πειραμάτων βαθιάς ανελαστικής σκέδασης, το μοντέλο Sakata έχασε την εύνοια του κοινού, καθώς οι πιο επιτυχημένες θεωρίες των κουάρκ και των παρτονίων (που τώρα είναι γνωστό ότι είναι τα ίδια μεταξύ τους) περιέγραφαν καλύτερα το αποτέλεσμα. Αυτή η εξέλιξη των γεγονότων ήταν που τελικά μας έφερε στη σύγχρονη εικόνα της πραγματικότητας και στο Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων.

Τα κουάρκ, τα αντικουάρκ και τα γλουόνια του Καθιερωμένου Μοντέλου έχουν χρωματικό φορτίο, εκτός από όλες τις άλλες ιδιότητες όπως η μάζα και το ηλεκτρικό φορτίο. Όλα αυτά τα σωματίδια, εκτός από τα γλουόνια και τα φωτόνια, υφίστανται την ασθενή αλληλεπίδραση. Μόνο τα γλουόνια και τα φωτόνια είναι άμαζα. Όλα τα άλλα, ακόμα και τα νετρίνα, έχουν μη μηδενική μάζα ηρεμίας. The quarks, antiquarks, and gluons of the Standard Model have a color charge, in addition to all the other properties like mass and electric charge. All of these particles, except gluons and photons, experience the weak interaction. Only the gluons and photons are massless; everyone else, even the neutrinos, have a non-zero rest mass. Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy

Κι όμως, παρόλο που πιστεύαμε ότι τα άτομα ήταν πραγματικά αδιαίρετες οντότητες για περισσότερα από 90 χρόνια, από την εισαγωγή τους από τον Ντάλτον μέχρι τις ανακαλύψεις της ραδιενέργειας και της φύσης των καθοδικών ακτίνων, εξακολουθούμε να τους δίνουμε το όνομα «άτομο». Μερικοί άνθρωποι απογοητεύονται από αυτή την κατάσταση πραγμάτων, ισχυριζόμενοι ότι η αρχική έννοια του ατόμου — που ανάγεται στην ελληνική λέξη άτομο — θα έπρεπε να προορίζεται για οντότητες που είναι πραγματικά θεμελιώδεις ή στοιχειώδεις: οντότητες που δεν μπορούν να κοπούν ή να διασπαστούν.

Κρίμα για τους ανθρώπους που το πιστεύουν αυτό· αυτός δεν είναι ο τρόπος που λειτουργεί η επιστήμη. Τα πράγματα ονομάζονται τη στιγμή της ανακάλυψής τους και συνήθως ονομάζονται με την πιο ακριβή (ή πιασάρικη) περιγραφή που έχουμε γι' αυτά εκείνη τη στιγμή. Αυτά τα ονόματα επιμένουν ακόμη και καθώς η κατανόησή μας για αυτά τα αντικείμενα ή τα φαινόμενα βελτιώνεται, ακόμα κι αν αυτό που μαθαίνουμε στη συνέχεια έρχεται σε αντίθεση με το αρχικό όνομα που τους δώσαμε.

• Τα άτομα μπορούν πράγματι να κοπούν ή να διασπαστούν.
• Οι εξωπλανήτες, συντομογραφία των εξωηλιακών πλανητών, δεν πληρούν τον τεχνικό ορισμό της λέξης πλανήτης που έδωσε η IAU το 2006.
• Η Μεγάλη Έκρηξη, που ονομάστηκε για πρώτη φορά έτσι το 1949 , δεν σημαίνει πλέον ένα αρχικό γεγονός που δημιούργησε το Σύμπαν μας, αλλά απλώς τα θερμά, πυκνά, επεκτεινόμενα επακόλουθα του τέλους του κοσμικού πληθωρισμού.

Μαζί με πολλά άλλα παραδείγματα, τα άτομα είναι απλώς αυτό που είναι. Παρόλο που μπορούν να κοπούν, εξακολουθούν να αποτελούν μια ζωτικής σημασίας έννοια για την κατανόηση της πραγματικότητάς μας.

Η παραπάνω άποψη είναι προσβάσιμη στην ανθρωπότητα εδώ και σχεδόν 250 χρόνια: ένα αντικείμενο, περίπου στο μέγεθος του Δία, με έναν φωτεινό κυκλικό δακτύλιο που σταδιακά εξασθενεί προς τα έξω και προς τα μέσα, αλλά με ένα φωτεινό κεντρικό σημείο μέσα του. Αυτό είναι το Νεφέλωμα Δακτυλίου, ή Μεσιέ 57 (M57), που ανακαλύφθηκε το 1779. Αν και ήταν το αντικείμενο που έδωσε το όνομα «πλανητικό νεφέλωμα», γνωρίζουμε εδώ και αιώνες ότι δεν έχει καμία σχέση με πλανήτες, ωστόσο το όνομα επιμένει. The above view has been accessible to humanity for nearly 250 years: an object, about the size of Jupiter, with a bright circular annulus gradually faintening toward the outside and inside, but with a bright central point within it. This is the Ring Nebula, or Messier 57 (M57), discovered in 1779. Although it was the object that spurred the name “planetary nebula,” we’ve known for centuries that it has nothing to do with planets at all, yet the name persists. Credit: Mike Reid of Mike’s Astro

Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, είχα την ευκαιρία να ταξιδέψω σε πολλά αρχαία ρωμαϊκά ερείπια, συμπεριλαμβανομένων πολλών ναών. Πολλοί είχαν ορθογώνιο σχήμα, αλλά μερικοί ήταν και στρογγυλοί. Για εκατοντάδες χρόνια, οι κλασικοί μελετητές αναγνώριζαν λανθασμένα τους στρογγυλούς ως «Ναό της Εστίας», λόγω του διάσημου στρογγυλού Ναού της Εστίας που σώζεται εν μέρει στην αρχαία ρωμαϊκή αγορά. Στη σύγχρονη εποχή, έχουμε μάθει ότι αυτοί οι διάσημοι ναοί πιθανότατα δεν ήταν καθόλου Ναοί της Εστίας, αλλά μάλλον ήταν ναοί άλλων θεών, μερικοί από τους οποίους είναι γνωστοί και μερικοί των οποίων η προέλευση παραμένει άγνωστη. Ακόμα και όταν γνωρίζουμε καλύτερα, ωστόσο, το να πείσουμε τους ανθρώπους να αποδεχτούν μια αλλαγή ονόματος είναι, για να μην πούμε τίποτα άλλο, μια δύσκολη μάχη.

Γι' αυτό το λόγο, η προσέγγιση που ακολουθεί γενικά η επιστήμη δεν είναι να αλλάξει το όνομα, αλλά να επιτρέψει στην έννοια του ονόματος που έχουμε δώσει να εξελιχθεί. Αν ανακαλύψουμε ότι η σκοτεινή ενέργεια όντως εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου, θα την ονομάζουμε ακόμα σκοτεινή ενέργεια, αλλά θα σταματήσουμε να τη συνδέουμε με μια κοσμολογική σταθερά. Αν ανακαλύψουμε ότι η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη ή με το φως, θα την ονομάζουμε ακόμα σκοτεινή ύλη, παρόλο που η φύση της δεν θα είναι πλέον εντελώς «σκοτεινή» για εμάς. Γνωρίζουμε εδώ και καιρό ότι τα πλανητικά νεφελώματα δεν είναι πλανήτες , αλλά διατηρούν το ίδιο όνομα από τότε που δόθηκε για πρώτη φορά το 1779. Ο Ήλιος δεν «δύει» και δεν «ανατέλλει» καθώς η Γη περιστρέφεται και τα «πεφταστέρια» δεν είναι στην πραγματικότητα αστέρια, αλλά αυτά τα ονόματα - ηλιοβασίλεμα, ανατολή και πεφταστέρι - είναι απίθανο να εξαφανιστούν σύντομα.

Στην επιστήμη, δεν προσκολλόμαστε σε ξεπερασμένες έννοιες των λέξεων. Βρίσκουμε κάτι, το ονομάζουμε και μετά συνεχίζουμε να το μελετάμε. Αν αυτά που μαθαίνουμε έρχονται σε αντίθεση με τις προσδοκίες που είχαμε όταν το ονομάσαμε, τόσο το καλύτερο για εμάς. Άλλωστε, οι συμβάσεις ονομασίας δεν είναι ο σκοπός της επιστήμης. Η εκμάθηση για το Σύμπαν, δηλαδή η διεξαγωγή και η αποκόμιση των μαθημάτων της ίδιας της επιστήμης, είναι ο λόγος που το κάνουμε.

Πηγή: https://startswithabang.substack.com/p/the-atom-lost-its-original-meaning