Ίθαν Σίγκελ, Εξήγηση για την πυρηνική σύντηξη. Ethan Siegel, Nuclear fusion explained

Γιατί η ενέργεια που παράγεται μέσω πυρηνικής σύντηξης θα είναι η μελλοντική, αλλά όχι η παρούσα, λύση για τις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας. Το εσωτερικό ενός θαλάμου σύντηξης Tokamak υπό εκτέλεση εργασιών κατά την περίοδο συντήρησής του το 2017. Εφόσον το πλάσμα μπορεί να περιοριστεί μαγνητικά και να ελεγχθεί μέσα σε μια συσκευή όπως αυτή, μπορεί να παραχθεί ενέργεια σύντηξης, αλλά η διατήρηση του περιορισμού του πλάσματος μακροπρόθεσμα είναι ένα εξαιρετικά δύσκολο έργο. Το σημείο ισορροπίας δεν έχει ακόμη επιτευχθεί για τη σύντηξη με μαγνητικό περιορισμό και δεν αναμένεται να επιτευχθεί μέχρι να τεθεί σε πλήρη λειτουργία ο ITER. Why power generated through nuclear fusion will be the future, but not the present, solution to humanity’s energy needs. The inside of a Tokamak fusion chamber being worked on during its maintenance period in 2017. So long as a plasma can be magnetically confined and controlled inside a device like this, fusion power can be produced, but maintaining plasma confinement over the long-term is an exceedingly difficult task. The breakeven point has not yet been achieved for magnetic confinement fusion, and is not expected to be until ITER is fully operational. Credit: Rswilcox/Wikimedia Commons

Όσον αφορά την παραγωγή ενέργειας και ισχύος, η φυσική μας δίνει πολλές επιλογές. Με απλή μηχανική, η ενέργεια της κίνησης ενός αντικειμένου τίθεται σε λειτουργία: χρησιμοποιώντας βάρη υπό την επίδραση της βαρύτητας, ρέον νερό ή κινούμενο αέρα για να περιστραφεί ένας τροχός ή μια τουρμπίνα. Αυτή η κίνηση χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή άλλων μορφών ενέργειας. Υπάρχουν επίσης χημικές αντιδράσεις, που εξαρτώνται από τις μεταβάσεις ηλεκτρονίων στον τρόπο με τον οποίο τα άτομα και τα μόρια συνδέονται μεταξύ τους: όπου κάποιο είδος καυσίμου μεταβολίζεται ή καίγεται για να παράγει ενέργεια, και αυτή η ενέργεια στη συνέχεια αξιοποιείται και τίθεται σε λειτουργία με παρόμοιο τρόπο. Και τέλος, υπάρχουν οι πυρηνικές αντιδράσεις, όπου οι δεσμοί μεταξύ νετρονίων και πρωτονίων μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα είτε διασπώνται είτε σφυρηλατούνται για να απελευθερώσουν ενέργεια, και στη συνέχεια αυτή η ενέργεια τίθεται σε λειτουργία.

Ενώ η μηχανική εργασία εκμεταλλεύεται ελεύθερα τους ήδη υπάρχοντες περιβαλλοντικούς πόρους, όπως η υδροηλεκτρική και η αιολική ενέργεια, έχει επίσης ζητήματα αξιοπιστίας και επεκτασιμότητας, καθώς και τις δικές της περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι χημικές αντιδράσεις αξιοποιούνται από όλες τις μορφές ζωής, συμπεριλαμβανομένης της φωτοσύνθεσης στα φυτά και των μεταβολικών οδών στα ζώα, αλλά ως πηγή καυσίμου, οι αντιδράσεις καύσης είναι ένας πεπερασμένος, περιορισμένος πόρος με σημαντικές συνέπειες για τη ρύπανση.

Ωστόσο, η πυρηνική ενέργεια είναι μοναδική. Είναι κυριολεκτικά εκατοντάδες χιλιάδες έως εκατομμύρια φορές πιο αποτελεσματική, όσον αφορά το κλάσμα της μάζας που μετατρέπεται σε ενέργεια, από όλες τις χημικές αντιδράσεις. Να τι είναι η πυρηνική σύντηξη και γιατί αποτελεί το μέλλον — αλλά όχι το παρόν — της παραγωγής ενέργειας εδώ στη Γη.

Αυτό το γράφημα δείχνει την ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο ως συνάρτηση του τύπου του στοιχείου που εξετάζουμε. Η κορυφή, η οποία αντιστοιχεί στα πιο σταθερά στοιχεία, βρίσκεται ακριβώς γύρω από στοιχεία όπως ο σίδηρος, το κοβάλτιο και το νικέλιο. Στοιχεία ελαφρύτερα από αυτό απελευθερώνουν ενέργεια όταν συντήκονται μεταξύ τους, ενώ στοιχεία βαρύτερα από αυτό απελευθερώνουν ενέργεια όταν διασπώνται σε μια αντίδραση σχάσης. This graph shows the binding energy-per-nucleon as a function of the type of element we’re looking at. The peak, which corresponds to the most stable elements, is right around elements like iron, cobalt, and nickel. Elements lighter than that release energy when they are fused together; elements heavier than that release energy when they are split apart in a fission reaction. (Credit: Fastfission/Wikimedia Commons)

Είναι μια παράξενη ιδέα να σκεφτεί κανείς: ότι ένα μικροσκοπικό δομικό στοιχείο της ύλης, ο ατομικός πυρήνας, έχει τη μεγαλύτερη δυνατότητα απελευθέρωσης ενέργειας. Κι όμως, είναι αλήθεια. Ενώ οι μεταβάσεις ηλεκτρονίων σε άτομα ή μόρια συνήθως απελευθερώνουν ενέργεια της τάξης του ~1 ηλεκτρονίου-βολτ, οι πυρηνικές μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών διαμορφώσεων απελευθερώνουν ενέργεια ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη, της τάξης του ~1 μεγαηλεκτρονίου-βολτ. Γενικά, υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους μπορείτε να απελευθερώσετε ενέργεια μέσω μιας πυρηνικής αντίδρασης:

• με τη διάσπαση βαρέων πυρήνων σε αντιδράσεις σχάσης,
• ή με σύντηξη ελαφρών πυρήνων σε αντιδράσεις σύντηξης.

Και οι δύο τύποι πυρηνικών αντιδράσεων, η σχάση και η σύντηξη, μπορούν να απελευθερώσουν ενέργεια, καθώς τα πιο σταθερά στοιχεία βρίσκονται γύρω από τα στοιχεία 26 έως 28 (σίδηρος-κοβάλτιο-νικέλιο) στον περιοδικό πίνακα. Τα ελαφρύτερα στοιχεία απελευθερώνουν ενέργεια μέσω σύντηξης, ενώ τα βαρύτερα στοιχεία την απελευθερώνουν μέσω σχάσης.

Αν και η πυρηνική σχάση και η σύντηξη συνδέονται και οι δύο με τις ατομικές βόμβες, καθώς και οι δύο μπορούν να υποστούν ανεξέλεγκτες αντιδράσεις που συνεχίζουν να απελευθερώνουν ενέργεια όσο οι αντιδράσεις μπορούν να συνεχιστούν, και οι δύο έχουν και άλλες εφαρμογές.

Αυτό το διάγραμμα δείχνει την αλυσιδωτή αντίδραση που μπορεί να προκύψει όταν ένα εμπλουτισμένο δείγμα U-235 βομβαρδίζεται με ένα ελεύθερο νετρόνιο. Μόλις σχηματιστεί το U-236, διασπάται γρήγορα, απελευθερώνοντας ενέργεια και παράγοντας τρία επιπλέον ελεύθερα νετρόνια. Εάν αυτή η αντίδραση σταματήσει, θα έχουμε μια βόμβα. Εάν αυτή η αντίδραση μπορεί να ελεγχθεί, μπορούμε να κατασκευάσουμε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. This diagram shows the chain reaction that can ensue when an enriched sample of U-235 is bombarded with a free neutron. Once U-236 is formed, it quickly splits apart, releasing energy and producing three additional free neutrons. If this reaction runs away, we get a bomb; if this reaction can be controlled, we can build a nuclear reactor. (Credit: Fastfission/Wikimedia Commons)

Η πυρηνική σχάση συνήθως βασίζεται στην απορρόφηση ενός σωματιδίου, όπως ένα νετρόνιο, από έναν ασταθή πυρήνα. Όταν ο σωστός πυρήνας απορροφήσει ένα νετρόνιο, όπως το Ουράνιο-235, για παράδειγμα, θα διασπαστεί, απελευθερώνοντας ακόμη περισσότερα νετρόνια, επιτρέποντας την πραγματοποίηση μιας αλυσιδωτής αντίδρασης. Εάν ο ρυθμός αντίδρασης είναι ανεξέλεγκτος, θα έχετε μια βόμβα. Ωστόσο, εάν ο ρυθμός αντίδρασης μπορεί να ελεγχθεί απορροφώντας νετρόνια και δημιουργώντας συνθήκες που περιορίζουν την ταχύτητά τους, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ελεγχόμενη παραγωγή ενέργειας. Αυτή είναι η βάση για τον τρόπο λειτουργίας όλων των σημερινών πυρηνικών αντιδραστήρων (σχάσης).

Η σύντηξη, από την άλλη πλευρά, προσφέρει τη δυνατότητα απελευθέρωσης ακόμη περισσότερης ενέργειας από τη σχάση. Εμφανίζεται σε όλα τα αστέρια με θερμοκρασίες πυρήνα που υπερβαίνουν τα ~4 εκατομμύρια K και είναι η κύρια αντίδραση που τροφοδοτεί τον Ήλιο μας. Όταν δημιουργείτε μια βόμβα σύντηξης, η ενεργειακή της απόδοση είναι πολύ μεγαλύτερη από οποιαδήποτε βόμβα σχάσης. Η πρώτη μετριέται συνήθως σε μεγατόνους, ενώ η δεύτερη μετριέται μόνο σε κιλοτόνους.

Κατ' αρχήν, αν μπορούμε να ελέγξουμε μια πυρηνική αντίδραση σύντηξης με την ίδια αποτελεσματικότητα που μπορούμε σήμερα να ελέγξουμε τις αντιδράσεις σχάσης, εξάγοντας ενέργεια με όποιους ρυθμούς επιλέξουμε, αυτή θα αντικαταστήσει όλες τις άλλες μορφές παραγωγής ενέργειας ως η κυρίαρχη πηγή ενέργειας στον πλανήτη Γη.

Πειραματικός πυρηνικός αντιδραστήρας RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha. Η μπλε λάμψη είναι γνωστή ως ακτινοβολία Cherenkov, από τα σωματίδια που εκπέμπονται στο νερό με ταχύτητα μεγαλύτερη από το φως. Η πυρηνική σχάση, παρά τα οφέλη της, δεν έχει αντικαταστήσει τα ορυκτά καύσιμα για τις παγκόσμιες ενεργειακές μας ανάγκες, κυρίως για μη πραγματικούς φόβους. Reactor nuclear experimental RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha. The blue glow is known as Cherenkov radiation, from the faster-than-light-in-water particles emitted. Nuclear fission, despite its benefits, has not replaced fossil fuels for our global energy needs, largely for non-factual fears. (Credit: Centro Atomico Bariloche/Pieck Dario)

Αυτή τη στιγμή, υπάρχουν τρεις κύριες ανησυχίες όσον αφορά τις πηγές ενέργειας και ισχύος που εξετάζουμε.

1. Διαθεσιμότητα. Θέλουμε αυτή η ενέργεια να είναι διαθέσιμη κατόπιν ζήτησης. Όταν χρειαζόμαστε περισσότερη, θέλουμε να είναι προσβάσιμη. Όταν χρειαζόμαστε λιγότερη, δεν θέλουμε να κάνουμε σπατάλη. Αν ελέγχουμε τη διαθεσιμότητα, όπως κάνουμε με τα ορυκτά καύσιμα ή τα υδροηλεκτρικά φράγματα με αξιόπιστα σταθερή ροή νερού, έχουμε μεγαλύτερη ευελιξία από ό,τι αν βασιζόμαστε εξ ολοκλήρου σε ιδιότροπους πόρους όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια.
2. Πανταχού παρούσα. Για τους σκοπούς μας στη Γη, η αιολική και η ηλιακή ενέργεια είναι πανταχού παρούσες. Οι άνεμοι και ο Ήλιος θα υπάρχουν πάντα. Τα ορυκτά καύσιμα, ωστόσο, δεν θα υπάρχουν. Υπάρχει μια πεπερασμένη ποσότητα άνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου στη Γη. Η πυρηνική σχάση είναι επίσης ένας πεπερασμένος πόρος, αν και πιο άφθονος από τα ορυκτά καύσιμα. Ωστόσο, οι ανάγκες εξόρυξης και επεξεργασίας ουρανίου και άλλων σχάσιμων στοιχείων σημαίνουν ότι όσο περισσότερο χρησιμοποιούμε, τόσο πιο δύσκολο θα είναι να βρεθούν νέες, παρθένες πηγές.
3. Βιωσιμότητα. Όταν καίμε ορυκτά καύσιμα, απελευθερώνουμε στην ατμόσφαιρα ρύπους που επηρεάζουν τον πλανήτη. Όταν παράγουμε αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης, παράγουμε ραδιενεργά υποπροϊόντα, μερικά από τα οποία έχουν σύντομο χρόνο ημιζωής και άλλα που θα παραμείνουν για πολλές γενιές ανθρώπων στο μέλλον. Δεν είναι αστείο το γεγονός ότι η κατανάλωση ενέργειας, ως είδος, έχει αλλάξει σημαντικά το κλίμα στη Γη από την αυγή της βιομηχανικής επανάστασης. Ένα πρόβλημα που επιδεινώνεται με κάθε χρόνο που περνάει.

Αυτοί οι τρεις λόγοι τονίζουν γιατί η πυρηνική σύντηξη είναι το όνειρο της βιώσιμης ενέργειας. Αν μπορούμε να ελέγξουμε τον ρυθμό μιας αντίδρασης σύντηξης, μπορούμε να την αξιοποιήσουμε για να παράγουμε ενέργεια κατ' απαίτηση, ουσιαστικά χωρίς απόβλητα. Το καύσιμο, το υδρογόνο και τα ισότοπά του, είναι απίστευτα άφθονα εδώ στη Γη. Δεν υπάρχει «εξάντληση» του καυσίμου πυρηνικής σύντηξης, όχι για δισεκατομμύρια χρόνια. Και ενώ η πυρηνική σύντηξη μπορεί να παράγει μικρές ποσότητες ραδιενεργών προϊόντων όπως το τρίτιο, δεν υπάρχει ποτέ κίνδυνος κατάρρευσης του αντιδραστήρα ή μακροπρόθεσμης περιβαλλοντικής ζημίας. Σε σύγκριση ακόμη και με την ηλιακή ενέργεια, η οποία απαιτεί την εξόρυξη σπάνιων στοιχείων και τη χρήση χημικών ουσιών και σπάνιων πόρων για τη δημιουργία ηλιακών πάνελ, η πυρηνική σύντηξη είναι η πιο βιώσιμη ενεργειακή επιλογή.

Φυσικά, όλα αυτά βασίζονται σε μια υπόθεση που εμείς, ως είδος, δεν έχουμε ακόμη επιτύχει: ότι μπορούμε να φτάσουμε στο σημείο ισορροπίας όσον αφορά την πυρηνική ενέργεια σύντηξης. Το ιερό δισκοπότηρο της ενέργειας είναι να έχουμε μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση πυρηνικής σύντηξης που παράγει περισσότερη αξιοποιήσιμη ενέργεια από τις αντιδράσεις της από όση απαιτείται για να εισαχθεί στο σύστημα/συσκευή για να ξεκινήσουν οι αντιδράσεις σύντηξης εξαρχής.

Ο λόγος που αυτό είναι ένα τόσο δύσκολο πρόβλημα είναι διπλός. Πρώτον, δεν είναι ασήμαντο ζήτημα να δημιουργηθεί μια αντίδραση πυρηνικής σύντηξης. Εφόσον περιορίζεστε στην εργασία με υλικά όπως το υδρογόνο, το δευτέριο, το ήλιο-3 και άλλα σταθερά ελαφρά στοιχεία και ισότοπα, απαιτούνται τεράστιες θερμοκρασίες και ενέργειες για να πραγματοποιηθεί μια αντίδραση πυρηνικής σύντηξης. Ο έλεγχος και η διατήρηση αυτών των περιβαλλόντων δεν είναι εύκολη υπόθεση και απαιτεί τεράστιες ενέργειες ακόμη και στην αρχή για να δημιουργηθούν οι απαραίτητες συνθήκες για τη σύντηξη.

Και δεύτερον, δεν μπορείτε απλώς να προσεγγίσετε αυτό το θέμα με στόχο τη δημιουργία περισσότερης ενέργειας μέσω σύντηξης από όση βάζετε στο σύστημα για να ξεκινήσει η αντίδραση: αυτό είναι γνωστό ως βόμβα. Αντίθετα, αυτό που χρειάζεται να κάνετε είναι να παράγετε ενέργεια με αρκετά αργό ρυθμό ώστε να μπορείτε να τη χρησιμοποιήσετε για να παράγετε χρήσιμες ποσότητες ενέργειας: ενέργεια με την πάροδο του χρόνου.

Η επίτευξη του περίφημου σημείου ισορροπίας απαιτεί τόσο την παραγωγή περισσότερης ενέργειας από τις αντιδράσεις σας από όση βάζετε στο σύστημα για να ξεκινήσετε αυτές τις αντιδράσεις όσο και την εξαγωγή αυτής της ενέργειας και τη χρήση της. Μέχρι στιγμής, και τα δύο προβλήματα παραμένουν άλυτα παράλληλα, αλλά υπάρχουν τρεις κύριες προσεγγίσεις που ακολουθούν οι ερευνητές καθώς προσπαθούν να φέρουν επανάσταση στη σχέση της ανθρωπότητας με την ενέργεια.

Το πλάσμα στο κέντρο αυτού του αντιδραστήρα σύντηξης είναι τόσο ζεστό που δεν εκπέμπει φως. Μόνο το ψυχρότερο πλάσμα που βρίσκεται στα τοιχώματα είναι ορατό. Νύξεις μαγνητικής αλληλεπίδρασης μεταξύ του θερμού και του ψυχρού πλάσματος είναι ορατές. Τα μαγνητικά περιορισμένα πλάσματα έχουν πλησιάσει περισσότερο, από όλες τις προσεγγίσεις, στο να φτάσουν στο σημείο ισορροπίας. The plasma in the center of this fusion reactor is so hot it doesn’t emit light; it’s only the cooler plasma located at the walls that can be seen. Hints of magnetic interplay between the hot and cold plasmas can be seen. Magnetically confined plasmas have come the closest, of all approaches, to reaching the breakeven point. (Credit: National Fusion Research Institute, Korea)

Προσέγγιση #1: Σύντηξη με μαγνητικό περιορισμό. Το καύσιμο πυρηνικής σύντηξης, θυμηθείτε, δεν είναι απλώς άτομα, αλλά οι ατομικοί πυρήνες στους πυρήνες των ατόμων. Μια προσέγγιση στην πυρηνική σύντηξη είναι ο πλήρης ιονισμός των ατόμων, απογυμνώνοντας τα ηλεκτρόνιά τους, μέχρι να απομείνουν μόνο οι ατομικοί πυρήνες. Δημιουργώντας αυτό το υπερθερμασμένο πλάσμα ατομικών πυρήνων που μπορούν να συντηχθούν, η ιδέα είναι στη συνέχεια να έρθουν αυτοί οι πυρήνες κοντά, ξεπερνώντας την ηλεκτρικά απωστική δύναμη μεταξύ τους, για να ξεκινήσουν αντιδράσεις σύντηξης.

Η πιο επιτυχημένη προσέγγιση εδώ ήταν ο περιορισμός αυτού του υπερθερμασμένου πλάσματος χρησιμοποιώντας ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες, φέρνοντας τους ατομικούς πυρήνες κοντά μέσα σε μια κοιλότητα γνωστή ως Tokamak. Τα Tokamak έχουν ερευνηθεί εδώ και δεκαετίες και παράγουν αντιδράσεις σύντηξης μέσα σε αυτά όλο αυτό το διάστημα.

Οι βασικές δυσκολίες με αυτήν την προσέγγιση έγκεινται στη διατήρηση του πλάσματος περιορισμένου (διαφορετικά συγκρούεται με τα τοιχώματα της συσκευής) και στην εξαγωγή της ενέργειας που παράγεται από τις αντιδράσεις για τη δημιουργία αξιοποιήσιμης ενέργειας. Αν και αυτή η προσέγγιση θεωρείται εδώ και καιρό ως η πιο πολλά υποσχόμενη οδός προς την πυρηνική σύντηξη, έχει λάβει μια πενιχρή χρηματοδότηση σε σχέση με τα παροιμιώδη επίπεδα «προσγείωσης» που θα χρειαστούν για να υπάρξει μια νόμιμη πιθανότητα μακροπρόθεσμης επιτυχίας.

Στην Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης, πανκατευθυντικά λέιζερ υψηλής ισχύος συμπιέζουν και θερμαίνουν ένα σφαιρίδιο υλικού σε επαρκείς συνθήκες για την έναρξη της πυρηνικής σύντηξης. Μια βόμβα υδρογόνου, όπου μια αντίδραση πυρηνικής σχάσης συμπιέζει το σφαιρίδιο καυσίμου, είναι μια ακόμη πιο ακραία εκδοχή αυτού, παράγοντας μεγαλύτερες θερμοκρασίες ακόμη και από το κέντρο του Ήλιου. At the National Ignition Facility, omnidirectional high-powered lasers compress and heat a pellet of material to sufficient conditions to initiate nuclear fusion. A hydrogen bomb, where a nuclear fission reaction compresses the fuel pellet instead, is an even more extreme version of this, producing greater temperatures than even the center of the Sun. (Credit: Damien Jemison/LLNL)

Προσέγγιση #2: Σύντηξη αδρανειακού περιορισμού. Αντί να ασχολείστε με τα μαγνητικά πεδία, γιατί να μην δοκιμάσετε απλώς την προσέγγιση της ωμής δύναμης; Αυτό επιχειρεί να κάνει η σύντηξη αδρανειακού περιορισμού. Λαμβάνοντας ένα σφαιρίδιο υλικού που μπορεί να συντηχθεί, μια σειρά από λέιζερ υψηλής ισχύος από όλες τις πλευρές εκτοξεύονται στο σφαιρίδιο-στόχο, αυξάνοντας γρήγορα τη θερμοκρασία και την πυκνότητά του μέχρι να ενεργοποιηθεί μια πυρηνική αντίδραση σύντηξης. Αν και απαιτεί την αποθήκευση μιας τεράστιας ποσότητας ενέργειας για τη «βολή λέιζερ» που συμπιέζει το σφαιρίδιο, είναι πιθανό η αντίδραση σύντηξης που παράγεται να απελευθερώσει ακόμη περισσότερη ενέργεια, επιτρέποντάς μας κάποια μέρα να ξεπεράσουμε το σημείο ισορροπίας.

Αυτή η προσέγγιση, όπως και αυτή της μαγνητικής σύντηξης περιορισμού, υπάρχει επίσης εδώ και δεκαετίες, παράγοντας αντιδράσεις σύντηξης συνεχώς. Παρά τις πρόσφατες εξελίξεις που μας φέρνουν πιο κοντά στον τελικό στόχο του νεκρού σημείου, τα ίδια δύο προβλήματα παραμένουν. Παρόλο που παράγουμε ολοένα και μεγαλύτερες ποσότητες ενέργειας μέσω αυτής της μεθόδου, απαιτεί πρώτα να αποθηκεύσουμε μια τεράστια ποσότητα ενέργειας σε μια σειρά από συστοιχίες πυκνωτών και στη συνέχεια να απελευθερώσουμε αυτήν την ενέργεια μονομιάς. Δεν έχουμε μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση. μόνο μια μόνο έκρηξη, και στη συνέχεια δυσκολευόμαστε να συλλέξουμε και να αξιοποιήσουμε αυτήν την παραγόμενη ενέργεια.

Παρόλο που πλησιάζουμε στον τελικό στόχο, για άλλη μια φορά βρισκόμαστε πολλές τάξεις μεγέθους μακριά από το σημείο επίτευξης του κέρδους, και επειδή η χρηματοδότηση είναι σχετικά περιορισμένη σε σχέση με τις εκατοντάδες δισεκατομμύρια δολάρια που θα έπρεπε να επενδύσουμε σε αυτήν την τεχνολογία, η πρόοδος παραμένει αργή.

Η μαγνητισμένη σύντηξη στόχων, όπως την οραματίστηκε η εταιρεία General Fusion, είναι μια προσπάθεια για μια νέα και μικρότερης κλίμακας προσέγγιση στην πυρηνική σύντηξη από ό,τι είτε η μαγνητική συγκράτηση είτε η αδρανειακή συγκράτηση σύντηξης, αλλά μετά από 11 χρόνια υποσχέσεων, παραμένει πολύ πιο μακριά από το σημείο ισορροπίας από οποιαδήποτε από τις δύο. Magnetized Target Fusion, as envisioned by the company General Fusion, is an attempt at a novel and smaller scale approach to nuclear fusion than either magnetic confinement or inertial confinement fusion, but after 11 years of promises, it remains much farther from the breakeven point than either one. (Credit: General Fusion)

Προσέγγιση #3: Προσεγγίσεις τρίτου δρόμου. Εδώ εμπλέκονται πολλές ιδιωτικές πρωτοβουλίες - μερικές νόμιμες, μερικές ύποπτες και άλλες που είναι αναμφισβήτητα τσαρλατάνοι. Υπάρχουν δύο κύριες εναλλακτικές προσεγγίσεις στις κυρίαρχες μεθόδους και οι δύο μπορούν στην πραγματικότητα να δημιουργήσουν αντιδράσεις σύντηξης. Όπως αποδεικνύεται, δεν είναι τόσο δύσκολο να ξεκινήσει η σύντηξη, αλλά είναι αξιοσημείωτα δύσκολο να φτάσουμε τόσο κοντά στο σημείο ισορροπίας όσο η αδρανειακή συγκράτηση ή η μαγνητική συγκράτηση σύντηξης. Μπορείτε είτε:

• Επιχειρήστε μαγνητισμένη σύντηξη στόχου, όπου δημιουργείται ένα υπερθερμασμένο πλάσμα και περιορίζεται μαγνητικά, αλλά στη συνέχεια τα γύρω έμβολα συμπιέζουν το καύσιμο στο εσωτερικό την κρίσιμη στιγμή. Αυτό δημιουργεί μια μικρή έκρηξη σύντηξης, όπως ένας συνδυασμός των δύο προηγούμενων προσεγγίσεων, και είναι η πιο συνηθισμένη από τις εναλλακτικές λύσεις τρίτου τρόπου.
• Ή μπορείτε να επιχειρήσετε υποκριτική σύντηξη, όπου επιχειρείτε να ενεργοποιήσετε μια αντίδραση σύντηξης με μια υποκριτική (δηλαδή, μηδενική πιθανότητα τήξης) αντίδραση σχάσης. Αυτή η προσέγγιση έχει πολλούς νέους παίκτες στον χώρο, αλλά αυτή τη στιγμή είναι η πιο απομακρυσμένη από όλες αυτές τις μεθόδους από το σημείο ισορροπίας.

Όπως συμβαίνει με τις περισσότερες προσπάθειες στα περιθώρια της κυρίαρχης επιστήμης, υπάρχουν έγκυροι ερευνητές που εργάζονται πάνω στις τεχνολογίες πίσω από αυτά τα όνειρα, αλλά υπάρχουν επίσης πολλές ευσεβείς πόθοι και πολλές υποσχέσεις που είναι πολύ απίθανο να πραγματοποιηθούν. Μερικοί από τους παίκτες στο παιχνίδι ακολουθούν προσεγγίσεις παρόμοιες με τη Solyndra. Κάνουν κάποια βασική έρευνα ενώ βασίζονται σε μια απίθανη οδό προς την επιτυχία. Άλλοι μοιάζουν περισσότερο με το Theranos, όπου οι τεχνολογίες στις οποίες βασίζονται δεν υπάρχουν. Με απλά λόγια, ο χώρος της πυρηνικής σύντηξης είναι πραγματικά μια ζούγκλα εκεί έξω.

Η πιο απλή και χαμηλότερης ενέργειας εκδοχή της αλυσίδας πρωτονίου-πρωτονίου, η οποία παράγει ήλιο-4 από το αρχικό καύσιμο υδρογόνου. Σημειώστε ότι μόνο η σύντηξη δευτερίου και ενός πρωτονίου παράγει ήλιο από υδρογόνο. Όλες οι άλλες αντιδράσεις είτε παράγουν υδρογόνο είτε παράγουν ήλιο από άλλα ισότοπα ηλίου. Αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν στον Ήλιο και θα μπορούσαν να αναδημιουργηθούν στο εργαστήριο με επαρκείς θερμοκρασίες και πυκνότητες. The most straightforward and lowest-energy version of the proton-proton chain, which produces helium-4 from initial hydrogen fuel. Note that only the fusion of deuterium and a proton produces helium from hydrogen; all other reactions either produce hydrogen or make helium from other isotopes of helium. These reactions occur in the Sun, and could be recreated in the lab with sufficient temperatures and densities. (Credit: Sarang/Wikimedia Commons)

Μέχρι στιγμής, δυστυχώς, κανείς δεν είναι ιδιαίτερα κοντά στο σημείο ισορροπίας, και αυτό είναι το ένα ερώτημα που πρέπει πάντα να θέτετε όταν πρόκειται για τη βιωσιμότητα της τεχνολογίας πυρηνικής σύντηξης να αντικαταστήσει άλλες πηγές ενέργειας στις οποίες μπορεί να βασίζεται ο άνθρωπος.

• «Μπορείτε να παράγετε περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται για να ξεκινήσει η αντίδραση;»
• «Πόση από την παραγόμενη ενέργεια μπορείτε να αξιοποιήσετε για να παράγετε αξιοποιήσιμη ενέργεια;»
• «Και πόσο κοντά βρίσκεστε, ποσοτικά, στο να φτάσετε στο σημείο ισορροπίας;»

Αυτά είναι τα ερωτήματα που πρέπει να θέτουμε κάθε φορά που μια εγκατάσταση ή εταιρεία ισχυρίζεται ότι η πυρηνική ενέργεια σύντηξης θα είναι διαθέσιμη και έτοιμη για χρήση σε λίγα μόνο χρόνια. Όπως το έθεσε αξέχαστα ο συνταξιούχος φυσικός πλάσματος Daniel Jassby στο δοκίμιό του του 2019, Voodoo Fusion Energy:

«Οι μόνιμοι οργανισμοί έρευνας και ανάπτυξης στον τομέα της σύντηξης, κυρίως εργαστήρια που υποστηρίζονται από την κυβέρνηση, είναι οι σιωπηλοί θεατές της παρέλασης των γυμνών αυτοκρατόρων, αμφισβητώντας μόνο περιστασιακά τους αβάσιμους ισχυρισμούς και προβλέψεις τους. Ένα χαρακτηριστικό που τα σχέδια σύντηξης βουντού μοιράζονται με τους αντιπάλους τους που παράγουν νετρόνια είναι ότι, ενώ δεν θα βάλουν ποτέ ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο, όλα τους καταναλώνουν άφθονη ενέργεια από το δίκτυο. Η αδηφάγα κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι ένα αναπόφευκτο χαρακτηριστικό όλων των επίγειων σχεδίων σύντηξης.»

Μία από τις τρίτες προσεγγίσεις στην πυρηνική σύντηξη, η Z-pinch, λαμβάνει ένα πλάσμα υδρογόνου και το «τσιμπάει» στο κέντρο για να δημιουργήσει αντιδράσεις σύντηξης. Αν και αυτή η αντίδραση παράγει νετρόνια, είναι πολύ πιο μακριά από το σημείο ισορροπίας από οποιονδήποτε αντιδραστήρα τύπου Tokamak. One of the third-way approaches to nuclear fusion, the Z-pinch, takes a hydrogen plasma and “pinches” it in the center to generate fusion reactions. Although this reaction does produce neutrons, it’s much farther from the breakeven point than any Tokamak-type reactor. (Credit: Sandpiper at English Wikipedia)

Όλα αυτά υπογραμμίζουν το πραγματικό πρόβλημα που έχουμε δημιουργήσει για τους εαυτούς μας, ως κοινωνία, όσον αφορά τον ενεργειακό τομέα. Η τρέχουσα κύρια μέθοδος που διαθέτουμε για την παραγωγή ενέργειας σε όλο τον κόσμο παραμένει η τεχνολογία του 18ου αιώνα, η καύση ορυκτών καυσίμων, η οποία είναι εύκολα η μεγαλύτερη αιτία της αύξησης των επιπέδων CO2 στην ατμόσφαιρά μας, της οξίνισης των ωκεανών και του ταχέως και καταστροφικά μεταβαλλόμενου κλίματος. Η καλύτερη τεχνολογία που διαθέτουμε σήμερα για την αντικατάσταση αυτής της αρχαίας και γεμάτης συνέπειες τεχνολογίας, της πυρηνικής σχάσης, έχει δυσφημιστεί παγκοσμίως από πολλούς λόγω του φόβου για πυρηνικά απόβλητα, ρύπανση, πόλεμο και άλλα. Παρά την επιστημονική τεκμηρίωση υπέρ της πυρηνικής σχάσης, εξακολουθεί να παράγει μόνο ένα μικρό κλάσμα της παγκόσμιας ενέργειάς μας.

Και παρά την επιτακτική ανάγκη για βασική έρευνα στον ενεργειακό τομέα και την εξαιρετικά υποχρηματοδοτούμενη υπόσχεση της πυρηνικής σύντηξης, δεν έχει υπάρξει ούτε ένας χρόνος στην ιστορία των Ηνωμένων Πολιτειών όπου να έχουμε επενδύσει έστω και 1 δισεκατομμύριο δολάρια , έστω και προσαρμοσμένα στον πληθωρισμό, για τον στόχο της πυρηνικής σύντηξης. Εκτός αν κάνουμε μια βιώσιμη επένδυση μεγάλης κλίμακας στην πραγματική, νόμιμη τεχνολογία που έχουμε ακριβώς στα χέρια μας, θα καταδικαστούμε να μας εξαπατήσουν δύο είδη τσαρλατάνων:

1. οι καλοπροαίρετοι που καταλήγουν να ξεγελούν τους εαυτούς τους ότι μπορούν να πετύχουν εκεί που οι νόμοι της φυσικής στέκονται εμπόδιο στο δρόμο τους,
2. και τα φίδια στο γρασίδι που ξέρουν ότι σου λένε ψέματα για την υπόσχεση της τεχνολογίας τους, αλλά είναι ευτυχείς να πάρουν τα χρήματά σου ούτως ή άλλως.

Εδώ, μια δέσμη πρωτονίων εκτοξεύεται σε έναν στόχο δευτερίου στο πείραμα LUNA. Ο ρυθμός πυρηνικής σύντηξης σε διάφορες θερμοκρασίες βοήθησε στην αποκάλυψη της διατομής δευτερίου-πρωτονίου, η οποία ήταν ο πιο αβέβαιος όρος στις εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό και την κατανόηση των καθαρών αφθονιών που θα προέκυπταν στο τέλος της Πυρηνοσύνθεσης της Μεγάλης Έκρηξης. Η σύλληψη πρωτονίων είναι μια σημαντική πυρηνική διαδικασία, αλλά παίζει δεύτερο ρόλο μετά τη σύλληψη νετρονίων στη δημιουργία των βαρύτερων στοιχείων. Here, a proton beam is shot at a deuterium target in the LUNA experiment. The rate of nuclear fusion at various temperatures helped reveal the deuterium-proton cross-section, which was the most uncertain term in the equations used to compute and understand the net abundances that would arise at the end of Big Bang Nucleosynthesis. Proton capture is an important nuclear process, but plays second fiddle to neutron capture in the creation of the heaviest elements. (Credit: LUNA Experiment/Gran Sasso)

Όσον αφορά το Σύμπαν, δεν υπάρχει αντίδραση που να δίνει ζωή ή να συντηρεί περισσότερο από την πυρηνική σύντηξη. Βρίσκεται κυριολεκτικά στην καρδιά όχι μόνο κάθε αστέρα, αλλά και των αμέτρητων καφέ νάνων - δηλαδή, των αποτυχημένων αστεριών - που υφίστανται σύντηξη δευτερίου κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Όταν τα ελαφρά στοιχεία συνδέονται μεταξύ τους, το νέο στοιχείο που παράγουν έχει ελαφρύτερη μάζα από τα αρχικά αντιδρώντα και αυτή η αντίδραση σύντηξης στη συνέχεια εκπέμπει ενέργεια ανάλογη με τη διαφορά μάζας: μέσω της εξίσωσης E = mc2 του Αϊνστάιν . Με βάση τις μετρήσεις της διαθεσιμότητας ενέργειας, της διαθεσιμότητας πηγών καυσίμου και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, η πυρηνική σύντηξη είναι μακράν η καλύτερη επιλογή από κάθε διαθέσιμη επιλογή για την παραγωγή ενέργειας.

Δυστυχώς, μια υποεπένδυση σε αυτήν την τεχνολογία για πάνω από 60 χρόνια μας έχει αφήσει κατάφωρα πίσω σε αυτό το σημαντικό επιστημονικό μέτωπο, και τώρα οι γύπες έχουν συγκεντρωθεί: γεμάτοι μεγάλα όνειρα και κενές υποσχέσεις, χωρίς τίποτα να δείξουν εκτός από μικρές ποσότητες σύντηξης που απέχουν πολύ από το να πλησιάσουν ακόμη και το σημείο του νεκρού σημείου. Αν υπάρχει μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που αξίζει μια επένδυση επιπέδου «φεγγαριού», αυτή είναι η πυρηνική σύντηξη. Είναι η πιο πολλά υποσχόμενη οδός για τον μετριασμό της τρέχουσας κλιματικής και ενεργειακής κρίσης. Αλλά δεν είναι η σημερινή τεχνολογία και είναι απίθανο να γίνει η αυριανή, εκτός αν αλλάξουμε δραματικά τον τρόπο με τον οποίο χρηματοδοτούμε και διεξάγουμε βασική έρευνα και ανάπτυξη εδώ στη Γη.

Πηγή: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/nuclear-fusion-explained/

 

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/