Λίγα για τον χωροχρόνο και το μέλλον του

μια καλλιτεχνική ματιά για το Σύμπαν

Ας προσδιορίσουμε τα θέματα της μικρής μας μελέτης, μελετώντας τα ταυτόχρονα.

 

(Έτσι κερδίζουμε όλοι μας και χώρο και χρόνο...)

 

Στην ΦΥΣΙΚΗ,  

χώρος γενικά ονομάζεται το περιβάλλον, που είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με την ιδέα της απόστασης σε τρεις (3) διαστάσεις.

Ο χώρος, όπως τον αντιλαμβανόμαστε, έχει τρεις διαστάσεις, που συμβολίζονται με τρεις διευθύνσεις κάθετες μεταξύ τους. Κάθε στερεό σώμα έχει συγκεκριμένο μήκος, πλάτος και ύψος, και μπορεί να κινηθεί και προς τις έξι (6) συνεπαγόμενες κατευθύνσεις, δηλαδή εμπρός, πίσω, δεξιά, αριστερά, πάνω ή κάτω, προκειμένου να φθάσει σε κάποιο άλλο σημείο του χώρου.

Στην ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ,

χώρος είναι μια θεμελιώδης έννοια, παράλληλη με την έννοια του χρόνου, το πλαίσιο μέσα στο οποίο υπάρχουν όλα τα υλικά σώματα και μέσα στο οποίο καθορίζεται η θέση τους.

Χωροχρόνος.

Όμως γνωρίζουμε πια ότι τα πάντα κινούνται όχι μόνο στον χώρο αλλά και στον χρόνο.

Γι' αυτό ο χρόνος σήμερα θεωρείται η τέταρτη διάσταση του χώρου.

Έτσι οι τέσσερις (4) πλέον διαστάσεις λέγονται χωροχρόνος ή χωροχρονικό συνεχές.

Η έννοια του χωροχρόνου πρωτοεμφανίστηκε το 1908 σε μια μαθηματική πραγματεία του Μινκόφσκι για τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου, όπως αυτή είχε ορισθεί στην ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. (Ο Αϊνστάιν είχε δημοσιεύσει το 1905 ένα άρθρο που σχετιζόταν με τους θεμελιώδεις νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού και ονομαζόταν Περί της ηλεκτροδυναμικής των εν κινήσει σωμάτων).

Γενικά όλα τα φυσικά φαινόμενα διαδραματίζονται και εξελίσσονται στον χώρο και στον χρόνο. Άνθρωποι, ζώα και φυτά καθώς και κάθε λογής αντικείμενα κινούνται στον χώρο αλλάζοντας κάθε φορά θέση. Αλλά και τα υλικά σώματα κινούνται παράλληλα μέσα στον χρόνο, καθώς η μια χρονική στιγμή διαδέχεται την άλλη.

Σημειώνεται όμως ότι σε μεγάλες συγκεντρώσεις ενέργειας, είτε αυτή εκφράζεται ως κινητική (μεγάλη ταχύτητα) είτε ως μάζα, ο χρόνος διανύεται, «κυλάει» πιο αργά (Einstein).

Μέγιστη έννοια του αντιλαμβανόμενου χώρου θεωρείται το Σύμπαν.

Eλάχιστη έννοια του χώρου θεωρείται οποιοδήποτε σημείο του χώρου, το οποίο είναι τόσο μικρό, ώστε προσεγγιστικά στερείται διαστάσεων.

Η έννοια του χωροχρόνου

Χώρος Χίλμπερτ ονομάζεται ο χώρος των συναρτήσεων που χρησιμοποιείται στην κβαντική μηχανική. Η έννοια του χώρου εδώ είναι καθαρά μαθηματική. Το πιο απλό παράδειγμα χώρου είναι ο τρισδιάστατος ευκλείδειος χώρος , ο οποίος χρησιμοποιείται κυρίως και ευρέως σε πολλά προβλήματα της φυσικής. Σε αντίθεση με τον ευκλείδειο χώρο , o χώρος Χίλμπερτ είναι απείρων διαστάσεων.

Μαθηματικά, ο χώρος Χίλμπερτ ορίζεται ως ένας διανυσματικός χώρος, ο οποίος είναι εφοδιασμένος με εσωτερικό γινόμενο και είναι πλήρης ως προς τη στάθμη (norm) που ορίζεται από το εσωτερικό γινόμενο.

H ουσιώδης διαφορά του χώρου Χίλμπερτ από τους απλούς διανυσματικούς χώρους έγκειται στο ότι αυτός κατοικείται από συναρτήσεις αντί για διανύσματα. Δηλαδή η βάση του χώρου και τα στοιχεία του αποτελούνται από συναρτήσεις. 

Ο χώρος Χίλμπερτ μπορεί να είναι πραγματικός ή μιγαδικός.

(Απλοποίηση)

Χώρος

Με την έννοια χώρος νοείται αυτό, στο οποίο εκτυλίσσεται η πραγματικότητα ή ένα φαινόμενο. 

Πιο συγκεκριμένα:

Φυσική

• Χώρος: Αυτό στο οποίο εκτυλίσσεται η πραγματικότητα ή ένα φαινόμενο.
• Χωροχρόνος: Η θεώρηση του χώρου ως μία αδιάσπαστη ενότητα με το χρόνο.
• Ψευτοευκλείδειος χώρος Μινκόφσκι: Ο τρόπος με τον οποίο αντιλαμβάνεται ένας παρατηρητής το χωροχρόνο.

Μαθηματικά

• Ευκλείδειος χώρος: Χώρος στον οποίο ισχύει η ευκλείδεια γεωμετρία.
• Μη ευκλείδειος χώρος: Χώρος στον οποίο ισχύει μια μη ευκλείδεια γεωμετρία.
• Διανυσματικός χώρος: Σύνολο εφοδιασμένο με διανύσματα, την πρόσθεση και το βαθμωτό πολλαπλασιασμό σε ένα μαθηματικό σώμα.
  
  • Χώρος Χίλμπερτ: Ο διανυσματικός χώρος των συναρτήσεων που χρησιμοποιείται στην κβαντική μηχανική.
• Μετρικός χώρος: Σύνολο στο οποίο έχει ορισθεί η έννοια της απόστασης.
• Όγκος: Ο χώρος που καταλαμβάνει ένα σώμα.
• Χώρος πιθανότητας: Το σύνολο όλων των πιθανών εκβάσεων ενός συμβάντος.
• Τοπολογικός Χώρος: Η τοπολογία ενός συνόλου.
• Δειγματικός Χώρος: Το σύνολο όλων των δυνατών αποτελεσμάτων ενός πειράματος. Χρησιμοποιείται στη στατιστική. 

 Time - Pink Floyd 

                              Ticking away the moments that make up a dull day 

                              You fritter and waste the hours in an offhand way.

                              Kicking around on a piece of ground in your home town

                              Waiting for someone or something to show you the way.

                              Tired of lying in the sunshine staying home to watch the rain.

                              You are young and life is long and there is time to kill today.

                              And then one day you find ten years have got behind you.

                              No one told you when to run, you missed the starting gun.

                              So you run and you run to catch up with the sun but it's sinking

                              Racing around to come up behind you again.

                              The sun is the same in a relative way but you're older,

                              Shorter of breath and one day closer to death.

                              Every year is getting shorter never seem to find the time.

                              Plans that either come to naught or half a page of scribbled lines

                              Hanging on in quiet desperation is the English way

                              The time is gone, the song is over,

                              Thought I'd something more to say.

                              Home, home again

                              I like to be here when I can

                              And when I come home cold and tired

                              Its good to warm my bones beside the fire

                              Far away across the field

                              The tolling of the iron bell

                              Calls the faithful to their knees

                              To hear the softly spoken magic spells. 

Ιδιότητες του χωροχρόνου

Ο χωροχρόνος είναι ανεξάρτητος του παρατηρητή. Παρ’ όλα αυτά, για την περιγραφή των φυσικών φαινομένων ο κάθε παρατηρητής επιλέγει ένα κατάλληλο σύστημα συντεταγμένων. Τα γεγονότα καθορίζονται από τέσσερις πραγματικούς αριθμούς σε κάθε σύστημα συντεταγμένων.

Είναι πολύ δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι ο χρόνος δεν είναι ο ίδιος ανάλογα με το σύστημα αναφοράς, στο οποίο γίνεται η μέτρηση του. Αυτό ωστόσο έχει σε μεγάλο βαθμό αποδειχθεί πειραματικά, ειδικότερα στους επιταχυντές σωματιδίων του CERN.

Ο χρόνος εξαρτάται από το σύστημα αναφοράς, στο οποίο γίνεται η μέτρηση του. Επομένως δεν είναι απόλυτος. 

Το ίδιο ισχύει για τον χώρο. Το μήκος ενός αντικειμένου μπορεί να είναι διαφορετικό ανάλογα με το σύστημα αναφοράς της μέτρησης.

Μόνο ο χωροχρόνος ως ενοποιημένη έννοια, που είναι μαθηματικά χώρος του Μινκόφσκι, είναι απόλυτος, ενώ οι συνιστώσες του, ο χώρος και ο χρόνος, αποτελούν πλευρές του που εξαρτώνται από τον παρατηρητή (το σύστημα αναφοράς).

Η σχέση μεταξύ της μέτρησης χώρου και χρόνου που δίνεται από την παγκόσμια σταθερά c (την ταχύτητα του φωτός στο κενό, όχι στο γήινο ή στο συμπαντικό περιβάλλον), επιτρέπει την περιγραφή μιας απόστασης d με μέτρο το χρόνο: d = ct, t όντας ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να διασχίσει την απόσταση d. 

Ο Ήλιος απέχει 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα, δηλαδή 8 λεπτά φωτός από τη Γη. Με τον όρο λεπτά φωτός, γίνεται λόγος για μια μέτρηση του χρόνου που, πολλαπλασιάζεται με το c, κι έτσι εξάγεται μια μέτρηση απόστασης, στην περίπτωση αυτή, σε χιλιόμετρα. 

Με άλλα λόγια, χάρη στο c μονάδες χρόνου μετατρέπονται σε μονάδες απόστασης. Χιλιόμετρα και λεπτά φωτός είναι επομένως δυο μονάδες μέτρησης της απόστασης.

Αυτό που ενοποιεί χώρο και χρόνο στην ίδια εξίσωση είναι ότι η μέτρηση του χρόνου μπορεί να μετασχηματισθεί σε μέτρηση απόστασης (πολλαπλασιάζοντας το t, που εκφράζεται σε μονάδες χρόνου, με το c), και το t μπορεί έτσι να ταυτισθεί με τις τρεις άλλες συντεταγμένες απόστασης σε μια εξίσωση, όπου όλες οι μετρήσεις γίνονται με μονάδες απόστασης. 

Από αυτήν την άποψη θα μπορούσε κανείς να πει ότι ο χρόνος είναι χώρος!

Η έννοια του χωροχρόνου

Η καμπύλωση του χωροχρόνου

Καμπύλωση του χωροχρόνου

 

Α) Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η βαρύτητα (που προκαλείται από τη βαρυτική μάζα) ισοδυναμεί με επιτάχυνση. Ένα σώμα που έχει μάζα, σύμφωνα με την κλασική μηχανική δέχεται τη δύναμη της βαρύτητας από ένα άλλο σώμα με μάζα. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας τα σώματα αυτά δεν ανταλλάσσουν καμμία δύναμη, αλλά επιταχύνονται το ένα ως προς το άλλο. 

Αυτή η οπτική του φαινομένου γίνεται εμφανής, όταν δεχθούμε ως μοντέλο εξήγησης την καμπύλωση του χωροχρόνου, ο οποίος κάμπτεται, «βαθουλώνει», παρουσία μάζας και παρασύρει στο βαθούλωμά του τις άλλες μάζες. Αυτό σημαίνει ότι η βαρύτητα μπορεί να επηρεάσει ακόμα και το φως, το οποίο εκτρέπεται από το βαθούλωμα αυτό ή ακόμα και παγιδεύεται σε αυτό στην περίπτωση των μαύρων τρυπών.

Συμπερασματικά, ο χωροχρόνος έχει την ιδιότητα να καμπυλώνεται παρουσία ύλης, όπως καμπυλώνεται ένα τεντωμένο σεντόνι, όταν τοποθετήσουμε πάνω του μια μπάλα. Αν εκτοξεύσουμε τώρα μια μικρή μπίλια πάνω στην επιφάνεια του σεντονιού, τότε, η τροχιά που θα διαγράψει η μπίλια, προφανώς δεν θα είναι ευθύγραμμη αλλά καμπύλη. Η καμπύλωση της τροχιάς δεν οφείλεται στη βαρυτική έλξη που ασκεί η μπάλα στην μικρή μπίλια, αλλά στην παραμόρφωση που προκάλεσε η μπάλα στην επιφάνεια του σεντονιού. 

Με τον ίδιο τρόπο μια μεγάλη μάζα (π.χ. ένα άστρο) καμπυλώνει τον χωροχρόνο γύρω της εκεί έξω στο Σύμπαν. Έτσι όλα τα ουράνια σώματα δεν αναγκάζονται να κινούνται σε καμπύλες τροχιές λόγω της δύναμης που λέγεται βαρύτητα, αλλά ακολουθούν τις καμπύλες γραμμές του παραμορφωμένου χωροχρόνου... 

Όπως πολύ ωραία το έθεσε ένας μεγάλος φυσικός: «Η ύλη λέει στον χώρο πώς να καμπυλωθεί και ο χώρος λέει στην ύλη πώς να κινηθεί».

Τελευταία μάλιστα, οι ερευνητές «στόχευσαν» το κέντρο του Γαλαξία μας με το τηλεσκόπιο Keck στην Χαβάη, και εντόπισαν εκεί ένα άστρο που κινείται πιο γρήγορα από κάθε άλλο γύρω από την τεράστια μαύρη τρύπα που υπάρχει στην καρδιά του Γαλαξία. 

Η ανακάλυψη αυτή θα δείξει, αν τελικά ο Αϊνστάιν είχε δίκιο ή όχι για την πολυσυζητημένη καμπύλωση του χωροχρόνου.

Β) Το 2005 και το 2006 τα βραβεία Νόμπελ δόθηκαν σε δύο φυσικούς επιστήμονες, οι οποίοι, ακολουθώντας πορεία αντίθετη προς την θεωρία της Σχετικότητας, απέδειξαν ότι το φως αποτελείται από πολύ μικρά σωματίδια ύλης !

Όπως εύκολα καταλαβαίνει κανείς, η πορεία αυτή, αν συνεχισθεί, οδηγεί κατ' ευθείαν στην ανασκευή ή και κατάργηση τόσο της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας, όσο και της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του συμπαθούς Αλβέρτου Αϊνστάιν, και επομένως από την σκοπιά αυτή το μέλλον του χωροχρόνου είναι αβέβαιο.

Περαιτέρω, η αντίθετη παράταξη στην Φυσική από αυτήν του Αϊνστάιν πιστεύει ότι η θεωρία του ανασκευάσθηκε ήδη και επισημαίνει ότι παρά το γεγονός πως αυτός θεωρείται "σοφό κεφάλι" και επιστήμονας ολκής, πρέπει να σημειωθεί και να τονισθεί, το ότι δεν πήρε ποτέ του βραβείο Νόμπελ. Και ο λόγος που δεν το πήρε, είναι διότι η περίφημη θεωρία του δεν ήταν παρά μία διερευνητική συρραφή άλλων ήδη υπαρχουσών και γνωστών θεωριών. 

Το ότι ακόμη και σήμερα τον θεωρούμε σοφό και αδιαμφισβήτητο οφείλεται στην απολιθωματική Εκπαίδευση και διδασκαλία των σχολείων.

Οι υποστηρικτές της παράταξης αυτής πιστεύουν ότι είναι πλέον καιρός να αρχίσουν τα επίσημα βιβλία να μιλούν για τον Αϊνστάιν και την θεωρία του αναφέροντας όλα τα δεδομένα, όπως είναι πραγματικά διαμορφωμένα σήμερα από τα γεγονότα και τις εξελίξεις στον Χώρο των Φυσικών Επιστημών.

Επίλογος

 

Έχει τελικά δίκιο ή άδικο ο Αϊνστάιν;
Η Θεωρία της Γενικής και της Ειδικής Σχετικότητας είναι μια περιπέτεια, ένας μύθος της Φυσικής ή είναι σωστή και αδιαμφισβήτητη; 
Θα είναι πράγματι ευχής έργο και θα βοηθήσει δραστικά στο τεράστιο ζήτημα του χωροχρόνου και της πορείας του στο μέλλον (ζήτημα γεμάτο με αντίθετες προσεγγίσεις και ερμηνείες), η ανακάλυψη και η συστηματική παρακολούθηση του άστρου, που κινείται με "τρελή" ταχύτητα γύρω από την τεράστια μαύρη τρύπα, που υπάρχει στο κέντρο του Γαλαξία μας.
Έτσι θα γίνει δυνατόν να εξαχθούν επιτέλους ασφαλή συμπεράσματα και να σταματήσει αυτός ο ακήρυκτος πόλεμος ανάμεσα στους επιστήμονες, που έχει πια ξεπεράσει σε διάρκεια τα 100 χρόνια...

 Το άστρο στη μαύρη τρύπα του Γαλαξία μας

Πηγές: Creative Commons, Βικιπαίδεια, βιβλία, εφημερίδες, περιοδικά, ιστοσελίδες του Διαδικτύου.