Το μεγαλύτερο λάθος στην ιστορία της φυσικής

Το μεγαλύτερο λάθος στην ιστορία της φυσικής

του Γιάννη Κουκουφίκη

Θεωρητικά, δεν υπάρχει καμία διαφορά μεταξύ της θεωρίας και της πρακτικής. Στην πράξη όμως, υπάρχει μία.

Σήμερα θα δούμε ποιο είναι, εξ όσων γνωρίζω, το μεγαλύτερο λάθος που έχει γίνει ποτέ στη θεωρητική φυσική, τουλάχιστον σε μια ποσοτική έννοια. Αφορά την ενέργεια του κενού, την ενέργεια που ονομάζομαι και σκοτεινή ενέργεια.

Αν ποτέ έχετε κάνει έναν υπολογισμό που προφανώς ήταν ψευδής, δεν πρέπει να ντρέπεστε: Διαβάστε τα παρακάτω, και θα σας φύγει το κόμπλεξ που τυχόν έχετε!

Η ενέργεια του κενού στην κοσμολογία

Τα κοσμολογικά μοντέλα που περιγράφουν το σύμπαν υπακούν στους νόμους της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Αυτοί οι νόμοι και οι εξισώσεις τους είναι που μας οδηγούν στην πρόβλεψη ότι το σύμπαν μας επί του παρόντος διαστέλλεται, και έχει ηλικία περίπου 13,8 δισεκατομμυρίων ετών. Στην αρχή ήταν πολύ πυκνό και πολύ ζεστό. Αυτό σήμερα είναι ένα γεγονός αδιαμφισβήτητο, αλλά αρχικά, ο Αϊνστάιν δεν πίστευε στη δυνατότητα της διαστολής του σύμπαντος. Αυτός είναι ο λόγος που «μαγείρεψε» τις εξισώσεις του για να κάνει τεχνητά το σύμπαν στατικό, προσθέτοντας ένα επί πλέον στοιχείο, την μυστηριώδη ενέργεια του κενού.

Μετά την ανακάλυψη της διαστολής του σύμπαντος από τον Hubble το 1929, ο Albert Einstein αναγνώρισε το λάθος του και αφαίρεσε την ενέργεια του κενού από τις εξισώσεις του. Έχει μάλιστα πει ότι ήταν «το μεγαλύτερο λάθος της καριέρας του.» Από τότε η ενέργεια του κενού παρέμεινε στα συρτάρια για πάνω από 60 χρόνια.

Αλλά στις αρχές της δεκαετίας του ’90, καινούργιες παρατηρήσεις έφεραν τα πάνω κάτω: πολλοί αστροφυσικοί απέδειξαν την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος, και αυτό τους χάρισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2011. Αλλά για να εξηγήσουν αυτή την απρόσμενη επιτάχυνση, οι κοσμολόγοι τελικά αναγκάστηκαν να εισαγάγουν εκ νέου το κενό ενέργειας του Αϊνστάιν που είχε εγκαταλειφθεί.

Οι επιστήμονες την υπολόγισαν με ακρίβεια: κατέχει σχεδόν το 73% της ύλης του σύμπαντος. Το υπόλοιπο 23% είναι η αποκαλούμενη σκοτεινή ύλη και μόνο αυτό που μένει δηλ. το 4% είναι η γνωστή μας ύλη από την οποία αποτελούμαστε όλοι εμείς, οι πλανήτες τα αστέρια και οι γαλαξίες. Αυτήν την ενέργεια του κενού ή σκοτεινή ενέργεια μπόρεσαν οι επιστήμονες να μετρήσουν ποσοτικά την πυκνότητά της: 0,0000000000001 Τζάουλ ανά cm3. « ένας πολύ μικρός αριθμός που μπορεί να διαβαστεί ως “10 στην μείον 13 δύναμη” και {10 ^ -13}».

Έτσι η ενέργεια του κενού υπάρχει και ξέρουμε την πυκνότητά της: αυτό είναι το πρακτικό μέρος, και μέχρι τώρα όλα πάνε καλά. Όταν όμως προσπαθήσουμε να υπολογίσουμε αυτή την τιμή θεωρητικά τα πράγματα δυσκολεύουν.

Η ενέργεια του κενού στην κβαντική φυσική

Στην κοσμολογία, η ενέργεια του κενού είναι ένα εισαγωγικό δεδομένο, μια αστροφυσική παράμετρος μετρήσιμη. Αλλά η κβαντική φυσική, η οποία διέπει τον κόσμο στο μικροσκοπικό επίπεδο, μας εξηγεί από που προέρχεται η ενέργεια του κενού, και μας επιτρέπει να την υπολογίσουμε. Ας δούμε λοιπόν αν κολλάει.

Για να κατανοήσουμε την προέλευση της ενέργειας του κενού στην κβαντική φυσική, πρέπει να θυμόμαστε την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg: δεν είναι δυνατόν να προσδιοριστεί με ακρίβεια συγχρόνως τόσο η ταχύτητα όσο και η θέση ενός αντικειμένου. Ας δούμε τι θα συμβεί με ένα απλό ελατήριο.

Αυτό είναι ένα κλασικό παράδειγμα της μηχανικής που μαθαίνουμε στο σχολείο: Σκεφτείτε μία μάζα M που επισυνάπτεται στην άκρη ενός ελατηρίου Κ με την άλλη άκρη του σταθερά δεμένη. Στην κλασσική φυσική, το σύστημα μπορεί πολύ καλά να είναι σε πλήρη ηρεμία η μάζα στη θέση x = 0 με ταχύτητα v = 0: η συνολική ενέργεια του συστήματος είναι μηδέν.

Κινητική ενέργεια + δυναμική ενέργεια 1/2Μv2 + 1/2Kx2

Αλλά στην κβαντική φυσική, αυτό δεν είναι δυνατό, δεδομένου ότι χ και v δεν μπορεί να είναι και τα δύο ταυτόχρονα ακριβώς μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι η θέση και η ταχύτητα της μάζας υφίστανται μικρές διακυμάνσεις της κβαντικής μηχανικής, πράγμα που συνεπάγεται ότι η συνολική ενέργεια του συστήματος δεν μπορεί να είναι ακριβώς μηδέν.

Λοιπόν σε ένα κενό συμβαίνει το ίδιο! Εξετάστε το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, που αποτελείται όπως το όνομά του δείχνει από το ηλεκτρικό πεδίο Ε και το μαγνητικό πεδίο Β. Αυτά τα δύο υφίστανται τη σχέση αβεβαιότητας του Heisenberg και δεν μπορεί ταυτόχρονα να είναι αμφότερα μηδέν. Δίδαγμα: ακόμη και στο κενό, τα δύο πεδία έχουν μικρές διακυμάνσεις, και μια αντίστοιχη ενέργεια που δεν μπορεί να είναι μηδέν. Αυτό ονομάζεται ενέργεια του κενού, και μπορούμε να την παρουσιάσουμε, ως εάν σε κάθε σημείο του χώρου υπήρχαν πολλά μικρά ελατήρια που υποβάλλονται σε κβαντικές διακυμάνσεις.

Ποιοτικά αυτό είναι που συμβαίνει. Ποσοτικά τώρα, θα γελάσετε. Αν εφαρμόσουμε τις αρχές της κβαντικής φυσικής για να υπολογίσουμε την πραγματική ενέργεια του κενού, φτάνουμε στο ακόλουθο αποτέλεσμα: 10 ^ 107 J/cm3. Ναι, μπορείτε να διαβάσετε αυτό τον αριθμό , 10 στη δύναμη του 107, ή 1 ακολουθούμενο από 107 μηδενικά: μια τεράστια ενέργεια, αστρονομικά, τρελό!

Αν συγκρίνουμε αυτό που βρήκαμε μέσω της κβαντικής φυσικής με την μετρούμενη τιμή στην αστροφυσική, διαπιστώνουμε ότι οι δύο διαφέρουν κατά ένα παράγοντα “10 Ισχύς 120”! Νομίζω ότι μπορούμε να πούμε με αρκετή σιγουριά ότι αυτό είναι το μεγαλύτερο λάθος που έχει γίνει ποτέ σε μια θεωρητική πρόβλεψη! Και είναι επίσης ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα της θεωρητικής φυσικής σήμερα: γιατί η ενέργεια του κενού που βρίσκομαι είναι τόσο μικρή (στην πράξη), ενώ θα πρέπει να είναι τόσο μεγάλη (θεωρητικά); Αν λυθεί αυτό το δίλημμα τότε θα μας επιτρέψει να μάθουμε περισσότερα σχετικά με την κβαντική δομή του χωροχρόνου, αλλά κανείς μέχρι τώρα δεν το έχει καταφέρει.

 

 

https://www.hereticalideas.gr/2019/11/to-megalytero-lathos-stin-istoria-tiw-fysikis.html