Περί Ατόμων και Συμπάντων (#8):
«Η ΖΩΗ ΣΤΟ ΣΥΜΠΑΝ: Τα τρία μυστήρια που αναζητούν λύση…»
(επιμέλεια: Φοίβος Δημητρίου)
«Η ΖΩΗ ΣΤΟ ΣΥΜΠΑΝ: Τα τρία μυστήρια που αναζητούν λύση…»
(επιμέλεια: Φοίβος Δημητρίου)
Ένα από τα βασικότερα ερωτήματα που απασχόλησαν από την αρχαιότητα το ανθρώπινο μυαλό, είναι το πώς εμείς βρεθήκαμε σήμερα εδώ; Δηλαδή, γενικότερα, πώς έγινε δυνατή η εμφάνιση της ζωής στο σύμπαν; Σ’ αυτό το άρθρο, θα αναλύσουμε ποια είναι τα τρία βασικά μυστήρια, που είναι οι θεμελιώδεις φυσικές προϋποθέσεις για να μπορέσει να δημιουργηθεί η ζωή. Δυστυχώς όμως, δεν είναι εύκολο να απαντήσουμε σ’ αυτά τα τρία μυστήρια, διότι δεν μπορούν να λυθούν με την παλιά, κλασική φυσική. Άρα, τρία μυστήρια αναζητούν λύση… και πρέπει να την ανακαλύψουμε!
«Τα τρία μυστήρια…»
Ας δούμε όμως πρώτα ποια είναι αυτά τα περίφημα «τρία μυστήρια». Η πρώτη θεμελιώδης φυσική προϋπόθεση για να μπορέσει να υπάρξει η δυνατότητα εμφάνισης της ζωής στο σύμπαν, είναι η σταθερότητα των ατόμων και των μορίων. Θα πρέπει δηλαδή, τα άτομα να έχουν σταθερή δομή η οποία θα εγγυάται και τη σταθερότητα της χημικής συμπεριφοράς τους. Ωστόσο, παρόλο που η ύλη γύρω μας, φαίνεται πυκνή και ασυμπίεστη, τα άτομα που την αποτελούν είναι τελείως «κούφια»! Στην πραγματικότητα, το 99,9999999999% του ατόμου είναι άδειος χώρος! Επομένως, πώς γίνεται να είναι σταθερό και ασυμπίεστο το «κενό»; Πάντως, αν η κλασική φυσική ίσχυε στο μικρόκοσμο, τότε κακώς βρισκόμαστε εδώ. Διότι, λόγω της περιφοράς των ηλεκτρονίων γύρω από τους πυρήνες τους, αυτά θα εξέπεμπαν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, με αποτέλεσμα να χάνουν διαρκώς ενέργεια και τελικά να πέφτουν στον πυρήνα σε απειροελάχιστο χρόνο. Δηλαδή τα άτομα, σύμφωνα με την παλιά φυσική, δεν μπορούν να έχουν σταθερή δομή. Άρα, το υπ’ αριθμόν 1 μυστήριο που πρέπει να λυθεί, είναι η σταθερότητα των ατόμων και των μορίων, ώστε να μην είναι το φαινόμενο της ζωής, εκ των προτέρων, αδύνατο.
Η εικόνα του «κούφιου» ατόμου: Αν ο πυρήνας του ατόμου ήταν ένα κεφάλι καρφίτσας στη σέντρα του Ολυμπιακού σταδίου, τότε τα ηλεκτρόνια θα περιστρέφονταν στις κερκίδες. Άρα το άτομο είναι σαν ένα τεράστιο κούφιο μπαλόνι. Επομένως πώς είναι δυνατόν να μην μπορεί να συμπιεστεί το άτομο, ενώ είναι «κενός χώρος»;
Μία άλλη θεμελιώδης προϋπόθεση, για να μπορέσει να δημιουργηθεί και να διατηρηθεί η ζωή στο σύμπαν, είναι ένας κατάλληλος πλανήτης, το οποίο ευτυχώς δεν είναι πρόβλημα, διότι κατάλληλοι πλανήτες είναι στατιστικά βέβαιο ότι υπάρχουν. Κυρίως όμως, θα πρέπει να υπάρξει ένας κατάλληλος ήλιος ικανός να ακτινοβολεί ενέργεια για τουλάχιστον ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Όσα δηλαδή απαιτούνται για να μπορέσει να σχηματιστεί η εμφάνιση του πρώτου αυτοαναπαραγόμενου κυττάρου, της πρωτόγονης ζωής. Ωστόσο, μέχρι τον 20ο αιώνα, δεν γνωρίζαμε ποιά ήταν η πηγή ενέργειας του Ήλιου. Αν ο Ήλιος χρησιμοποιούσε το καλύτερο χημικό καύσιμο που γνωρίζουμε, δεν θα μπορούσε να ζήσει περισσότερο από 10.000 χρόνια. Τελικά, η διαδικασία παραγωγής ενέργειας του Ήλιου εξηγήθηκε για πρώτη φορά από τον Γερμανοαμερικανό φυσικό Χανς Α. Μπέτε το 1938, και έτσι μάθαμε ότι στο εσωτερικό του ήλιου συμβαίνουν πυρηνικές και όχι χημικές αντιδράσεις. Άρα λοιπόν, συμπεραίνουμε ότι για να μπορεί να παράγει τόση ενέργεια ο ήλιος από τις πυρηνικές αντιδράσεις, σημαίνει ότι ο πυρήνας του ατόμου θα πρέπει να κρύβει μέσα του τερατώδη ποσά ενέργειας. Αλλά πώς είναι δυνατόν να συμβαίνει αυτό, ενώ ο πυρήνας είναι τόσο μικροσκοπικός σε μέγεθος; Αυτό είναι και το 2ο μυστήριο, δηλαδή: Πώς γίνεται ο πυρήνας του ατόμου, ενώ είναι νάνος μεγέθους, να είναι συγχρόνως και γίγαντας ενέργειας;
Η 3η και πρωταρχική φυσική προϋπόθεση για την εμφάνιση ζωής, είναι να μπορέσει να υπάρξει ένα κατάλληλο σύμπαν! Χρειαζόμαστε ένα σύμπαν, στο οποίο θα μπορέσουν να δημιουργηθούν οι κοσμικές δομές που το αποτελούν, που είναι οι γαλαξίες. Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι όλα ξεκίνησαν από μια Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), επομένως το αρχέγονο σύμπαν δεν θα μπορούσε να είναι τίποτα άλλο παρά μια υπέρθερμη ταχέως διαστελλόμενη ομοιογενής μάζα από στοιχειώδη σωματίδια και φως. Άρα, Θα έπρεπε αυτή η ομοιόμορφη κατανομή της ύλης (και της ενέργειας), με κάποιο φυσικό μηχανισμό να «έσπασε», δημιουργώντας πυκνώματα και αραιώματα ύλης και ενέργειας. Τελικά, το 3ο μυστήριο είναι: Πώς μπόρεσε να «σπάσει» αυτή η ομοιομορφία της αρχέγονης «σούπας»;
Η 3η και πρωταρχική φυσική προϋπόθεση για την εμφάνιση ζωής, είναι να μπορέσει να υπάρξει ένα κατάλληλο σύμπαν! Χρειαζόμαστε ένα σύμπαν, στο οποίο θα μπορέσουν να δημιουργηθούν οι κοσμικές δομές που το αποτελούν, που είναι οι γαλαξίες. Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι όλα ξεκίνησαν από μια Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), επομένως το αρχέγονο σύμπαν δεν θα μπορούσε να είναι τίποτα άλλο παρά μια υπέρθερμη ταχέως διαστελλόμενη ομοιογενής μάζα από στοιχειώδη σωματίδια και φως. Άρα, Θα έπρεπε αυτή η ομοιόμορφη κατανομή της ύλης (και της ενέργειας), με κάποιο φυσικό μηχανισμό να «έσπασε», δημιουργώντας πυκνώματα και αραιώματα ύλης και ενέργειας. Τελικά, το 3ο μυστήριο είναι: Πώς μπόρεσε να «σπάσει» αυτή η ομοιομορφία της αρχέγονης «σούπας»;
Η εικόνα του σύμπαντος: Αυτή είναι η «φωτογραφία…του εγκλήματος», στην οποία φαίνονται οι διακυμάνσεις πυκνότητας του αρχέγονου σύμπαντος. Τα πρώτα πυκνώματα (οι κιτρινοπράσινες περιοχές) και αραιώματα (οι μπλε περιοχές) ύλης και ενέργειας, 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη.
«Ο από μηχανής Θεός…»
Τώρα που είδαμε τα τρία μυστήρια, τα οποία είναι κατάλληλα για δυνατούς λύτες, ας δούμε και την λύση τους. Ποιος είναι τελικά «ο από μηχανής Θεός»; Η απάντηση είναι…η αρχή της αβεβαιότητας! Σε προηγούμενο άρθρο, μιλήσαμε για την ανακάλυψη αυτής της αρχής από τον Werner Heisenberg το 1926-27, η οποία πρόκειται ίσως για την μεγαλύτερη επιστημονική ανακάλυψη όλων των εποχών! Χωρίς αυτόν τον παράξενο φυσικό νόμο, καμιά από τις θεμελιώδεις προϋποθέσεις που κάνουν δυνατή την εμφάνιση της ζωής στο σύμπαν, δεν θα μπορούσε να υπάρξει. Ας μιλήσουμε τώρα για το πώς λύνει η αρχή της αβεβαιότητας ξεχωριστά το κάθε μυστήριο:
«Οι λύσεις των τριών μυστηρίων»
Μια βασική συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας, είναι ότι όσο πιο πολύ προσπαθούμε να περιορίσουμε τον χώρο στον οποίο βρίσκεται ένα σωματίδιο, τόσο πιο πολύ αυτό αντιδράει και κινείται πιο γρήγορα. Δηλαδή, όσο πιο πολύ «στριμώχνουμε» ένα σωματίδιο, τόσο πιο πολύ αυτό «αγριεύει»! Ας θυμηθούμε το 1ο μυστήριο: θέλουμε να καταλάβουμε για ποιο λόγο το «κούφιο» άτομο είναι ασυμπίεστο; Αν προσπαθήσουμε να συμπιέσουμε το άτομο, τότε τα ηλεκτρόνια θα πλησίαζαν πολύ κοντά στον πυρήνα. Έτσι όμως, η «φυλακή» τους, θα γινόταν πολύ μικρή, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια να αντιδράσουν, και να αυξηθεί η ταχύτητα τους, που θα τα εκτόξευε μακριά από τον πυρήνα. Ωστόσο, επειδή συγχρόνως υπάρχει η έλξη από τον πυρήνα, τα ηλεκτρόνια βρίσκουν μια ενδιάμεση, σταθερή θέση (το λεγόμενο νέφος πιθανότητας), η οποία δεν θα βρίσκεται έξω από το άτομο, αλλά ούτε πολύ κοντά στον πυρήνα. Γι’ αυτό η ύλη, ενώ αποτελείται από «κούφια» άτομα, είναι ασυμπίεστη. Έτσι επιτυγχάνεται η σταθερότητα των ατόμων και των μορίων, που συνεπάγεται σταθερότητα στην χημική τους συμπεριφορά.
Η λύση του 2ου μυστηρίου, χάρις στη συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας, είναι πλέον αυτονόητη. Η πιο μικροσκοπική φυλακή που υπάρχει στην φύση είναι σίγουρα ο ατομικός πυρήνας. Άρα τι περιμένουμε να κάνουν οι έγκλειστοί του, δηλαδή τα πρωτόνια και νετρόνια; Εφόσον είναι παγιδευμένα σε τόσο μικροσκοπική περιοχή, τα πρωτόνια και νετρόνια θα πρέπει να κινούνται σαν τρελά! Αυτό σημαίνει ότι θα έχουν τεράστιες κινητικές ενέργειες, άρα ο ίδιος ο πυρήνας κρύβει μέσα του πολύ μεγάλα ποσά ενέργειας. Επομένως, ο πυρήνας είναι γίγαντας ενέργειας ακριβώς επειδή είναι νάνος μεγέθους. Γι’ αυτό ο ήλιος μας μπορεί να ζει επί δισεκατομμύρια χρόνια. Δεν υπάρχει ίχνος αμφιβολίας ότι η μακροβιότητα του ήλιου, χωρίς την οποία δεν θα ήμασταν σήμερα εδώ, είναι γνήσιο τέκνο της αρχής της αβεβαιότητας.
Το 3ο μυστήριο, που είναι και το δυσκολότερο, έχει μια δυσνόητη λύση. Μια άλλη βασική συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας, είναι ότι η κατάσταση ελάχιστης δυνατής ενέργειας στο σύμπαν (το «κενό»), όχι μόνο δεν είναι μια κατάσταση ηρεμίας με μηδέν ενέργεια, αλλά είναι επιπλέον και μια κατάσταση ανομοιόμορφης κατανομής αυτής της ενέργειας στον χώρο. Αυτό, συμβαίνει διότι η αρχή της αβεβαιότητας δεν επιτρέπει να είναι στον χώρο ταυτόχρονα η ηλεκτρική και η μαγνητική ενέργεια μηδέν. Επομένως, το ηλεκτρομαγνητικό κενό -δηλαδή η κατάσταση ελάχιστης ενέργειας του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου- είναι μια κατάσταση μη μηδενικής ενέργειας, που προκύπτει ως αποτέλεσμα των κβαντικών διακυμάνσεων ηλεκτρικής και μαγνητικής ενέργειας, σαν το νερό που κοχλάζει. Είναι μια κατάσταση σφύζουσας «κίνησης». Άρα, η αρχή της αβεβαιότητας δεν αφήνει τίποτα να ηρεμήσει! Ούτε τον ίδιο τον «κενό» χώρο! Για να λύσουμε όμως το 3ο μυστήριο, πρέπει να λύσουμε ένα τελευταίο πρόβλημα. Αυτές οι κβαντικές διακυμάνσεις πυκνότητας, θα έπρεπε υποχρεωτικά να ήταν μικροσκοπικών διαστάσεων. Άρα πώς είναι δυνατόν από αυτές τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις (ανομοιομορφίες) να δημιουργήθηκαν ολόκληροι γαλαξίες; Ο μόνος τρόπος, είναι αν συμβεί κάτι θεαματικό, που ακούει στο (κακό) όνομα πληθωρισμός! Δηλαδή, να συνέβη μια εκρηκτική διαστολή του σύμπαντος στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου, που πήρε τις μικροσκοπικές ανομοιομορφίες και τις έδωσε κοσμικές διαστάσεις. Έτσι, χάρις στην βαρύτητα, μπόρεσαν να δημιουργηθούν οι γαλαξίες, και στην συνέχεια τα άστρα, οι πλανήτες, και τέλος…εμείς!
Η λύση του 2ου μυστηρίου, χάρις στη συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας, είναι πλέον αυτονόητη. Η πιο μικροσκοπική φυλακή που υπάρχει στην φύση είναι σίγουρα ο ατομικός πυρήνας. Άρα τι περιμένουμε να κάνουν οι έγκλειστοί του, δηλαδή τα πρωτόνια και νετρόνια; Εφόσον είναι παγιδευμένα σε τόσο μικροσκοπική περιοχή, τα πρωτόνια και νετρόνια θα πρέπει να κινούνται σαν τρελά! Αυτό σημαίνει ότι θα έχουν τεράστιες κινητικές ενέργειες, άρα ο ίδιος ο πυρήνας κρύβει μέσα του πολύ μεγάλα ποσά ενέργειας. Επομένως, ο πυρήνας είναι γίγαντας ενέργειας ακριβώς επειδή είναι νάνος μεγέθους. Γι’ αυτό ο ήλιος μας μπορεί να ζει επί δισεκατομμύρια χρόνια. Δεν υπάρχει ίχνος αμφιβολίας ότι η μακροβιότητα του ήλιου, χωρίς την οποία δεν θα ήμασταν σήμερα εδώ, είναι γνήσιο τέκνο της αρχής της αβεβαιότητας.
Το 3ο μυστήριο, που είναι και το δυσκολότερο, έχει μια δυσνόητη λύση. Μια άλλη βασική συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας, είναι ότι η κατάσταση ελάχιστης δυνατής ενέργειας στο σύμπαν (το «κενό»), όχι μόνο δεν είναι μια κατάσταση ηρεμίας με μηδέν ενέργεια, αλλά είναι επιπλέον και μια κατάσταση ανομοιόμορφης κατανομής αυτής της ενέργειας στον χώρο. Αυτό, συμβαίνει διότι η αρχή της αβεβαιότητας δεν επιτρέπει να είναι στον χώρο ταυτόχρονα η ηλεκτρική και η μαγνητική ενέργεια μηδέν. Επομένως, το ηλεκτρομαγνητικό κενό -δηλαδή η κατάσταση ελάχιστης ενέργειας του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου- είναι μια κατάσταση μη μηδενικής ενέργειας, που προκύπτει ως αποτέλεσμα των κβαντικών διακυμάνσεων ηλεκτρικής και μαγνητικής ενέργειας, σαν το νερό που κοχλάζει. Είναι μια κατάσταση σφύζουσας «κίνησης». Άρα, η αρχή της αβεβαιότητας δεν αφήνει τίποτα να ηρεμήσει! Ούτε τον ίδιο τον «κενό» χώρο! Για να λύσουμε όμως το 3ο μυστήριο, πρέπει να λύσουμε ένα τελευταίο πρόβλημα. Αυτές οι κβαντικές διακυμάνσεις πυκνότητας, θα έπρεπε υποχρεωτικά να ήταν μικροσκοπικών διαστάσεων. Άρα πώς είναι δυνατόν από αυτές τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις (ανομοιομορφίες) να δημιουργήθηκαν ολόκληροι γαλαξίες; Ο μόνος τρόπος, είναι αν συμβεί κάτι θεαματικό, που ακούει στο (κακό) όνομα πληθωρισμός! Δηλαδή, να συνέβη μια εκρηκτική διαστολή του σύμπαντος στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου, που πήρε τις μικροσκοπικές ανομοιομορφίες και τις έδωσε κοσμικές διαστάσεις. Έτσι, χάρις στην βαρύτητα, μπόρεσαν να δημιουργηθούν οι γαλαξίες, και στην συνέχεια τα άστρα, οι πλανήτες, και τέλος…εμείς!
Η εικόνα του γαλαξία της Ανδρομέδας: Ο γειτονικός μας γαλαξίας, ένα «παιδί» της αρχής της αβεβαιότητας.
Διασκευή του βιβλίου «ΤΟ ΦΑΝΤΑΣΜΑ ΤΗΣ ΟΠΕΡΑΣ», του κ. Στέφανου Τραχανά.