Το Ολογραφικό Σύμπαν Ο έλληνας Κ. Σκενδέρης μας ξεναγεί στα παράξενα μονοπάτια του

Ο Κώστας Σκενδέρης είναι ο ένας από τους δύο μόνο Ευρωπαίους που έλαβαν ενίσχυση από το Ιδρυμα Τέμπλετον για να συνεχίσει τις έρευνές του γύρω από το Ολογραφικό Σύμπαν, ένα από τα πιο δύσκολα προβλήματα αιχμής στη Φυσική και στην Κοσμολογία. Σήμερα μας ξεναγεί στα παράξενα μονοπάτια του...Τα καραβάνια με τις πραμάτειες, που ξεκινούσαν εδώ και πολλούς αιώνες από τη Δυτική Μακεδονία για τις άλλες χώρες των Βαλκανίων και της Ευρώπης, έκαναν τη δεύτερη στάση τους σε ένα μέρος που είχε καθιερωθεί να το λένε: Βήτα-στα(ση). Κι έτσι για καιρό ο τόπος ήταν γνωστός πιο πολύ με το όνομα Βιτάστα. Το 1913 που απελευθερώθηκε οι κάτοικοί του το ονόμασαν Κρηνίδα και είναι σήμερα ένα καλοβαλμένο χωριό 600 κατοίκων του Νομού Σερρών, στους πρόποδες του Παγγαίου. «Γεννήθηκα και μεγάλωσα στην Κρηνίδα, το 1970. Ο πατέρας μου ήταν παντοπώλης και η μητέρα μου στο σπίτι. Το 1987 πέρασα στο Φυσικό της Θεσσαλονίκης και το 1991 ξεκίνησα το διδακτορικό μου στη Θεωρητική Σωματιδιακή Φυσική, στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, στο Stony Brook». Αξίζει να σημειώσουμε ότι στο Αριστοτέλειο τα μαθήματα των τεσσάρων ετών τα είχε περάσει σε τρία χρόνια, αλλά έπρεπε να περιμένει άλλον έναν χρόνο γιατί δεν επιτρεπόταν να του δώσουν πιο νωρίς το πτυχίο από το ελληνικό πανεπιστήμιο! Το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στη Λουβέν του Βελγίου, το Ινστιτούτο Σπινόζα στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας, το Αμστερνταμ και το Πρίνστον ήταν μερικοί ακόμη σταθμοί στη σταδιοδρομία του Κώστα Σκενδέρη, προτού φθάσει να είναι σήμερα καθηγητής και αναπληρωτής διευθυντής σε ένα ερευνητικό κέντρο στο Σουθάμπτον. Στο τέλος της προηγούμενης χρονιάς, στο πλαίσιο του διαγωνισμού που προκήρυξε το Ιδρυμα Τέμπλετον (The John Templeton Foundation) με θέμα «Τα νέα σύνορα που χαράσσονται στην Αστρονομία και την Κοσμολογία» δόθηκαν είκοσι βραβεία, το καθένα από 175.000 δολάρια, για τη συνέχιση ερευνητικών προγραμμάτων, όπου μεταξύ άλλων ζητείται η απάντηση και στο ερώτημα «Ποια ήταν η πρώτη κατάσταση από όπου ξεπήδησε το Σύμπαν; (πριν δηλαδή από τη Μεγάλη Εκρηξη)».

Το παιδί από την Κρηνίδα που τώρα ασχολείται με τη Θεωρία για το Ολογραφικό Σύμπαν και τα Μαθηματικά βρίσκεται ανάμεσα στους είκοσι εκλεκτούς που έγινε δεκτό το ερευνητικό τους πρόγραμμα και βραβεύθηκαν. Ηταν μάλιστα ο ένας από τους δύο μόνο Ευρωπαίους στον κατάλογο, όπου βρίσκεις ακόμη τους πιο διάσημους κοσμολόγους σήμερα, όπως τον Αλεξ Βιλένκιν, τον Ντέιβιντ Σπέργκελ, ειδήμονα στο πρόβλημα για τα Πολλαπλά Σύμπαντα, και τον Ράφαελ Μπούσο, του Πανεπιστημίου Μπέρκλεϊ στην Καλιφόρνια, έναν από τους πιο διάσημους Φυσικούς που ασχολούνται με τη θεωρία των χορδών, τη σκοτεινή ενέργεια και τις μελανές οπές.

Τα σκίτσα του χαράκτη Εσερ αποδίδουν εύστοχα το πώς μπορεί κανείς να ακροβατεί ανάμεσα σε συστήματα με διαφορετικό αριθμό διαστάσεων

Τί συνέβη στο Σημείο Μηδέν;

Ο λόγος που το πρόγραμμα του Κώστα Σκενδέρη κρίθηκε ενδιαφέρον πρέπει να έχει σχέση και με τη δυσκολία του. Μπορεί να αισθανόμαστε ότι οι εξελίξεις στο Σύμπαν έχουν κάπως χαρτογραφηθεί. Αλλά αυτό συμβαίνει από μια στιγμή κοντά στα πρώτα χιλιοστά του πρώτου δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Εκρηξη (Big Bang). Δηλαδή από μια εκ πρώτης όψεως αφάνταστα κοντινή στο σημείο «μηδέν» στιγμή, τη στιγμή απ' όπου εννοούμε ότι έχουμε την εμφάνιση, για πρώτη φορά, ύλης και χρόνου όπως τα βιώνουμε και σήμερα. Ομως τι συνέβαινε πριν, με ποια Μαθηματικά και νόμους Φυσικής θα μελετηθεί αυτό; Υπήρχε κάτι που θα χαρακτηρίζαμε ως Προ-γεωμετρία, δηλαδή μια Γεωμετρία του χώρου με άλλους κανόνες; Και τι είναι αυτές οι δυσνόητες θεωρίες για το Ολογραφικό Σύμπαν, ότι δηλαδή «ζούμε στην πραγματικότητα στις δύο Διαστάσεις»; Και όλα αυτά να έχουν αρχίσει να μας απασχολούν εξαιτίας των παραδόξων συμπεριφορών που έφεραν στο φως οι μελέτες γύρω από τη «ζωή» των μελανών οπών;

Ας αρχίσουμε όμως από τη λέξη-πρωταγωνίστρια της όλης θεωρίας. Το «Ολόγραμμα» είναι μια εφεύρεση του 1947. Πατέρας της θεωρείται ο Ντένις Γκαμπόρ και το βασικό της χαρακτηριστικό είναι ότι φωτίζουμε ένα τρισδιάστατο αντικείμενο με διαφορετικές ακτίνες και τις αντανακλάσεις τους τις αφήνουμε να προσβάλουν ένα ειδικό φιλμ. Αν κοιτάξουμε στο φιλμ έπειτα από τη χημική του επεξεργασία δεν θα διακρίνουμε το παραμικρό από το αντικείμενο, μόνο σκόρπιες φωτεινές και σκοτεινές κουκίδες. Ακατανόητες για εμάς, όμως με τον τρόπο τους έχουν αποθηκευμένη την πληροφορία που μας ενδιαφέρει. Εκεί δηλαδή, σε αυτή την επιφάνεια των δύο Διαστάσεων, έχει αποτυπωθεί όση πληροφορία χρειάζεται ώστε όταν το φιλμ φωτιστεί κατάλληλα (συνήθως με ακτίνες λέιζερ), να δώσει μιαν οπτική εντύπωση τέτοια που να νομίζουμε ότι έχουμε μπροστά μας μια αναπαράσταση του αντικειμένου στις τρεις Διαστάσεις.

Η Ολογραφική Αρχή

Κάνουμε τώρα ένα τεράστιο νοητικό άλμα και μεταφερόμαστε στο Ολογραφικό Σύμπαν. Στον δρόμο έχουμε ξεχάσει φωτογραφικά φιλμ, ακτίνες λέιζερ και την αποπροσανατολιστική φράση: «Είμαστε ολογράμματα». Ολογράμματα μάλιστα μιας κοινωνίας που ζει σε μια έκδοση της πραγματικότητας απλωμένης σε μια επιφάνεια, άρα σε δύο Διαστάσεις, στην άκρη του Σύμπαντος. Αυτό μπορεί να είναι σενάριο ταινίας, αλλά όχι ό,τι μια σειρά από Φυσικούς, Κοσμολόγους, Μαθηματικούς εννοεί. Μερικοί μάλιστα από αυτούς έχουν τιμηθεί ήδη και με βραβείο Νομπέλ και όταν μιλούν για το «Ολογραφικό Σύμπαν» έχουν ως οδηγό τους την Ολογραφική Αρχή. Η Ολογραφική Αρχή, όπως αποκαλείται από τον κύριο θεμελιωτή της Leonard Susskind, μας λέει ότι «τα πάντα μέσα σε έναν χώρο μπορούν να περιγραφούν με τη βοήθεια bits, δηλαδή στοιχείων πληροφορίας τοποθετημένων σε μια επιφάνεια που περικλείει τον συγκεκριμένο χώρο». Είναι μια διατύπωση νηφάλια, αλλά και πολύ λιτή ταυτόχρονα. Οπως όμως εξηγεί ο Κ. Σκενδέρης για τους αναγνώστες του «Βήματος»: «Η ιδέα αυτής της Ολογραφίας προσφέρει ένα καινούργιο πλαίσιο όπου μπορεί ο ερευνητής να εξετάσει ερωτήματα όπως:

•  Ποιοι ήταν οι νόμοι της φύσης στην αρχή του χώρου και του χρόνου;

•  Τι υπήρχε προτού υπάρξει ο χώρος και ο χρόνος όπως τους αντιλαμβανόμαστε τώρα;

•  Χρησιμοποιώντας μια θεωρία που να βασίζεται σε δύο μόνο Διαστάσεις (αντί για τρεις) και μία Διάσταση για τον χρόνο μπορούν να περιγραφούν το Σύμπαν και οι νόμοι της φύσης πριν και μετά το Big Bang και πώς έγινε η μετάβαση από την πριν στη μετά κατάσταση;».

Χωρίς αμφιβολία πρόκειται για προβλήματα από τα δυσκολότερα που έχει ποτέ αντιμετωπίσει η επιστημονική κοινότητα και η επιχορήγηση του Ιδρύματος Τέμπλετον δόθηκε στον έλληνα ερευνητή διότι ακριβώς έχει ήδη αναπτύξει μια θεωρία για το Ολογραφικό Σύμπαν και θέλει στη συνέχεια, από την Ολογραφική Αρχή, να δημιουργήσει μια φυσική θεωρία, να βρει δηλαδή ποιοι είναι οι φυσικοί νόμοι ενός ολογραφικού κόσμου.

Κβαντική Μηχανική και Σχετικότητα

Η Κβαντική Μηχανική είναι πλέον μια γηραιά κυρία περίπου 85 ετών και επινοήθηκε για να περιγράψει καλύτερα τις συμπεριφορές σωματιδίων και δυνάμεων όπως αυτές εκδηλώνονται σε χώρους όπου κινούνται άτομα και μόρια. Εκεί τα σωματίδια δεν εντοπίζονται με ακρίβεια όσον αφορά τη θέση και τις ταχύτητές τους. Στους υπολογισμούς γίνεται λόγος για πιθανότητες να βρίσκονται σε κάποιο τμήμα του όλου χώρου και να έχουν κάποια ταχύτητα. Χρήσιμο είναι να θυμάται ο αναγνώστης πως στον κόσμο όπου «περνούν» μόνον οι νόμοι της Κβαντικής Μηχανικής όλα είναι ρευστά και ακόμη και το κενό δεν είναι ο χώρος όπου υπάρχει μόνον το… τίποτα, αλλά σχηματισμοί δυνάμει σωματιδίων, δηλαδή σωματιδίων που εμφανίζονται στιγμιαία σαν υπαρκτές οντότητες και ταχύτατα επιστρέφουν σε μιαν άυλη διαβίωση. Ολη η συμπεριφορά υλικών και μη οντοτήτων μπορεί να περιγράφεται με τη βοήθεια της Κβαντικής Μηχανικής. Από αυτό όμως εξαιρείται η βαρύτητα. Για τη βαρύτητα το πιο… κοφτερό εργαλείο παραμένουν οι θεωρίες της Σχετικότητας, διατυπωμένες από τον Αϊνστάιν, που κατατάσσονται στις κλασικές (και όχι στις κβαντικές). Διότι τα αντικείμενα που δεν ανήκουν στον μικρόκοσμο των ατόμων και των μορίων έχουν ακριβώς καθοριζόμενες θέσεις και ταχύτητες. Οπως γενικά συμβαίνει με τους πλανήτες, αλλά και με τα μεγαλύτερα αστρικά σώματα.

Γενικά μπορούμε να λέμε ότι στον μακρόκοσμο, όπου η βαρύτητα είναι αισθητή, μας αρκούν οι θεωρίες της Σχετικότητας και στον μικρόκοσμο οι κβαντικές θεωρίες. Οταν όμως βρισκόμαστε σε τόσο μικρές κατατμήσεις του χώρου όσο είναι το λεγόμενο μήκος Planck, που αντιστοιχεί στην ασύλληπτα μικρή απόσταση των
10 ^-33 cm και εκεί έχουμε αισθητά φαινόμενα βαρύτητας λόγω της παρουσίας μεγάλης μάζας, θα πρέπει να βρούμε κάποια θεωρία που να λειτουργεί συμβιβαστικά. Παίρνοντας στοιχεία από τις άλλες δύο και προσθέτοντας και νέα. Και πότε είχαμε τεράστια μάζα σε ελάχιστο χώρο; Μα στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, όταν ο «σπόρος» του Σύμπαντός μας ενεργοποιήθηκε και μάλιστα με εκρηκτικό τρόπο.

Μαύρες τρύπες, η πηγή της έμπνευσης

«Μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας είναι απαραίτητη αν θέλουμε να εξηγήσουμε ποιοι ήταν οι νόμοι όταν δημιουργήθηκε το Σύμπαν» εξηγεί ο συνομιλητής μας. «Η τωρινή Φυσική περιέγραφε από παλαιά τον κόσμο με τη βοήθεια του ηλεκτρομαγνητισμού, της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, που είναι υπεύθυνη και για τη ραδιενέργεια, της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, που κρατάει νετρόνια και θετικά φορτισμένα πρωτόνια μαζί στον πυρήνα, και της βαρύτητας. Η Ολογραφία όμως είναι μια καινούργια (περίπου 15 ετών) ριζοσπαστική ιδέα για την κβαντική βαρύτητα.

Η ιδέα προέκυψε από μελέτες για τις ιδιότητες και τα παράδοξα σχετικά με τις μελανές οπές». Και μάλιστα από μια πολύ παράδοξη κουβέντα. Δύο φυσικοί, ο Gerard 't Hooft και ο Leonard Susskind βρίσκονταν το 1994 στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας, στο γραφείο του πρώτου. Ο 't Hooft είπε κάποια στιγμή: «Αν μπορούσαμε να κοιτάξουμε με ένα κατάλληλο μικροσκόπιο, που να διακρίνει μεγέθη τόσο μικρά όσο είναι το μήκος Planck, τους τοίχους αυτού του γραφείου θα είχαμε όλες τις πληροφορίες γι' αυτό τον χώρο». Το είχε γράψει μάλιστα και σε μια εργασία του πριν από λίγο καιρό, αλλά είχε περάσει απαρατήρητο. Ομως αυτή η μυστήρια για τους πολλούς φράση ήταν για τον φίλο του Susskind ο σπόρος που έπεσε στο κατάλληλο έδαφος. Ετσι γυρίζοντας στο ξενοδοχείο του το ίδιο βράδυ εκείνος διατύπωσε για πρώτη φορά κάτι που είναι πλέον ένα από τα πιο βασικά θεωρήματα της Φυσικής: Η μέγιστη ποσότητα πληροφορίας που μπορεί να περιέχεται σε έναν συγκεκριμένο χώρο δεν εξαρτάται από τον όγκο του και δεν μπορεί να είναι περισσότερη από όση μπορεί να αποθηκευτεί στην επιφάνεια που περιβάλλει τον χώρο. Υπολογίστηκε μάλιστα ότι στην επιφάνεια αυτή το μέγιστο που μπορεί να αποθηκεύεται είναι 1/4 του bit πληροφορίας σε κάθε απειροελάχιστη έκταση που έχει εμβαδόν ίσο μόλις με 10^-66 cm² .

Ακροβατικά σε δύο διαστάσεις

Από αυτή την ιδέα ξεκινώντας άλλοι θεωρητικοί φυσικοί και κοσμολόγοι έφθασαν στο συμπέρασμα πως πράγματα που συμβαίνουν στο εσωτερικό του δικού μας Σύμπαντος μπορούν να έχουν τις αντίστοιχες πληροφορίες γι' αυτά κάπου σε μιαν επιφάνεια που περιβάλλει τα πάντα. Δεν είμαστε λοιπόν τα τρισδιάστατα ζόμπι πλασμάτων που ζουν στις δύο διαστάσεις στις ακραίες περιοχές του Σύμπαντος ούτε θα ξυπνήσουμε κάποτε διαπιστώνοντας ότι ζούσαμε ένα Truman's Story, ένα πλασματικό δηλαδή περιβάλλον φτιαγμένο από άλλους. Αυτά είναι παραμύθια των ασχέτων για εντυπωσιασμό των αναγνωστών. Η όλη ιστορία με το Ολογραφικό Σύμπαν έχει να κάνει με το ότι είναι πιο εύκολο να χειριστείς μια φυσική που έχει τη βάση της σε κλειστή επιφάνεια, και μάλιστα όχι με άπειρες διαστάσεις, δηλαδή με δύο διαστάσεις συν μία για το χρόνο και να ισχύουν οι γνωστοί μας νόμοι της Κβαντικής Μηχανικής, ενώ η βαρύτητα δεν μπαίνει στη μέση, από ό,τι μια Φυσική σε ένα χώρο τριών διαστάσεων και με βαρύτητα. Επίσης όταν θέλεις να ενώσεις τη Φυσική τού πριν με τη Φυσική τού μετά τη Μεγάλη Εκρηξη διευκολύνει αυτός ο δρόμος. Οσο για τη βαρύτητα, αν επιβεβαιωθεί αυτή η σειρά συλλογισμών για το Ολογραφικό Σύμπαν, θα είναι απλώς ένα χαρακτηριστικό μόνο του χώρου των τριών διαστάσεων και η τρίτη διάσταση μια έμφυτη αντίδραση του εγκεφάλου μας να αντιμετωπίζει τον κόσμο γύρω του.

Μπορεί εμείς εδώ στην Ελλάδα να έχουμε τα προβλήματά μας που δεν μας αφήνουν να κοιτάζουμε και πολύ τον ουρανό αυτή τη στιγμή όμως άλλοι Ευρωπαίοι βάζουν σε τροχιά δορυφόρους που στέλνουν πίσω στη Γη μηνύματα για το πώς μπορεί να ήταν το Σύμπαν πίσω στα βάθη του παρελθόντος. Την προηγούμενη Πέμπτη ανακοινώθηκαν από τη European Space Agency τα αποτελέσματα των μετρήσεων που έγιναν με τη βοήθεια του δορυφόρου Planck και με την ευκαιρία αυτή ζητήσαμε από τον κ. Κ. Σκενδέρη να κάνει ένα πρώτο σχόλιο για τους αναγνώστες του «Βήματος» σχετικά με τα αποτελέσματα που ανακοινώθηκαν και τη σχέση τους με τις δικές του έρευνες: «Οι μετρήσεις του δορυφόρου Planck που πρόσφατα ανακοινώθηκαν αποτελούν ένα εξαιρετικά σημαντικό γεγονός. Τώρα πλέον ξέρουμε τις βασικές ιδιότητες της αρχέγονης κοσμικής ακτινοβολίας με πρωτοφανή ακρίβεια. Σε σχέση με τη δική μου έρευνα, τα αποτελέσματα αυτά θα μας βοηθήσουν να καταλάβουμε τις ιδιότητες της Ολογραφικής Θεωρίας. Μέσα στους επόμενους μήνες θα αναλύσουμε τα καινούργια δεδομένα του για να δούμε ποιες θεωρίες είναι συμβατές με αυτά και ποιες όχι».
Οι θεωρίες που εξηγούν το Σύμπαν
Πώς φθάσαμε ως εδώ

•   Θεωρία της Σχετικότητας, Ειδική και Γενική για τις κινήσεις των αστρικών σωμάτων στο Διάστημα

•   Κβαντική Μηχανική για τις κινήσεις των μορίων, των ατόμων και των στοιχειωδών σωματιδίων στον μικρόκοσμο (σε μήκη μικρότερα από 10 εκατομμυριοστά του μέτρου)

•   Συσχέτιση της Εντροπίας λόγω θερμικών αλλαγών σε ένα Σύστημα με τον αριθμό των διαφορετικών καταστάσεων που μπορούν να βρεθούν τα μέρη που το αποτελούν και από εκεί συσχέτιση με την ποσότητα πληροφορίας που περιέχει το Σύστημα

•   Θεωρία των Χορδών όπου τα στοιχειώδη σωματίδια δεν είναι ό,τι πιο στοιχειώδες υπάρχει στο Σύμπαν. Βασίζεται στην Κβαντική Μηχανική, αλλά το πιο στοιχειώδες είναι οι χορδές, σχηματισμοί που ακόμα είναι αδύνατον να επαληθευθεί άμεσα η ύπαρξή τους λόγω και του απειροελάχιστου μεγέθους τους που με τις χαρακτηριστικές και διαφορετικές ταλαντώσεις τους δίνουν υπόσταση στα διαφορετικά στοιχειώδη σωμάτια όπως είναι τα κουάρκ, οι δομικοί λίθοι των πρωτονίων και των νετρονίων

•   Με τη βοήθεια της θεωρίας των χορδών κατανοήσαμε τις συμπεριφορές των μελανών οπών και κυρίως ότι δεν είναι ψυχρές αδρανείς συσσωρεύσεις ύλης, αλλά ότι εκπέμπουν κάποια ακτινοβολία

•   Με τη βοήθεια των θεωριών για την Πληροφορία και της σχέσης της με την Εντροπία καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η πληροφορία που κουβαλάει ένα Σύστημα που πέφτει μέσα σε μια μελανή οπή δεν χάνεται, αλλά παραμένει κατά κάποιον τρόπο αποθηκευμένη στην επιφάνεια που περιβάλλει την περιοχή από όπου αν την «πατήσεις» δεν υπάρχει επιστροφή, ακόμη και αν είσαι μια ανάλαφρη ακτίνα φωτός

•   Από την ιδέα αυτή της πληροφορίας που εξαρτάται από το εμβαδόν της επιφάνειας και όχι από τον όγκο που περικλείει τη δανειστήκαμε και φθάσαμε και στην ιδέα ότι τα όσα συμβαίνουν στο εσωτερικό του τρισδιάστατου Σύμπαντός μας είναι αποθηκευμένα ως πληροφορίες κατά κάποιον τρόπο σε δύο διαστάσεις, δηλαδή στην επιφάνεια που περιβάλλει το Σύμπαν, και το να μεταφέρεσαι εκεί, κάνει τα Μαθηματικά να είναι πολύ πιο διαχειρίσιμα.
  
  
  
  ΠΗΓΗ