21.3.05

Πείραμα υψηλής αιθητικής

Γνωρίζω ότι η πλειοψηφία των αναγνωστών του Ιστολογίου δεν θα κατανοήσει ίσως τι εννοώ, αλλά επειδή ξέρω ότι κάποιοι θα το εκτιμήσουν: Ένα πολύ όμορφο πείραμα, παραλλαγή στο κλασικό πείραμα των δύο σχισμών:

Το πείραμα των δύο σχισμών εκτελέστηκε για πρώτη φορά με φως από τον Thomas Young πριν από 200 περίπου χρόνια. Ο σχηματισμός των κροσσών μπορεί να εξηγηθεί με τη συμβολή των κυμάτων που περνάνε μέσα από τις δύο σχισμές. Όταν οι κορυφές των δύο κυμάτων συμπίπτουν στο ίδιο σημείο της οθόνης, η συμβολή είναι ενισχυτική και το αποτέλεσμα είναι ένας φωτεινός κροσσός. Όταν όμως η κορυφή του ενός κύματος συμπίπτει με την κοιλάδα του άλλου κύματος, το αποτέλεσμα είναι αποσβεστική συμβολή και η εμφάνιση ενός σκοτεινού κροσσού

Η απόσταση μεταξύ των κροσσών εξαρτάται από το μήκος κύματος του φωτός και την απόσταση των σχισμών. Παρόμοιοι κροσσοί συμβολής έχουν παρατηρηθεί επίσης και με ηλεκτρόνια, με άτομα και με μόρια, όπου η απόσταση των κροσσών εξαρτάται από το μήκος κύματος De Broglie των σωματιδίων αυτών. Τα πειράματα έχουν δείξει επίσης ότι έχουμε συμβολή ακόμη και όταν περνάει μόνο ένα σωματίδιο από κάθε σχισμή κάθε φορά, και ότι ο σχηματισμός συμβολής εξαφανίζεται αν προσπαθήσουμε με κατάλληλο πείραμα να μάθουμε από ποια σχισμή πέρασε το σωματίδιο. Σήμερα κατανοούμε τη διαδικασία αυτή με όρους της συμβολής των δύο δυνατών διαδρομών μέσω των σχισμών, αντί να θεωρούμε τη συμβολή κάποιων κυμάτων ή των ιδίων των σωματιδίων. Αν δηλαδή γνωρίζουμε "από ποιο δρόμο" πέρασε το σωματίδιο μέσα από τις σχισμές, δεν βλέπουμε συμβολή και αντίστροφα.

Το τελευταίο από τα πειράματα των δύο σχισμών που εκτελέστηκε, διαφέρει ριζικά από τα προηγούμενα, γιατί οι σχισμές υπάρχουν στον χρόνο και όχι στον χώρο, καθώς επίσης και γιατί ο σχηματισμός συμβολής εμφανίζεται όταν ο αριθμός των ηλεκτρονίων στον ανιχνευτή παρασταθεί σαν συνάρτηση της ενέργειάς τους μάλλον αντί της θέσης όπου χτυπάνε πάνω στην οθόνη. Η εργασία έγινε στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης σε συνεργασία με φυσικούς από το Ινστιτούτο Max Born του Βερολίνου, το Ινστιτούτο Max Planck για την κβαντική οπτική του Μονάχου και το πανεπιστήμιο του Sarajevo...


Πιο αναλυτικά (και τεχνικά) εδώ και ακόμα πιο τεχνικά εδώ [pdf].

Το γιατί το ενλόγω den είναι απλώς ενδιαφέρον αλλά είναι και ωραίο (αισθητικά) είναι μια τεράστια συζήτηση. Αρκεί να πω ότι οι περισσότεροι που ασχολήθηκαν ποτέ με τις θετικές επιστήμες (ιδίως με την Φυσική) αντιλαμβάνονται την έλξη τους και με αισθητικούς όρους. Οι θεωρίες, τα πειράματα, προσφέρουν συχνά όταν τα κατανοήσεις, στιγμές κυριολεκτικής αισθητικής άπόλαυσης, ενώ η επίλυση ενός δύσκολου προβλήματος, αυτό το στιγμιαίο "Εύρηκα", προκαλούν μια κατάνυξη σχεδόν θρησκευτική - το μόνο είδος κατάνυξης άλλωστε προσβάσιμο σε ανυποχώρητα άθεους σαν ελόγου μου.

Περισσότερα για την αισθητική των πειραμάτων θα βρείτε σε αυτό το άρθρο, που μιλάει για τα δέκα ωραιότερα πειράματα φυσικής όλων των εποχών σύμφωνα με τους αναγνώστες του Physics World - οι οποίοι άφησαν απέξω πολλά εκπάγλου ομορφιάς πειράματα(το πείραμα του Aspect και τα συναφή σχετικά με το παράδοξο EPR και μερικά πειράματα που στήνει η φύση και εμείς απλώς τα παρατηρούμε...). αλλά καθένας με το γούστο του... Να σημειώσω ότι ως ωραιότερο πείραμα όλων των εποχών είχε ψηφιστεί πάλι ένα πείραμα δύο σχισμών που έδειχνε την συμβολή των ηλεκτρονίων (με τον εαυτό τους!).

8 σχόλια:

lazopolis είπε...

Άφησαν επίσης απ'έξω όλα τα πειράματα σκέδασης εκτός από αυτά του ίδιου του Rutherford, ενώ συμπεριέλαβαν και τη γάτα του Schrodinger που δεν δηλητηριάστηκε ποτέ. Ενδιαφέρον έχει οτι τα νετρίνα φαίνεται να αρέσουν περισσότερο απο τα κουάρκς, παρά το τελευταίο Nobel. Προσωπικά θα προτιμούσα μάλλον το εκκρεμές του Foucault από αυτά που είναι στη λίστα με τα 10 πρώτα (υπάρχει κάτι σ'αυτο το πείραμα που μιλάει κατευθείαν στο ένστικτό μου).

Οποιοσδήποτε έχει λύσει άσκηση γεωμετρίας στο Λύκειο (απ'αυτές με τις βοηθητικές γραμμές), ή δύσκολη παραγοντοποίηση, έχει γευθεί το είδος της απόλαυσης που έρχεται μαζί με τη λύση. Υπάρχει, ομολογουμένως, κάτι το "αισθητικά ωραίο" στις θεωρίες και τα πειράματα και η επόμενη ερώτηση είναι αν αυτή η αισθητική είναι αποτέλεσμα της επιστημονικής σκέψης ή οδηγός της. Νέες θεωρίες είναι όμορφες επειδή δουλεύουν ή δουλεύουν επειδή είναι όμορφες;

ilidad είπε...

"Η Ομορφιά είναι η σφραγίδα της Αλήθειας."

Σχετικά με το ερώτημα του lazopolis, παραθέτω ένα απόσπασμα (περυσινής) συνέντευξης με τον Θανάση Φωκά. (Έχει βραβευτεί με το βραβείο Naylor της μαθηματικής εταιρίας του Λονδίνου και με το Αριστείο για τις θετικές Επιστήμες της Ακαδημίας Αθηνών. Γιατρός, με πτυχίο στην αεροναυπηγική, Phd στα μαθηματικά και αριθμό επιστημονικών δημοσιεύσεων που συγκρίνεται με τον συνολικό αριθμό θαλασσινών μπάνιων που έχει κάνει ένας ενήλικας, εδώ και δύο χρόνια κατέχει την έδρα της Μη-γραμμικής Μαθηματικής Επιστήμης στο Κέιμπριτζ, στη σχολή που δίδαξε ο Νεύτωνας και διδάσκει ο Χώκινγκ.)

Τον ρώτησα πόσο επηρρεάζει η επιστημονική του εμπειρία την άποψη για το φαινόμενο της ζωής. Απάντησε:

"Την επηρέασε εξαιρετικά. Πρώτα από όλα έχουν αλλάξει σε πολύ μεγάλο βαθμό οι φιλοσοφικές ιδέες που είχα. Για παράδειγμα έχω σήμερα μια πολύ πιο ώριμη άποψη για την σχέση μεταξύ ιδεαλισμού και υλισμού. Η άποψη ότι τα πάντα αποτελούνται από ύλη, φαίνεται τόσο προφανής που αν κάποιος πει ότι είναι ιδεαλιστής θεωρείς πως αγνοεί την πραγματικότητα. Όταν αρχίσεις όμως και μπαίνεις πιο βαθιά στην διαδικασία της επιστημονικής έρευνας βλέπεις ότι τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά. Και γυρίζεις αναπόφευχτα στην κληρονομιά των αρχαίων ελλήνων: Τον ιδεαλισμό του Πλάτωνα και την αποθέωση της αισθητικής.

Τι εννοείτε;

Ο Πλάτωνας μίλαγε για ένα κόσμο ιδεών, ο οποίος υπάρχει ανεξάρτητα από μας, σε μια άλλη πραγματικότητα. Από την άλλη, η επιστήμη φαίνεται να ασχολείται με την αντικειμενική, υλική πραγματικότητα. Αυτή της η έρευνα κατέληξε στις Θεωρίες της Σχετικότητας και της Κβαντομηχανικής ,που όμως είναι μαθηματικά ασυμβίβαστες, λείπει δηλαδή ο συνδετικός τους κρίκος. Για αυτό και η μεγάλη πρόκληση σήμερα είναι να βρούμε το σύστημα εξισώσεων που θα παντρέψει αυτές τις δύο μεγάλες θεωρίες, που θα δημιουργήσει την «ενιαία θεωρία των πάντων». Όμως για σκεφτείτε το λίγο: Αυτό που τώρα ψάχνουμε προκειμένου να ερμηνεύσουμε συνολικά τον χειροπιαστό κόσμο που μας περιβάλλει, αυτό που μπορούμε αντικειμενικά να ανακαλύψουμε, δεν είναι ύλη - είναι μια μαθηματική εξίσωση που διέπει τα πάντα. Αυτή όμως "κατοικεί" σε ένα κόσμο ιδεών, στον κόσμο που περιγράφει ο Πλάτωνας. Η επιστήμη δηλαδή, ενώ ξεκίνησε από την μελέτη της ύλης προσπαθεί τώρα να αγγίξει τον ιδεαλιστικό κόσμο του Πλάτωνα.
Ο δεύτερος λόγος που σε κάνει να γυρίσεις στους Αρχαίους είναι η δύναμη της αισθητικής, που την είχαν αποθεώσει. Τι εννοώ: Παλιά η επιστήμη βασίζονταν αποκλειστικά στο τρίπτυχο παρατήρηση–πείραμα–θεωρία. Σήμερα αυτό δεν έχει εφαρμογή στα πεδία που ερευνούμε, είναι αδύνατη η φυσική παρατήρηση των μικρότερων υποδιαιρέσεων της ύλης. Άρα όταν προσπαθούμε να αγγίξουμε τον κόσμο τον ιδεών, ο βασικός μας οδηγός είναι η αισθητική: Αν έχεις δύο εξισώσεις και η μία είναι αισθητικά όμορφη, αυτή έχει τις μεγαλύτερες πιθανότητες να είναι και η σωστή. Για μένα αυτή ήταν μια φοβερή αποκάλυψη. Ότι δηλαδή η μόνη αντικειμενική πραγματικότητα που μπορούμε να ανακαλύψουμε δεν είναι η υλική – γιατί και αυτή μεταλλάσσεται – αλλά είναι η Αλήθεια η οποία υπάρχει στον κόσμο των ιδεών. Και τα μέσα για να φτάσουμε σε αυτή δεν είναι παρά η λογική μαζί με την αισθητική. Όπως έλεγαν και οι αρχαίοι, Η Ομορφιά είναι η σφραγίδα της Αλήθειας...»

talos είπε...

Νέες θεωρίες είναι όμορφες επειδή δουλεύουν ή δουλεύουν επειδή είναι όμορφες;

Νομίζω ότη η ομορφιά είναι σημάδι εσωτερικής συνέπειας και εύστοχης απεικόνισης κάποιου πραγματικού στοιχείου του κόσμου με μια εννοιολογική οικονομία. Υπήρξαν πολλές μαθηματικά όμορφες θεωρίες, εικάζω, που δεν δούλεψαν ποτέ. Επίσης καταπληκτικά πειράματα που δεν οδήγησαν σε σαφή συμπεράσματα.

Όμως για σκεφτείτε το λίγο: Αυτό που τώρα ψάχνουμε προκειμένου να ερμηνεύσουμε συνολικά τον χειροπιαστό κόσμο που μας περιβάλλει, αυτό που μπορούμε αντικειμενικά να ανακαλύψουμε, δεν είναι ύλη - είναι μια μαθηματική εξίσωση που διέπει τα πάντα.

Αυτό δεν με εντυπωσιάζει σαν επιχείρημα. Τα υλικά της ερμηνείες είναι ιδέες. Η περιγραφή ενός πράγματος και το ίδιο το πράγμα δεν ταυτίζονται...

talos είπε...

Επ.. "τα υλικά της ερμηνείας"...!

SOL είπε...

"...Υπήρξαν πολλές μαθηματικά όμορφες θεωρίες, εικάζω, που δεν δούλεψαν ποτέ. Επίσης καταπληκτικά πειράματα που δεν οδήγησαν σε σαφή συμπεράσματα..." Εγώ πάλι δεν μπορώ να τοποθετηθώ γιατί μου λείπουν οι σχετικές αναφορές, τόσο οι δικές σου, όσο πολύ περισσότερο και οι δικές του σε αυτόν τον τομέα.

Αυτό που συγκράτησα ωστόσο είναι ότι κατά την άποψη ενός ειδικού υπάρχουν περιπτώσεις όπου τα υλικά των πραγμάτων ταυτίζονται με τα υλικά της ερμηνείας τους...

lazopolis είπε...

"είναι αδύνατη η φυσική παρατήρηση των μικρότερων υποδιαιρέσεων της ύλης."

αυτή είναι μια πολύ παράξενη πρόταση, αν την διαβάσει κανείς σε πρώτο επίπεδο: αν είναι αδύνατη η φυσική παρατήρηση αυτών των υποδιαιρέσεων, πως ξέρουμε οτι υπάρχουν; Ο κ.Φωκάς εννοεί τις υπερχορδές, υποθέτω. Η "θεωρία των πάντων" υπάρχει στην πιάτσα εδώ και δυο δεκαετίες, εχει απασχολήσει μια πλειάδα από θεωρητικούς-φαινόμενα και απασχολεί ίσως τη μισή επιστημονική κοινότητα της θεωρητικής φυσικής στην Ευρώπη σήμερα. Τα αποτελέσματα είναι πλήρως απογοητευτικά: η "θεωρία των πάντων" δεν έχει εξηγήσει απολύτως τίποτα. Δεν υπάρχει καν ένα συμπαγές μοντέλο που να στέκεται και να συμβαδίζει με τις σημερινές παρατηρήσεις, δεν υπάρχει καν κάποιος που να ισχυρίζεται οτι είναι κοντά σε ένα τέτοιο μοντέλο.

Υπάρχει βέβαια πολύ ομορφιά. Οι ιδέες των υπερχορδών είναι πανέμορφες, ειδικά αν εκτιμάς το είδος εκείνο των μαθηματικών που οδηγεί σε απλές, υπερσυμπαγείς φόρμουλες. Αλλά είναι η ομορφιά ο οδηγός της αλήθειας;

Η φράση του κ.Φωκά "αν έχεις δύο εξισώσεις και η μία είναι αισθητικά όμορφη, αυτή έχει τις μεγαλύτερες πιθανότητες να είναι και η σωστή" είναι η αποθέωση του Πλατωνισμού, ακριβώς όπως έχει διατυπωθεί από τον διασημότερο εκφραστή της στον 20ο αιώνα, τον Einstein. Μπορεί κανείς να αποδεχθεί ή να απορρίψει αυτήν την προκατάληψη. Ή μπορεί και να την αντιστρέψει: αν έχεις δυο θεωρίες και η μια αποδειχθεί οτι είναι σωστή, θα βρεθεί (αργότερα) μια διατύπωσή της που θα την καθιστά όμορφη, ή αλλιώς, θα αλλάξει η έννοια της ομορφιάς στη φυσική για να ταιριάζει μαζί της.

Δεν μπορώ να φανταστώ οτι κάποιος θα περιέγραφε την κβαντική φυσική ως όμορφη κατά τη διάρκεια των πρώτων, "βρώμικων" χρόνων της. Μπορώ, όμως, να φανταστώ οτι η αισθητική του Einstein ήταν ένας από τους βασικούς λόγους για τους οποίους δεν μπορούσε να την χωνέψει.

"υπάρχουν περιπτώσεις όπου τα υλικά των πραγμάτων ταυτίζονται με τα υλικά της ερμηνείας τους", αν είσαι μαθηματικός και ασχολείσαι με τις φαντασμαγορικές αυτές κουστωδίες των αφαιρέσεων (σίγουρα εκεί η ομορφιά είναι, ως όφειλε, οδηγός). Αλλά, και παρά το ότι η εμπειρία των τελευταίων χρόνων έχει θολώσει τις διαχωριστικές γραμμές, είναι καλό να υπενθυμίζεται (και στους εαυτούς μας) οτι τα μαθηματικά και η φυσική είναι θεμελιωδώς διαφορετικά πράγματα.

Όπως είπε και ο John Ellis (ο οποίος διατηρεί ενα πολυ ενδιαφέρον ιστολόγιο και ο οποίος κάνει υπερχορδές), "τελικά το πείραμα είναι ο διαιτητής που αποφασίζει αν η φύση έχει αρκετα καλό γούστο για να ακολουθήσει τις θεωρητικές μας ιδέες".

lazopolis είπε...
Αυτό το σχόλιο αφαιρέθηκε από έναν διαχειριστή ιστολογίου.
talos είπε...

Ο κ.Φωκάς εννοεί τις υπερχορδές, υποθέτω.

Εγώ θα υπέθετα ότι ενοεί τα κουάρκ (λόγω του confinement), αλλά τότε θα αντέτεινε κανείς, ότι υπάρχουν έμμεσες ενδείξεις για την ύπαρξή τους.

Είναι πάντως εντυπωσιακό το πόσοι μαθηματικοί είναι (κατά βάθος ή ανοικτά) Πλατωνιστές! Όσο για τις "όμορφες εξισώσεις", πράγματι συχνά η ομορφιά είναι αποτέλεσμα της κατάλληλης ορολογίας: Οι εξισώσεις του Maxwell ήταν είκοσι πριν την επέμβαση και το συμμάζεμα του Heaviside (περισσότερα επ' αυτού στην W/pedia) και δεν είμαι σίγουρος ότι στην αρχική τους μορφή είχαν την αισθητική αρτιότητα που έχουν στην κανονική - και ακόμα περισσότερα στην τετρανυσματική τους μορφή.