ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Στο Κεφάλαιο αυτό, θα εξετάσουμε τις πλέον θεμελιώδεις ιδέες που έχουμε για τη φυσική—τη φύση των πραγμάτων, όπως την αντιλαμβανόμαστε σήμερα. Δεν θα συζητήσουμε την ιστορία του πώς είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε ότι οι ιδέες αυτές είναι σωστές· οι λεπτομέρειες αυτές θα παρασχεθούν σε μετέπειτα χρόνο.

Οι οντότητες και τα πράγματα με τα οποία ασχολούμαστε στην επιστήμη, εμφανίζονται σε μια πλειάδα μορφών και μια πολλαπλότητα χαρακτηριστικών.

Για παράδειγμα, εάν σταθούμε στην ακρο­θαλασσιά και κοιτάξουμε τη θάλασσα, βλέπουμε το νερό, τα κύματα που σκάζουν στην ακτή, τον αφρό, την κυματιστή κίνηση της θάλασσας, το φλοίσβο των κυμάτων, τον αέρα, τον άνεμο και τα σύννεφα, τον ήλιο και τον γαλάζιο ουρανό και το φως: εκεί υπάρχει άμμος και εκεί βράχια, με λογής-λογής σκληρότητες, χρώματα και υφή. Υπάρχουν ζώα και φύκια, πείνα και αρρώστια, όπως και ο παρατηρητής στην ακρογιαλιά· μπορεί να υπάρχει και ευτυχία και στοχασμός. Οποιοδήποτε άλλο σημείο στη φύση, παρουσιάζει μια παρεμφερή ποικιλία από πράγματα και επιδράσεις. Παρου­σιάζει πάντοτε αυτήν την φανταστική πολυπλοκότητα, ανεξάρτητα από το πού βρίσκεται. Η περιέργειά μας απαιτεί να θέσουμε ερωτήσεις, να αναζητήσουμε τις σχέσεις που υπάρχουν, να προσπαθήσουμε να καταλάβουμε την πολλαπλότητα των χαρακτηριστικών, πιθανώς ως απόρροια της δράσης ενός σχετικά μικρού αριθμού στοιχειωδών πραγμάτων και δυνάμεων, οι οποίες δρουν σε μια άπειρη ποικιλία συνδυασμένων μορφών.

Για παράδειγμα: Είναι η άμμος κάτι το διαφορετικό από τους βράχους; Μήπως, δηλαδή, η άμμος δεν είναι τίποτε άλλο από ένα σύνολο από μικροσκοπικές πέτρες; Μήπως το φεγγάρι είναι ένας τεράστιος βράχος; Εάν καταλάβουμε την έννοια του βράχου, θα καταλάβουμε επίσης και τις έννοιες της άμμου και ίου φεγγαριού; Είναι ο άνεμος ένας κυματισμός ίου αέρα, ανάλογος της κυ­ματιστής κίνησης του νερού της θάλασσας; Ποια κοινά χαρακτηριστικά μπορεί να έχουν οι διάφορες κινήσεις των πραγμάτων; Τί κοινό έχουν τα διάφορα είδη ήχων; Πόσα διαφορετικά μεταξύ τους χρώματα υπάρχουν: κλπ. Με τον τρόπο αυτόν, προσπαθούμε σταδιακά να αναλύσουμε το σύνολο των πραγμάτων γύρω μας, να βρούμε κοινές ιδιότητες για πράγματα που, εκ πρώτης όψεως δείχνουν πολύ διαφορετικά, με την ελπίδα ότι θα μπορέσουμε να ελαττώσουμε το πλήθος των διαφορετικών πραγμάτων, οπότε θα είναι ευκολότερη η κατανόησή τους.

Μερικές εκατοντάδες χρόνια πριν, επινοήθηκε μια μέθοδος εύρεσης μερικών απαντήσεων για τέτοιες ερωτήσεις. Η παρατήρηση, ο συλλογισμός και το πείραμα αποτελούν αυτό που αποκαλούμε επιστημονική μέθοδο. Θα πρέπει να περιοριστούμε, για τους σκοπούς ετούτης της συζήτησης, σε μια απλή και μόνο περιγραφή της βασικής άποψης που έχουμε για αυτό που μερικές φορές αποκαλούμε Θεμελιώδη φυσική (fundamental physics), ή αλλιώς θεμελιώδεις ιδέες, οι οποίες είναι απόρροια της εφαρμογής της επιστημονικής μεθόδου.

Τί εννοούμε, όταν λέμε ότι «καταλαβαίνουμε» κάτι; Μπορούμε να φανταστούμε ότι αυτό το περί­πλοκο σύμπλεγμα κινούμενων πραγμάτων, το οποίο αποτελεί τον «κόσμο» γύρω μας, είναι κάτι σαν ένα τεράστιο παιχνίδι σκακιού, που παίζουν οι «θεοί», ανώτερες από εμάς δυνάμεις· εμείς είμαστε απλά παρατηρητές του παιχνιδιού. Δε γνωρίζουμε ποιοι είναι οι κανόνες του παιχνιδιού· αυτό που μας επιτρέπεται, είναι μόνο να το παρακολουθούμε. Φυσικά, εάν το παρατηρήσουμε για κάποιο χρο­νικό διάστημα, ενδεχομένως θα καταλάβουμε μερικούς από τους κανόνες αυτούς. Οι κανόνες του παιχνιδιού (rules of the game) είναι αυτό που εννοούμε, όταν λέμε θεμελιώδης φυσική. Ακόμη και εάν γνωρίζαμε όλους τους κανόνες, όμως. δε θα είμασταν σε θέση να καταλάβουμε γιατί μια συγ­κεκριμένη κίνηση έγινε στο παιχνίδι, απλά και μόνο λόγω της υπερβολικά μεγάλης πολυπλοκότητάς της και του ότι το δικό μας μυαλό είναι πεπερασμένο. Εάν παίζετε σκάκι, γνωρίζετε το γεγονός ότι οι κανόνες του είναι εύκολοι στην εκμάθησή τους, αλλά παρ’ όλα αυτά είναι τρομερά δύσκολο να επιλέξετε τη σωστή κίνηση σε κάθε περίπτωση που θα σας παρουσιαστεί, ή να καταλάβετε για ποιο λόγο ένας παίκτης κάνει τις κινήσεις που κάνει. Έτσι είναι και στη φύση, αλλά σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό· παρ’ όλα αυτά, μπορεί τουλάχιστον να καταφέρουμε να ανακαλύψουμε όλους τους κανόνες. Στην τρέχουσα χρονική στιγμή, δεν μας είναι γνωστοί όλοι οι κανόνες. (Κάθε λίγο και λιγάκι, συμ­βαίνει κάτι, όπως το ροκέ στο σκάκι, κάτι που δεν καταλαβαίνουμε...) Πέρα από το γεγονός ότι δε γνωρίζουμε το πλήρες σύνολο των κανόνων, αυτό που πραγματικά μπορούμε να εξηγήσουμε με βάση τους ήδη γνωστούς κανόνες, είναι πολύ περιορισμένο, επειδή όλες σχεδόν οι περιπτώσεις είναι τόσο τρομερά πολύπλοκες, ώστε δεν είμαστε σε θέση να παρακολουθήσουμε την εξέλιξη του παιχνιδιού, ακολουθώντας τους κανόνες, πόσο μάλλον να προβλέψουμε τί θα γίνει στη συνέχεια. Θα πρέπει, επο­μένως, να περιοριστούμε στο πλέον βασικό ερώτημα, αυτό των κανόνων του παιχνιδιού. Θεωρούμε πως, εάν γνωρίζουμε τους κανόνες, τότε «καταλαβαίνουμε» τον κόσμο γύρω μας.

Πώς είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε ότι οι κανόνες, τους οποίους «μαντέψαμε», είναι πράγματι ορθοί, από τη στιγμή που δεν μπορούμε να αναλύσουμε το παιχνίδι πολύ καλά; Υπάρχουν, γενικά μιλώντας, τρεις τρόποι για αυτό. Κατά πρώτον, ενδέχεται να υπάρχουν περιπτώσεις όπου η φύση έχει επιλέξει (ή εμείς μπορούμε να διευθετήσουμε έτσι τα πράγματα, ώστε) να είναι απλή και να έχουμε τόσο λίγα εμπλεκόμενα μέρη, ώστε να μπορούμε να προβλέψουμε ακριβώς το τί θα συμβεί, οπότε τότε μπορούμε να ελέγξουμε εάν και κατά πόσο οι κανόνες μας «δουλεύουν». (Σε όρους σκακιού, ενδέχεται σε κάποια γωνία της σκακιέρας να υπάρχουν λίγα μόνο κομμάτια· την εξέλιξη εκεί, μπορούμε να την κατανοήσουμε επακριβώς.)

Ένας δεύτερος, καλός τρόπος ελέγχου των κανόνων, είναι με όρους πιο γενικών κανόνων, οι οποίοι απορρέουν από αυτούς. Για παράδειγμα, ο κανόνας που διέπει τις κινήσεις ενός αξιωματικού στη σκακιέρα, είναι ότι αυτός μπορεί να κινηθεί μόνο διαγώνια. Μπορούμε να καταλάβουμε ότι, άσχετα από το πλήθος των κινήσεων που έγιναν ή θα γίνουν, ο συγκεκριμένος αξιωματικός, εάν είναι σε ένα λευκό τετράγωνο, θα βρίσκεται πάντοτε σε ένα τέτοιο. Έτσι, ακόμη και αδυνατώντας να παρακολουθήσουμε τις λεπτομέρειες, μπορούμε πάντοτε να ελέγξουμε την ιδέα που έχουμε σχηματίσει, όσον αφορά την κίνηση του αξιωματικού αυτού, εξακριβώνοντας εάν αυτός βρίσκεται ή όχι σε ένα λευκό τετράγωνο. Αυτός, όντως θα υπακούει στον κανόνα αυτό, για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα, μέχρις ότου, τελείως ξαφνικά, διαπιστώνουμε ότι έχει μεταβεί σε ένα μαύρο τετράγωνο (αυτό που έχει συμβεί, φυσικά, είναι ότι, στο διάστημα που μεσολάβησε από την τελευταία μας παρατήρηση, ο αξιωματικός αυτός συνελήφθη από τον αντίπαλο, κάποιο άλλο στρατιωτάκι έφτασε στις γραμμές του εχθρού, προβιβάστηκε και έγινε αξιωματικός, το τετράγωνο του οποίου έτυχε να είναι μαύρο). Τέτοια πράγματα συμβαίνουν στη φυσική. Για μεγάλο χρονικό διάστημα θα έχουμε έναν κανόνα, ο οποίος θα λειτουργεί άψογα σε όλες τις περιπτώσεις, ακόμη και όταν δε θα είμαστε σε θέση να παρακολουθήσουμε όλες τις λεπτομέρειες και, κάποια στιγμή, ενδέχεται να ανακαλύψουμε κάποιον νέο κανόνα. Από τη σκοπιά της βασικής φυσικής, τα πλέον ενδιαφέροντα φαινόμενα εντοπίζονται, φυσικά, σε νέα μέρη, στους τομείς εκείνους όπου οι μέχρι τώρα γνωστοί κανόνες δεν εφαρμόζονται—όχι στους τομείς εκείνους όπου οι γνωστοί κανόνες ισχύουν! Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο ανακαλύπτουμε καινούριους κανόνες.

Ο τρίτος τρόπος για να αποφανθούμε εάν οι ιδέες μας είναι ορθές είναι σχετικά χονδροειδής, αλλά πιθανότατα ο πλέον ισχυρός από τους τρεις. Αυτός συνίσταται στη θεώρηση (έστω και μη επακριβών) προσεγγίσεων (approximations). Ίσως να μην είμαστε σε θέση να διαπιστώσουμε γιατί ο σκακιστής μετακινεί αυτό το συγκεκριμένο κομμάτι, ενδέχεται όμως να μπορούμε να καταλάβουμε, τουλάχιστον χονδρικά, ότι μάλλον συγκεντρώνει τα κομμάτια του γύρω από τον βασιλιά του, για να τον προστα­τεύσει, επειδή αυτή είναι μια εύλογη επιδίωξη, θεωρουμένων των περιστάσεων. Με τον ίδιο τρόπο, μπορούμε συχνά να κατανοήσουμε τη φύση, χονδρικά, χωρίς να μπορούμε να δούμε τί κάνει κάθε μικρό, ξεχωριστό τμήμα της, σε όρους κατανόησης του παιχνιδιού που βρίσκεται σε εξέλιξη.

Τα φυσικά φαινόμενα διαιρέθηκαν αρχικά σε κατηγορίες, όπως θερμότητα, ηλεκτρισμός, μηχα­νική, μαγνητισμός, ιδιότητες των ουσιών, χημικά φαινόμενα, φως ή οπτική, ακτίνες X, πυρηνική φυσική, βαρύτητα, φαινόμενα μεσονίων κλπ. Ο στόχος, πάντως, είναι να μπορέσουμε να κατανοή­σουμε την πλήρη δομή της φύσης, ως διάφορες πλευρές ενός και μόνο συνόλου φαινομένων. Αυτό είναι το πρόβλημα στη βασική θεωρητική φυσική σήμερα—η εύρεση των νόμων που ενυπάρχουν στα πειράματα: να ενοποιήσουμε τις κατηγορίες αυτές. Ιστορικά, καταφέρναμε πάντοτε να τις ενοποιή­σουμε, αλλά, καθώς ο χρόνος προχωράει, ανακαλύπτουμε νέα πράγματα. Τα πηγαίναμε πολύ καλά, ώσπου ξαφνικά ανακαλύφθηκαν οι ακτίνες X. Κατόπιν, προχωρήσαμε την ενοποίηση αυτή λίγο ακό­μη, ώσπου ανακαλύφθηκαν τα μεσόνια. Σε κάθε φάση του παιχνιδιού, λοιπόν, τα πράγματα έδειχναν κάπως άτακτα. Ένα μεγάλο μέρος έχει ενοποιηθεί, αλλά ακόμη «υπάρχουν πολλά καλώδια και βίδες που ξεπροβάλλουν από παντού»... Αυτή η κατάσταση συνεχίζεται έως σήμερα^- θα προσπαθήσουμε χώρα να την περιγράφουμε.

Μερικά ιστορικά παραδείγματα της ενοποίησης αυτής, είναι τα ακόλουθα. Θεωρήστε, πρώτα, τη θερμότητα και τη μηχανική. Όταν τα άτομα βρίσκονται σε κίνηση, όσο περισσότερη κίνηση υπάρχει, τόσο περισσότερη θερμότητα περιέχεται στο σύστημα και επομένως η Θερμότητα, καθώς και όλα τα σχετικά με τη θερμοκρασία φαινόμενα, μπορούν να αναπαρασταθούν με βάση τους νόμους της μηχανικής. Μια άλλη εξαιρετικής σπουδαιότητας ενοποίηση ήταν η ανακάλυψη της σχέσης που υπάρχει μεταξύ του ηλεκτρισμού, του μαγνητισμού και του φωτός, για τα οποία διαπιστώθηκε ότι αποτελούν διαφορετικές πλευρές του ίδιου φαινομένου, της οντότητας που σήμερα αποκαλούμε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (electromagnetic Geld). Μια άλλη, επίσης σημαντική, είναι η ενοποίηση των χημικών φαινομένων, των διαφόρων ιδιοτήτων των ουσιών και της συμπεριφοράς των ατομικών σωματιδίων, η οποία ονομάζεται χημική κβαντική μηχανική.

Το ερώτημα εδώ είναι, φυσικά, μήπως είναι δυνατή η ολοκληρωτική ενοποίηση και η επακόλουθη συνειδητοποίηση ότι ο κόσμος μας δεν είναι τίποτε άλλο από διαφορετικές εκφάνσεις του ενός και μόνο πράγματος·, Κανείς δεν το γνωρίζει αυτό. Το μόνο που ξέρουμε είναι ότι καθώς προχωράμε, βρίσκουμε ότι μπορούμε να ενοποιούμε διάφορα μέρη και τομείς και κατόπιν βρίσκουμε μερικά κομμάτια που δεν ταιριάζουν στη σύνθεση αυτή, οπότε προσπαθούμε να κάνουμε τα κομμάτια του παζλ να ταιριάξουν μεταξύ τους. Το εάν υπάρχει ένας πεπερασμένος μόνον αριθμός κομματιών, ή εάν υπάρχει καν ένα όριο σε αυτό ίο παζλ, είναι, φυσικά, άγνωστο. Αυτό δε θα το μάθουμε, παρά μόνο εάν σχηματίσουμε όλο το παζλ, εάν ποτέ αυτό καταστεί δυνατό. Αυτό που θέλουμε να δούμε, την παρούσα χρονική στιγμή, είναι να καταλάβουμε μέχρι ποιο σημείο έχει προχωρήσει αυτή η διαδικασία της ενοποίησης, ποια είναι η τρέχουσα κατάσταση, όσον αφορά την κατανόηση βασικών φαινομένων, με όρους του μικρότερου δυνατού συνόλου πρώτων αρχών. Για να το πούμε με απλά λόγια, από τί είναι φτιαγμένος ο κόσμος και πόσα (λίγα ή πολλά) διαφορετικά πράγματα υπάρχουν;

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ ΑΠΟ ΤΙΣ ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ ΤΟΥ R. FEYNMAN 1os TOMOΣ