Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η κατανόηση του χώρου είναι τόσο δύσκολη

Αν όλη η ύλη στο σύμπαν εξαφανιζόταν ξαφνικά, θα υπήρχε ακόμα το διάστημα; Το σκέφτηκε ο Ισαάκ Νεύτων. Το διάστημα, φαντάστηκε, ήταν κάτι σαν το Star Trek's holodeck, ένα τρισδιάστατο πλέγμα εικονικής πραγματικότητας πάνω στο οποίο προβάλλονται προσομοιωμένοι άνθρωποι και μέρη και πράγματα. Όπως το έθεσε ο Newton στις πρώτες σελίδες του Principia του :«Ο απόλυτος χώρος, από τη φύση του, χωρίς αναφορά σε τίποτα εξωτερικό, παραμένει πάντα ομοιογενής και ακίνητος».

Αυτό φαίνεται πειστικό στην καθημερινή ζωή. Περπατάω ανατολικά, εσύ περπατάς δυτικά, και το ταχυδρομείο παραμένει σταθερό:Το πλαίσιο αναφοράς παραμένει στατικό. Αλλά ο σύγχρονος του Νεύτωνα, ο Γερμανός μαθηματικός και φιλόσοφος Γκότφριντ Λάιμπνιτς, απέκρουσε αυτή την ιδέα του απόλυτου χώρου. Αφαιρέστε τα διάφορα αντικείμενα που συνθέτουν το σύμπαν, υποστήριξε, και το «διάστημα» δεν έχει πλέον κανένα νόημα. Πράγματι, η περίπτωση του Leibniz αρχίζει να φαίνεται πολύ πιο δυνατή μόλις βγείτε στο διάστημα, όπου μπορείτε να σημειώσετε μόνο την απόστασή σας από τον ήλιο και τους διάφορους πλανήτες, αντικείμενα που κινούνται όλα το ένα σχετικά με το άλλο. Το μόνο εύλογο συμπέρασμα, υποστήριξε ο Leibniz, είναι ότι ο χώρος είναι «σχεσιακός»:ο χώρος απλώς είναι το σύνολο των διαρκώς μεταβαλλόμενων αποστάσεων ανάμεσα σε εσάς και αυτά τα διάφορα αντικείμενα (και τις αποστάσεις τους το ένα από το άλλο), όχι μια «απόλυτη πραγματικότητα».

Au contraire, απάντησε ο Newton. Τα αποτελέσματα του απόλυτου χώρου είναι αρκετά παρατηρήσιμα. Και ο Sir Isaac είχε μόνο το πείραμα για να το αποδείξει:έναν περιστρεφόμενο κουβά με νερό. Όσο απλό κι αν ακούγεται το πείραμα, πυροδότησε μια συζήτηση σχετικά με τη φύση του χώρου, του χρόνου, της κίνησης, της επιτάχυνσης και της δύναμης που συνεχίζεται μέχρι σήμερα.

Στο Principia , ο Νεύτωνας μας ζητά να φανταστούμε έναν κουβά με νερό, κρεμασμένο από τη λαβή του από ένα σχοινί. Περιστρέφοντας τον κάδο δεξιόστροφα, το σχοινί τυλίγει. Τι συμβαίνει όταν αφήνεσαι; Ο κάδος αρχίζει να περιστρέφεται αριστερόστροφα, στην αρχή αργά και μετά πιο γρήγορα. Αλλά συμβαίνει και κάτι άλλο:Όπως γράφει ο Νεύτωνας, η επιφάνεια του νερού «θα υποχωρήσει σταδιακά από τη μέση και θα ανέβει στην πλευρά του αγγείου, προσλαμβάνοντας ένα κοίλο σχήμα». Για λίγο, ο κουβάς και το νερό γυρίζουν μαζί. Τελικά, ο κάδος επιβραδύνεται και η περιστροφή του αντιστρέφεται. το νερό επιβραδύνεται επίσης, σταδιακά ισοπεδώνοντας ξανά.

Οι μαθητές γυμνασίου μαθαίνουν για τη «φυγόκεντρη δύναμη»—είναι ωραίο να την ονομάζουμε—αλλά τι είναι αυτό που πραγματικά προκαλεί το νερό να σηκώνεται στο χείλος του κάδου; Δεν μπορεί να είναι η κίνηση του νερού σε σχέση με τον κάδο, παρατήρησε ο Newton, επειδή η επιφάνεια του νερού παραμορφώνεται περισσότερο όταν το νερό περιστρέφεται πιο γρήγορα, «σε συγχρονισμό» με τον κάδο. Φυσικά, ο κάδος και το νερό περιστρέφονται σε σχέση με τη Γη, αλλά ούτε αυτή μπορεί να είναι η εξήγηση, επειδή ένα παρόμοιο πείραμα που πραγματοποιήθηκε στο διάστημα, πίστευε ο Νεύτων, θα είχε τα ίδια αποτελέσματα.

Για τον Νεύτωνα, ο μόνος τρόπος να εξηγήσει το πείραμα του κάδου ήταν να πει ότι το νερό περιστρεφόταν σε σχέση με τον απόλυτο χώρο. Αυτό σήμαινε επίκληση αδράνειας —μια άλλη βασική ιδέα στο Principia — η αντίσταση ενός σώματος σε οποιαδήποτε αλλαγή στην ταχύτητα ή την κατεύθυνση της κίνησής του. Μόλις ο κάδος και το νερό περιστρέφονται, οι πλευρές του κάδου εμποδίζουν το νερό να κινείται σε ευθεία γραμμή. Αντίθετα, πιέζει προς τα πάνω στο χείλος.

Αλλά γιατί τα αντικείμενα έχουν αδράνεια καταρχήν; Τον 19ο αιώνα, ο Αυστριακός φυσικός Ερνστ Μαχ κατέληξε να πιστεύει ότι οποιαδήποτε εξήγηση της κίνησης και της αδράνειας -συμπεριλαμβανομένης της κίνησης του νερού σε έναν περιστρεφόμενο κουβά- μπορούσε να γίνει κατανοητή μόνο σε σχέση με την υπόλοιπη ύλη στο σύμπαν. Για τον Mach, μια κλιμακούμενη έκδοση του κάδου μπορούσε να δει στην ίδια τη Γη:Από τότε που σχηματίστηκε το ηλιακό σύστημα, πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, η Γη περιστρέφεται γύρω από τον ισημερινό της «να φουσκώνει», ακριβώς όπως το νερό στο ο περιστρεφόμενος κάδος. Ο Μαχ αναρωτήθηκε:Εάν η περιστροφή της Γης μπορούσε να σταματήσει και αντ 'αυτού οι υπόλοιποι πλανήτες και αστέρια περιστρέφονταν γύρω της, θα εξακολουθούσε να διογκώνεται ο ισημερινός της Γης;

Ο Νεύτωνας θα έλεγε όχι:Χωρίς περιστροφή, χωρίς εξόγκωμα. Αλλά ο Mach συνειδητοποίησε ότι η απάντηση εξαρτιόταν από το πού προέρχεται η αδράνεια ενός αντικειμένου. Εάν ήταν κατά κάποιο τρόπο το αποτέλεσμα του μεγαλύτερου μέρους της ύλης στο σύμπαν, τότε πράγματι ο πλανήτης θα εξακολουθούσε να διογκώνεται καθώς οι υπόλοιποι πλανήτες και αστέρια γυρνούσαν γύρω του. Αυτή είναι η σχεσιακή εικόνα του Leibniz για τα στεροειδή:Όχι μόνο η κίνηση είναι σχετική, αλλά η αδράνεια, αποφάσισε ο Mach, είναι ένα μέτρο της σχέσης μεταξύ του αντικειμένου και της υπόλοιπης ύλης στο σύμπαν. Εάν η άποψη του Mach είναι σωστή, τα αστέρια και οι γαλαξίες, κοντά και μακριά, είναι, κατά κάποιο τρόπο, υπεύθυνοι για το σχήμα της Γης και το κοίλο σχήμα του νερού στον περιστρεφόμενο κάδο του Νεύτωνα. Αλλά ο Μαχ δεν είπε πώς αυτά τα μακρινά αστέρια και οι γαλαξίες άσκησαν την επιρροή τους—και ακόμη και σήμερα, η απάντηση δεν είναι καθόλου σαφής.

Ίσως ο πιο ένθερμος αναγνώστης του Μαχ ήταν ο νεαρός Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος αργότερα προσπάθησε να ενσωματώσει αυτό που ανέφερε ως «Αρχή του Μαχ» -ότι η αδράνεια ενός σώματος εξαρτάται από το σύνολο της ύλης σε όλο το σύμπαν- στη θεωρία του για τη βαρύτητα, Γενικός Σχετικότητα.

Η συντριπτική επιτυχία της θεωρίας του Αϊνστάιν ήταν το τελευταίο χτύπημα για τον απόλυτο χώρο του Νεύτωνα - αλλά χωρίς απόλυτο χώρο, συνεχίζουμε να αγωνιζόμαστε για να καταλάβουμε τον κάδο του Νεύτωνα. Στο δημοφιλές βιβλίο του The Fabric of the Cosmos , ο φυσικός Brian Greene εξηγεί ότι αν και η θεωρία του Αϊνστάιν κατέρριψε τον απόλυτο χώρο του Νεύτωνα, μας έδωσε κάτι άλλο στη θέση του - μια τετραδιάστατη δομή γνωστή ως χωροχρόνος - και αυτό, υποστηρίζει ο Greene, είναι απόλυτο. Εσείς και εγώ μπορεί να διαφωνήσουμε σχετικά με τη διάρκεια μιας παρέλασης ή την απόσταση που κάλυψαν οι διαδηλωτές — αλλά θα συμφωνούσαμε για τη συνολική απόσταση μέσω του χωροχρόνου μεταξύ της έναρξης και του τέλους της παρέλασης. Αυτό είναι δύσκολο να το φανταστεί κανείς, καθώς δεν μπορούμε να το δούμε σε τέσσερις διαστάσεις, αλλά είναι εγγυημένο από τις εξισώσεις στη θεωρία του Αϊνστάιν.

Και όμως, αυτή δεν είναι η τελευταία λέξη του Greene για το θέμα. Οι φυσικοί υποπτεύονται τώρα ότι το «πεδίο Higgs», που πιστεύεται ότι προικίζει σωματίδια με μάζα, διαπερνά το σύμπαν. Αν και ο χωροχρόνος του Αϊνστάιν μπορεί να χρησιμεύσει ως πλαίσιο αναφοράς έναντι του οποίου μπορούν να μετρηθούν οι επιταχύνσεις, το πεδίο Higgs πηγαίνει καλύτερα:Προσφέροντας αντίσταση σε οτιδήποτε περνά μέσα από αυτό, μπορεί να εξηγήσει γιατί τα αντικείμενα έχουν εξαρχής αδράνεια.

Μια άλλη ιδέα προέρχεται από τον φυσικό Paul Davies του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Αριζόνα, ο οποίος επισημαίνει ότι ο «άδειος» χώρος είναι στην πραγματικότητα ένας βράζοντας αφρός που αποτελείται από βραχύβια υποατομικά σωματίδια που αναδύονται και βγαίνουν από την ύπαρξη. Αυτό το κβαντικό "κενό κέφι", λέει, θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως υποκατάστατο του απόλυτου χώρου.

Μετά από περισσότερους από τρεις αιώνες, τα ερωτήματα που πυροδότησε ο περιστρεφόμενος κάδος του Νεύτωνα -σχετικά με το διάστημα και την κίνηση, σχετικά με τη μάζα και την αδράνεια- συνεχίζουν να προβληματίζουν τόσο τους φυσικούς όσο και τους φιλοσόφους. Κάτι κάνει το νερό να ανεβαίνει στο πλάι του κάδου—αλλά αν τελικά είναι η δομή του χωροχρόνου, ή το πεδίο Higgs ή κάποιο είδος κβαντικού αφρού, μένει να το δούμε.

Ο Dan Falk είναι ένας επιστημονικός δημοσιογράφος με έδρα το Τορόντο. Τα βιβλία του περιλαμβάνουν Η Επιστήμη του Σαίξπηρ και Σε αναζήτηση χρόνου. Ακολουθήστε τον στο Twitter  @danfalk.

Αναφορές

1. Cohen, Ι.Β. &Whitman, A. Isaac Newton / The Principia:Mathematical Principles of Natural Philosophy:A New Translation University of California Press, Berkeley CA (1999). Όλες οι παραθέσεις από The Principia είναι από αυτήν την έκδοση.

2. Alexander, H.G. Η αλληλογραφία Leibniz-Clarke, μαζί με αποσπάσματα από το Newton's Principia and Opticks Manchester University Press, Manchester (1956).

3. Barbour, J. &Pfister, H. (Επιμ.) Η Αρχή του Μαχ:Από τον Κάδο του Νεύτωνα στην Κβαντική Βαρύτητα  (Μελέτες Αϊνστάιν, Τόμος 6 ) Birkhäuser, Boston, MA (1995).

ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΤΕ: Ο λόγος που το σύμπαν επεκτάθηκε.

Αυτή η κλασική ανάρτηση Facts So Romantic δημοσιεύτηκε αρχικά τον Ιανουάριο του 2016.