Κυριακή, 23 Ιανουαρίου 2011

Απαλλαγή από τα βάρη!

Η χώρα μας, αλλά και ο κόσμος ολόκληρος, αλλάζει χρονιά με «βαρίδια στα πόδια». Βαρίδια οικονομικά, παραγωγικά, ενεργειακά, κλιματικά, ιδεολογικά... Βαρίδια αποτυχίας της μετάβασης από τη βιομηχανική στη μεταβιομηχανική εποχή του πολιτισμού. Απαισιοδοξία και κατάθλιψη δείχνουν να κυριαρχούν, με μια «ολική έκλειψη ελπίδων» να καταδυναστεύει τη νέα γενιά. Είναι όμως ένας πραγματικός κατήφορος ή απλώς μια αλλαγή φάσης; Είναι η αρχή του τέλους ή το τέλος της αρχής; Μια σειρά από «σημάδια»- σημάδια επιστημονικά, παντελώς άσχετα με τα μετρήματα της «δικτατορίας των τραπεζών»- υπόσχονται το δεύτερο: ότι μια νέα εποχή επιστημονικού θριάμβου ξεκινά, μια εποχή απελευθέρωσης του ανθρώπου από τη «μητέρα όλων των βαρών»!

Η κληρονομιά του Φαραντέι

Λένε πολλοί ότι τα οικονομικά βαρίδια της χώρας μας πρωτοσμιλεύτηκαν στα χρόνια της Επανάστασης του ΄21, με τα «δάνεια της Αγγλίας» που επακολούθησαν. Κατά σύμπτωση, τη χρονιά ακριβώς του 1821 ο άγγλος φυσικοχημικός Μάικλ Φαραντέι (Μichael Faraday, 1791-1867) κατασκεύασε τον πρώτο ηλεκτρομαγνητικό κινητήρα, τον αποκληθέντα «homopolar motor» (ομοπολικός κινητήρας). Αργότερα, το 1831, ανακάλυψε το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, το οποίο μαθηματικοποίησε ο Μάξγουελ ως «νόμο του Φαραντέι». Ο νόμος αυτός συνιστά τη μία από τις τέσσερις «εξισώσεις του Μάξγουελ» που θεμελίωσαν τη «θεωρία δυναμικών πεδίων».

Το 1845 ο Φαραντέι ανακάλυψε το φαινόμενο του «διαμαγνητισμού», κατά το οποίο πολλά υλικά, όπως το νερό, εκφράζουν την... αποστροφή τους προς τα μαγνητικά πεδία, με μια ελαφρά άπωση από αυτά. Επειτα από αρκετούς ακόμη πειραματισμούς του με την αλληλεπίδραση ηλεκτρισμού, μαγνητισμού και φωτισμού, λίγο πριν από το τέλος της ζωής του, σημείωσε: «Είχα επί μακρόν την πεποίθηση ότι οι διάφορες μορφές με τις οποίες οι δυνάμεις εμφανίζονται στην ύλη έχουν μια κοινή αρχή...Αρα έχουμε δυνητικά την πιθανότητα να βρούμε μια πιο υψηλή και γενική δύναμη της φύσης, πιο υψηλή ακόμη και από τον ηλεκτρισμό,η οποία συνάμα θα μας αποκαλύψει έναν εντελώς νέο βαθμό ύλης,που τώρα βρίσκεται εκτός του οπτικού μας πεδίου και ίσως και κάθε υποψίας μας». Ακριβώς έναν αιώνα μετά την αγγλική πρωτιά στον ηλεκτρομαγνητισμό, ο Αλμπερτ Αϊνστάιν τιμήθηκε με το Νομπέλ Φυσικής το 1921 για την ανακάλυψη του νόμου του «φωτοηλεκτρικού φαινομένου», την εργασία του δηλαδή επάνω στην κληρονομιά του Φαραντέι. Στο μεταξύ είχε από το 1905 δημοσιεύσει τη θεωρία της «ειδικής σχετικότητας» και είχε εικάσει ότι το φως απαρτίζεται από εντοπισμένα σωματίδια (κβάντα). Το 1907 είχε συλλάβει την ιδέα να επεκτείνει το θεώρημα της σχετικότητας και στον τομέα της βαρύτητας. Επεξεργάστηκε το θέμα επί οκτώ χρόνια και το 1915 δημοσίευσε τη γεωμετρική θεωρία του για τη βαρύτητα, που έμεινε γνωστή ως «θεωρία της γενικής σχετικότητας». Η θεωρία αυτή αντιλαμβανόταν τη βαρύτητα ως μια γεωμετρική ιδιότητα του χωροχρόνου και προέβλεπε την ύπαρξη «βαρυτικών κυμάτων». Το 1919, κατά την ολική ηλιακή έκλειψη της 29ης Μαΐου, οι αιτιάσεις της θεωρίας για «κάμψη» των ακτίνων αστρικού φωτός από το πεδίο βαρύτητας του Ηλιου επιβεβαιώθηκαν και ο Αϊνστάιν έγινε γνωστός τοις πάσι.

Ο πόθος της αντιβαρύτητας

Ο απλός άνθρωπος δεν έχει βεβαίως ως κύριο μέλημά του το αν η βαρύτητα συνιστά γεωμετρική ιδιότητα του χωροχρόνου και αν επιδρά στα πέριξ με «βαρυτικά κύματα». Γι΄ αυτόν το άχθος της επιβίωσης είναι το σημαίνον και το βάρος του σαρκίου του είναι που του λυγίζει τα γόνατα όσο βαδίζει προς το γήρας. Ωστόσο ακόμη και με αυτούς τους «προσγειωμένους» όρους αντιλαμβάνεται τα δεσμά της βαρύτητας και λαχταρά «να πετούσε ελεύθερος». Και όταν αρχίζει να σκέφτεται λίγο πιο πλατιά, καταλαβαίνει ότι, αν μπορούσε να ελέγχει τη βαρύτητα των πραγμάτων, θα ήταν όλα πιο εύκολα: μικρότερο βάρος ίσον μικρότερη κατανάλωση ενέργειας... Δυνάμεις που υπερνικούν τη βαρύτητα ίσον μηχανές που λειτουργούν ίσως και αεικίνητα... Αρα το σύνολο σχεδόν των προβλημάτων που τον καταδυναστεύουν και εξωθούν σε κρίσεις και πολέμους... λυμένο! Ναι, αλλά πώς;

Το ερώτημα αυτό είναι βασικό όχι μόνο για τη μοίρα του ανθρώπου στον πλανήτη Γη, αλλά και για τη μοίρα του ίδιου του Σύμπαντος. Εφόσον όλα ξεκίνησαν από μια Μεγάλη Εκρηξη (είτε εφάπαξ είτε κατ΄ επανάληψη, που λέει και η θεωρία του ανακυκλούμενου Σύμπαντος), θα έπρεπε λογικά η επέκταση του Σύμπαντος να βαίνει σταδιακά μειούμενη. Από την εποχή του αστρονόμου Ηubble όμως και έως σήμερα όλες οι παρατηρήσεις μάς βεβαιώνουν ότι το Σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται επιταχυνόμενα. Πώς γίνεται αυτό; Ποια δύναμη αντιστρατεύεται την έλξη της βαρύτητας των ουρανίων σωμάτων και συνεχίζει να αυξάνει τις μεταξύ τους αποστάσεις; Ποια είναι αυτή η «αντιβαρύτητα» και πώς λειτουργεί;

Διανύσαμε ολόκληρον αιώνα από τη διατύπωση της αϊνστάινειας θεωρίας της βαρύτητας χωρίς απαντήσεις για την «αντιβαρύτητα». Ενδείξεις είχαμε αρκετές, αλλά τίποτε δεν έφερε τις απαραίτητες αποδείξεις. Οπότε πορευτήκαμε με δύο ξεχωριστά θεωρητικά εργαλεία: τη σχετικότητα για τον μεγάκοσμο και την κβαντομηχανική για τον μικρόκοσμο. Με την πρώτη μελετούμε το Σύμπαν, με τη δεύτερη χτίζουμε ό,τι το ηλεκτρονικό στον πλανήτη μας. Αλλά η έλλειψη της γέφυρας μεταξύ τους μας κρατά δεμένους στο ηλιακό μας σύστημα και «προσγειωμένους» στην αφαίμαξη των ενεργειακών πόρων του πλανήτη μας.

Μαγνητική ανύψωση

«Πετάει, πετάει ο βάτραχος»: αριστερά, φωτογραφία από το πείραμα αιώρησης εμβίου του Αndre Geim και, δεξιά, διάγραμμα της διάταξης Με γνώμονα πάντα την υπερνίκηση της βαρύτητας άμεσα και όχι έμμεσα- όπως συμβαίνει με τις πτήσεις μας ελέω άντωσης στον αέρατο μόνο μας ουσιαστικό επίτευγμα ήταν τα τρένα μαγνητικής αιώρησης (magnetic levitation- Μaglev). Αξιοποιώντας το γνωστό σε όλους μας φαινόμενο άπωσης μεταξύ ομώνυμων πόλων μαγνητών, τα τρένα αυτά κινούνται αιωρούμενα και επιτυγχάνουν ταχύτητες έως και 581 χιλιόμετρα/ώρα. Πρωτολειτούργησαν στη Βρετανία το 1984, βασιζόμενα σε μια ευρεσιτεχνία του 1907 του Γερμανού Αlfred Ζedekiah, και οπωσδήποτε στον νόμο μαγνητικής μεταγωγής του Φαραντέι. Ωστόσο η τεχνολογία κατασκευής τους είναι πανάκριβη και φυσικά η αιώρησή τους είναι ελάχιστη. Ούτε λόγος για ονειρώξεις αιώρησης τύπου «ιπτάμενων δίσκων».

Ως προς το όνειρο της «ατομικής μας απελευθέρωσης από τη βαρύτητα», το πιο κοντινό μας επίτευγμα σημειώθηκε την Πρωτομαγιά του 2000, βασιζόμενο και πάλι στον Φαραντέι και στα πορίσματά του περί διαμαγνητισμού. Ο εφετινός νομπελίστας Φυσικής Αndre Geim από το ολλανδικό Πανεπιστήμιο Νijmegen και ο Μ. Simons του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Λος Αντζελες δημοσίευσαν στο «Journal of Αpplied Ρhysics» εργασία υπό τον περίεργο τίτλο «Ιπτάμενοι βάτραχοι και αιωρούμενοι μαγνήτες». Τι εννοούσαν; Οτι μια και τα υλικά που απαρτίζουν το σώμα ενός βατράχου - και το δικό μας- είναι όλα διαμαγνητικά, σκέφθηκαν να «απογειώσουν» έναν βάτραχο μέσα σε σωλήνα υπό μαγνητικό πεδίο. Κατάφεραν να τον ανυψώσουν 1,80 μ., με τίμημα τη μεταγωγή μόλις 2 Gauss και 2 Αmps στο σώμα του πειραματόζωου. Οπως δήλωσαν σαφώς στην εργασία τους, η υπάρχουσα τεχνολογία είναι ασφαλής για τους οργανικούς ιστούς, αλλά μπορεί να ανυψώσει μόνον όντα διαμέτρου 15 εκατοστών. Για να αιωρήσει ολόκληρον άνθρωπο θα απαιτoύνταν η κατασκευή νέου τύπου μαγνητών, με πεδίο περίπου 4 ΤeraGauss και κατανάλωση ενέργειας ενός GigaWatt. Η προσέγγιση αυτή είναι κλασική και βασίζεται σε γνωστές ιδιότητες των μαγνητών και των διαμαγνητικών υλικών. Ωστόσο από το 1991 δύο επιστήμονες του Πανεπιστημίου Αlabama είχαν διατυπώσει θεωρία ελέγχου της βαρύτητας μέσω των κατά πολύ πιο ιδιόμορφων «υπεραγωγών». Ηταν ο Αμερικανός Douglas Τorr και η Κινέζα Νing Li, οι οποίοι όμως δεν είχαν καταφέρει να αποδείξουν πειραματικά τη θεωρία τους.

Η υπεραγωγιμότητα είναι το φαινόμενο πλήρους εκμηδένισης κάθε αντίστασης στη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος, που σημειώνεται σε κάποια μέταλλα όταν βρεθούν σε θερμοκρασία σχεδόν απολύτου μηδενός (4,2 Κelvin). Ανακαλύφθηκε το 1911, αλλά ως και το 1957 οι επιστήμονες πάσχιζαν να την εξηγήσουν. Το κατόρθωσαν και το 1962 κατασκεύασαν τα πρώτα ηλεκτρόδια υπεραγωγών από κράμα νιοβίου και τιτανίου. Το 1993 κατάφεραν να βρουν ηλεκτρόδια που επέτρεπαν την υπεραγωγιμότητα σε πολύ πιο ευπρόσιτη θερμοκρασία (138 Κ).

Το θεωρητικά εντυπωσιακό είναι ότι οι Τorr και Li, όπως και ο Ιταλός Giovanni Μodanese αντιμετωπίζουν τον υπεραγωγό ως «γιγαντιαίο κβαντικό σώμα». Αλλά το πραγματικά εντυπωσιακό είναι αυτό που προέκυψε σε υπεραγωγό... κατά λάθος!

Διαβάστε περισσότερα στο Βήμα (23.01.2011).

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου