Εισαγωγή: Το Παράδοξο της Κίνησης
Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί τα πάντα στο σύμπαν περιστρέφονται κι όμως εμείς νιώθουμε εντελώς ακίνητοι; Η Γη στρέφεται με πάνω από 1,000 mph (1.609 χιλιόμετρα την ώρα), ενώ περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο σε απόσταση 93 εκατομμυρίων μιλίων, και την ίδια στιγμή, ολόκληρο το ηλιακό σύστημα κινείται στον γαλαξία με σχεδόν μισό εκατομμύριο μίλια την ώρα. Παρ' όλα αυτά, δεν αισθανόμαστε τίποτα. Αυτή η ακινησία μπορεί να είναι η μεγαλύτερη ψευδαίσθηση από όλες. Ίσως ο ίδιος ο χρόνος να είναι απλώς η ηχώ μιας βαθύτερης περιστροφής που ξεκίνησε πριν από τα άτομα, πριν από το φως, πριν από τη μνήμη. Από το μικρότερο ηλεκτρόνιο μέχρι τη μεγαλύτερη συστάδα γαλαξιών, τα πάντα στο σύμπαν περιστρέφονται: Άτομα περιστρέφονται, πλανήτες περιφέρονται, γαλαξίες στριφογυρίζουν σε τεράστιους σπειροειδείς σχηματισμούς.
Μέρος Πρώτο: Γιατί Νιώθουμε Ακίνητοι;
Αν τα πάντα βρίσκονται σε κίνηση, γιατί νιώθουμε τόσο ακίνητοι; Η απάντηση βρίσκεται στην inertia (αδράνεια), μια από τις πιο ισχυρές αρχές της φυσικής, που περιέγραψε ο Ισαάκ Νεύτων τον 17ο αιώνα. Ένα αντικείμενο σε κίνηση παραμένει σε κίνηση εκτός αν επιδράσει πάνω του μια εξωτερική δύναμη. Αυτός ο νόμος είναι ο μυστικός λόγος που δεν αισθανόμαστε την ατελείωτη περιστροφή της Γης: κινούμαστε με τη Γη, όχι εναντίον της. Για να αισθανθούμε την κίνηση, χρειαζόμαστε μια διαφορά, μια αλλαγή, αλλά η περιστροφή της Γης είναι σταθερή, ομαλή και αρχαία.
Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται uniform motion (ομοιόμορφη κίνηση). Είναι η ίδια αρχή που μας επιτρέπει να πίνουμε τσάι σε ένα αεροπλάνο που ταξιδεύει με 500 mph (805 χιλιόμετρα την ώρα). Μόνο όταν μια ξαφνική αλλαγή — turbulence (αναταράξεις) — διακόπτει αυτή την ομοιομορφία, αισθανόμαστε την κίνηση. Οι αισθήσεις μας, όπως το εσωτερικό μας αυτί, εξελίχθηκαν για να αντιμετωπίζουν περπάτημα ή τρέξιμο, όχι την περιστροφή ενός πλανήτη. Αντιδρούν στην acceleration (επιτάχυνση), όχι στη constant velocity (σταθερή ταχύτητα).
Ωστόσο, οι επιστήμονες μπορούν να μετρήσουν αυτή την κρυφή κίνηση. Το Foucault's pendulum (εκκρεμές Foucault), που επιδείχθηκε για πρώτη φορά το 1851 από τον Leon Foucault, ταλαντεύεται ελεύθερα, ενώ το έδαφος από κάτω του στρέφεται αργά, οπτικοποιώντας την περιστροφή της Γης. Η περιστροφή της Γης καθορίζει τη μέρα και τη νύχτα, σταθεροποιεί το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη και μας προστατεύει από την ηλιακή ακτινοβολία. Σημειώνεται ότι η περιστροφή της Γης επιβραδύνεται ελαφρώς κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών, κυρίως λόγω της παλιρροϊκής έλξης της Σελήνης, προσθέτοντας περίπου 1,7 χιλιοστά του δευτερολέπτου στο μήκος κάθε αιώνα.
Μέρος Δεύτερο: Ποιος Έθεσε σε Περιστροφή το Σύμπαν;
Η τάση για περιστροφή είναι γραμμένη στο DNA του σύμπαντος. Όταν τα αστέρια σχηματίζονται από νέφη αερίου και σκόνης, περιστρέφονται ταχύτερα καθώς συρρικνώνονται, λόγω της conservation of angular momentum (διατήρησης της στροφορμής) — της ίδιας αρχής που κάνει έναν παγοδρόμο να περιστρέφεται ταχύτερα όταν μαζεύει τα χέρια του. Η 24ωρη περιστροφή της Γης είναι ένα απολιθωμένο ίχνος αυτής της αρχαίας δίνης της δημιουργίας.
Το ερώτημα για το τι έδωσε στο σύμπαν την πρώτη του περιστροφή βρίσκεται βαθιά στις εξισώσεις της κοσμολογίας, στις πρώτες στιγμές του χρόνου (την Planck epoch (εποχή Πλανκ), εντός \(10^{-43}\) δευτερολέπτων από τη Μεγάλη Έκρηξη). Επιστήμονες που μελετούν την Cosmic Microwave Background (CMB) (Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου) έχουν βρει μικροσκοπικές ανωμαλίες που υποδηλώνουν ότι το πρώιμο σύμπαν δεν ήταν απολύτως ομοιόμορφο. Κάποιοι ερευνητές παρατήρησαν μια αμυδρή ευθυγράμμιση ή ένα είδος μεγάλης κλίμακας συστροφής, που ονόμασαν “axis of evil” («άξονα του κακού»), υπονοώντας ότι το σύμπαν μπορεί να είχε μια προτιμώμενη κατεύθυνση περιστροφής.
Η πρώτη κοσμική περιστροφή μπορεί να οφείλεται σε quantum fluctuations (κβαντικές διακυμάνσεις)—μικροσκοπικές τυχαίες αλλαγές ενέργειας που συνέβησαν όταν το σύμπαν ήταν μικρότερο από ένα άτομο. Κατά τη διάρκεια του cosmic inflation (κοσμικού πληθωρισμού)—μιας σύντομης αλλά εκρηκτικής διαστολής—αυτές οι διακυμάνσεις τεντώθηκαν και ενισχύθηκαν, μετατρέποντας μερικές από αυτές σε στροβιλώδεις κινήσεις. Δεδομένα από το δορυφόρο Planck υποδηλώνουν ότι μπορεί να υπήρχαν λεπτές B-modes (περιστροφικές λειτουργίες) στα primordial gravitational waves (αρχέγονα βαρυτικά κύματα), τα οποία θα μπορούσαν να είναι το απολιθωμένο αρχείο της πρώτης περιστροφής του σύμπαντος.
Η απάντηση για το τι ξεκίνησε την περιστροφή βρίσκεται στην symmetry breaking (παραβίαση της συμμετρίας). Σε ένα τέλεια ισορροπημένο σύμπαν, τίποτα δεν θα μπορούσε να κινηθεί. Καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, οι δυνάμεις που γνωρίζουμε (βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμός κ.ά.) άρχισαν να διαχωρίζονται. Όταν αυτή η συμμετρία έσπασε, εμφανίστηκαν μικροσκοπικές ατέλειες, οι οποίες επέτρεψαν στη δομή, την κίνηση και την περιστροφή να υπάρξουν.
Μέρος Τρίτο: Η Περιστροφή, ο Χρόνος και η Ζωή
Α. Ο Ρόλος της Περιστροφής στη Ζωή
Η περιστροφή της Γης είναι ο «αθόρυβος αρχιτέκτονας της ζωής». Χωρίς αυτήν, η Γη θα ήταν ένας νεκρός κόσμος, με τη μία πλευρά καμένη και την άλλη παγωμένη.
- Ρυθμός και Κλίμα: Η περιστροφή της Γης στον ισημερινό είναι περίπου 1,037 mph, ολοκληρώνοντας μια πλήρη περιστροφή σε 23 ώρες, 56 λεπτά και 4 δευτερόλεπτα (sidereal time - αστρικός χρόνος). Αυτός ο σταθερός ρυθμός δημιουργεί διαβαθμίσεις θερμοκρασίας που οδηγούν τα ρεύματα αέρα και τον καιρό. Ο 24ωρος ρυθμός της Γης είναι σχεδόν τέλειος: αρκετά μεγάλος για να κατανέμει την ενέργεια ομοιόμορφα, αλλά αρκετά μικρός για να αποτρέψει την υπερθέρμανση. Οι ζωντανοί οργανισμοί έχουν εξελίξει circadian rhythms (κιρκάδιους ρυθμούς) που ευθυγραμμίζονται με αυτόν τον 24ωρο κύκλο.
- Μαγνητικό Πεδίο: Η κίνηση του τηγμένου πυρήνα σιδήρου της Γης, γνωστή ως dynamo effect (φαινόμενο του δυναμό), δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτό το πεδίο εκτρέπει τον ηλιακό άνεμο, προστατεύοντας την ατμόσφαιρά μας. Σε αντίθεση, ο Άρης, παρόλο που περιστρέφεται σχεδόν όσο η Γη, έχασε το μαγνητικό του πεδίο όταν ψύχθηκε ο πυρήνας του, με αποτέλεσμα να διαβρωθεί η ατμόσφαιρά του.
- Κλίμα και Καιρός: Λόγω της περιστροφής, ο αέρας που κινείται από τον ισημερινό προς τους πόλους καμπυλώνει — το Coriolis effect (φαινόμενο Coriolis) — δημιουργώντας τα μεγάλα σπειροειδή συστήματα ανέμων και ρευμάτων που καθορίζουν τον καιρό, όπως οι τυφώνες και τα jet streams (ρεύματα τζετ).
Β. Περιστροφή και Χρόνος
Όταν η περιστροφή φτάνει στα άκρα, παύει να είναι απλώς κίνηση και γίνεται διαστρέβλωση. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν προέβλεψε ότι η κίνηση και η μάζα καμπυλώνουν τον χωροχρόνο.
- Frame Dragging (Σύρσιμο Χωροχρόνου): Η περιστροφή ενός μαζικού αντικειμένου (όπως η Γη) συστρέφει τη γεωμετρία γύρω του. Το πείραμα Gravity Probe B της NASA το 2011 επιβεβαίωσε ότι η περιστροφή της Γης "σέρνει" τον χωροχρόνο γύρω της κατά περίπου 0,000011° ανά έτος.
- Ακραία Περιστροφή: Στα άκρα, όπως κοντά σε neutron stars (αστέρες νετρονίων) που μπορούν να περιστρέφονται έως και 700 φορές το δευτερόλεπτο ή σε rotating Kerr black holes (περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες Kerr), ο χωροχρόνος συστρέφεται τόσο βίαια που ο χρόνος κυλά πιο αργά, ένα φαινόμενο γνωστό ως gravitational time dilation (βαρυτική χρονοδιαστολή). Η περιοχή γύρω από μια μαύρη τρύπα Kerr όπου συμβαίνει αυτό το σύρσιμο ονομάζεται ergosphere (εργόσφαιρα).
- Χρονοδιαστολή στην Καθημερινότητα: Ακόμη και οι δορυφόροι GPS πρέπει να διορθώνουν συνεχώς τη χρονοδιαστολή που προκαλείται από τη βαρύτητα και την ταχύτητα. Χωρίς διόρθωση, τα ρολόγια GPS θα απέκλιναν κατά 38 μικροδευτερόλεπτα την ημέρα. Έτσι, η κάμψη του χρόνου δεν είναι απλώς θεωρία, αλλά μέρος της καθημερινότητας.
- Ο Έλεγχος της Περιστροφής: Η περιστροφή των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα είναι αυτή που καθορίζει τον χρόνο στα atomic clocks (ατομικά ρολόγια). Το μήκος του 1 δευτερολέπτου ορίζεται από 9.192.631.770 κύκλους ακτινοβολίας που αντιστοιχούν στη μετάβαση μεταξύ δύο επιπέδων ενέργειας του ατόμου του καισίου-133. Καθώς η στροφορμή είναι μια διατηρούμενη ποσότητα στη φυσική, η απάντηση στο "ποιος ελέγχει την περιστροφή" είναι ότι "κανείς"—μόλις τεθεί σε κίνηση, το σύμπαν δεν χρειάζεται κανένα χέρι για να συνεχίσει να στρέφεται, λόγω της αδράνειας.
Μέρος Τέταρτο: Σκοτεινή Ύλη και Χειρομορφία
Α. Τι Κρατά τους Γαλαξίες Ενωμένους;
Οι γαλαξίες περιστρέφονται με ταχύτητες στις οποίες τα αστέρια στα εξωτερικά τους άκρα θα έπρεπε να διασκορπιστούν, σύμφωνα με τους νόμους της Νευτώνειας φυσικής. Ο Fritz Zwicky (τη δεκαετία του 1930) και η Vera Rubin (τη δεκαετία του 1970) ανακάλυψαν ότι μια αόρατη μάζα πρέπει να παρέχει την πρόσθετη βαρύτητα. Αυτή η μάζα ονομάζεται Dark Matter (σκοτεινή ύλη).
- Σύνθεση και Δομή: Η σκοτεινή ύλη δεν λάμπει, δεν αντανακλά και δεν απορροφά φως, αλλά έλκει βαρυτικά. Υπολογίζεται ότι αποτελεί το 85% όλης της ύλης στο σύμπαν. Οι γαλαξίες βρίσκονται μέσα σε τεράστιους άλως σκοτεινής ύλης που λειτουργούν ως ικρίωμα, συγκρατώντας τα αστέρια μέσω της βαρύτητας.
- Αποδείξεις: Η ύπαρξή της παρατηρείται μέσω του φαινομένου gravitational lensing (βαρυτικός φακός), όπου η αόρατη μάζα παραμορφώνει το φως από μακρινούς γαλαξίες. Το Σύμπαν αποτελείται από 68% dark energy (σκοτεινή ενέργεια), 27% σκοτεινή ύλη και μόνο 5% ordinary matter (συνήθη ύλη).
Β. Η Κατεύθυνση της Ζωής (Χειρομορφία)
Κάθε ζωντανός οργανισμός στη Γη έχει μια ελαφρά συστροφή, ή chirality (χειρομορφία). Το DNA μας σπειροειδίζεται προς τα δεξιά, ενώ τα αμινοξέα που χτίζουν τα κύτταρά μας στρέφονται προς τα αριστερά.
- Κοσμική Προέλευση: Η ζωή επέλεξε μόνο μία «πλευρά». Η υπόθεση είναι ότι το έντονο υπεριώδες φως από τα πρώιμα αστέρια ήταν circularly polarized (κυκλικά πολωμένο) λόγω των μαγνητικών πεδίων και μπορούσε να καταστρέψει επιλεκτικά έναν τύπο αμινοξέος περισσότερο από τον άλλο. Αυτή η λεπτή προτίμηση μπορεί να έθεσε τη βάση για τη χειρομορφία της ζωής.
- Αποδείξεις από το Διάστημα: Η αποστολή Rosetta της ESA ανίχνευσε πολύπλοκα οργανικά μόρια με σημάδια ασυμμετρίας στον κομήτη 67P, υποδηλώνοντας ότι η χειρομορφική προδιάθεση υπήρχε πριν από τη ζωή στη Γη. Επίσης, ορισμένα υποατομικά σωματίδια, όπως τα neutrinos (νετρίνα), περιστρέφονται πάντα προς μια αριστερόστροφη κατεύθυνση, μια parity violation (παραβίαση της ισοτιμίας) που δείχνει ότι ακόμη και η θεμελιώδης φυσική δεν είναι τέλεια συμμετρική. Αυτό το κοσμικό «πλεονέκτημα» μπορεί να αντικατοπτρίζεται στις μοριακές δομές της ζωής.
Μέρος Πέμπτο: Το Τέλος της Κίνησης και η Μνήμη του Σύμπαντος
Α. Η Επιβράδυνση της Περιστροφής
Κάθε περιστροφή επιβραδύνεται. Οι μέρες της Γης επιμηκύνονται, ενώ η Σελήνη απομακρύνεται κατά σχεδόν 1,5 ίντσα κάθε χρόνο. Αυτή η διαδικασία επιβράδυνσης συνεχίζεται στους γαλαξίες, οι οποίοι χάνουν στροφορμή μέσω συγκρούσεων και συγχωνεύσεων, οδηγώντας τους να γίνουν πιο στρογγυλοί και πιο διάχυτοι (από σπειροειδείς σε ελλειπτικούς). Ακόμη και οι μαύρες τρύπες, οι τελευταίες μηχανές περιστροφής, εξατμίζονται αργά μέσω της Hawking radiation (ακτινοβολίας Hawking), χάνοντας στροφορμή σε ασύλληπτες χρονικές κλίμακες.
Η στροφορμή, ωστόσο, δεν εξαφανίζεται εντελώς· απλώς διασπείρεται και μοιράζεται σε ένα διαστελλόμενο πεδίο σωματιδίων. Στο απώτερο μέλλον, το σύμπαν θα εισέλθει στον heat death (θερμικό θάνατο), όπου η ενέργεια θα κατανεμηθεί ομοιόμορφα και η κίνηση θα καταστεί μη αντιληπτή, αν και μαθηματικά θα επιμένει.
Β. Είμαστε το Σύμπαν που Θυμάται την Κίνησή του;
Κάθε άτομο μέσα μας περιστρέφεται, μια συνέχεια της αρχικής περιστροφής του σύμπαντος. Η στροφορμή δεν μπορεί να καταστραφεί, μόνο να μεταφερθεί ή να μοιραστεί, πράγμα που σημαίνει ότι κάθε περιστροφή είναι μια συνέχεια της ίδιας αρχικής κίνησης.
Αν η κίνηση αφήνει ίχνη στον χωροχρόνο (σύρσιμο χωροχρόνου), τότε ίσως αυτό που ονομάζουμε consciousness (συνείδηση) να είναι ο τρόπος με τον οποίο το σύμπαν αντιλαμβάνεται αυτά τα ίχνη μέσω ημών. Η μνήμη είναι μια μορφή διατήρησης προτύπων, και η κίνηση κωδικοποιείται σε κάθε επίπεδο: Τα άτομα θυμούνται μέσω της κβαντικής ιδιότητας του spin (σπιν), και ολόκληρο το σύμπαν θυμάται μέσω της γεωμετρίας του χωροχρόνου.
Η συνείδηση, με αυτή την έννοια, είναι η ικανότητα του συστήματος να αντανακλά την εσωτερική του κατάσταση, γραμμένη στην κίνηση.
«Είμαστε ένας τρόπος για το σύμπαν να γνωρίσει τον εαυτό του».
– Carl Sagan
Αυτή η γνώση επιτυγχάνεται μέσω της ενέργειας, της κίνησης και του σπιν. Είμαστε ένα κινούμενο αρχείο, ένα ζωντανό μέρος της συνεχιζόμενης μνήμης του σύμπαντος.
Αυτό το ταξίδι, από την ακινησία μέχρι τη συστροφή του χρόνου, δείχνει ότι η κίνηση δεν είναι ατύχημα του σύμπαντος, αλλά ο χτύπος της καρδιάς του. Η σιωπή που ακούμε είναι η αρμονία των πάντων που κινούνται μαζί.
Κουίζ Γνώσεων: Δοκιμάστε Τον Εαυτό Σας
Κουίζ: Η Περιστροφή του Σύμπαντος
Ελέγξτε τις γνώσεις σας για το άρθρο!
1. Γιατί δεν αισθανόμαστε την περιστροφή της Γης;
2. Ποιο πείραμα απέδειξε οπτικά την περιστροφή της Γης;
3. Τι κρατά ενωμένους τους γαλαξίες, εμποδίζοντάς τους να διασκορπιστούν λόγω της γρήγορης περιστροφής τους;
4. Τι περιγράφει ο όρος χειρομορφία (chirality) σε σχέση με τη ζωή;
5. Ποιο φαινόμενο περιγράφει τη συστροφή του χωροχρόνου από ένα περιστρεφόμενο αντικείμενο, όπως η Γη;
0 Σχόλια