Μετάβαση στο κύριο περιεχόμενο

Ο αντικειμενικός σκοπός της φυσικής του Στήβεν Χώκινγκ.

Ο τελικός αντικειμενικός σκοπός της φυσικής είναι μία θεωρία που να περιγράφει ολόκληρο το Σύμπαν. Οι περισσότεροι επιστήμονες διαχωρίζουν όμως σε δύο μέρη ό,τι εννοούμε με τον όρο «ολόκληρο το Σύμπαν». Κατά πρώτον, υπάρχουν οι φυσικοί νόμοι, αυτοί καθορίζουν πώς ακριβώς αλλάζει το Σύμπαν με την πάροδο του χρόνου. (Αν γνωρίζουμε πώς φαίνεται το Σύμπαν σε κάποια χρονική στιγμή, οι φυσικοί νόμοι περιγράφουν πώς θα φαίνεται σε κάποια επόμενη). Κατά δεύτερον, υπάρχει η αρχική κατάσταση του Σύμπαντος, αυτή καθορίζει πώς ακριβώς ήταν το Σύμπαν στην αρχή του χρόνου. Μερικοί νομίζουν πως η επιστήμη της φυσικής πρέπει να ασχολείται μόνο με το πρώτο μέρος. 

Θεωρούν ότι τα ερωτήματα για την αρχική κατάσταση του Σύμπαντος ανήκουν στο χώρο της μεταφυσικής ή της θεολογίας. Κάποιοι άλλοι φαντάζονται ένα Θεό που, επειδή είναι παντοδύναμος, θα μπορούσε να δημιουργήσει ένα Σύμπαν σε οποιαδήποτε αρχική κατάσταση ήθελε. Αν είναι έτσι, τότε θα μπορούσε να δημιουργήσει ένα Σύμπαν που να αναπτύσσεται με εντελώς τυχαίο τρόπο. Φαίνεται όμως ότι το Σύμπαν εξελίσσεται με πολύ κανονικό τρόπο, σύμφωνα με κάποιους νόμους. Είναι λοιπόν εξίσου λογικό να υποθέσουμε ότι υπάρχουν νόμοι που καθορίζουν την αρχική κατάσταση του Σύμπαντος, όπως ακριβώς υπάρχουν νόμοι που καθορίζουν την εξέλιξή του.

Εκ των πραγμάτων είναι πολύ δύσκολο να εφεύρουμε μία συνολική θεωρία που να περιγράφει κατευθείαν ολόκληρο το Σύμπαν. Αντί γ ι ' αυτό χωρίζουμε το πρόβλημα σε τμήματα και επινοούμε έναν ανάλογο αριθμό επιμέρους θεωριών. Η καθεμιά τους περιγράφει το αντίστοιχο τμήμα, λαμβάνοντας υπόψη τις επιδράσεις ορισμένων μόνον φυσικών μεγεθών τις επιδράσεις των άλλων φυσικών μεγεθών ή τις προσεγγίζει μόνο αριθμητικά ή τις παραβλέπει εντελώς. Πιθανώς μία τέτοια προσέγγιση είναι εντελώς λανθασμένη. Αν καθετί μέσα στο Σύμπαν εξαρτάται από καθετί άλλο με έναν θεμελιώδη τρόπο, ίσως τελικά να είναι αδύνατο να πλησιάσουμε σε συνολική λύση του προβλήματος, χωρίζοντας το σε τμήματα και εξετάζοντας μετά τα τμήματα αυτά. Όπως κι αν έχουν τα πράγματα, η επιστήμη της φυσικής προόδευσε και προοδεύει χρησιμοποιώντας αυτήν ακριβώς τη μέθοδο. Το κλασικό παράδειγμα είναι και πάλι η νευτώνεια θεωρία της βαρύτητας, που λέει ότι η βαρυτική έλξη εξαρτάται από ένα μόνο φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει τα αντικείμενα του Σύμπαντος, τη μάζα, και είναι ανεξάρτητη από τα άλλα. Έτσι είναι δυνατό να προβλέψουμε τις κινήσεις των πλανητών μέσα στο ηλιακό σύστημα λαμβάνοντας υπόψη μόνο την επίδραση της μάζας τους στη βαρυτική έλξη που καθορίζει τις τροχιές τους. 

Σήμερα οι επιστήμονες περιγράφουν το Σύμπαν με τα εννοιολογικά και μαθηματικά εργαλεία δύο βασικών επιμέρους θεωριών, που αποτελούν σπουδαία επιτεύγματα του πρώτου μισού του αιώνα μας: Η γενική θεωρία της σχετικότητας περιγράφει την επίδραση της βαρύτητας και τη μακροσκοπική δομή του Σύμπαντος, δηλαδή τη διαμόρφωση του μέσα σε μεγάλες περιοχές (μεγάλες σε σχέση με την ανθρώπινη κλίμακα: από περιοχές ακτίνας λίγων χιλιομέτρων μέχρι περιοχές ακτίνας δισεκατομμυρίων δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων). Η κβαντική μηχανική περιγράφει τις επιδράσεις των υπόλοιπων φυσικών δυνάμεων και τη μικροσκοπική δομή του Σύμπαντος, δηλαδή τη διαμόρφωση του μέσα σε μικρές περιοχές (για παράδειγμα, περιοχές ακτίνας ενός δισεκατομμυριοστού του χιλιοστού). Δυστυχώς, είναι γνωστό πως οι δύο θεωρίες δεν συμφωνούν, δεν μπορεί λοιπόν να είναι και οι δύο σωστές. Μία από τις κύριες, προσπάθειες στη φυσική σήμερα αποβλέπει στη δημιουργία μιας καινούργιας θεωρίας που θα συμπεριλάβει και τις δύο, μιας κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας. Προς το παρόν δεν έχουμε μία τέτοια θεωρία, ίσως μάλιστα βρισκόμαστε ακόμη πολύ μακριά από το να την αποκτήσουμε. (Η περιγραφή της πορείας για τη σύνθεση αυτής της ενιαίας θεωρίας απαρτίζει τον κεντρικό κορμό αυτού του βιβλίου). Όπως όμως θα δούμε στη συνέχεια, έχουμε ήδη κάποιες σημαντικές γνώσεις για το περιεχόμενο των προβλέψεων που θα περιλαμβάνει μια μελλοντική κβαντική θεωρία βαρύτητας.

Εφ' όσον πιστεύουμε ότι το Σύμπαν δεν αναπτύσσεται τυχαία, αλλά εξελίσσεται σύμφωνα με κάποιους νόμους, είμαστε υποχρεωμένοι να προσπαθούμε να συνδυάσουμε τις επιμέρους θεωρίες σε μία πλήρη ενιαία θεωρία που θα καθορίζει τα πάντα μέσα σε αυτό. Υπάρχει όμως κάποιο θεμελιώδες παράδοξο στη διαδικασία αναζήτησης μιας τέτοιας πλήρους ενιαίας θεωρίας. Οι ιδέες για τις επιστημονικές θεωρίες που σκιαγραφήθηκαν προηγουμένως προϋποθέτουν ότι οι άνθρωποι είναι νοήμονα όντα, ελεύθερα να παρατηρούν το Σύμπαν και ικανά να εξάγουν σωστά συμπεράσματα από τις παρατηρήσεις τους. Υποθέτουμε λοιπόν ότι έχουμε τη δυνατότητα να αναζητήσουμε μία πλήρη ενιαία θεωρία και να προοδεύσουμε στη διαδικασία αυτής της αναζήτησης. Αν όμως υπάρχει πράγματι μια πλήρης ενιαία θεωρία, αφού αυτή θα καθορίζει τα πάντα μέσα στο Σύμπαν, θα καθορίζει επίσης και τις πράξεις μας. Κατά συνέπεια θα καθορίζει και τα αποτελέσματα της αναζήτησης μας γ ι ' αυτήν! Και γιατί πρέπει να καθορίζει ότι θα εξάγουμε σωστά συμπεράσματα από τις παρατηρήσεις; Δεν θα μπορούσε εξίσου καλά να καθορίσει ότι θα
εξάγουμε λανθασμένα συμπεράσματα;

Η μόνη απάντηση που μπορώ να δώσω στο συγκεκριμένο πρόβλημα βασίζεται στην αρχή της φυσικής επιλογής της θεωρίας του Δαρβίνου. Σε κάθε σύνολο ζωντανών όντων που αναπαράγονται και πολλαπλασιάζονται θα υπάρχουν διαφοροποιήσεις του γενετικού προγράμματος και των χαρακτηριστικών των ατόμων που το απαρτίζουν. Στην περίπτωση νοημόνων όντων, αυτό σημαίνει πως μερικά άτομα του συνόλου θα είναι περισσότερο ικανά από τα υπόλοιπα να εξάγουν τα σωστά συμπεράσματα για τον κόσμο που τα περιβάλλει, και να συμπεριφέρονται ανάλογα με αυτά τα συμπεράσματα. Τα άτομα αυτά θα έχουν περισσότερες πιθανότητες να επιβιώσουν και να αναπαραχθούν και έτσι, σταδιακά, μέσα στο σύνολο θα κυριαρχήσει ο δικός τους τρόπος νόησης και συμπεριφοράς. Στο παρελθόν, η νοημοσύνη, η λογική συμπεριφορά και οι επιστημονικές ανακαλύψεις κατέληγαν πάντοτε να προσφέρουν κάποια συγκριτικά πλεονεκτήματα στον αγώνα για επιβίωση. Δεν είναι βέβαια τόσο προφανές ότι και σήμερα συμβαίνει κάτι ανάλογο: οι επιστημονικές ανακαλύψεις μας μπορούν να μας καταστρέψουν όλους, ακόμη όμως κι αν δεν συμβεί αυτό, μια πλήρης ενιαία θεωρία μπορεί να μην επηρεάσει και πολύ τις πιθανότητες επιβίωσής μας. Αφού όμως το Σύμπαν έχει εξελιχθεί με έναν κανονικό τρόπο μπορούμε να περιμένουμε ότι οι ικανότητες εξαγωγής των σωστών συμπερασμάτων (που τις κληρονομήσαμε μέσω της φυσικής επιλογής) θα εξακολουθήσουν να ισχύουν και κατά τη διαδικασία αναζήτησης μιας πλήρους ενιαίας θεωρίας και δεν θα μας οδηγήσουν σε λανθασμένα συμπεράσμαστα.

Επειδή οι επιμέρους θεωρίες που ήδη διαθέτουμε είναι αρκετές για να κάνουμε ακριβείς προβλέψεις σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις, φαίνεται ότι η αναζήτηση μιας πλήρους ενιαίας θεωρίας είναι δύσκολο να στηριχθεί σε λόγους πρακτικής ωφέλειας. (Είναι αξιοσημείωτο όμως ότι παρόμοια επιχειρήματα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθούν και στην εποχή πριν την ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής, που τελικά μας οδήγησε στην επανάσταση της μικροηλεκτρονικής!). Η ανακάλυψη μιας πλήρους ενιαίας θεωρίας μπορεί πράγματι να μη μας δώσει κάποιο πλεονέκτημα στον αγώνα για την επιβίωση μας. Μπορεί ακόμη να μη βελτιώσει τον τρόπο ζωής μας. Αλλά πάντοτε, από την αυγή του πολιτισμού, οι άνθρωποι δεν παρέμεναν απαθείς μέσα σε ένα περιβάλλον ανεξήγητων φαινομένων. Επιζητούσαν να κατανοήσουν την ουσιαστική τάξη του Κόσμου. Σήμερα εξακολουθούμε να θέλουμε να γνωρίσουμε το γιατί είμαστε εδώ και από πού προερχόμαστε. Αυτή η βαθύτατη επιθυμία της γνώσης είναι λόγος αρκετός για να συνεχίσουμε την αναζήτηση μας. Και ο σκοπός μας δεν είναι άλλος από την πλήρη περιγραφή του Σύμπαντος που μέσα του ζούμε.


Η παραπάνω θέση αποτελεί ένα απόσπασμα του βιβλίου: Το χρονικό του Χρόνου, εκδόσεις Κάτοπτρο του Στήβεν Χώκινγκ, σε μετάφραση του Κωνσταντίνου Χάρακα. 



Σχόλια

Δημοφιλείς αναρτήσεις από αυτό το ιστολόγιο

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) Εξισώσεις κίνησης

Περιοδικά ονομάζονται τα φαινόμενα που επαναλαμβάνονται με τον ίδιο τρόπο σε ίσα χρονικά διαστήματα. Π.χ. ομαλή κυκλική κίνηση, κίνηση εκκρεμούς, περιστροφή γης γύρω από τον ήλιο κ.ά.
(Σκέψου μερικά ακόμη…)
Στοιχεία περιοδικής κίνησης Κάθε περιοδική κίνηση χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω τρία στοιχειά:
Περίοδος (Τ) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται ο χρόνος που απαιτείται για μια πλήρη επανάληψη του φαινομένου ή ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών επαναλήψεων του φαινομένου.
Η περίοδος είναι μονόμετρο μέγεθος και η μονάδα μέτρησής της είναι το 1 sec.

Συχνότητα (f) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται το φυσικό μέγεθος του οποίου το μέτρο θα δίνεται από το σταθερό πηλίκο του αριθμού Ν των επαναλήψεων του φαινομένου σε κάποιο χρόνο t, προς το χρόνο αυτό.Δηλαδή: Η συχνότητα είναι μονόμετρο μέγεθος και έχει μονάδα μέτρησης το 1 sec-1 ή 1 κύκλος/sec ή 1 Hz (Hertz).



Σχέση μεταξύ περιόδου – συχνότητας Επειδή σε χρόνο t ίσο με μια περίοδο Τ έχουμε μια επανάληψη (Ν=1) του φαινομένου έχουμ…

Ενέργεια Ταλάντωσης

Η ενέργεια της ταλάντωσης Ε (ή ολική ενέργεια) ενός συστήματος που εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση ισούται με την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα για να το θέσουμε σε κίνηση (ταλάντωση). 




Η ενέργεια αυτή θα δίνεται από τη σχέση:  Από την σχέση αυτή προκύπτει ότι το πλάτος Α καθορίζεται από την ενέργεια της ταλάντωσης, δηλαδή από την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα ώστε να αρχίσει να ταλαντώνεται. Σε όλη την διάρκεια της ταλάντωσης η ενέργεια παραμένει σταθερή. Η ενέργεια μιας απλής αρμονικής ταλάντωσης είναι σταθερή και ανάλογη µε το τετράγωνο του πλάτους της.

Απόδειξη της παραπάνω σχέσης. Αν το σώμα βρίσκεται ακίνητο στην θέση ισορροπίας, για να μετακινηθεί σε µια άλλη θέση πρέπει να του ασκηθεί κατάλληλη εξωτερική δύναμη Fεξ . Κατά την μετακίνηση αυτή θα ασκείται στο σώμα και η δύναμη επαναφοράς. 

Για να μετακινηθεί το σώμα στην θέση (x) θα πρέπει το μέτρο της εξωτερικής δύναμης να είναι ίσο µε το μέτρο της δύναμης επαναφοράς και να έχει αντίθετη φορά, σε κάθε χρονι…

Ταλάντωση και Ελατήριο

Ελατήριο ονομάζεται ένα μηχανικό εξάρτημα το οποίο έχει την ικανότητα να αποθηκεύει μηχανική ενέργεια παραμορφώμενο προσωρινά. Συνήθως το σχήμα είναι ελικοειδές, αλλά υπάρχουν και ελατήρια σε σχήμα ράβδου, οι σούστες.
Το κάθε ελατήριο μπορεί να παραμορφωθεί ως προς μία διάστασή του υπό την επίδραση δύναμης. Όταν ασκείται δύναμη σε αυτήν τη διάσταση, το ελατήριο παραμορφώνεται αποθηκεύοντας το έργο της δύναμης.
Ιδανικό ελατήριο Σε ιδανικά θεωρητικά ελατήρια ισχύει απόλυτα ο νόμος του Hook, δε χάνεται ενέργεια στο περιβάλλον και τα ελατήρια μπορούν πάντα να επιστρέψουν στο αρχικό τους μήκος. Επίσης η μάζα του ιδανικού ελατηρίου θεωρείται αμελητέα. [Στην πραγματικότητα χάνεται μικρό ποσό ενέργειας στο περιβάλλον ως θερμική ενέργεια, ενώ η παραμόρφωση μπορεί να γίνει μόνιμη. Κάθε ελατήριο έχει κάποια όρια αντοχής αν τα υπερβούν θα παραμορφωθεί ή θα σπάσει. Επιπλέον, με την επαναλαμβανόμενη χρήση το υλικό χάνει τις ιδιότητές του λόγω μηχανικής κόπωσης και αν δεν αντικατασταθεί θα σπάσει.]

Νόμο…

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) - Συνισταμένη Δύναμη

Από την Α΄ Λυκείου γνωρίζεις τον θεμελιώδη νόμο της Μηχανικής (2ος νόμος του Newton), ΣF=mα. Επίσης, όπως γνωρίζεις για να υπάρχει επιτάχυνση πρέπει να υπάρχει και δύναμη που ασκείται σε κάποιο σώμα. Στην Α.Α.Τ. ισχύει α=-ω2x, ο συνδυασμός αυτών των δυο σχέσεων δίνει τη σχέση: 
ΣF=-m ω2x Από τη σχέση αυτή φαίνεται ότι όταν ένα σώμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση η συνολική δύναμη που δέχεται είναι ανάλογη με την απομάκρυνση του σώματος από την Θ.Ι. της τροχιάς του και έχει αντίθετη φορά από αυτήν. Όταν το σώμα περνά από την Θ.Ι. η συνολική δύναμη που δέχεται ισούται με μηδέν. (Για το λόγο αυτό, ονομάζεται θέση ισορροπίας της ταλάντωσης). Επίσης, στις ακραίες θέσεις της ταλάντωσης η ΣF είναι μεγίστη.


Στο βίντεο δες το διάνυσμα της δύναμης επαναφοράς (είναι πάντα προς την θέση ισορροπίας). 



Αν συμβολίσουμε το γινόμενο mω2 με D (που είναι σταθερό για κάθε ταλαντωτή), δηλαδή D = mω2
Τότε θα έχουμε τη σχέση που δίνει τη δύναμη:F = −Dx (Μάθε την απόδειξη)

Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή και σαν συν…

Ταλάντωση και πλαστική κρούση

Θυμήσου την ορμή: 
Για ένα σώμα μάζας m που κινείται µε ταχύτητα u η ορμή του p δίνεται από τη σχέση: p=mu

Η ορμή p είναι ένα διανυσματικό μέγεθος το ο­ποίο έχει: μέτρο p = mu,διεύθυνση και φορά ίδια µε τη διεύθυνση και τη φορά της ταχύτητας u,μονάδα μέτρησης στο S.I. το 1 kg ∙ m/s (ισοδύναμη μονάδα είναι το 1 Ν∙s).Η ορμή, ως διανυσματικό μέγεθος, έχει όλες τις ιδιότητες των διανυσμάτων. Έτσι: μπορεί ν' αναλυθεί σε άξονες, δηλαδή σε συ­νιστώσες px και py,μεταβάλλεται αν μεταβληθεί τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της, δηλαδή το μέτρο της, η διεύθυνσή της ή η φορά της.Ο ρυθμός μεταβολής της ορμής (dp/dt) ισούται με την δύναμη ή τη συνισταμένη των δυνάμεων (ΣF) που ασκούνται στο σώμα.

Προσοχή:

Όταν στις ασκήσεις πρέπει να υπολογίσεις την μεταβολή της ορμής τότε θα υπολογίζεις την σχέση:Δp = pτελ – pαρχΕνώ όταν  ζητείται ο ρυθμό μεταβολής της ορμής θα υπολογίζεις τη σχέση: dp/dt ή ΣF. Θυμήσου:
Σύστημα σωμάτων ονομάζουμε κάθε σύνολο σωμάτων, τα οποία απομονώνουμε νοητι…