10 επιστημονικές θεωρίες που πρέπει να ξέρετε

Τι δηλαδή, επιστροφή στο σχολείο; Το ξέρουμε, κι εσείς σιχαινόσασταν τη φυσική, και ανυπομονούσατε να λήξει η μαθητική σας ιδιότητα για να μην ξανασχοληθείτε ποτέ με τους μαθηματικούς τύπους και τις εξισώσεις εκείνες, στις οποίες συμπτύσσονταν ολόκληροι τόμοι φυσικών νόμων και θεωριών.

Εμείς, αυτή τη φορά, όμως, δεν θα σταθούμε στους μαθηματικούς τύπους. Γιατί, για να σας πούμε την αλήθεια, ούτε εμάς μας συγκινεί η διατύπωση «E=mc²» ή «F ισούται με…» και λοιπά και λοιπά. Αυτό που προσπαθούμε σε αυτό το δημοσίευμα είναι να αποδώσουμε με λίγα λόγια όσα κρύβουν αυτοί οι τύποι. Να μάθουμε το «ζουμί» δέκα… SOS επιστημονικών θεωριών, καθώς και την εφαρμογή τους στην σύγχρονη ζωή. Από την αρχή όλων και το «big bang» μέχρι την εξελικτική θεωρία του Δαρβίνου και την σχετικότητα του Αϊνστάιν, ιδού δέκα επιστημονικές αποκωδικοποιήσεις που καθόρισαν τον τρόπο με τον οποία βλέπουμε πλέον το σύμπαν αλλά και τον ίδιο μας τον εαυτό.

*Big Bang
Αν έπρεπε να έχουμε υπόψη μία και μόνο επιστημονική θεωρία μία επιστημονική θεωρία, πιθανότατα θα ήταν εκείνη της «Μεγάλης Έκρηξης» που έφερε το σύμπαν στην μορφή με την οποία το γνωρίζουμε(;) σήμερα. Βασισμένη μεταξύ άλλων σε έρευνες των Hubble, Lemaitre και Einstein, η περίφημη θεωρία του “big bang” υποστηρίζει πως το σύμπαν ξεκίνησε το «ταξίδι» του περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, χάρη σε μια τεράστια έκρηξη. Ως τότε, πιστεύεται ότι το σύμπαν περιοριζόταν σε ένα και μόνο σημείο, το οποίο περιλάβανε όλη την ύλη. Η τάση που άρχισε με την έκρηξη συνεχίζεται ακόμη και σήμερα, αφού το σύμπαν εξακολουθεί να εξαπλώνεται.

Η θεωρία του «big bang» γνώρισε ευρεία στήριξη στις τάξεις της επιστημονικής κοινότητας, μετά την ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων, το 1965. Οι Penzias και Wilson που έκαναν την ανακάλυψη, εντόπισαν «κοσμικό θόρυβο», που στοιχειοθετούσε την υπόθεση ότι η μεγάλη έκρηξη άφησε πίσω της ίχνη ασθενούς ακτινοβολίας που μπορεί να εντοπιστεί στο σύμπαν.

*Η θεωρία της κοσμικής εξάπλωσης του Hubble
Ο Edwin Hubble κατά την δεκαετία του ’20, παρά το μεγάλο κραχ, είχε βαλθεί να πραγματοποιήσει τις πιο πρωτοποριακές αστρονομικές έρευνες: Όχι μόνο απέδειξε ότι υπάρχουν κι άλλα πλανητικά συστήματα πέρα από τον δικό μας Γαλαξία, αλλά ανακάλυψε ότι αυτά τα πλανητικά συστήματα απομακρύνονται από το δικό μας, με μια κίνηση που ονόμασε “recession” (υποχώρηση).

Για να υπολογίσει την ταχύτητα αυτής της γαλαξιακής κίνησης, πρότεινε τον Νόμο της Κοσμικής Εξάπλωσης του Hubble (ή απλούστερα τον Νόμο του Hubble), δηλαδή την εξίσωση «ταχύτητα=Η° x Απόσταση», όπου Η° είναι το «στοιχείο Hubble», μια παράμετρος που ορίζει τον ρυθμό εξάπλωσης του σύμπαντος. Σήμερα, η τιμή αυτής της ταχύτητας υπολογίζεται στα 70 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο ανά “megaparsec” (μονάδα μέτρησης διαγαλαξιακής απόστασης). Αλλά πέρα από τις ακαταλαβίστικες τιμές, αυτό που έχει σημασία είναι ότι ο νόμος του Hubble μας παραδίδει μια περιεκτική μέθοδο, που πέρα από την ταχύτητα των γαλαξιών, μας έμαθε το σημαντικότερο: υπάρχουν κι άλλοι γαλαξίες.

*Οι νόμοι της Πλανητικής Κίνησης του Kepler
Για αιώνες, οι επιστήμονες διαφωνούσαν μεταξύ τους, καθώς και με τους θρησκευτικούς ηγέτες σχετικά με τις τροχιές των πλανητών, ιδιαίτερα για το κατά πόσο γυρίζουν γύρω από τον Ήλιο. Μπορεί ο Κοπέρνικος να εμφάνισε στο προσκήνιο το ηλιοκεντρικό σύστημα, αλλά έπρεπε να έρθει ο Johannes Kepler για να «χτίσει» πάνω στις παλαιότερες μελέτες και να διαμορφώσει έναν στιβαρό νόμο που να διέπει την πλανητική κίνηση.

Οι τρεις νόμοι που προέκυψαν από τον Kepler τον 17ο αιώνα είναι συνοπτικά οι εξής: Πρώτον, οι τροχιές των πλανητών γύρω από τον Ήλιο είναι ελλειπτικές. Δεύτερον, μια ευθεία που ενώνει τον πλανήτη με τον Ήλιο καλύπτει ίση απόσταση σε ίσες χρονικές περιόδους. Ο τρίτος νόμος επιτρέπει στην επιστήμη να συσχετίζει την περίοδο τροχιάς ενός πλανήτη και την απόστασή του από τον Ήλιο. Χάρη σε αυτόν γνωρίζουμε, για παράδειγμα, ότι η Αφροδίτη, που είναι πιο κοντά στον Ήλιο, έχει πιο σύντομη περίοδο τροχιάς από έναν πιο μακρινό πλανήτη, όπως ο Ποσειδώνας.

*Οι νόμοι της έλξης της βαρύτητας
Μπορεί πλέον να τη θεωρούμε δεδομένη, αλλά μέχρι «το μήλο» να πέσει στο κεφάλι του Ισαάκ Νεύτωνα τρεις αιώνες πριν, η βαρύτητα αποτελούσε άγνωστη έννοια. Η επαναστατική ιδέα του Νεύτωνα ήταν η εξής: Οποιαδήποτε δύο αντικείμενα, ανεξάρτητα από την μάζα τους, ασκούν ελκτική δύναμη το ένα στο άλλο. Έτσι, χάρη στην διατύπωση αυτού του νόμου (και του αντίστοιχου μαθηματικού τύπου), μπορεί για παράδειγμα η NASA να υπολογίζει τις τροχιές και τις θέσεις δορυφόρων που στέλνει στο διάστημα, γνωρίζοντας την έλξη που θα ασκήσει και θα ασκηθεί από άλλα σώματα.

*Οι νόμοι της κίνησης
Ο Νεύτωνας το έκανε και πάλι το θαύμα του, συστήνοντας στην ανθρωπότητα τρεις θεμελιώδεις νόμους για την κίνηση: Πρώτον, ένα αντικείμενο σε κίνηση, θα συνεχίσει να κινείται μέχρι να το σταματήσει κάποια άλλη δύναμη. Δεύτερον, η μάζα κάθε σώματος συσχετίζεται με την επιτάχυνσή του - μέσω ενός τύπου που δεν χρειάζεται να σας παραθέσουμε, ας το κρατήσουμε στο απλό επίπεδο που θα επιθυμούσε ο Νεύτωνας. Τρίτον (και γνωστότερον), για κάθε δράση, υπάρχει ίση αντίδραση.

*Η αρχή της άνωσης του Αρχιμήδη
Η γνωστή ιστορία του Αρχιμήδη, που πετάχτηκε από την μπανιέρα του και έτρεξε γυμνός στις Συρακούσες φωνάζοντας «Εύρηκα» αναφέρεται φυσικά στην αρχή της άνωσης. Η ανακάλυψή του βασίστηκε στην παρατήρηση ότι η στάθμη του νερού στην μπανιέρα του ανέβηκε όταν μπήκε αυτός μέσα. Μάλιστα, όρισε ότι η δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα (ήμι)βυθισμένο στο νερό, δηλαδή η άνωση, ισούται με το βάρος του υγρού που εκτοπίζεται. Χάρη στον Αρχιμήδη, η επιστήμη εξέλιξε τους υπολογισμούς της πυκνότητας, καθώς και τις τεχνολογίες που οδήγησαν στην κατασκευή πλοίων και υποβρυχίων.

*Οι νόμοι της θερμοδυναμικής
Η θερμοδυναμική είναι η μελέτη του τρόπου που η ενέργεια «ρέει» σε ένα σύστημα, είτε πρόκειται για μια μηχανή, είτε για τον πυρήνα της Γης. Ο Βρετανός φυσικός C.P. Snow συνέπτυξε τους νόμους της σε τρεις απλές αρχές: Δεν μπορείς να νικήσεις. Δεν μπορείς να σταματήσεις ισόπαλος. Δεν μπορείς να σταματήσεις το παιχνίδι.

Τι σημαίνουν; Πρώτον, αφού η ενέργεια παραμένει πάντα σταθερή ως ποσότητα, δεν μπορείς να παράγεις ενέργεια χωρίς να σπαταλήσεις την αντίστοιχη ποσότητα. Δεύτερον, χάρη στην περίφημη εντροπία, δεν μπορείς να επιστρέψεις ποτέ στην ίδια κατάσταση ενέργειας. Τρίτον, ενώ θεωρητικά υπάρχει το απόλυτο μηδέν, δηλαδή η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία, στην οποία τα μόρια σταματούν να κινούνται, στον πραγματικό κόσμο ή ακόμη και στο διάστημα, είναι αδύνατον να επιτύχει κανείς τις συνθήκες του απόλυτου μηδενός.

*Η εξέλιξη των ειδών 
Σύμφωνα με τους περισσότερους επιστήμονες, κάθε μορφή ζωής στη Γη έχει έναν κοινό πρόγονο. Ορισμένοι από αυτούς τους «προγόνους», για να σχηματίσουν την τεράστια ποικιλία των οργανισμών, έπρεπε να εξελιχθούν, έλκοντας την καταγωγή τους μέσω του «μετασχηματισμού». Πληθυσμοί οργανισμών εμφάνισαν διαφορετικά χαρακτηριστικά. Όσοι από αυτούς τους οργανισμούς είχαν γνωρίσματα που τους επέτρεπαν να επιβιώσουν, ήταν εκείνοι που έχαιραν της «φυσικής επιλογής». Τόμοι ολόκληροι μπορούν να γραφούν για την εξέλιξη των ειδών, αλλά αυτή είναι η καρδιά της θεωρίας του Δαρβίνου, την οποία ανέπτυξε κατά τον 19ο αιώνα.

*Η θεωρία της σχετικότητας
Ώρα για λίγο Αϊνστάιν. Η θεωρία του πολλή κριτική έχει δεχθεί, αλλά παραμένει σημαντικός πυλώνας στην επιστήμη και τον τρόπο με τον οποίο κοιτάζουμε το σύμπαν. Αυτό που στην ουσία διατύπωσε ο Αϊνστάιν είναι ότι ο χώρος και ο χρόνος έχουν όρια και ότι η βαρύτητα δεν είναι απλώς μια δύναμη που ασκείται σε κάποιο σώμα. Η βαρύτητα που σχετίζεται με οποιαδήποτε μάζα, «κινείται» με συγκεκριμένο τρόπο στον χωροχρόνο.

Φανταστείτε ότι ταξιδεύετε σε μια ευθεία γραμμή κάνοντας τον γύρο της Γης, ξεκινώντας κάπου στο Νότιο ημισφαίριο και πηγαίνοντας ανατολικά. Μετά από ένα διάστημα, αν κάποιος προσπαθούσε να δείξει την θέση σας στον χάρτη, αυτή θα ήταν και προς την ανατολή αλλά και προς τον νότο, σε σχέση με την αρχική σας θέση – κι αυτό επειδή η Γη δεν είναι επίπεδη. Περιττεύει να αναφέρουμε την συνεισφορά της θεωρίας της σχετικότητας στην αστροφυσική και την κοσμολογία.

*Η θεωρία της αβεβαιότητας του Heisenberg
Η κβαντική φυσική της οποίας τα θεμέλια έθεσε (και) ο Αϊνστάιν έφερε πολλή σύγχυση στην επιστημονική κοινότητα. Το 1927, η αίσθηση ότι οι νόμοι του σύμπαντος είναι τόσο ευέλικτοι, προκάλεσε τον Γερμανό επιστήμονα Werner Heisenberg να κάνει την εξής ανακάλυψη: Είναι αδύνατο να ξέρει κανείς, σε μεγάλο βαθμό ακρίβειας, δύο ιδιότητες του μικρότερου δυνατού σωματιδίου. Εν ολίγοις, μπορεί να γνωρίζεις την θέση ενός ηλεκτρονίου ως έναν βαθμό ακρίβειας, αλλά όχι την ορμή του, και αντιστρόφως.

Αργότερα, ο Niels Bohr προχώρησε σε νέα ανακάλυψη, που επεξήγησε αυτή την αρχή του Heisenberg: Ένα ηλεκτρόνιο έχει τις ιδιότητες και της ύλης και του κύματος – αρχή που αποτέλεσε τον ακρογωνιαίο λίθο στην κβαντική φυσική.

Επιμέλεια: Γιώργος Κόκουβας