Home » Άρθρα
Category Archives: Άρθρα
Μαξ Μπορν: Ο πρωτοπόρος της κβαντομηχανικής
Ο Μαξ Μπορν (Max Born) ήταν Γερμανός φυσικός, ο οποίος μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής το 1954 με τον Βάλτερ Μπότε για την πιθανολογική ερμηνεία της κβαντομηχανικής.
Ο Μπορν προερχόταν από μια εβραϊκή οικογένεια της ανώτερης μεσαίας τάξης. Αρχικά θεωρήθηκε πολύ αδύναμος για να φοιτήσει σε δημόσιο σχολείο, οπότε διδάχθηκε στο σπίτι πριν του επιτραπεί να φοιτήσει στο Γυμνάσιο König Wilhelm στο Μπρέσλαου. Στη συνέχεια, συνέχισε τις σπουδές του στη Φυσική και τα Μαθηματικά στα πανεπιστήμια του Μπρέσλαου, της Χαϊδελβέργης, της Ζυρίχης και του Γκέτινγκεν. Στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν έγραψε τη διατριβή του (1906), με θέμα την ευστάθεια των ελαστικών συρμάτων και ταινιών, για την οποία ανακηρύχθηκε διδάκτωρ έναν χρόνο αργότερα (1907).
Μετά από μια σύντομη θητεία στο στρατό αλλά και την παραμονή του στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, ο Μαξ Μπορν επέστρεψε στο Μπρέσλαου για το ακαδημαϊκό έτος 1908-09 και άρχισε μια εκτεταμένη μελέτη της θεωρίας της ειδικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Με βάση τις εργασίες του στον τομέα αυτό, ο Μπορν προσκλήθηκε πίσω στο Γκέτινγκεν ως βοηθός του μαθηματικού φυσικού Χέρμαν Μινκόφσκι. Το 1915 ο Μπορν δέχτηκε μια θέση καθηγητή για να βοηθήσει τον φυσικό Μαξ Πλανκ στο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου. Ωστόσο μεσολάβησε ο Ά ΠΠ και επιστρατεύτηκε στον γερμανικό στρατό. Παρ’ όλα αυτά, ενώ ήταν αξιωματικός του στρατού, βρήκε χρόνο να δημοσιεύσει το πρώτο του βιβλίο, Dynamik der Kristallgitter.
Το 1919 ο Μπορν διορίστηκε τακτικός καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Φρανκφούρτης και το 1921 δέχτηκε τη θέση του καθηγητή Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν. Ο Τζέιμς Φρανκ είχε διοριστεί καθηγητής πειραματικής φυσικής στο Γκέτινγκεν το προηγούμενο έτος. Οι δυο τους έκαναν το Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν ένα από τα σημαντικότερα κέντρα μελέτης των ατομικών και μοριακών φαινομένων. Ένα μέτρο της επιρροής του Μπορν μπορεί να μετρηθεί από τους μαθητές και τους βοηθούς που ήρθαν να εργαστούν μαζί του -μεταξύ αυτών, ο Βόλφγκανγκ Πάουλι, ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, ο Πασκουάλ Τζόρνταν, ο Ενρίκο Φέρμι, ο Φριτς Λόντον, ο Π.Α.Μ. Ντιράκ, ο Βίκτορ Βάισκοπφ, ο Τζ. Ρόμπερτ Οπενχάιμερ, ο Βάλτερ Χάιτλερ και η Μαρία Γκέπερτ-Μάγιερ.
Tα χρόνια στο Γκέτινγκεν ήταν τα πιο δημιουργικά και σημαδιακά για τον Μπορν. Το 1912 ο ίδιος και ο Ούγγρος μηχανικός Θίοντορ φον Κάρμαν διατύπωσαν τη δυναμική ενός κρυσταλλικού πλέγματος, η οποία ενσωμάτωσε τις ιδιότητες συμμετρίας του πλέγματος, επέτρεψε την επιβολή κβαντικών κανόνων και τον υπολογισμό των θερμικών ιδιοτήτων του κρυστάλλου. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε όταν ο Μπορν βρισκόταν στο Γκέτινγκεν και αποτέλεσε τη βάση της σύγχρονης θεωρίας της δυναμικής του πλέγματος.
Το 1925 ο Χάιζενμπεργκ έδωσε στον Μπορν ένα αντίγραφο του χειρόγραφου της πρώτης του εργασίας για την κβαντομηχανική και ο Μπορν αναγνώρισε αμέσως ότι οι μαθηματικές οντότητες με τις οποίες ο Χάιζενμπεργκ είχε αναπαραστήσει τα παρατηρήσιμα φυσικά μεγέθη ενός σωματιδίου – όπως η θέση, η ορμή και η ενέργειά του- ήταν πίνακες. Μαζί με τον Χάιζενμπεργκ και τον Τζόρνταν, ο Μπορν διατύπωσε όλες τις ουσιώδεις πτυχές της κβαντομηχανικής στην εκδοχή των πινάκων της. Λίγο αργότερα, ο Έρβιν Σρέντινγκερ διατύπωσε μια εκδοχή της κβαντομηχανικής βασισμένη στην κυματική εξίσωση. Σύντομα αποδείχθηκε ότι οι δύο διατυπώσεις ήταν μαθηματικά ισοδύναμες. Αυτό που παρέμενε ασαφές ήταν η σημασία της κυματοσυνάρτησης που εμφανιζόταν στην εξίσωση του Σρέντινγκερ. Το 1926 ο Μπορν υπέβαλε δύο εργασίες στις οποίες διατύπωσε την κβαντομηχανική περιγραφή των διαδικασιών σύγκρουσης και διαπίστωσε ότι στην περίπτωση της σκέδασης ενός σωματιδίου από ένα δυναμικό, η κυματοσυνάρτηση σε μια συγκεκριμένη χωροχρονική θέση θα πρέπει να ερμηνεύεται ως το πλάτος πιθανότητας να βρεθεί το σωματίδιο στο συγκεκριμένο χωροχρονικό σημείο. Το 1954 του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ για την εργασία αυτή.
Ο Μπορν παρέμεινε στο Γκέτινγκεν μέχρι τον Απρίλιο του 1933, όταν όλοι οι Εβραίοι απολύθηκαν από τις ακαδημαϊκές τους θέσεις στη Γερμανία. Ο Μπορν και η οικογένειά του πήγαν στην Αγγλία, όπου δέχτηκε μια προσωρινή θέση λέκτορα στο Κέιμπριτζ. Το 1936 διορίστηκε καθηγητής Φυσικής Φιλοσοφίας στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. Έγινε Βρετανός πολίτης το 1939 και παρέμεινε στο Εδιμβούργο μέχρι τη συνταξιοδότησή του το 1953. Την επόμενη χρονιά μετακόμισε με τη σύζυγό του στο Μπαντ Πύρμοντ, μια μικρή λουτρόπολη κοντά στο Γκέτινγκεν.
Επιστήμονες αναπτύσσουν 3D τυπωμένο σύστημα κενού που στοχεύει στην παγίδευση της σκοτεινής ύλης
Χρησιμοποιώντας ένα ειδικά σχεδιασμένο τρισδιάστατο (3D) εκτυπωμένο σύστημα κενού, οι επιστήμονες ανέπτυξαν έναν τρόπο για να «παγιδεύσουν» τη σκοτεινή ύλη με στόχο την ανίχνευση τοιχωμάτων. Αυτό θα αποτελέσει ένα σημαντικό βήμα προόδου για τη διαλεύκανση ορισμένων από τα μυστήρια του σύμπαντος.
Ειδικότερα, επιστήμονες από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου του Νότιγχαμ δημιούργησαν ένα τρισδιάστατα εκτυπωμένο σύστημα κενού το οποίο θα χρησιμοποιήσουν σε ένα νέο πείραμα για να μειώσουν την πυκνότητα του αερίου και στη συνέχεια να προσθέσουν υπερ-κρύα άτομα λιθίου για να προσπαθήσουν να ανιχνεύσουν σκοτεινά τοιχώματα.
Η καθηγήτρια Clare Burrage από τη Σχολή Φυσικής είναι μία από τις επικεφαλής συγγραφείς της μελέτης και εξηγεί: «Η συνηθισμένη ύλη από την οποία είναι φτιαγμένος ο κόσμος είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα του περιεχομένου του σύμπαντος, περίπου 5%, το υπόλοιπο είναι είτε σκοτεινή ύλη είτε σκοτεινή ενέργεια – μπορούμε να δούμε τις επιδράσεις τους στο πως συμπεριφέρεται το σύμπαν, αλλά δεν ξέρουμε ποιες είναι. Ένας τρόπος με τον οποίο οι άνθρωποι προσπαθούν να μετρήσουν τη σκοτεινή ύλη είναι να εισάγουν ένα σωματίδιο που λέγεται “σκαλικό πεδίο”».
Οι ερευνητές βασίστηκαν για την κατασκευή των τρισδιάστατων δοχείων στη θεωρία, ότι τα ελαφριά πεδία σκαλάρ, με δυναμικό διπλού πηγαδιού και άμεσες συνδέσεις ύλης, υφίστανται μεταβάσεις φάσης που οδηγούνται από την πυκνότητα, οδηγώντας στο σχηματισμό τοιχωμάτων περιοχής.
«Καθώς η πυκνότητα μειώνεται, σχηματίζονται ατέλειες – αυτό είναι παρόμοιο με το όταν το νερό παγώνει σε πάγο, τα μόρια του νερού είναι τυχαία και όταν παγώνουν αποκτάς μια κρυσταλλική δομή με μόρια που παρατάσσονται τυχαία, με κάποια να παρατάσσονται με έναν τρόπο και κάποια με άλλον και αυτό δημιουργεί γραμμές διακλάδωσης. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει και στα πεδία σπινθηρισμών καθώς η πυκνότητα μειώνεται. Δεν μπορείτε να δείτε αυτές τις γραμμές ρήγματος με το μάτι, αλλά αν τα σωματίδια περάσουν από πάνω τους μπορεί να αλλάξει η τροχιά τους Αυτά τα ελαττώματα είναι σκοτεινά τοιχώματα και μπορούν να αποδείξουν τη θεωρία των σκαλικών πεδίων – είτε ότι αυτά τα πεδία υπάρχουν είτε όχι», προσθέτει ο Burrage.
Για την ανίχνευση αυτών των ελαττωμάτων ή σκοτεινών τοίχων η ομάδα δημιούργησε ένα ειδικά σχεδιασμένο κενό το οποίο θα χρησιμοποιήσει σε ένα νέο πείραμα που θα μιμηθεί τη μετακίνηση από ένα πυκνό περιβάλλον σε ένα λιγότερο πυκνό περιβάλλον. Χρησιμοποιώντας τη νέα διάταξη θα ψύξουν άτομα λιθίου με φωτόνια λέιζερ στους -273 °C, δηλαδή κοντά στο απόλυτο μηδέν. Σε αυτή τη θερμοκρασία, αποκτούν κβαντικές ιδιότητες, γεγονός που καθιστά την ανάλυση πιο ακριβή και προβλέψιμη.
Η Lucia Hackermueller, αναπληρώτρια καθηγήτρια στη Σχολή Φυσικής, που ηγήθηκε του σχεδιασμού του εργαστηριακού πειράματος, αναφέρει: «Τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα δοχεία που χρησιμοποιούμε ως θάλαμο κενού έχουν κατασκευαστεί με βάση θεωρητικούς υπολογισμούς των σκοτεινών τοιχωμάτων. Έτσι δημιουργήθηκε αυτό που πιστεύαμε ότι είναι το ιδανικό σχήμα, η δομή και η υφή για την παγίδευση της σκοτεινής ύλης. Για να αποδείξουμε με επιτυχία ότι τα σκοτεινά τοιχώματα έχουν παγιδευτεί, θα αφήσουμε ένα ψυχρό ατομικό νέφος να περάσει μέσα από αυτά τα τοιχώματα. Το νέφος στη συνέχεια εκτρέπεται. Για να ψύξουμε αυτά τα άτομα εκτοξεύουμε φωτόνια λέιζερ στα άτομα, τα οποία μειώνουν την ενέργεια στο άτομο – αυτό είναι σαν να επιβραδύνουμε έναν ελέφαντα χρησιμοποιώντας χιονόμπαλες».
Η ομάδα χρειάστηκε τρία χρόνια για να κατασκευάσει το σύστημα και αναμένει να έχει αποτελέσματα μέσα σε ένα χρόνο.
«Είτε αποδείξουμε ότι υπάρχουν σκοτεινά τοιχώματα είτε όχι, θα είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης και ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς ένα καλά ελεγχόμενο εργαστηριακό πείραμα μπορεί να σχεδιαστεί για να μετρήσει άμεσα φαινόμενα που είναι σημαντικά για το σύμπαν και διαφορετικά δεν μπορούν να παρατηρηθούν», καταλήγει ο Hackermueller.
Η Βέρα Ρούμπιν και η σκοτεινή ύλη
Σε νεαρή ηλικία, η Βέρα Ρούμπιν (Vera Rubin) γοητευόταν από τα αστέρια, παρακολουθώντας τον νυχτερινό ουρανό να περιστρέφεται από το υπνοδωμάτιό της στην Ουάσινγκτον.
Αν και ο πατέρας της είχε αμφιβολίες για τις ευκαιρίες καριέρας στην αστρονομία, υποστήριξε το ενδιαφέρον της βοηθώντας την να κατασκευάσει το δικό της τηλεσκόπιο και πηγαίνοντας μαζί της σε συναντήσεις ερασιτεχνών αστρονόμων. Η Βέρα Ρούμπιν πήρε υποτροφία για το διάσημο γυναικείο κολέγιο Βασσάρ, από όπου αποφοίτησε ως η μοναδική ειδικευόμενη στην αστρονομία το 1948. Κάνοντας αίτηση σε μεταπτυχιακές σχολές, η ίδια πληροφορήθηκε ότι «το Πρίνστον δεν δέχεται γυναίκες» στο πρόγραμμα αστρονομίας. Απτόητη, η Ρούμπιν έκανε αίτηση στο Κορνέλ, όπου σπούδασε φυσική με καθηγητές τους Φίλιπ Μόρισον, Ρίτσαρντ Φάινμαν και Χανς Μπέτε. Στη συνέχεια πήγε στο Πανεπιστήμιο Τζορτζτάουν, όπου πήρε το διδακτορικό της το 1954.
Αφού δίδαξε για λίγα χρόνια στο Τζορτζτάουν, πήρε μια θέση έρευνας στο Ινστιτούτο Κάρνεγκι στην Ουάσιγκτον, το οποίο είχε ένα μέτριο πρόγραμμα αστρονομίας. Η εργασία της επικεντρώθηκε σε παρατηρήσεις της δυναμικής των γαλαξιών. Συνεργάστηκε με τον Κεντ Φορντ, έναν αστρονόμο που είχε αναπτύξει ένα εξαιρετικά ευαίσθητο φασματόμετρο.
Η Ρούμπιν και ο Φορντ χρησιμοποίησαν το φασματόμετρο για να απλώσουν το φάσμα του φωτός που προερχόταν από τα αστέρια σε διάφορα μέρη των σπειροειδών γαλαξιών. Τα αστέρια στο δίσκο ενός γαλαξία κινούνται σε περίπου κυκλικές τροχιές γύρω από το κέντρο. Εάν ο δίσκος έχει κλίση προς τη γραμμή όρασής μας, τα αστέρια στη μία πλευρά μας πλησιάζουν ενώ εκείνα στην άλλη πλευρά απομακρύνονται. Όταν μια πηγή φωτός κινείται προς το μέρος μας, βλέπουμε μείωση των μηκών κύματος του φωτός (μετατόπιση προς το μπλε άκρο του φάσματος), ενώ όταν η πηγή απομακρύνεται, βλέπουμε αύξηση των μηκών κύματος (μετατόπιση προς το κόκκινο άκρο). Αυτό ονομάζεται φαινόμενο Ντόπλερ και η μετατόπιση του μήκους κύματος είναι ανάλογη της ταχύτητας της πηγής φωτός σε σχέση με τον παρατηρητή. Οι Ρούμπιν και Φορντ έκαναν προσεκτικές μετρήσεις των μετατοπίσεων Ντόπλερ στους δίσκους διαφόρων γαλαξιών. Λίγο αργότερα μπόρεσαν να υπολογίσουν τις ταχύτητες τροχιάς των άστρων σε διάφορα μέρη αυτών των γαλαξιών.
Επειδή η περιοχή του πυρήνα ενός σπειροειδούς γαλαξία έχει την υψηλότερη συγκέντρωση ορατών αστέρων, οι αστρονόμοι υπέθεσαν ότι το μεγαλύτερο μέρος της μάζας και συνεπώς της βαρύτητας ενός γαλαξία θα ήταν επίσης συγκεντρωμένο προς το κέντρο του. Στην περίπτωση αυτή, όσο πιο μακριά βρίσκεται ένα αστέρι από το κέντρο, τόσο πιο αργή αναμένεται να είναι η ταχύτητα της τροχιάς του. Παρομοίως, στο ηλιακό μας σύστημα, οι εξωτερικοί πλανήτες κινούνται πιο αργά γύρω από τον Ήλιο από ό,τι οι εσωτερικοί. Παρατηρώντας τον τρόπο με τον οποίο η τροχιακή ταχύτητα των άστρων εξαρτάται από την απόστασή τους από το κέντρο ενός γαλαξία, οι αστρονόμοι, κατ’ αρχήν, θα μπορούσαν να υπολογίσουν πώς κατανέμεται η μάζα σε ολόκληρο τον γαλαξία.
Όταν η Ρούμπιν και ο Φορντ άρχισαν να κάνουν παρατηρήσεις Ντόπλερ των τροχιακών ταχυτήτων στους σπειροειδείς γαλαξίες, ανακάλυψαν αμέσως κάτι εντελώς απροσδόκητο. Τα αστέρια μακριά από τα κέντρα των γαλαξιών, στις αραιοκατοικημένες εξωτερικές περιοχές, κινούνταν εξίσου γρήγορα με εκείνα που βρίσκονταν πιο κοντά. Αυτό ήταν περίεργο, επειδή η ορατή μάζα ενός γαλαξία δεν έχει αρκετή βαρύτητα για να συγκρατήσει σε τροχιά τόσο γρήγορα κινούμενα αστέρια. Αυτό συνεπαγόταν ότι έπρεπε να υπάρχει μια τεράστια ποσότητα αόρατης ύλης στις εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών, όπου τα ορατά αστέρια είναι σχετικά λίγα. Η Ρούμπιν και ο Φορντ συνέχισαν να μελετούν περίπου εξήντα σπειροειδείς γαλαξίες και διαπίστωσαν πάντα το ίδιο πράγμα. «Αυτό που βλέπετε σε έναν σπειροειδή γαλαξία», είπε η Ρούμπιν, «δεν είναι αυτό που παίρνετε».
Οι υπολογισμοί της έδειξαν ότι οι γαλαξίες πρέπει να περιέχουν περίπου δέκα φορές περισσότερη «σκοτεινή» μάζα από όση μπορεί να εξηγηθεί από τα ορατά αστέρια. Εν ολίγοις, τουλάχιστον το 90% της μάζας στους γαλαξίες, και επομένως στο παρατηρήσιμο σύμπαν, είναι αόρατη και μη αναγνωρίσιμη. Τότε η Βέρα Ρούμπιν θυμήθηκε κάτι που έμαθε ως μεταπτυχιακή φοιτήτρια σχετικά με παλαιότερες ενδείξεις για αόρατη μάζα στο σύμπαν. Το 1933, ο Φριτς Ζβίκι είχε αναλύσει τις ταχύτητες Ντόπλερ ολόκληρων γαλαξιών μέσα στο σμήνος Κόμα. Διαπίστωσε ότι οι μεμονωμένοι γαλαξίες μέσα στο σμήνος κινούνται τόσο γρήγορα που θα ξέφευγαν αν το σμήνος συγκρατούνταν μόνο από τη βαρύτητα της ορατής μάζας του. Εφόσον το σμήνος δεν δείχνει σημάδια διάσπασης, πρέπει να περιέχει μια υπεροχή «σκοτεινής ύλης» -περίπου δέκα φορές περισσότερη από την ορατή ύλη- για να το συγκρατήσει. Το συμπέρασμα του Ζβίκι ήταν σωστό, αλλά οι συνάδελφοί του ήταν επιφυλακτικοί. Η Βέρα Ρούμπιν συνειδητοποίησε ότι είχε ανακαλύψει πειστικές αποδείξεις για τη σκοτεινή ύλη του Ζβίκι.
Πολλοί αστρονόμοι ήταν αρχικά απρόθυμοι να δεχτούν αυτό το συμπέρασμα. Ωστόσο οι παρατηρήσεις ήταν τόσο ξεκάθαρες και η ερμηνεία τόσο απλή, ώστε σύντομα συνειδητοποίησαν ότι η Ρούμπιν έπρεπε να έχει δίκιο. Τα φωτεινά αστέρια είναι μόνο οι ορατοί ιχνηλάτες μιας πολύ μεγαλύτερης μάζας που αποτελεί έναν γαλαξία. Τα αστέρια καταλαμβάνουν μόνο τις εσωτερικές περιοχές μιας τεράστιας σφαιρικής «άλω» αόρατης σκοτεινής ύλης που περιλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας ενός γαλαξία. Ίσως να υπάρχουν ακόμη και μεγάλες συσσωρεύσεις σκοτεινής ύλης στους αχανείς χώρους μεταξύ των γαλαξιών, χωρίς να υπάρχουν ορατά αστέρια που να ανιχνεύουν την παρουσία τους. Αλλά αν είναι έτσι, θα ήταν πολύ δύσκολο να παρατηρηθούν.
Και τι ακριβώς είναι αυτή η «σκοτεινή ύλη», που μέχρι στιγμής δεν έχει παρατηρηθεί παρά μόνο από την επίδραση της βαρύτητάς της στα άστρα; Το ερώτημα είναι ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα μυστήρια της αστρονομίας σήμερα. Πολλοί θεωρητικοί και παρατηρητικοί αστρονόμοι εργάζονται σκληρά προσπαθώντας να απαντήσουν.
Η Βέρα Ρούμπιν συνέχισε να εξερευνά τους γαλαξίες. Το 1992 ανακάλυψε έναν γαλαξία (NGC 4550) στον οποίο τα μισά αστέρια του δίσκου περιφέρονται προς τη μία κατεύθυνση και τα μισά προς την αντίθετη, με τα δύο συστήματα να αναμειγνύονται, Ίσως αυτό να προέκυψε από τη συγχώνευση δύο γαλαξιών που περιστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Από τότε η Ρούμπιν ανακάλυψε αρκετές άλλες περιπτώσεις παρόμοιας παράξενης συμπεριφοράς. Αργότερα, η ίδια και οι συνάδελφοί της διαπίστωσαν ότι οι μισοί γαλαξίες στο μεγάλο σμήνος της Παρθένου παρουσιάζουν σημάδια διαταραχών που οφείλονται σε στενές βαρυτικές συναντήσεις με άλλους γαλαξίες.
Σε αναγνώριση των επιτευγμάτων της, η Βέρα Ρούμπιν εξελέγη μέλος της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών και το 1993 της απονεμήθηκε το Εθνικό Μετάλλιο της Επιστήμης. Όμως καθ’ όλη τη διάρκεια της καριέρας της, η Ρούμπιν δεν επιδίωξε το κύρος ή την αναγνώριση. Αντίθετα, στόχος της ήταν η προσωπική ικανοποίηση από την επιστημονική ανακάλυψη. «Κοιτάξαμε σε έναν νέο κόσμο», έγραψε, «και είδαμε ότι είναι πιο μυστηριώδης και πιο πολύπλοκος από ό,τι είχαμε φανταστεί. Ακόμα περισσότερα μυστήρια του σύμπαντος παραμένουν κρυμμένα. Η ανακάλυψή τους περιμένει τους τολμηρούς επιστήμονες του μέλλοντος».
Κβαντικά μπλεγμένα φωτόνια αντιδρούν στην περιστροφή της Γης
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Philip Walther στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης πραγματοποίησε ένα πρωτοποριακό πείραμα όπου μέτρησε την επίδραση της περιστροφής της Γης στα κβαντικά διεμπλεκόμενα φωτόνια. Η εργασία αυτή αποτελεί ένα σημαντικό επίτευγμα που διευρύνει τα όρια της ευαισθησίας στην περιστροφή σε αισθητήρες που βασίζονται στην περιπλοκή, θέτοντας ενδεχομένως τις βάσεις για περαιτέρω εξερεύνηση στο σημείο τομής μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας.
Τα οπτικά συμβολόμετρα Sagnac είναι οι πιο ευαίσθητες συσκευές στις περιστροφές. Από τα πρώτα χρόνια του περασμένου αιώνα έχουν διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην κατανόηση της θεμελιώδους φυσικής, συμβάλλοντας στην εδραίωση της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Σήμερα, η απαράμιλλη ακρίβειά τους τα καθιστά το απόλυτο εργαλείο για τη μέτρηση των ταχυτήτων περιστροφής, που περιορίζεται μόνο από τα όρια της κλασικής φυσικής.
Τα συμβολόμετρα που χρησιμοποιούν κβαντική διεμπλοκή έχουν τη δυνατότητα να σπάσουν αυτά τα όρια. Εάν δύο ή περισσότερα σωματίδια είναι περιπλεγμένα, μόνο η συνολική κατάσταση είναι γνωστή, ενώ η κατάσταση του μεμονωμένου σωματιδίου παραμένει απροσδιόριστη μέχρι τη μέτρηση. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απόκτηση περισσότερων πληροφοριών ανά μέτρηση από ό,τι θα ήταν δυνατό χωρίς αυτό. Ωστόσο, το υποσχόμενο κβαντικό άλμα στην ευαισθησία εμποδίζεται από την εξαιρετικά ευαίσθητη φύση της διεμπλοκής. Εδώ είναι που το πείραμα της Βιέννης έκανε τη διαφορά.
Οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα γιγαντιαίο συμβολόμετρο Sagnac από οπτικές ίνες και διατήρησαν τον θόρυβο σε χαμηλά και σταθερά επίπεδα για αρκετές ώρες. Αυτό επέτρεψε την ανίχνευση αρκετών υψηλής ποιότητας περιπλεγμένων ζευγών φωτονίων, ώστε να ξεπεράσουν την ακρίβεια περιστροφής των προηγούμενων κβαντικών οπτικών συμβολομέτρων Sagnac κατά χίλιες φορές.
Σε ένα συμβολόμετρο Sagnac, δύο σωματίδια που ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις μιας περιστρεφόμενης κλειστής διαδρομής φθάνουν στο σημείο εκκίνησης σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Με δύο διεμπλεκόμενα σωματίδια, η κατάσταση γίνεται τρομακτική: συμπεριφέρονται σαν ένα μόνο σωματίδιο που δοκιμάζει και τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα, ενώ συσσωρεύουν διπλάσια χρονική καθυστέρηση σε σύγκριση με το σενάριο όπου δεν υπάρχει διεμπλοκή.
Αυτή η μοναδική ιδιότητα είναι γνωστή ως υπερ-ανάλυση. Στο πραγματικό πείραμα, δύο περιπλεγμένα φωτόνια διαδίδονταν μέσα σε μια οπτική ίνα μήκους 2 χιλιομέτρων, η οποία ήταν τυλιγμένη σε ένα τεράστιο πηνίο, υλοποιώντας ένα συμβολόμετρο με πραγματική επιφάνεια μεγαλύτερη από 700 τετραγωνικά μέτρα.
Ένα σημαντικό εμπόδιο που αντιμετώπισαν οι ερευνητές ήταν η απομόνωση και η εξαγωγή του σταθερού σήματος περιστροφής της Γης. «Ο πυρήνας του θέματος έγκειται στον καθορισμό ενός σημείου αναφοράς για τη μέτρησή μας, όπου το φως παραμένει ανεπηρέαστο από το φαινόμενο της περιστροφής της Γης. Δεδομένης της αδυναμίας μας να σταματήσουμε τη Γη από την περιστροφή της, επινοήσαμε μια λύση: χωρίσαμε την οπτική ίνα σε δύο πηνία ίσου μήκους και τα συνδέσαμε μέσω ενός οπτικού διακόπτη», εξηγεί ο επικεφαλής συγγραφέας Raffaele Silvestri.
Ανοίγοντας και κλείνοντας τον διακόπτη, οι ερευνητές μπορούσαν να ακυρώσουν το σήμα περιστροφής κατά βούληση, γεγονός που τους επέτρεψε επίσης να επεκτείνουν τη σταθερότητα της μεγάλης συσκευής τους. «Ουσιαστικά ξεγελάσαμε το φως ώστε να νομίζει ότι βρίσκεται σε ένα μη περιστρεφόμενο σύμπαν», λέει ο Silvestri.
Το πείραμα, το οποίο διεξήχθη στο πλαίσιο του ερευνητικού δικτύου TURIS που φιλοξενείται από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης και την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών, παρατήρησε με επιτυχία την επίδραση της περιστροφής της Γης σε μια κατάσταση δύο φωτονίων με μέγιστη διεμπλοκή. Αυτό επιβεβαιώνει την αλληλεπίδραση μεταξύ των περιστρεφόμενων συστημάτων αναφοράς και της κβαντικής διεμπλοκής, όπως περιγράφεται στην ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν και στην κβαντομηχανική, με χιλιαπλάσια βελτίωση της ακρίβειας σε σύγκριση με προηγούμενα πειράματα.
Φράνσις Κρικ: Ξετυλίγοντας τα μυστήρια της ζωής
Ο Φράνσις Κρικ (Francis Crick), το έργο του οποίου άλλαξε ριζικά την κατανόηση της βιολογίας, παραμένει σύμβολο της επιστημονικής ανακάλυψης. Γεννημένος στις 8 Ιουνίου 1916 στο Νορθάμπτον της Αγγλίας, η πορεία του Κρικ από ένα νεαρό αγόρι με πάθος για την επιστήμη σε μια από τις βασικές μορφές της διαλεύκανσης της δομής του DNA αποτελεί απόδειξη, τόσο της ευφυΐας του, όσο και της αμείλικτης περιέργειάς του.
Η πρώιμη ζωή του Κρικ σημαδεύτηκε από ακαδημαϊκή αριστεία και έντονο ενδιαφέρον για την επιστήμη. Φοίτησε στο Northampton Grammar School, όπου ήταν ήδη εμφανείς οι εξαιρετικές ικανότητές του στα μαθηματικά και τη φυσική. Ωστόσο, ήταν κατά τη διάρκεια της φοίτησής του στο University College του Λονδίνου που ο Κρικ άρχισε πραγματικά να λάμπει. Αποφοιτώντας με πτυχίο φυσικής το 1937, έκανε διδακτορικό στη φυσική, εστιάζοντας στη μέτρηση του ιξώδους του νερού σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις.
Ο Β’ Παγκόσμιος Πόλεμος διέκοψε τις ακαδημαϊκές αναζητήσεις του Φράνσις Κρικ, οδηγώντας τον να εργαστεί για το βρετανικό Ναυαρχείο ερευνώντας την ανίχνευση μαγνητικών και ακουστικών ναρκών. Παρά την απόκλιση από τα επιστημονικά του ενδιαφέροντα, η εμπειρία αυτή βελτίωσε τις ικανότητές του στην επίλυση προβλημάτων και στην ανάλυση δεδομένων, ιδιότητες που θα του χρησίμευαν στις μελλοντικές του προσπάθειες.
Μετά τον πόλεμο, ο Κρικ επέστρεψε στην επιστημονική έρευνα, μεταβαίνοντας στον τομέα της βιολογίας. Το διεπιστημονικό του υπόβαθρο τον τοποθετούσε μοναδικά για να αντιμετωπίσει τις πολύπλοκες προκλήσεις της μοριακής βιολογίας, που τότε βρισκόταν στα σπάργανα. Το 1947, ο Κρικ εντάχθηκε στη Μονάδα του Συμβουλίου Ιατρικών Ερευνών στο Εργαστήριο Cavendish στο Κέιμπριτζ της Αγγλίας, όπου συνεργάστηκε με ερευνητές όπως ο Μορίς Γουίλκινς και η Ρόζαλιντ Φράνκλιν.
Ωστόσο, ήταν η συνεργασία του Κρικ με τον Τζέιμς Γουάτσον που θα άλλαζε την πορεία της επιστημονικής ιστορίας. Το 1951, ο Κρικ και ο Γουάτσον άρχισαν να εργάζονται από κοινού για την αποκάλυψη της δομής του DNA, του μορίου που είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά των γενετικών πληροφοριών. Η πρωτοποριακή ανακάλυψή τους, που δημοσιεύθηκε το 1953, αποκάλυψε τη δομή της διπλής έλικας του DNA, μια αποκάλυψη που έθεσε τα θεμέλια για τη σύγχρονη γενετική και τη μοριακή βιολογία.
Η συμβολή του Κρικ επεκτάθηκε πολύ πέρα από την ανακάλυψη της δομής του DNA. Συνέχισε με τη διαλεύκανση του γενετικού κώδικα, αποκρυπτογραφώντας τον τρόπο με τον οποίο η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων στο DNA κωδικοποιεί τις οδηγίες για τη δημιουργία πρωτεϊνών. Οι γνώσεις του για το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας – τη ροή της γενετικής πληροφορίας από το DNA στο RNA στην πρωτεΐνη – έφεραν επανάσταση στην κατανόηση της λειτουργίας της ζωής σε μοριακό επίπεδο.
Εκτός από τα επιστημονικά του επιτεύγματα, ο Φράνσις Κρικ ήταν γνωστός για την τολμηρή και αντισυμβατική του σκέψη. Πρότεινε ως γνωστόν την υπόθεση του «κόσμου του RNA», υπονοώντας ότι το RNA, αντί του DNA, μπορεί να ήταν το πρώτο μόριο της ζωής. Η ιδέα αυτή αμφισβήτησε τις επικρατούσες αντιλήψεις σχετικά με την προέλευση της ζωής στη Γη και έδωσε ώθηση για περαιτέρω έρευνα σχετικά με το ρόλο του RNA στις πρώιμες βιολογικές διαδικασίες.
Καθ’ όλη τη διάρκεια της σταδιοδρομίας του, ο Κρικ παρέμεινε προσηλωμένος στην αναζήτηση της γνώσης και στην πρόοδο της επιστήμης. Η ευφυΐα, η δημιουργικότητα και το πνεύμα συνεργασίας του συνεχίζουν να εμπνέουν επιστήμονες σε όλο τον κόσμο. Ο Φράνσις Κρικ απεβίωσε στις 28 Ιουλίου 2004, αφήνοντας πίσω του μια κληρονομιά που θα διαρκέσει για τις επόμενες γενιές.
Κβαντικές δυνάμεις χρησιμοποιούνται για την αυτόματη συναρμολόγηση μικροσκοπικής συσκευής για τον έλεγχο του φωτός
Το 1948, ο φυσικός Hendrik Casimir διατύπωσε τη θεωρία ότι ορισμένα αντικείμενα παρουσιάζουν μια πολύ ασθενή έλξη όταν βρίσκονται κοντά το ένα στο άλλο στο χώρο, λόγω των ανεπαίσθητων τρεμοπαίξεων των κβαντικών πεδίων στο κενό μεταξύ τους. Οι ερευνητές έχουν έκτοτε επιβεβαιώσει αυτό το φαινόμενο, που ονομάστηκε Casimir, στο εργαστήριο. Η Betül Küçüköz στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers της Σουηδίας και οι συνάδελφοί της βρήκαν πρόσφατα έναν τρόπο να το κάνουν χρήσιμο.
Ήθελαν να κατασκευάσουν μια κοιλότητα παγίδευσης του φωτός χρησιμοποιώντας δύο κομμάτια χρυσού τοποθετημένα παράλληλα το ένα με το άλλο, μεταξύ των οποίων το φως θα αναπηδούσε μπρος-πίσω, χωρίς να μπορεί να διαφύγει. Αρχικά, δημιούργησαν το κάτω άκρο της κοιλότητας αποτυπώνοντας μια τριγωνική νιφάδα χρυσού μεγέθους μεταξύ 4 και 10 μικρομέτρων πάνω σε ένα μικρό κομμάτι γυαλιού. Το άνω άκρο της κοιλότητας περιελάμβανε, επίσης, μια τριγωνική χρυσή νιφάδα, αλλά αντί να τη συγκρατήσουν στη θέση της με κάποιο εργαλείο, οι ερευνητές βύθισαν τη χρυσή νιφάδα που είχε τοποθετηθεί στο γυαλί σε ένα διάλυμα αλμυρού νερού που περιείχε επιπλέον τριγωνικές χρυσές νιφάδες, και στη συνέχεια άφησαν τις δυνάμεις που προέκυψαν φυσικά να κάνουν τη δουλειά τους.
Μία από αυτές τις δυνάμεις ήταν η ηλεκτροστατική δύναμη που προκαλείται από τα ηλεκτρικά φορτία που σχετίζονται με το διαλυμένο αλάτι. Η άλλη ήταν το φαινόμενο Casimir. Η Küçüköz λέει ότι παρακολούθησε πολλές εκτελέσεις αυτού του πειράματος στο μικροσκόπιο και μπορούσε πάντα να δει το φαινόμενο Casimir σε δράση. Προκάλεσε λοιπόν μια από τις ελεύθερα αιωρούμενες νιφάδες χρυσού να κινηθεί προς εκείνη που αποτυπώθηκε στο γυαλί και στη συνέχεια την έκανε να περιστραφεί πάνω από την αποτυπωμένη νιφάδα μέχρι να ταυτιστούν τα τριγωνικά αποτυπώματα των δύο νιφάδων.
Έτσι ολοκληρώθηκε η συναρμολόγηση της κοιλότητας, η οποία μπορούσε στη συνέχεια να παγιδεύσει το φως. Οι ερευνητές είχαν μεγάλο έλεγχο της διαδικασίας σχηματισμού της κοιλότητας, λέει η Küçüköz. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας διαφορετικές συγκεντρώσεις αλατιού, μπορούσαν να προσαρμόσουν την ισχύ της ηλεκτροστατικής δύναμης ώστε να δημιουργήσουν κοιλότητες με ελαφρώς διαφορετικές διαστάσεις, με αποστάσεις μεταξύ των νιφάδων που κυμαίνονταν μεταξύ 100 και 200 νανομέτρων, οι οποίες θα μπορούσαν στη συνέχεια να παγιδεύσουν φως διαφορετικού χρώματος.
Ο Raúl Esquivel-Sirvent του Εθνικού Αυτόνομου Πανεπιστημίου του Μεξικού λέει ότι η ιδέα της αυτοσυναρμολόγησης, την οποία συγκρίνει με το να ρίχνεις ένα σετ Lego σε ένα δοχείο και να προκύπτει μια δομή χωρίς ποτέ να πιέσεις χειροκίνητα τα κομμάτια μεταξύ τους, δεν είναι καινούργια. Αλλά λέει ότι το πείραμα της ομάδας είναι πιο λεπτομερές και ελεγχόμενο από προηγούμενες προσπάθειες να χρησιμοποιηθεί το φαινόμενο Casimir για παρόμοιους σκοπούς. Ωστόσο, το φαινόμενο Casimir μπορεί να είναι τόσο ανεπαίσθητο, λέει ο Esquivel-Sirvent, που είναι πιθανό να υπάρχουν ακόμα και άλλα, μη ανιχνευμένα φαινόμενα που παίζουν ρόλο εδώ.
Προχωρώντας μπροστά, η Küçüköz και οι συνάδελφοί της θέλουν να χρησιμοποιήσουν τις κοιλότητές τους ως μέρος πιο σύνθετων πειραμάτων με το φως, συμπεριλαμβανομένων κάποιων που περιλαμβάνουν την τοποθέτηση αντικειμένων μέσα στην κοιλότητα μεταξύ των δύο νιφάδων χρυσού.
Θεωρήματα μη πληρότητας του Γκέντελ: Αποκαλύπτοντας τα όρια των μαθηματικών συστημάτων
Στο τοπίο της μαθηματικής έρευνας, ελάχιστα αποτελέσματα είχαν τόσο βαθύ αντίκτυπο όσο τα Θεωρήματα Πληρότητας του Κουρτ Γκέντελ. Αυτά τα θεωρήματα, που διατυπώθηκαν στις αρχές του 20ού αιώνα, αποκάλυψαν θεμελιώδεις περιορισμούς στα τυπικά μαθηματικά συστήματα, αναδιαμορφώνοντας την αντίληψή μας για τα ίδια τα μαθηματικά. Ας ξεκινήσουμε ένα ταξίδι για να κατανοήσουμε την ουσία και τις συνέπειες των θεωρημάτων μη πληρότητας του Gödel.
Το πρώτο θεώρημα μη πληρότητας
Το Πρώτο Θεώρημα μη Πληρότητας του Gödel, που δημοσιεύτηκε το 1931, παραδίδει μια συγκλονιστική αποκάλυψη: μέσα σε οποιοδήποτε τυπικό μαθηματικό σύστημα που είναι αρκετά πολύπλοκο ώστε να περιλαμβάνει την αριθμητική, υπάρχουν δηλώσεις που είναι αληθείς αλλά δεν μπορούν να αποδειχθούν μέσα στο ίδιο το σύστημα. Στην ουσία, αυτό το θεώρημα ισχυρίζεται τους εγγενείς περιορισμούς των αξιωματικών συστημάτων -όσο περιεκτικά κι αν είναι- καθιστώντας τα ελλιπή ως προς την ικανότητά τους να αποδεικνύουν όλες τις αληθείς δηλώσεις.
Για να αντιληφθούμε τη σημασία αυτού του θεωρήματος, ας εξετάσουμε τις συνέπειες. Υπονοεί ότι υπάρχουν μαθηματικές αλήθειες που βρίσκονται πέρα από την εμβέλεια της τυπικής απόδειξης, ξεφεύγοντας για πάντα από την κατανόηση των λογικών μας κατασκευών. Ο Γκέντελ πέτυχε αυτή την εκπληκτική διαπίστωση κατασκευάζοντας ευφυώς μια δήλωση -γνωστή σήμερα ως η πρόταση Γκέντελ- η οποία βεβαιώνει τη δική της μη αποδεικτικότητα εντός του συστήματος.
Το δεύτερο θεώρημα μη πληρότητας
Χτίζοντας πάνω στα θεμέλια που έθεσε το Πρώτο Θεώρημα μη Πληρότητας, το Δεύτερο Θεώρημα μη Πληρότητας του Γκέντελ εμβαθύνει ακόμη περισσότερο στους περιορισμούς των τυπικών συστημάτων. Αυτό το θεώρημα, φυσικό επακόλουθο του πρώτου, υποστηρίζει ότι κανένα συνεπές τυπικό σύστημα ικανό να εκφράσει αριθμητική δεν μπορεί να αποδείξει τη συνέπειά του.
Στην ουσία, ένα σύστημα δεν μπορεί να αποδείξει τη δική του ορθότητα χωρίς να ξεπεράσει τα δικά του όρια και να επικαλεστεί ένα σύστημα υψηλότερου επιπέδου. Αυτή η εσωστρεφής πτυχή του Δεύτερου Θεωρήματος του Gödel αντηχεί σε όλα τα μαθηματικά και τη λογική, αμφισβητώντας τις έννοιες της αυτοαναφοράς και της θεμελιώδους βεβαιότητας.
Συνέπειες και σημασία
Οι προεκτάσεις των θεωρημάτων μη πληρότητας του Gödel αντηχούν σε πολλούς κλάδους, από τα μαθηματικά και τη λογική έως τη φιλοσοφία και την επιστήμη των υπολογιστών. Μεταβάλλουν ριζικά την αντίληψή μας για τη δυνατότητα επίτευξης της απόλυτης μαθηματικής αλήθειας και τα όρια της τυπικής συλλογιστικής.
Στα μαθηματικά, τα θεωρήματα μη πληρότητας του Γκέντελ εμπνέουν ταπεινότητα, υπενθυμίζοντάς μας, ότι κανένα τυπικό σύστημα δεν μπορεί να εξαντλήσει το πεδίο της μαθηματικής αλήθειας. Υπογραμμίζουν επίσης την εγγενή δημιουργικότητα και τη διαίσθηση που απαιτούνται για τη μαθηματική εξερεύνηση, υπερβαίνοντας τα όρια της μηχανιστικής εξαγωγής συμπερασμάτων.
Στη φιλοσοφία, τα θεωρήματα του Γκέντελ τροφοδοτούν συζητήσεις γύρω από τη φύση της αλήθειας, τα όρια της ανθρώπινης γνώσης και τα θεμέλια του ορθολογισμού. Αμφισβητούν τις συμβατικές έννοιες της βεβαιότητας και υπογραμμίζουν την επιστημολογική πολυπλοκότητα που ενυπάρχει σε κάθε σύστημα σκέψης.
Στην επιστήμη των υπολογιστών, οι ιδέες του Γκέντελ βρίσκουν πρακτικές εφαρμογές στη θεωρία του υπολογισμού και στη μελέτη της υπολογιστικής πολυπλοκότητας. Ενημερώνουν τις συζητήσεις σχετικά με τους περιορισμούς των αλγορίθμων και τα όρια της τεχνητής νοημοσύνης, ρίχνοντας φως στους εγγενείς περιορισμούς των υπολογιστικών συστημάτων.
Συμπέρασμα
Τα Θεωρήματα μη Πληρότητας του Gödel αποτελούν μνημειώδη ορόσημα στο πνευματικό τοπίο της ανθρωπότητας. Ξετυλίγουν το περίπλοκο μωσαϊκό της μαθηματικής βεβαιότητας, αποκαλύπτοντας τη λεπτή ισορροπία μεταξύ αυστηρότητας και δημιουργικότητας, λογικής και διαίσθησης. Καθώς συνεχίζουμε να παλεύουμε με τα μυστήρια των μαθηματικών και τη φύση της αλήθειας, η κληρονομιά του Γκέντελ παραμένει ως φάρος διαφώτισης, οδηγώντας μας μέσα από τον λαβύρινθο της μη πληρότητας προς βαθύτερες γνώσεις και μεγαλύτερη κατανόηση.
Άλαν Τούρινγκ: Η Ζωή και Οι Συνεισφορά ενός Μαθηματικού και Πρωτοπόρου στην Πληροφορική
Ο Άλαν Τούρινγκ (Alan Turing), ένας από τους πιο επιφανείς μαθηματικούς και επιστήμονες του 20ού αιώνα, γεννήθηκε στο Λονδίνο στις 23 Ιουνίου 1912. Η συμβολή του στην μαθηματική λογική, την κρυπτογραφία και την πληροφορική έχει αφήσει ανεξίτηλο σημάδι στην επιστημονική κοινότητα.
Η Ζωή του Άλαν Τούρινγκ
Από νεαρή ηλικία, ο Τούρινγκ έδειξε ασυνήθιστο ταλέντο στα μαθηματικά και τη λογική. Σπούδασε στο Κολέγιο Κόμπριτζ του Καίμπριτζ, όπου αποκόμισε τις βάσεις της εκπληκτικής του καριέρας. Εργάστηκε, επίσης, στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, πριν επιστρέψει στο Καίμπριτζ ως καθηγητής.
Κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου, ο Άλαν Τούρινγκ εργάστηκε στο Γραφείο Κρυπτογραφίας του Βρετανικού Εθνικού Ερευνητικού Συμβουλίου (Government Code and Cypher School, GC&CS), όπου συνέβαλε σημαντικά στην αποκρυπτογράφηση κωδίκων των Γερμανών, συμβάλλοντας στη νίκη των Συμμάχων.
Επιστημονικές Συνεισφορές
Η σημαντικότερη επιστημονική συνεισφορά του Τούρινγκ είναι η εφεύρεση της μηχανής Τούρινγκ. Αυτή η μηχανή, που προηγήθηκε των σύγχρονων υπολογιστών, ήταν ένα μοντέλο υπολογιστικής μηχανής που μπορούσε να επιλύει πολύπλοκα μαθηματικά προβλήματα. Η μηχανή Τούρινγκ υπήρξε ο προκάτοχος των σύγχρονων ψηφιακών υπολογιστών και έχει καθοριστική συμβολή στην ανάπτυξη της πληροφορικής.
Ο Άλαν Τούρινγκ επίσης διαδραμάτισε κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη της κρυπτογραφίας, με σημαντική συμβολή στην αντίσταση του Ηνωμένου Βασιλείου κατά των ναζιστών, κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου.
Ωστόσο, η ζωή του Τούρινγκ δεν ήταν χωρίς δυσκολίες. Παρά τις σπουδές του και τις επιστημονικές του επιτυχίες, υπέφερε από διακρίσεις λόγω του γεγονότος ότι ήταν ομοφυλόφιλος. Αυτό οδήγησε σε διωγμούς και τελικά στη δίκη και καταδίκη του από το βρετανικό κράτος για «αντικοινωνική συμπεριφορά», με την επιλογή να δεχτεί χημειοθεραπεία για να αποφύγει τη φυλακή. Τελικά, ο Τούρινγκ πέθανε το 1954 σε ηλικία μόλις 41 ετών από αυτοπροκαλούμενη δηλητηρίαση με κυανικό.
Το Κληρονομημένο έργο του Άλαν Τούρινγκ
Η συνεισφορά του Άλαν Τούρινγκ στον τομέα των μαθηματικών, της κρυπτογραφίας και της πληροφορικής είναι αναμφισβήτητη. Η μηχανή Τούρινγκ και οι ιδέες του για την υπολογιστική λογική έχουν σημαντική επίδραση ακόμη και σήμερα, και η ζωή του αποτελεί ένα παράδειγμα αντοχής και αφοσίωσης στην επιστήμη παρά τις προκλήσεις και τις αδικίες που αντιμετώπισε.
Επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη νέου είδους μαγνητισμού
Ένα νέο είδος μαγνητισμού μετρήθηκε για πρώτη φορά. Οι εναλλακτικοί μαγνήτες, που περιέχουν ένα μείγμα ιδιοτήτων από διαφορετικές κατηγορίες υπαρχόντων μαγνητών, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή συσκευών μνήμης υψηλής χωρητικότητας και ταχύτητας ή νέων ειδών μαγνητικών υπολογιστών.
Μέχρι τον 20ο αιώνα, πιστευόταν ότι υπήρχε μόνο ένα είδος μόνιμου μαγνήτη, ένας σιδηρομαγνήτης, τα αποτελέσματα του οποίου μπορούν να φανούν σε αντικείμενα με σχετικά ισχυρά εξωτερικά μαγνητικά πεδία όπως μαγνήτες ψυγείου ή βελόνες πυξίδας.
Αυτά τα πεδία προκαλούνται από τα μαγνητικά σπιν των ηλεκτρονίων των μαγνητών που ευθυγραμμίζονται προς μία κατεύθυνση. Όμως, στη δεκαετία του 1930, ο Γάλλος φυσικός Λουί Νελ ανακάλυψε ένα άλλο είδος μαγνητισμού, που ονομάζεται αντισιδηρομαγνητισμός, όπου τα σπιν των ηλεκτρονίων είναι εναλλάξ πάνω και κάτω. Αν και οι αντισιδηρομαγνήτες δεν διαθέτουν τα εξωτερικά πεδία των σιδηρομαγνητών, παρουσιάζουν ενδιαφέρουσες εσωτερικές μαγνητικές ιδιότητες λόγω των εναλλασσόμενων περιστροφών.
Στη συνέχεια, το 2019, οι ερευνητές προέβλεψαν ένα μπερδεμένο ηλεκτρικό ρεύμα στην κρυσταλλική δομή ορισμένων αντισιδηρομαγνητών, που ονομάζεται ανώμαλο φαινόμενο Hall, το οποίο δεν μπορούσε να εξηγηθεί από τη συμβατική θεωρία των εναλλασσόμενων περιστροφών. Το ρεύμα κινούνταν χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Οι ερευνητές είχαν πει σχετικά μ’ αυτό: «Φαινόταν, όταν κοιτάζαμε έναν κρύσταλλο από την άποψη των φύλλων περιστροφών, ότι μπορεί να ευθύνεται ένα τρίτο είδος μόνιμου μαγνητισμού, το οποίο έχει ονομαστεί αλτερμαγνητισμός». Εν συνεχεία, αναφέρεται πως με βάση αυτό που αναφέρθηκε προηγουμένως, οι εναλλασσόμενοι μαγνήτες θα έμοιαζαν με αντισιδηρομαγνήτες, αλλά τα φύλλα των περιστροφών θα φαίνονται ίδια όταν περιστρέφονται από οποιαδήποτε γωνία κι αυτό θα εξηγούσε το φαινόμενο Hall. Ωστόσο κανείς δεν είχε δει την την ουσία αυτής της ίδιας της δομής. Έτσι, οι επιστήμονες δεν ήταν σίγουροι αν επρόκειτο σίγουρα για ένα νέο είδος μαγνητισμού.
Τώρα όμως, ο Τζουράτζ Κρεμπάσκι στο Ινστιτούτο Πωλ Σέρερ στο Βίλιγκεν της Ελβετίας και οι συνάδελφοί του επιβεβαίωσαν την ύπαρξη ενός εναλλακτικού μαγνήτη, μετρώντας τη δομή των ηλεκτρονίων σε ένα κρύσταλλο, που ονομάζεται τελλουρίδιο μαγγανίου και προηγουμένως θεωρούνταν αντισιδηρομαγνητικό. Για να το κάνουν αυτό, οι ειδικοί μέτρησαν πώς το φως αναπήδησε από το τελλουρίδιο του μαγγανίου για να βρουν τις ενέργειες και τις ταχύτητες των ηλεκτρονίων μέσα στον κρύσταλλο. Μετά τη χαρτογράφηση αυτών των ηλεκτρονίων, βρέθηκε ότι ταιριάζουν σχεδόν ακριβώς με τις προβλέψεις που δίνονται από προσομοιώσεις για ένα αλτρομαγνητικό υλικό.
Τα ηλεκτρόνια φαινόταν να χωρίζονται σε δύο ομάδες, κάτι που τους επιτρέπει περισσότερη κίνηση μέσα στον κρύσταλλο και είναι η πηγή των ασυνήθιστων αλτρομαγνητικών ιδιοτήτων. «Αυτό έδωσε άμεσες αποδείξεις ότι μπορούμε να μιλάμε για εναλλακτικούς μαγνήτες και ότι συμπεριφέρονται ακριβώς όπως προβλέπεται από τη θεωρία», λέει ο Κρεμπάσκι.
Αυτή η ομαδοποίηση ηλεκτρονίων φαίνεται να προέρχεται από τα άτομα του τελλουρίου, το οποίο είναι μη μαγνητικό, στην κρυσταλλική δομή, η οποία διαχωρίζει τα μαγνητικά φορτία του μαγγανίου στα επίπεδά τους και επιτρέπει την ασυνήθιστη περιστροφική συμμετρία. «Είναι ωραία η επαλήθευση ότι αυτά τα υλικά υπάρχουν», λέει ο Ρίτσαρντ Έβανς από το Πανεπιστήμιο του Γιορκ. Εκτός από τα ηλεκτρόνια στους εναλλακτικούς μαγνήτες που κινούνται πιο ελεύθερα από αυτά των αντισιδηρομαγνητών, αυτός ο νέος τύπος μαγνήτη δεν έχει εξωτερικά μαγνητικά πεδία όπως οι σιδηρομαγνήτες, αναφέρει ο Έβανς. Κι έτσι τονίζει πως είναι εφικτό να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργηθούν μαγνητικές συσκευές που δεν παρεμβαίνουν μεταξύ τους.
Η ιδιότητα αυτού του νέου μαγνήτη θα μπορούσε να ενισχύσει την αποθήκευση σε σκληρούς δίσκους υπολογιστών, επειδή οι εμπορικές συσκευές περιέχουν σιδηρομαγνητικό υλικό που είναι τόσο σφιχτά συσκευασμένο που τα εξωτερικά μαγνητικά πεδία του υλικού αρχίζουν να βλέπουν παρεμβολές – οι αλλοι μαγνήτες θα μπορούσαν να συσκευάζονται πιο πυκνά. «Οι μαγνήτες θα μπορούσαν να οδηγήσουν ακόμη και σε spintronic υπολογιστές που χρησιμοποιούν μαγνητικό spin αντί για ρεύμα για να εκτελέσουν τις μετρήσεις και τους υπολογισμούς τους», λέει ο Τζόζεφ Μπάρκερ από το Πανεπιστήμιο του Λιντς, «συνδυάζοντας μνήμη και τσιπ υπολογιστών σε μια συσκευή».
Έμι Νέτερ: Η γυναίκα που άλλαξε το πρόσωπο της Φυσικής
Η ζωή και το έργο της Έμι Νέτερ (Emmy Noether) αποτελούν ένα φωτεινό παράδειγμα ανθρώπινης αφοσίωσης και ακαταμάχητης επιμονής στον τομέα της Αφηρημένης Άλγεβρας. Γεννημένη στη Γερμανία το 1882, η Έμι Νέτερ αναγνωρίζεται ως μία από τις πλέον επιδραστικές μαθηματικούς του 20ου αιώνα, παρά την αντίσταση που αντιμετώπισε λόγω του φύλου της.
Η ζωή και το έργο της Νέτερ
Η Έμι Νέτερ, γεννημένη σε μια εβραϊκή οικογένεια στο Erlangen της Γερμανίας, ήταν κόρη του μαθηματικού Μάξ Νέτερ. Αρχικά είχε ως στόχο να διδάξει γαλλικά και αγγλικά, ωστόσο μετά τις απαραίτητες εξετάσεις που έδωσε, σπούδασε μαθηματικά στο Πανεπιστήμιο του Ερλάνγκεν, όπου δίδασκε ο πατέρας της. Ολοκληρώνοντας το διδακτορικό της το 1907 υπό τον Πολ Γκορντάν, εργάστηκε αμισθί στο Μαθηματικό Ινστιτούτο του Έρλανγκεν για 7 χρόνια λόγω των φραγμών μεταξύ των δύο φύλων στον ακαδημαϊκό χώρο.
Αργότερα, η Έμι Νέτερ προσκλήθηκε από τον Ντέιβιντ Χίλμπερτ και τον Φέλιξ Κλάιν να ενταχθεί στο τμήμα μαθηματικών του Πανεπιστημίου του Γκέτινγκεν το 1915, ωστόσο αντιμετώπισε αντιρρήσεις από τη φιλοσοφική σχολή και έτσι πέρασε τέσσερα χρόνια δίνοντας διαλέξεις με το όνομα του Χίλμπερτ. Τελικά, το 1919 εγκρίθηκε η εξυγίανση της, δίνοντάς της τον βαθμό της Privatdozentin (PD).
Όσον αφορά τη συνεισφορά της στην επιστημονική κοινότητα, η μαθηματική ικανότητα της Έμι Νέτερ της επέτρεψε να προσφέρει καθοριστικά στη θεωρητική φυσική, κυρίως στον τομέα της συμμετρίας.
Η κληρονομιά της Έμι Νέτερ είναι ανυπολόγιστη. Η επιρροή της στον τομέα των μαθηματικών και της θεωρητικής φυσικής παραμένει ζωντανή και σήμερα. Οι έρευνές της συνέβαλαν στην ανάπτυξη θεμελιωδών θεωρητικών μοντέλων που εξακολουθούν να εφαρμόζονται στη σύγχρονη επιστήμη. Η Έμι Νέτερ αποτελεί ένα εμβληματικό παράδειγμα για το πως η αφοσίωση στην επιστήμη και η αγάπη για τη γνώση μπορούν να υπερκεράσουν κάθε εμπόδιο, ακόμα και αυτά που φαίνονται ανυπέρβλητα.
