Η ροή του χρόνου μοιάζει συχνά με το πιο εύπλαστο πράγμα στον κόσμο. Ένα λεπτό μπορεί να κρατήσει πολύ περισσότερο όταν σας ζητούν να μείνετε σε θέση plank σε μάθημα γυμναστικής, ενώ μια ώρα μπορεί να περάσει σαν αστραπή όταν μιλάτε με έναν φίλο. Σε αυτές τις περιπτώσεις, αλλάζει η αντίληψή σας για τον χρόνο. Υπάρχει όμως και η πραγματική, φυσική διαστολή του χρόνου.
Σύμφωνα με την ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, τα ρολόγια που βρίσκονται πιο κοντά στο κέντρο βαρύτητας της Γης, για παράδειγμα στο επίπεδο της θάλασσας, χτυπούν πιο αργά από εκείνα στην κορυφή ενός βουνού. Αντίστοιχη επιβράδυνση συμβαίνει και όταν ένα ρολόι κινείται με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα.
Ακούγεται παράξενο, όμως δεκαετίες πειραμάτων δεν κατάφεραν να το διαψεύσουν. Παρ’ όλα αυτά, το τι ακριβώς σημαίνει ότι η διαστολή του χρόνου είναι πραγματική —και τι σημαίνει γενικά ένα φυσικό φαινόμενο να είναι πραγματικό— έχει τροφοδοτήσει φιλοσοφικές συζητήσεις από τότε που ο Αϊνστάιν διατύπωσε τη θεωρία του το 1905.
Τον Ιούνιο, στο συνέδριο Foundations of Physics στο Ίρβιν της Καλιφόρνια, άκουσα τον Μάρκο Τζιοβανέλι να εξηγεί πώς η διαστολή του χρόνου είναι ταυτόχρονα πραγματική και φαινομενική. Ακούγεται αντιφατικό, όμως όταν τον κάλεσα —είναι ιστορικός της φιλοσοφίας και της επιστήμης στο Πανεπιστήμιο του Τορίνο στην Ιταλία— για να το συζητήσουμε, άρχισα να καταλαβαίνω ότι αυτό αποτυπώνει πλευρές του φυσικού κόσμου που ανέδειξε για πρώτη φορά το έργο του Αϊνστάιν.
Για τον Αϊνστάιν, όλα είχαν να κάνουν με ράβδους και ρολόγια, εξηγεί ο Τζιοβανέλι. Φανταστείτε ότι εσείς και ένας φίλος έχετε από ένα ίδιο ρολόι και μια ράβδο μήκους ενός μέτρου. Εσείς μένετε ακίνητοι, ενώ ο φίλος σας μπαίνει σε ένα απίστευτα γρήγορο διαστημόπλοιο και ξεκινά ένα ταξίδι. Σε σύγκριση με το δικό σας, το ρολόι του θα χτυπά πιο αργά και η ράβδος του θα συρρικνωθεί. Αν θέλετε να ξέρετε πόσο, ο Αϊνστάιν έχει ήδη δώσει την απάντηση: είχε κάνει αυτούς τους υπολογισμούς πριν από περισσότερο από έναν αιώνα.
Αν έχετε και έναν δεύτερο φίλο με ένα λίγο πιο αργό διαστημόπλοιο και το δικό του σετ ρολογιού και ράβδου, το ίδιο ισχύει ξανά, μόνο που το ρολόι του θα επιβραδυνθεί και η ράβδος του θα συρρικνωθεί λιγότερο από ό,τι του πιο γρήγορου φίλου σας. Τέλος, αν αποκτήσετε κι εσείς ένα διαστημόπλοιο και φτάσετε είτε τον έναν είτε τον άλλον φίλο σας, τα ρολόγια σας θα αρχίσουν ξανά να χτυπούν με τον ίδιο ρυθμό και οι ράβδοι σας θα φαίνονται πάλι ίδιες σε μήκος.
Για να περιγράψουν αυτά τα φαινόμενα, οι φυσικοί χρησιμοποιούν τον όρο «αδρανειακά συστήματα αναφοράς», σε αντιστοιχία με τη σύγκριση ενός δωματίου σε ηρεμία, δηλαδή ενός συστήματος ηρεμίας, με ένα διαστημόπλοιο που κινείται με σταθερή ταχύτητα, δηλαδή ένα κινούμενο σύστημα. Στο δικό του σύστημα ο καθένας μπορεί να ορίσει ένα σύστημα συντεταγμένων, το γνώριμο πλέγμα του πλάτους, του βάθους και του ύψους. Τα συστήματα αυτά συμπίπτουν όταν όλοι βρίσκονται σε ηρεμία ή όταν τα διαστημόπλοιά σας κινούνται δίπλα δίπλα με την ίδια ταχύτητα.
Όταν όμως κάποιος κινείται πιο γρήγορα, η ειδική σχετικότητα δείχνει ότι το πλέγμα του παραμορφώνεται και συστέλλεται στη διεύθυνση της κίνησης. Αυτή ακριβώς η λεπτομέρεια ενόχλησε τους σύγχρονους του Αϊνστάιν. Έμοιαζε η μεταβολή στο μήκος της ράβδου να είναι άβολα δεμένη με τις αλλαγές στο σύστημα συντεταγμένων που χρησιμοποιείται για να την περιγράψει. Όμως, έλεγαν οι επικριτές, ένα φαινόμενο που εξαρτάται από ένα σύστημα συντεταγμένων δεν μπορεί να είναι πραγματικό. Τελικά, τα ίδια τα συστήματα συντεταγμένων είναι αμφίβολης πραγματικότητας. Φαίνονται απλώς ως εργαλεία που κατασκευάσαμε οι άνθρωποι για να οργανώνουμε τις θεωρίες και τις παρατηρήσεις μας για τον φυσικό κόσμο.
Το 1911, ο φυσικός Βλαντίμιρ Βάριτσακ υποστήριξε ότι η συστολή του μήκους της ράβδου «είναι μόνο ένα ψυχολογικό και όχι ένα φυσικό γεγονός, δηλαδή το σώμα δεν έχει υποστεί πραγματικά καμία αλλαγή». Ο Τζιοβανέλι αναφέρει κι ένα άλλο περιστατικό, σύμφωνα με το οποίο τη δεκαετία του 1970 ο φυσικός Τζον Στιούαρτ Μπελ ρώτησε συναδέλφους του στο εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής CERN αν η συστολή του μήκους θα μπορούσε να σπάσει ένα νήμα που κρεμόταν ανάμεσα σε δύο διαστημόπλοια που επιταχύνονταν ακριβώς με τον ίδιο ρυθμό. Οι περισσότεροι φυσικοί απάντησαν πως το νήμα δεν θα έσπαγε, υιοθετώντας την άποψη ότι τίποτα φυσικό δεν αλλάζει στα άτομα του νήματος. Θα μπορούσαν άραγε να είχαν κάνει λάθος; Η σκέψη και μόνο μου προκάλεσε ίλιγγο.
Ομολογώ πως υπήρξα πάντα μάλλον κακός μαθητής της σχετικότητας και την έμαθα μόνο όσο χρειαζόταν για να περάσω τις προκαταρκτικές εξετάσεις μου στο μεταπτυχιακό. Παρ’ όλα αυτά, είμαι βέβαιος ότι παλιότερα με δίδαξαν πως η σχετικιστική διαστολή του χρόνου και η συστολή του μήκους είναι αναμφίβολα πραγματικές. Το ξέρουμε από την εμπειρία της καθημερινής ζωής. Τα ακριβή ρολόγια των δορυφόρων GPS χτυπούν με διαφορετικό ρυθμό από εκείνα στη Γη. Αυτό συμβαίνει εν μέρει επειδή κινούνται γρήγορα και εν μέρει λόγω των βαρυτικών επιδράσεων που περιέγραψε ο Αϊνστάιν στη γενική θεωρία της σχετικότητας.
Για να είναι ακριβές το GPS, η διαφορά στα «χτυπήματα» πρέπει να διορθώνεται. Αν αυτό δεν γινόταν, οι συνέπειες θα ήταν πολύ πραγματικές, όπως το να βρεθεί κανείς στην αυλή κάποιου άλλου όταν προσπαθεί να χρησιμοποιήσει το κινητό του για να πάει σε ένα νέο καφέ ή βιβλιοπωλείο. Όμως εδώ βρίσκεται το κρίσιμο σημείο: τα ρολόγια των δορυφόρων GPS αντλούν την ακρίβειά τους από τον κβαντικό έλεγχο των ατόμων και όχι από κάποια μακροσκοπικά γρανάζια. Γι’ αυτό μοιάζει ιδιαίτερα παράδοξο να λέει κανείς ότι η διαστολή του χρόνου δεν κάνει, ας πούμε, τίποτα σε ένα άτομο.
Ο ίδιος ο Αϊνστάιν σκεφτόταν επίσης αυτό το ζήτημα, λέει ο Τζιοβανέλι. Μάλιστα, ένα ατομικό φαινόμενο βρέθηκε στο επίκεντρο μιας συζήτησης που είχε το 1906 με τον Γιοχάνες Σταρκ, φυσικό που τιμήθηκε με Νόμπελ για την ανακάλυψη του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία μπορούν να επηρεάζουν τις ενεργειακές καταστάσεις των ατόμων. Ο Σταρκ μελετούσε φορτισμένα άτομα που κινούνταν με μεγάλη ταχύτητα και ο Αϊνστάιν αναγνώρισε ότι αυτά τα πειράματα ίσως έδειχναν το εγκάρσιο φαινόμενο Ντόπλερ. Με τον ίδιο τρόπο που η συχνότητα του ήχου μιας σειρήνας αλλάζει όταν πλησιάζει προς εμάς, ένα ανάλογο φαινόμενο μπορεί να συμβεί λόγω της διαστολής του χρόνου.
Πρόκειται για μια ξεχωριστή πρόβλεψη της ειδικής σχετικότητας, ένα φαινόμενο που δεν υπάρχει σε άλλες θεωρίες, λέει ο Τζιοβανέλι. Στο κλασικό φαινόμενο Ντόπλερ γνωρίζετε ότι μπορείτε να το «ακυρώσετε» ακολουθώντας το περιπολικό και ότι αυτό που συμβαίνει δεν οφείλεται σε κάτι που αλλάζει μέσα στο ηχείο του αυτοκινήτου. Το ίδιο ερώτημα προέκυψε και για το εγκάρσιο φαινόμενο Ντόπλερ. «Ο Σταρκ πίστευε πραγματικά, κάπως αφελώς αλλά φυσιολογικά, ότι κάτι συμβαίνει στο άτομο», λέει ο Τζιοβανέλι. Στη δική μας αναλογία, το ηχείο στο αυτοκίνητο θα μεταβαλλόταν φυσικά. Ο Αϊνστάιν το απέρριψε αυτό. Υποστήριξε ότι όλα τα άτομα παραμένουν ίδια και ότι οι εσωτερικές τους διεργασίες δεν επηρεάζονται από την κίνηση. Η διαστολή του χρόνου ήταν η μόνη εξήγηση. Εδώ, κάτι που φαινόταν φαινομενικό αντιμετωπιζόταν ως πραγματικό, μέσα από έναν εμπειρικό έλεγχο.
Ειρωνικά, όταν το εγκάρσιο φαινόμενο Ντόπλερ επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 1938, ένας από τους δύο φυσικούς που συμμετείχαν ήταν ο Χέρμπερτ Άιβς, ο οποίος δεν αποδέχθηκε ποτέ την ειδική σχετικότητα. Ο Άιβς πίστευε ότι είχε βρει ίχνη του «αιθέρα», μιας υποθετικής ουσίας που, κατά ορισμένους ερευνητές, διαπερνούσε το σύμπαν και παρείχε ένα προνομιακό, αληθινό σύστημα αναφοράς. Ωστόσο, το πλήθος των άλλων πειραματικών δεδομένων, πολλά από τα οποία είχαν προκύψει ακόμη και πριν από το έργο του Άιβς, απέκλεισε πλήρως αυτή την εκδοχή και η ειδική σχετικότητα έγινε η μόνη αποδεκτή θεωρία. Παρά όλες τις αντιδράσεις για την ιδιομορφία ενός φαινομένου που σχετίζεται με την οπτική του παρατηρητή και που πολλοί φυσικοί ήθελαν να απορρίψουν, η διαστολή του χρόνου άντεξε στον χρόνο. Στις δεκαετίες που ακολούθησαν, ολοένα και πιο ακριβή ατομικά ρολόγια δεν έδειξαν ποτέ καμία ένδειξη ότι συμβαίνει κάτι πιο «πραγματικό».
Για τον Τζιοβανέλι, αυτό που συνέβη δεν ήταν τόσο μια διαφωνία στη φυσική όσο μια σύγκρουση ανάμεσα στη φυσική και τη φιλοσοφία. Κάτω από το δύσκολο ερώτημα αν η διαστολή του χρόνου είναι πραγματική κρύβεται ένα ακόμη πιο δύσκολο φιλοσοφικό ερώτημα: τι σημαίνει να είναι κάτι πραγματικό;
«Κάποια στιγμή, δεν μπορείς να το αποφύγεις», λέει ο Τζιοβανέλι. «Και έτσι, ο Αϊνστάιν αναγκάστηκε να αντιμετωπίσει το ζήτημα φιλοσοφικά. Εντάξει, ας ορίσουμε πραγματικά: “φαινομενικό” σημαίνει ότι εξαφανίζεται για τον συνκινούμενο παρατηρητή, “πραγματικό” σημαίνει ότι είναι εμπειρικά ελέγξιμο». Κατά μία έννοια, λέει, η κατάσταση δεν θα έπρεπε ποτέ να είχε γίνει τόσο περίπλοκη. Οι επιστημονικές θεωρίες προσφέρουν ελέγξιμες υποθέσεις —αυτός είναι και ο σκοπός τους— και η ειδική σχετικότητα έχει περάσει κάθε δοκιμή στην οποία τη βάλαμε. Τι άλλο θα μπορούσε να ζητήσει κανείς από μια θεωρία;
Κι όμως, είναι δύσκολο να το κατανοήσει κανείς διαισθητικά, λέει ο Τζιοβανέλι. Ακόμη και ο ίδιος ο Αϊνστάιν είχε τις απορίες του, κυρίως για το πόσο βέβαιος μπορούσε να είναι ότι δύο ρολόγια, ή δύο άτομα που χρησιμοποιούνται ως ρολόγια, θα ήταν πραγματικά και αξιόπιστα ίδια. Η εμφάνιση της κβαντικής φυσικής έδωσε ορισμένες διαβεβαιώσεις, όμως ο Αϊνστάιν διατηρούσε τις επιφυλάξεις του απέναντί της και ασχολήθηκε πολύ περισσότερο με το πώς εφαρμόζεται στην περίπτωση των ράβδων και των ρολογιών. Ποτέ όμως δεν αμφισβήτησε την εμπειρική πραγματικότητα της διαστολής του χρόνου και της συστολής του μήκους, λέει ο Τζιοβανέλι.
Καθώς μιλούσαμε, αναρωτήθηκα αν για μένα, όπως και για τους επικριτές του Αϊνστάιν, ήταν η εμφανής έλλειψη σχετικιστικής διαίσθησης που έκανε τη διαστολή του χρόνου τόσο δύσκολη να την κατανοήσω. Ίσως να ήταν πιο εύκολο να δεχθώ ότι όταν τα άτομα μέσα σε ένα ρολόι ή μια ράβδο κινούνται με κάποια ταχύτητα, κάποιος άγνωστος μηχανισμός τα αλλάζει φυσικά, οδηγώντας στη διαστολή του χρόνου και στη συστολή του μήκους. Αντί γι’ αυτό, πρέπει να συμβιβαστώ με την ιδέα ότι δεν υπάρχει πραγματικά κάτι όπως ο απόλυτος χρόνος.
Ως μαθητής της σύγχρονης φυσικής, ωστόσο, δεν με εκπλήσσει απαραίτητα αυτή η κάπως εκνευριστική αντιπαράθεση ανάμεσα στις λέξεις «φαινομενικό» και «πραγματικό». Τη διαίσθησή μου για τη συμπεριφορά των φυσικών αντικειμένων την απέκτησα συναναστρεφόμενος καθημερινά πράγματα, όπως στυλό, πορτοκάλια και μπάλες ποδοσφαίρου, ποτέ κάτι εξαιρετικά μικρό ή ψυχρό, ούτε κάτι απίστευτα γρήγορο. Η κβαντική θεωρία, που διέπει όλα τα μικρά και ψυχρά πράγματα, μου έμαθε ότι δεν μπορώ πάντα να περιμένω πως μόνο ένα πράγμα για ένα αντικείμενο θα είναι αδιαμφισβήτητα αληθινό κάθε φορά. Στην πραγματικότητα, τα κβαντικά αντικείμενα μπορούν να υπάρχουν σε καταστάσεις παρόμοιες με νέφη πιθανοτήτων που περιέχουν εντελώς αντικρουόμενες επιλογές. Η απόλυτη ακρίβεια και η απόλυτη βεβαιότητα απλώς δεν είναι στο τραπέζι. Η ειδική σχετικότητα ίσως μου διδάσκει ένα παρόμοιο μάθημα για τον χρόνο.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
