Απειλείται ο 3ος νόμος του Νεύτωνα;

Ο πειραματικός «κινητήρας ηλεκτρομαγνητικής ώσης» της NASA, γνωστός ως EMDrive, φαίνεται να καταρρίπτει την ισχύ του τρίτου νόμου της κίνησης του Νεύτωνα

Ενα πρωτότυπο πείραμα που πέρασε από σαράντα κύματα έως ότου γίνει δεκτό για δημοσίευση ίσως ανατρέπει την άποψη του Νιλς Μπορ για τα κβαντικά κύματα πιθανότητας – κάτι που θα άρεσε στον Αϊνστάιν και στον Σρέντινγκερ

Χάρης Βάρβογλης

Οι τρεις νόμοι της κίνησης, τους οποίους διατύπωσε ο Ισαάκ Νεύτωνας τον 17ο αιώνα, σηματοδότησαν την οριστική κατάρριψη της παλιάς θεωρίας της κίνησης του Αριστοτέλη και αποτελούν μέχρι σήμερα ένα από τα κύρια θεμέλια της σύγχρονης μηχανικής. Ειδικότερα ο τρίτος από αυτούς, που ονομάζεται συχνά και νόμος της δράσης και αντίδρασης, βρίσκει εφαρμογή, πέραν της μηχανικής, και σε άλλα κεφάλαια της φυσικής, όπως για παράδειγμα στον ηλεκτρομαγνητισμό και στα στοιχειώδη σωματίδια, έτσι ώστε να θεωρείται ένας από τους βασικούς νόμους όλης της φυσικής. Πρόσφατα όμως ένα πείραμα αμερικανών επιστημόνων, το οποίο σχετίζεται με την ανάπτυξη νέου τύπου κινητήρων για την προώθηση διαστημοπλοίων, φαίνεται να καταρρίπτει την ισχύ αυτού του νόμου. Το θέμα αποτέλεσε είδηση σε όλα τα διεθνή μέσα ενημέρωσης, με βάση το γεγονός ότι μεγάλο μέρος του κοινού είναι εξοικειωμένο με τους νόμους του Νεύτωνα από το σχολείο. Μια προσεκτική μελέτη του πειράματος όμως αποκαλύπτει μια κάπως διαφορετική κατάσταση. Η ερμηνεία του πειραματικού αποτελέσματος την οποία προτείνουν οι συγγραφείς του επιστημονικού άρθρου δεν παραβιάζει μεν τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, αλλάζει όμως ριζικά τη φυσική εικόνα με την οποία αναπαριστούμε τα μαθηματικά αποτελέσματα των εξισώσεων της κβαντομηχανικής.

Το ανορθόδοξο πείραμα

Η ερευνητική ομάδα υπό τον Χάρολντ Γουάιτ η οποία υπογράφει το επιστημονικό άρθρο εργάζεται στα Εργαστήρια Eagleworks του Διαστημικού Κέντρου Johnson της NASA. Σε αυτά τα εργαστήρια δοκιμάζονται διάφορες «ανορθόδοξες» τεχνολογίες, οι οποίες, σε περίπτωση επιτυχίας, αναμένεται να ανοίξουν νέους δρόμους στις διαστημικές αποστολές. Το πείραμα είναι σχετικά απλό στη σύλληψή του. Μια λυχνία magnetron, σαν αυτές που χρησιμοποιούνται στη δημιουργία της ηλεκτρομαγνητικής δέσμης των ραντάρ, εκπέμπει μικροκύματα μέσα σε ένα κλειστό δοχείο. Στο πείραμα μετρήθηκε μια μικρή - αλλά μη μηδενική - δύναμη την οποία φαίνεται να εξασκεί η δέσμη στο απέναντι τοίχωμα του δοχείου. Πειράματα αυτού του είδους είχαν ξεκινήσει εδώ και δέκα χρόνια, κυρίως από μέλη της συγκεκριμένης ερευνητικής ομάδας, αλλά τα θετικά αποτελέσματά τους δεν έγινε δυνατό να δημοσιευθούν σε επιστημονικά περιοδικά με κριτές για δύο βασικούς λόγους. Ο πρώτος είναι ότι οι κριτές είχαν επισημάνει πιθανές πηγές λάθους των μετρήσεων και ο δεύτερος ότι η ομάδα δεν μπορούσε να παρουσιάσει μια «λογική» θεωρητική ερμηνεία του παράδοξου αποτελέσματος των μετρήσεων. Στο τέλος όμως η ομάδα κατάφερε, ύστερα από αρκετή προσπάθεια είναι η αλήθεια, να «πείσει» τους κριτές. Το άρθρο είχε σταλεί για δημοσίευση τον Νοέμβριο του 2015, αλλά χρειάστηκαν εννέα μήνες για να γίνει τελικά δεκτό προς δημοσίευση. Η ομάδα έλεγξε εννέα πιθανές πηγές λάθους των μετρήσεων, μεταξύ των οποίων συγκαταλέγονται η πίεση του αέρα λόγω θέρμανσης, η διαρροή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τη συσκευή και οι θερμικές συστολές και διαστολές, για να καταλήξει στο συμπέρασμα ότι καμία από αυτές τις εννέα δεν επηρέαζε το αποτέλεσμα.

Η τράμπα της ορμής

Τι γίνεται όμως με το θέμα του τρίτου νόμου του Νεύτωνα; Αυτός είναι στενά συνδεδεμένος με τον νόμο διατήρησης της ορμής, σύμφωνα με τον οποίο το άθροισμα του γινομένου μάζας επί ταχύτητα όλων των σωμάτων σε ένα απομονωμένο σύστημα δεν είναι δυνατό να αλλάξει. Τον νόμο αυτόν τον εφαρμόζουμε κατά κόρον στην κίνηση των διαστημοπλοίων. Οταν ο πύραυλος είναι στη βάση εκτόξευσης, όλα τα μέρη του έχουν ταχύτητα μηδέν, άρα και η ορμή του είναι μηδέν. Οταν αρχίζει να λειτουργεί ο κινητήρας του, εκτοξεύει καυσαέρια με ταχύτητα προς τα πίσω, οπότε, για να παραμείνει η ορμή του συστήματος πυραύλου-καυσαερίων ίση με μηδέν, πρέπει ο πύραυλος να αρχίσει να κινείται προς τα εμπρός. Στην περίπτωση της συσκευής του πειράματος δεν εκτοξεύεται μάζα, οπότε φαίνεται ότι η ορμή του συστήματος, που αρχικά ήταν μηδέν, γίνεται μη μηδενική, επειδή η δύναμη που μετρήθηκε, όσο μικρή και αν είναι, αναγκάζει τελικά τη συσκευή να κινηθεί και να αποκτήσει μη μηδενική ορμή. Αλλά το επιχείρημα αυτό λαμβάνει υπόψη μόνο φαινόμενα της μηχανικής. Αν συμπεριλάβουμε και τον ηλεκτρομαγνητισμό, η κατάσταση διαφοροποιείται, επειδή γνωρίζουμε ότι ορμή έχουν τόσο το ηλεκτρικό όσο και το μαγνητικό πεδίο. Αυτή η ιδιότητα δεν γίνεται εύκολα κατανοητή από έναν μη ειδικό, επειδή το πεδίο δεν είναι κάτι χειροπιαστό, είναι όμως μια πραγματικότητα. Οι συγγραφείς του άρθρου ισχυρίζονται ότι όση ορμή κερδίζει ο κινητήρας από τη δύναμη που αυτοί μέτρησαν, τόση ακριβώς χάνει το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που βρίσκεται μέσα στη συσκευή. Είναι φανερό ότι το επιχείρημά τους έπεισε τους κριτές, προσωπικά όμως θα ήθελα να το δω σε λεπτομέρεια και, ειδικότερα, να βεβαιωθώ ότι συμφωνεί και ποσοτικά με τις πειραματικές μετρήσεις.

Αποχαιρετάμε τα «κύματα πιθανότητας»;

Η προτεινόμενη θεωρητική ερμηνεία του φαινομένου, την οποία χρειάστηκε να διατυπώσει η ερευνητική ομάδα για να δημοσιευθεί τελικά το άρθρο, είναι κατά τη γνώμη μου πολύ σημαντική. Κι αυτό επειδή, αν αληθεύει, ανατρέπει την καθιερωμένη ερμηνεία των κυματικών λύσεων που παίρνουμε από τη βασική εξίσωση της κβαντομηχανικής, που είναι η εξίσωση του Σρέντινγκερ. Κύματα βλέπουμε στην καθημερινή ζωή μας, όπως τα κύματα της θάλασσας, τα ηχητικά κύματα ή τα ηλεκτρομαγνητικά. Αλλά στα τρία τελευταία είδη κυμάτων αντιλαμβανόμαστε σχετικά εύκολα τι είναι αυτό που κυμαίνεται: στην πρώτη περίπτωση η επιφάνεια της θάλασσας, στη δεύτερη η πίεση του αερίου και στην τρίτη το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο. Αντίθετα, στην περίπτωση των κυμάτων της κβαντομηχανικής κανείς δεν γνωρίζει τι είδους κύματα είναι οι λύσεις της εξίσωσης του Σρέντινγκερ. Η ερμηνεία την οποία έδωσε ο μεγάλος δανός φυσικός Νιλς Μπορ είναι πως πρόκειται για κύματα πιθανότητας. Αυτή η ερμηνεία δεν άρεσε σε πολλούς μεγάλους φυσικούς, μεταξύ των οποίων ο Αϊνστάιν και ο ίδιος ο Σρέντινγκερ. Ο λόγος είναι ότι έτσι χάνεται η αρχή της αιτιότητας, αφού δύο σωματίδια που ξεκινούν με τις ίδιες αρχικές συνθήκες από την ίδια περιοχή καταλήγουν σε διαφορετικές θέσεις. Πολλοί φυσικοί πρότειναν άλλες ερμηνείες, μεταξύ των οποίων και ο μεγάλος αμερικανός θεωρητικός φυσικός Ντέιβιντ Μπομ, σύμφωνα με τη θεωρία του οποίου τα κύματα αυτά αποτελούν τους «οδηγούς», τους οποίους ακολουθούν κατά την κίνησή τους τα σωματίδια. Η ερευνητική ομάδα υποστηρίζει ότι το πειραματικό αποτέλεσμά της μπορεί να ερμηνευθεί με τη θεωρία του Μπομ, γεγονός το οποίο αν αληθεύει ανατρέπει την καθιερωμένη πια ερμηνεία του Μπορ. Αναμένουμε λοιπόν με πολύ ενδιαφέρον την επανάληψη του πειράματος από άλλους ερευνητές και την επιβεβαίωση ή όχι του παράδοξου αποτελέσματος, για να δούμε αν θα πρέπει να αλλάξουμε ή όχι τη φυσική εικόνα της κβαντομηχανικής.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι πρώην καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.

http://www.tovima.gr/science