Σάββατο, 7 Αυγούστου 2010

Η απιστευτη πολυπλοκοτητα της φυσης




Οταν ο Αυστριακος φυσικος Erwin Schrödinger διατυπωση την περιφημη κυματικη του εξισωση μεγαλος ενθουσιασμος επικρατησε στις ταξεις των φυσικων και των χημικων. Ο ενθουσιασμος ηταν τοσο μεγαλος που επικρατησε η αποψη οτι πλεον ολα τα ζητηματα της χημειας ειχαν λυθει: για οποιοδηποτε χημικο προβλημα απαιτουνταν μονο η λυση της εν λογω εξισωσης. Συντομα βεβαια εγινε αντιληπτο οτι στις εφαρμογες της κβαντικης φυσικης στα προβληματα της χημειας η επιλυση της εξισωσης ηταν αδυνατο να λυθει αναλυτικα. Το προβλημα των πολλων σωματων (many-body problem) ηταν γνωριμο στα πλαισια της κλασσικης φυσικης. Συνισταται στην εξελιξη ως προς τον χρονο ενος συστηματος σωματων που βρισκονται σε αλληλεπιδραση μεταξυ τους (παραδειγματος μεσω βαρυτικων δυναμεων). Για τετοια συστηματα η ακριβης περιγραφη της εξελιξης του συστηματος στον χρονο ειναι αδυνατο να δωθει με ακριβεια: μονο προσεγγιστικες λυσεις ειναι δυνατο να βρεθουν. Το ιδιο συμβαινει και στα πλαισια της κβαντικης θεωριας για την κινηση των ηλεκτρονιων στα μοριακα συστηματα. Τα μορια αποτελουνται απο πολλα ηλεκτρονια που αλληλεπιδρουν μεταξυ τους ηλεκτροστατικα με δυναμεις Coulomb. Η λυση των εξισωσεων κινησης για πολυηλεκτρονιακα συστηματα ειναι αδυνατη και προσεγγιστικες λυσεις ειναι το μονο που περιμενει κανεις.
Αυτο ηταν ενα μια σχετικα παιδαριωδης εισαγωγη σε ενα τεχνικο θεμα το οποιο δεν μπορει να αναλυθει ευκολα. Ειναι ενα προβλημα που μπορει να λυθει μονο με την βοηθεια ηλεκτρονικων υπολογιστων για συστηματα που ενδιαφερουν την χημεια. Για απλα μοριακα συστηματα η ακριβεια των υπολογισμων μπορει να ειναι τοσο μεγαλη που πλεον μπορει να θεωρηθει οτι προσεγγιζει ασυμπτωτικα την πραγματικη λυση του προβληματος των πολλων σωματων. Για μεγαλα συστηματα οπως κρυσταλλικα στερεα, μακρομορια η μορια βιολογικου ενδιαφεροντος οι προσεγγισεις ειναι λιγοτερο ακριβεις.
Σε εναν υπολογιστη ας πουμε 3GHz με 3 GB μνημη και διπυρινο επεξεργαστη (σχετικα απλος υπολογιστης για τα δεδομενα της εποχης) ενας υπολογισμος ενος μικρου αμινοξεος μπορει να κρατησει 2 και 3 μερες ατελειωτου «τρεξιματος» απο τον υπολογιστη. Για πρωτεινες (που αποτελουνται απο πολλα αμινοξεα) ο χρονος υπολογισμου αυξανεται δραματικα και μπορει να παρει μεχρι και μηνες (για υπολογισμους μεγαλη ακριβειας) και η χρηση υπερυπολογιστων ειναι επιβεβλημενη. Και ας φανταστουμε τωρα εσας, ενα ανθρωπινο ον που αποτελειται απο αναριθμητο αριθμο μοριων (απιστευτο αριθμο μοριων σε καθε κυτταρο σας) και φανταστειτε την απιστευτη πολυπλοκοτητα του ολου πραγματος...Ολα αυτα τα μορια αντιδρουν, αλληλεπιδρουν, καταστρεφονται και σχηματιζουν αλλα, συνεχως, καθε δευτερολεπτο, καθε στιγμη. Και τωρα σας βλεπω που μιλατε και ολα αυτα συμβαινουν ταυτοχρονα μεσα σας. Η τεχνολογια μας εχει φτασει σε σημειο να μπορει να προσομοιωσει ενα εξαιρετικα μικρο κομματι απο αυτο που οι ζωντανοι οργανισμοι ειναι.
Βλεπετε ποσο μεγαλο ειναι το χασμα απο την διατυπωση των βασικων αρχων την επιστημης μεχρι τα τελικα φαινομενα που λαμβανουν χωρα στους εμβιους οργανισμους. Και ομως η φυση, μπορει και τα κανει ολα αυτα ταυτοχρονα, μαζι, χωρις καμια ασυνεπεια, χωρις καμια ασυνεχεια. Αυτο που εμεις προσπαθουμε να κατανοησουμε απομονοντας το και αναλυοντας το, η φυση το ξερει και το κανει εδω και εκατομμυρια χρονια. Δεν γινεται να τα σκεφτεις ολα αυτα και να μην μεινεις με ενα αισθημα δεους για τον περιορισμο της ανθρωπινης νοημοσυνης και της μαγειας της φυσης και των νομων της. Αυτη η σκεψη με μαγευε παντα. Κλεινω με ενα κειμενο του Feynman για το μεγαλειο της φυσης.

«Ολο το συμπαν σε ενα ποτηρι κρασι» απο τον Richard P. Feynman

Ένας ποιητής είπε κάποτε, " ολόκληρο το σύμπαν υπάρχει μέσα σ' ένα ποτήρι κρασί"…
Πράγματι, αν κοιτάξουμε προσεκτικά ένα ποτήρι κρασί, θα δούμε ολόκληρο το σύμπαν…όσον αφορά το ποτήρι, αυτό προέρχεται από γήινα πετρώματα και στη σύστασή του ανακαλύπτουμε τα μυστικά της ηλικίας του σύμπαντος και της εξέλιξης των άστρων. Στο ίδιο πάλι κρασί απαντάται μια παράξενη σειρά από χημικές ουσίες. Είναι οι ζύμες, τα ένζυμα, τα συνένζυμα και τα προϊόντα τους. Πώς άραγε γεννιούνται; Τελικά στο κρασί βρίσκεται η μεγάλη γενική αρχή: όλη η ζωή είναι προϊόν ζύμωσης… Αν τα μικρά μας μυαλά, χάριν ευκολίας, διαιρούν αυτό το ποτήρι κρασιού, αυτό το σύμπαν, σε κομμάτια όπως φυσική, βιολογία, γεωλογία, αστρονομία και ούτω καθεξής, να θυμάστε ότι η φύση αυτό δεν το γνωρίζει! Γι' αυτό λοιπόν ας τα βάλουμε πάλι όλα μαζί, ώστε να μην ξεχάσουμε τον λόγο ύπαρξης του κρασιού.
Το κρασί υπάρχει για να μας χαρίζει απόλαυση: πιείτε το και ξεχάστε όλα τα' άλλα!