Γιατί πέφτουν τα φύλλα στο έδαφος; Γιατί υπάρχουν άνεμοι;

Στο καινούριο του βιβλίο με τίτλο «Για μια νέα φιλοσοφία: ο άνθρωπος μέσα από τα μάτια της Αστροφυσικής» ο αστροφυσικός Παύλος Καστανάς προσκαλεί τους επίδοξους αναγνώστες σε ένα ταξίδι, μέσα από το οποίο αναδύεται μια αισιόδοξη, ειρηνική προοπτική για την ανθρωπότητα, διαμορφωμένη από τις ανακαλύψεις της Αστροφυσικής και της σύγχρονης επιστήμης. Το βιβλίο, που αναμένεται στις 10 Ιουνίου από τις εκδόσεις «Διόπτρα», μας ταξιδεύοει σε κορυφαίες στιγμές της ιστορίας των επιστημών που μεταμόρφωσαν την ανθρώπινη σκέψη, σε αινιγματικά και εντυπωσιακά φαινόμενα του μακρόκοσμου και του μικρόκοσμου, στο παρελθόν και το μέλλον του Σύμπαντος, στη διαρκή σύγκρουση ορθολογισμού και ανορθολογισμού, και σε βαθιά υπαρξιακά και ποιητικά νοήματα που συγκινούν και εμπνέουν.

Με την άδεια του εκδοτικού οίκου, το tanea.gr προδημοσιεύει σήμερα ένα εκτενές απόσπασμα από το κεφάλαιο «Κουβεντιάζοντας με το Σύμπαν».

Το μεγάλο ταξίδι της γνώσης ξεκινά πάντοτε από την παρατήρηση του θαυμαστού κόσμου που μας περιβάλλει. Στρέφουμε το βλέμμα μας στις απέραντες θαλάσσιες εκτάσεις, στον αστροστόλιστο ουρανό, στα σύννεφα που κινούνται γοργά υπό την καθοδήγηση του ανέμου, στις καταπράσινες πεδιάδες και τα λιβάδια με τα ανθισμένα λουλούδια, στις σαρωτικές, μανιώδεις καταιγίδες με τις κατάλευκες αστραπές και τις βροντές που κάνουν τη Γη να σείεται. Αρχικά, αισθανόμαστε φόβο. Μα, σαν βρούμε λίγο θάρρος, ξεπηδούν σιγά σιγά μέσα στον νου μας εκατοντάδες ερωτήματα για τον κόσμο. Επιθυμούμε να ανοίξουμε έναν διάλογο με το Σύμπαν για να πάρουμε, επιτέλους, απαντήσεις. Γιατί πέφτουν τα φύλλα στο έδαφος; Τι είναι οι κεραυνοί και οι αστραπές; Γιατί συμβαίνουν ηλιακές εκλείψεις; Γιατί κάποιοι αστέρες κινούνται σε σχέση με τους υπόλοιπους; Γιατί υπάρχουν άνεμοι; Πώς σχηματίζονται τα βουνά;

Το Σύμπαν, όμως, δεν απαντά ακόμα στις ερωτήσεις μας. Για να δημιουργηθεί ένας πραγματικός διάλογος με αυτό, απαιτούνται δύο ακόμα κρίσιμα βήματα. Το πρώτο είναι να σχηματίσουμε μια υπόθεση για το φαινόμενο που παρατηρούμε. Για παράδειγμα, εάν εξετάζουμε την αιτία που κάνει τα φύλλα να πέφτουν στο γρασίδι, μπορούμε να υποθέσουμε ότι τα φύλλα έλκονται από τα χόρτα επειδή είναι πράσινα, και τα ίδια χρώματα πάντα έλκονται μεταξύ τους. Εναλλακτικά, ίσως πέφτουν επειδή τα φύλλα είναι φτιαγμένα από το στοιχείο της «γης» και επιθυμούν να βρεθούν όσο πιο κοντά στον φυσικό τους τόπο γίνεται. Ίσως, πάλι, τα φύλλα να κινούνται προς τα κάτω επειδή κάποια δύναμη τα έλκει προς το κέντρο της Γης ή, εναλλακτικά, ίσως ακολουθούν το καμπυλωμένο σχήμα του χωροχρόνου. Είναι θεμιτό να διατυπώσουμε δεκάδες διαφορετικές υποθέσεις, αλλά στο τέλος μόνο μία από αυτές θα είναι η σωστή.

Το δεύτερο βήμα που απαιτείται προκειμένου να λάβουμε απάντηση από το Σύμπαν είναι το πείραμα. Κατά τη διάρκεια ενός πειράματος, προσπαθούμε να προσομοιώσουμε τα φαινόμενα τα οποία παρατηρούμε στη φύση, υπό καθορισμένες συνθήκες, ώστε να ελέγξουμε την ορθότητα της υπόθεσης που διατυπώσαμε. Για παράδειγμα, παίρνουμε ένα φύλλο και το αφήνουμε να πέσει σε μια περιοχή όπου δεν έχει πράσινα χόρτα. Το φύλλο πέφτει και πάλι, αναγκάζοντάς μας να απορρίψουμε την υπόθεση περί έλξης των όμοιων χρωμάτων.

Στις επιστήμες της Αστροφυσικής και της Κοσμολογίας, η πειραματική διάταξη συνήθως αφορά τη συγκέντρωση και τη μελέτη των φωτονίων που προέρχονται από πολύ μακρινά αντικείμενα. Τα χαρακτηριστικά του φωτός και του φάσματός του μπορούν να επιβεβαιώσουν ή να καταρρίψουν τις υποθέσεις μας σχετικά με τη φύση και τη συμπεριφορά των πλανητών, των αστέρων, των νεφελωμάτων και των γαλαξιών. Σε κάθε περίπτωση, το πείραμα και η επακόλουθη συλλογή και ανάλυση δεδομένων αποτελούν την «απάντηση» που μας δίνει το Σύμπαν. Εάν αυτή η απάντηση επιβεβαιώνει την αρχική μας υπόθεση, τότε επαναλαμβάνουμε πολλές φορές το πείραμα, ώστε να μάθουμε περισσότερα για τον φυσικό νόμο που διέπει το φαινόμενο. Από την άλλη μεριά, εάν τα αποτελέσματα του πειράματος δεν συμφωνούν με την αρχική υπόθεση, τότε επιστρέφουμε και πάλι πίσω, διατυπώνοντας αυτή τη φορά μια καινούργια υπόθεσή ή τροποποιώντας την αρχική.

Αυτή η αλληλουχία πράξεων που γνωρίσαμε παραπάνω, δηλαδή παρατήρηση – ερώτηση – υπόθεση – πείραμα – ανάλυση δεδομένων, συνιστά την επιστημονική μέθοδο και, παρά την απλότητά της, αποτελεί την κινητήρια δύναμη πίσω από την τεράστια επιστημονική και τεχνολογική πρόοδο του πολιτισμού μας.

Βέβαια, η διατύπωση υποθέσεων για τον φυσικό κόσμο δεν είναι κάτι καινούργιο. Από τα αρχαιότατα χρόνια οι φυσικοί φιλόσοφοι προσπαθούσαν να εξηγήσουν τον τρόπο που λειτουργεί το Σύμπαν, διαμορφώνοντας πλήθος υποθέσεων. Είναι αξιοσημείωτη η συνεισφορά των Ιώνων φυσικών φιλοσόφων του 6ου αιώνα π.Χ., όπως ήταν ο Θαλής, ο Αναξίμανδρος, ο Αναξιμένης και ο Ηράκλειτος, οι οποίοι επιχείρησαν να ερμηνεύσουν τη φύση μόνο με τη λογική, χωρίς χρήση υπερβατικών και υπερφυσικών αναφορών. Το πλήθος των φυσιοκρατικών κοσμολογικών μοντέλων που προτάθηκαν κατά την αρχαιότητα ήταν τεράστιο και ποικιλόμορφο. Για παράδειγμα, κάποιοι φιλόσοφοι υποστήριζαν την προέλευση του κόσμου από τη φωτιά, κάποιοι από το νερό και άλλοι από τον αέρα. Άλλοι φιλόσοφοι, όπως ο Εμπεδοκλής και ο Αριστοτέλης, θεωρούσαν ότι ο κόσμος αποτελείται από τέσσερα μόνο στοιχεία και κάποιοι άλλοι, όπως ο Δημόκριτος, υιοθέτησαν την ιδέα ότι η ύλη αποτελείται από τα άτομα, αμέτρητα μικρά κομματάκια που είναι αδύνατο να διαιρεθούν περαιτέρω.

Ο θαυμασμός που αισθανόμαστε για τη διάνοια των σπουδαίων αυτών ανθρώπων δεν προέρχεται από το γεγονός ότι όλα όσα είπαν ήταν σωστά. Για την ακρίβεια, τα περισσότερα απ’ όσα διατυπώθηκαν ήταν λανθασμένα. Η ιδιοφυΐα τους συνίσταται στο γεγονός ότι κατασκεύασαν θεωρητικά μοντέλα του κόσμου επιχειρώντας να τον εξηγήσουν με λογική, χωρίς εύκολες λύσεις και επινοήσεις. Ωστόσο, από τη μεθοδολογία τους έλειπε συνήθως η πειραματική διαδικασία. Για παράδειγμα, ο Αριστοτέλης, παρόλο που ακολουθούσε κάποια από τα βήματα της επιστημονικής μεθόδου (παρατήρηση, ερώτηση, υπόθεση), δεν υιοθέτησε το πείραμα –και την επαναληψιμότητά του– ως βασικό εργαλείο για την εξαγωγή συμπερασμάτων, αλλά στηρίχθηκε μονάχα στη δύναμη της λογικής και της επαγωγικής μεθόδου.1

Από την άλλη μεριά, ο Γαλιλαίος και ο Νεύτωνας εισήγαγαν εμφατικά την πειραματική διαδικασία και τα Μαθηματικά στην ερμηνεία του κόσμου. Η πειραματική διαδικασία, όπως είδαμε, επιτρέπει στο Σύμπαν να μας απαντά, ενώ τα Μαθηματικά αποτελούν την πληρέστερη και ακριβέστερη γλώσσα για την πραγματοποίηση αυτού του ωραίου διαλόγου. Άλλωστε, όπως είχε γράψει ο Γαλιλαίος, «το βιβλίο της φύσης είναι γραμμένο στη γλώσσα των Μαθηματικών».

Η υιοθέτηση των Μαθηματικών ως lingua franca2 για τη μελέτη της φύσης γίνεται σαφής από τον τίτλο που επέλεξε ο Νεύτωνας προς τα τέλη του 17ου αιώνα για το σπουδαιότερο σύγγραμμά του: Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, δηλαδή, Μαθηματικές Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας. Με άλλα λόγια, ο Νεύτωνας δηλώνει ότι στο βιβλίο του θα μιλήσει και πάλι για φυσική φιλοσοφία, δηλαδή, θα επιχειρήσει να εξηγήσει τη συμπεριφορά του Σύμπαντος με τη λογική, αλλά αυτή τη φορά όλα θα είναι γραμμένα στην αμερόληπτη γλώσσα των Μαθηματικών.

Στο σύγγραμμά του αυτό, ο Νεύτωνας διατύπωσε τους Νόμους της Κίνησης, που μαθαίνουμε στο σχολείο, και τον Νόμο της Παγκόσμιας Έλξης, ο οποίος εξηγεί την αιτία πίσω από τις κινήσεις των πλανητών αλλά και την αιτία της πτώσης των αντικειμένων στο έδαφος: τη βαρύτητα. Για να φτάσει στα συμπεράσματα αυτά, χρειάστηκε να δημιουργήσει έναν ολόκληρο κλάδο των Μαθηματικών, τον απειροστικό λογισμό, δηλαδή τις παραγώγους, τα ολοκληρώματα και τις διαφορικές εξισώσεις που ταλαιπωρούν τους φοιτητές των φυσικών επιστημών.

Παρουσιάστηκε, όμως, ένα σοβαρότατο πρόβλημα. Οι εξισώσεις του Νεύτωνα οδηγούσαν στο ανησυχητικό συμπέρασμα ότι οι βαρυτικές δυνάμεις μεταξύ των πλανητών καθιστούσαν το ηλιακό μας σύστημα ασταθές, με ολέθρια αποτελέσματα. Σιγά σιγά, οι αλληλεπιδράσεις αυτές θα αθροίζονταν, παραμορφώνοντας τις τροχιές των πλανητών ή αναγκάζοντάς τους ακόμα και να δραπετεύσουν από το ηλιακό μας σύστημα! Μπροστά σε αυτή την τεράστια κρίση του μοντέλου του, ο Νεύτωνας υπέθεσε ότι ίσως, κάθε τόσο, ο Θεός να επεμβαίνει και να επιδιορθώνει το σύστημα, προς αποφυγή τέτοιων καταστροφικών γεγονότων.

Η επίκληση θεϊκών δυνάμεων για την επίλυση ενός φυσικού προβλήματος είναι ένα γνωστό μοτίβο στην ιστορία της ανθρωπότητας, το οποίο οι σύγχρονοι φιλόσοφοι ονομάζουν «Θεό των κενών» (God of the gaps). Είναι η ύστατη επίκληση βοήθειας όταν αδυνατούμε να εξηγήσουμε κάτι με τη λογική – και θυμίζει τη θεοποίηση των φυσικών φαινομένων που συνέβαινε κατά κόρον στα αρχαία χρόνια. Γι’ αυτό, εξάλλου, ο Γερμανός μαθηματικός Gottfried Wilhelm Leibniz3 απέρριπτε με πάθος την ιδέα της θεϊκής παρέμβασης. Ένας τέλειος Θεός δεν θα ήταν δυνατόν να είχε δημιουργήσει ένα Σύμπαν το οποίο θα χρειαζόταν διαρκώς επιδιορθώσεις!

Θα χρειαζόταν ακόμα αρκετός καιρός για να φτάσουμε σε μια εντελώς ελεύθερη από δεισιδαιμονίες και υπερφυσικές αναφορές ερμηνεία του Σύμπαντος. Το πιο χαρακτηριστικό περιστατικό, το οποίο φανερώνει τη μετάβαση από το μυστικιστικό στο επιστημονικό μοντέλο του κόσμου, τοποθετείται στις αρχές του 19ου αιώνα και αφορά τον διάλογο του Γάλλου μαθηματικού και αστρονόμου Pierre-Simon Laplace με τον Ναπολέοντα. Ο Laplace αφιέρωσε ένα τεράστιο μέρος της ζωής του στη μελέτη της Μηχανικής του ηλιακού μας συστήματος. Με τη βοήθεια διαφορικών εξισώσεων, κατάφερε να λύσει το πρόβλημα της αστάθειας του συστήματος, συμπεραίνοντας ότι οι ανωμαλίες που προκύπτουν από τις αλληλεπιδράσεις των πλανητών αλληλοαναιρούνται με το πέρασμα του χρόνου, δηλαδή το σύστημα αυτοδιορθώνεται. Συνεπώς, η ανησυχία του Νεύτωνα δεν ήταν δικαιολογημένη. Λέγεται, λοιπόν, ότι κάποτε ο Ναπολέων είπε στον Laplace: «Πληροφορήθηκα ότι γράψατε αυτό το μεγάλο έργο για το σύστημα του κόσμου και δεν αναφέρατε πουθενά τον Δημιουργό». Και ο Laplace αποκρίθηκε: «Μεγαλειότατε, δεν μου ήταν αναγκαία αυτή η υπόθεση».

Η απάντηση του Laplace δεν είναι μια επίδειξη αθεΐας, όπως θα μπορούσε κάποιος να υποθέσει, αλλά καθιστά σαφές ότι δεν απαιτείται η επίκληση υπερφυσικών οντοτήτων για την εξήγηση των φυσικών φαινομένων. Η επιστήμη γίνεται πλέον αυτόνομη και η επιστημονική μέθοδος αναγνωρίζεται ως ο αποδοτικότερος τρόπος άντλησης δεδομένων για το Σύμπαν. Για πολλές χιλιετίες, ευσεβείς πόθοι, ιδεολογίες, προκαταλήψεις, δόγματα και λογής λογής πεποιθήσεις επηρέαζαν την κρίση μας. Με άλλα λόγια, στην κουβέντα που ανοίγαμε με το Σύμπαν δεν προσερχόμασταν με ειλικρίνεια και καθαρότητα, αναζητώντας την αλήθεια, αλλά προσπαθούσαμε να επιβάλουμε τις δικές μας παραδοχές και να καλύψουμε τις βαθιές συναισθηματικές μας ανάγκες. Από την εποχή του Laplace και μετά, το καράβι της γνώσης σαλπάρει αφήνοντας πίσω το λιμάνι των ανθρώπινων προκαταλήψεων, ανοίγει πανιά και ταξιδεύει στους μεγαλύτερους, ανεξερεύνητους ωκεανούς. Η λέξη «επιστήμη» αντικαθιστά πια τη «φυσική φιλοσοφία» και η ανθρωπότητα εισέρχεται στην πιο όμορφη περιπέτεια: την περιπέτεια της ανακάλυψης.