- WHEN WILL SCIENCE MAKE ENDS MEET?

 

Many of the most influential physicists of the first half of the 20^th century, pose in this photo at Solvey Conference, in 1927.

Two major events have happened recently in the field of experimental Physics, one a few years earlier with the confirmation of the Higgs boson, and the second this very year with the detection of gravitational waves.

The interesting part is that both theories describing the observed phenomena have been developed many years ago, one hundred years for the gravitational waves and sixty for the Higgs boson.

Of course there is no wonder it took so long for the confirmation to come, as both phenomena needed very big, very expensive and of great precision machinery (namely the Cern accelerator and the LiGO installations) to be put to work.

Another interesting fact is that these two phenomena lay at the extreme ends of Physics, the micro and macro realm, whose unification is the Holy Grail of modern Physics in the quest for understanding the Cosmos.

As these theories of the extremes, quantum mechanics and relativity, were proposed in the early 20^th century, it would seem all too logical that the unification of the four forces that govern the Universe should already have been achieved by now, but this is not the case.

And as if the task of bringing the two theories together was not hard enough for the theoretical Physics of the mid 20^th century, there came the enigmas of dark matter and dark energy at the end of the same century, to add some extra degree of difficulty to the problem.

If we dare an extrapolation of the time needed between theoretical conception and physical proof, corrected for the exponential growth in the technological means, we should have good reason to expect that these “dark” problems will be answered somewhere in the ‘30s.

But will it put an end to the complexity of today’s Physics, if the Theory of Everything becomes a reality, or we will just find that another Russian “matryoshka” is hidden inside?

Anyway, this major breakthrough is expected to produce some elegantly simplified formulas that may tell not a great deal to the general public, but would say a lot to the scientists, much like J. C. Maxwell’s equations have done at the second half of 19^th century.

And as of the practical benefits that may emerge, certainly there will be quite a few, probably not as a giant leap but rather as a firm step.

But, if the essence of what is important for the mankind is the primary criterion for calling a major scientific discovery a breakthrough, then fighting against the life threatening diseases cannot be overestimated as a serious candidate for that title.

It is no secret, that the progress in medicine can be attributed to a significant extent to the progress of the technology of the diagnostic tools and the development of both invasive and non invasive methods.

But in spite of tremendous progress in that field, we are still far away from feeling optimistic about curing the numerous diseases that could bring our lives to an untimely end.

Cancer, is for example one of the major and most terrifying health issues, because we do not know how to prevent it, so we feel that we have no control over it, and the eventual cures are seldom guaranteed to last a life span.

Progress in quantum mechanics that may arise either from the Theory of Everything, or independently, may shed some new light on the tumor triggering mechanism, and provide the necessary understanding and insight to fight back, this very old but still life threatening disease. 

Further, it makes sense to believe that the greatest discoveries should produce some answers to the greatest source of anxiety in humans, which is the fate of their conscious existence in relation to their natural presence on the planet Earth.

It is not hard to guess, that the drive to tackle the mysteries of the Earth initially, and the Universe thereafter, have as prime motor that agony, but we are still looking at problems that are “illuminated by the lamp post” as the story goes, because the rest are kept in the shadows of our comprehension.  

G. Metaxas

- AΠΟ ΤΗΝ ΗΛΙΚΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ, ΣΤΗ ΒΕΝΖΙΝΗ (CLAIR PATTERSON)

(Aπό τη Wikipedia, και το επεισόδιο της σειράς "Cosmos: A Spacetime Odyssey" του Neil deGrasse Tyson, με τίτλο "The Clean Room").

O Clair (Pat) Patterson ήταν Αμερικανός γεωφυσικός και ο άνθρωπος που πρώτος προσδιόρισε με μεγάλη ακρίβεια την ηλικία της Γης, αλλά και αυτός που πρωτοστάτησε για την κατάργηση των προϊόντων που περιείχαν μόλυβδο, κυρίως τα πρόσθετα της βενζίνης, από τη ζωή των ανθρώπων.

Ο Patterson γεννήθηκε το 1922 στην Iowa των ΗΠΑ, και σπούδασε χημικός αρχικά και γεωφυσικός στη συνέχεια.

Αρχικά εργάστηκε στο πανεπιστήμιο το Σικάγο, ενώ από το 1952 και μέχρι το τέλος της καριέρας του εργάστηκε στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, το γνωστό Caltech.

Όταν εργάζονταν ακόμα στο πανεπιστήμιο του Σικάγο, του ζητήθηκε να χρησιμοποιήσει μια νέα μέθοδο που είχε αναπτυχθεί από Η. Brown, για να προσδιορίσει την ηλικία της Γης.

Σκηνή από την ταινία κινούμενων σχεδίων “The Clean Room” της σειράς "Cosmos: A Spacetime Odyssey" του Neil deGrasse Tyson, που παρουσιάζει τον Patterson (αριστερά) να παίρνει το δείγμα για τον προσδιορισμό της ηλικίας της Γης.

Η ηλικία της Γης μέχρι τότε ήταν αποτέλεσμα κυρίως θρησκευτικών πεποιθήσεων και πολύ χονδρικών γεωλογικών εκτιμήσεων.

Οι θεολογικές εκτιμήσεις που βασίζονταν στην Παλαιά Διαθήκη, έδιναν ηλικίες από 10.000 έως 50.000 έτη.

Από την άλλη πλευρά, η προσπάθεια για τον επιστημονικό προσδιορισμό της ηλικίας της Γης ξεκίνησε από τον 17^ο αιώνα με τον Nicolas Steno να προσπαθεί να συσχετίσει την ηλικία των διαφόρων πετρωμάτων με τα απολιθώματα που έκρυβαν μέσα τους, ενώ το 1779 ο κόμης του Buffon προσπάθησε να εκτιμήσει την ηλικία της Γης μέσω ενός πειράματος, κατασκευάζοντας δηλαδή ένα ομοίωμα της Γης και μετρώντας τον βαθμό ψύξης του.

Οι υπολογισμοί του έδωσαν ηλικία μόλις 75.000 χρόνια, αλλά ο Buffon δεν γνώριζε ότι η Γη παράγει θερμότητα από την αργή ραδιενεργή διάσπαση, ούτε τη φυσική διαδικασία μεταφοράς θερμότητας από το υγρό εσωτερικό προς την επιφάνειά της.

Το 1862 ο φυσικός λόρδος Kelvin προσδιόρισε την ηλικία της Γης σε μεταξύ 20 και 400 εκατομμύρια χρόνια, με παρόμοια μέθοδο με αυτή του Buffon.

O αστρονόμος George Darwin, γιός του γνωστού Charles Darwin, στα τέλη του 19^ου αιώνα σκέφτηκε να χρησιμοποιήσει την επιβράδυνση της περιφοράς της σελήνης γύρω από τη Γη, από την οποία θεώρησε ότι η πρώτη είχε αποσπασθεί σχετικά νωρίς στην ιστορία του ηλιακού συστήματος.

Ο υπολογισμός του έδωσε μόνο 56 εκατομμύρια χρόνια, αλλά η ιδέα του ήταν κατά βάση σωστή.

Όταν όμως στο τέλος του 19^ου – αρχές του 20^ου αιώνα το ζεύγος Κιουρί ανακάλυψε το ράδιο και τη φυσική ραδιενέργεια, έγινε κατανοητό ότι το μοντέλο που προσπαθούσε να υπολογίσει την ηλικία της Γης από την ψύξη της χωρίς όμως να λαμβάνει υπόψη τη θέρμανση εξαιτίας της φυσικής ραδιενέργειας, ήταν σαφώς λανθασμένο.

Θραύσμα (επάνω) από τον ίδιο μετεωρίτη που εξέτασε ο Patterson για τον προσδιορισμό της ηλικίας της Γης. Κάτω, ο κρατήρας που δημιούργησε ο μετεωρίτης αυτός στην Αριζόνα, ο πιο γνωστός και φωτογραφημένος κρατήρας μετεωρίτη σον κόσμο.

Παράλληλα, έγινε κατανοητή και η διαδικασία της φυσικής μεταστοιχείωσης, ότι δηλαδή το ραδιενεργό ουράνιο αρχικά διαπάται σε ράδιο και αυτό με τη σειρά του καταλήγει τελικά σε μόλυβδο.

Εφαρμόζοντας τον λόγο μαζών μολύβδου προς ουρανίου σε πετρώματα με γνωστή ηλικιακή σχέση μεταξύ τους, παρατηρήθηκε ότι ο λόγος αυτός πράγματι αυξάνονταν όσο παλαιότερα ήταν τα πετρώματα.

Βέβαια υπήρχε ένα πρόβλημα, που ήταν η ποσότητα μολύβδου που ενδεχομένως περιείχε το πέτρωμα αρχικά, ώστε να ληφθεί υπόψη στον υπολογισμό.

Το ζήτημα αυτό λύθηκε στη δεύτερη δεκαετία του 20^ου αιώνα, όταν ανακαλύφθηκαν τα ισότοπα των στοιχείων, που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων (ίδιος ατομικός αριθμός, διαφορετική ατομική μάζα), με συνέπεια να έχουν τις ίδιες χημικές, αλλά παραπλήσιες φυσικές ιδιότητες με το βασικό στοιχείο.

Βρέθηκε λοιπόν, ότι κάποια ισότοπα υφίστανται και αυτά με τη σειρά τους τις συνέπειες της αργής ραδιενεργής διάσπασης, καθώς χάνουν βαθμιαία μερικά από τα επιπλέον νετρόνιά τους.

Αυτό η διαδικασία βέβαια παίρνει συνήθως πολύ χρόνο, σε μερικά στοιχεία μάλιστα έχει διάρκεια δισεκατομυρίων ετών, αλλά με πολύ συγκεκριμένο ρυθμό. (Εξαιρείται το ισότοπο 14 του άνθρακα που έχει μικρό χρόνο διάσπασης και αξιοποιείται για τη χρονολόγιση οργανικών υλικών, ηλικίας μέχρι μερικών δεκάδων χιλιάδων ετών).

Έτσι λοιπόν με τη χρήση των ισοτόπων, αντί να μετριέται το ποσοστό μολύβδου / ουρανίου στα πετρώματα, μετριέται το ποσοστό ισοτόπων μολύβδου μεταξύ τους, οπότε προσδιορίζεται η ηλικία των πετρωμάτων με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια.

Αυτή η «ραδιοχρονολόγηση» ήταν τελικά το ιδανικό ρολόι για τη μέτρηση της ηλικίας της Γης, και ο Α. Holmes με αυτή τη μέθοδο υπολόγισε την ηλικία μερικών πολύ παλαιών πετρωμάτων της Γης, σε 1.6 – 3.0 δισεκατομμύρια έτη.

Δεν έμενε λοιπόν πλέον να βρεθεί το κατάλληλο πέτρωμα από την αρχή της ύπαρξης της Γης, και να υποβληθεί σε ραδιοχρονολόγηση.

Η αρχή της ραδιοχρονολόγησης με τη μεταστοιχείωση του ουρανίου σε μόλυβδο (επάνω). Μια ακριβέστερη μέθοδος προέκυψε χρησιμοποιώντας τους λόγους των ισοτόπων του μολύβδου (κάτω). Η κλίση κάθε ευθείας παριστάνει διαφορετική χρονολογία, ενώ η μικρότερη κλίση ανήκει στην ισοχρονική ευθεία των 4.55 δισεκατομμυρίων ετών.

Εδώ μπαίνει στην ιστορία μας ο Petterson, από τον οποίον όπως προαναφέρθηκε είχε ζητηθεί να προσδιορίσει την ηλικία της Γης, χρησιμοποιώντας μια νέα μέθοδο που είχε αναπτυχθεί ειδικά για τα μαγματογενή πετρώματα βασισμένη στα ισότοπα του μολύβδου.

Το νέο στοιχείο που πρόσθετε η έρευνα αυτή ήταν ότι θα χρησιμοποιείτο υλικό από αστεροειδή, βασισμένη στη θεωρία ότι οι αστεροειδείς είχαν σχηματιστεί ταυτόχρονα με τη Γη και τους άλλους πλανήτες, και στην ουσία ήταν «περισσεύματα» που δεν κατόρθωσαν να ενσωματωθούν σε κάποιον πλανήτη.

Ο Patterson χρειάστηκε να περιμένει μερικά χρόνια μέχρι να αποκτήσει το κατάλληλο υλικό, που προέρχονταν από θραύσμα του μετεωρίτη που είχε πέσει στην Αριζόνα πριν από 50.000 χρόνια.

Χρησιμοποιώντας τον καλύτερο φασματογράφο μάζας που ήταν διαθέσιμος (ο φασματογράφος μάζας διαχωρίζει τα υλικά με μεγάλη ακρίβεια, σύμφωνα με την ατομική τους μάζα), προσδιόρισε το 1953 την ηλικία της Γης σε 4.55 δισεκατομμύρια έτη, ένα νούμερο που ελάχιστα έχει αλλάξει μέχρι σήμερα.

Στην προσπάθειά του μάλιστα να κρατήσει τα δείγματά του όσο το δυνατόν περισσότερο καθαρά από τον μόλυβδο του περιβάλλοντος, ο Patterson υπήρξε πρωτοπόρος και στη δημιουργία του πρώτου εργαστηριακού χώρου πολύ υψηλής καθαριότητας.

Διαφημιστική πινακίδα της εταιρείας που παρήγαγε τον τετρααιθυλομόλυβδο, σε παλιά αντλία βενζίνης.

Στη συνέχεια ο Patterson, έχοντας γίνει ο καλύτερος ειδικός παγκόσμια στα θέματα προσδιορισμού ιχνών μολύβδου, θέλησε να ελέγξει τον μόλυβδο σε δείγματα ιζήματος από τον πυθμένα του Ατλαντικού και Ειρηνικού ωκεανού, και βρήκε ότι το ποσοστό μολύβδου σ’ αυτά ήταν 80 φορές μικρότερο απ’ ότι στο συγχρονό του περιβάλλον, που επηρεάζονταν άμεσα από τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες.

Σημαντικά χαμηλότερος ήταν επίσης ο μόλυβδος στα βαθιά νερά των ωκεανών σε σχέση με τα επιφανειακά, που δεδομένου του απαιτούμενου χρόνου ανάμιξης οδηγούσε στο ίδιο συμπέρασμα. Άλλα στοιχεία, όπως πχ το βάριο δεν παρουσίαζαν αυτή την ανομοιομορφία.

Τα συμπεράσματά του επιβεβαιώθηκαν επιπλέον και από δείγματα πάγου που πήρε στην Γροιλανδία, αρκετά βαθιά ώστε να μην έχουν επηρεαστεί από τις εκπομπές των καυσαερίων των κινητήρων εσωτερικής καύσης που περιείχαν τετρααιθυλομόλυβδο (TEL), το συνηθισμένο αντικροτικό πρόσθετο στην βενζίνη σ’ όλη ουσιαστικά τη διάρκεια του 20^ου αιώνα.

Η προσθήκη του ΤΕL αυξάνει τα οκτάνιά της, δηλαδή τον αριθμό RON, εξασφαλίζοντας έτσι ότι η βενζίνη δεν θα αυταναφλεγεί εύκολα, επιτρέποντας στους βενζινοκινητήρες να λειτουργήσουν με υψηλότερες συμπιέσεις που αυξάνουν την θερμοδυναμική τους απόδοση.

Παρόλο που ο μόλυβδος και οι ενώσεις του είναι γνωστά δηλητήρια από την αρχαιότητα, η χρήση τους ήταν ήδη εκτεταμένη από τότε, σε σημείο που κάποιοι να υποστηρίζουν ότι η πτώση της Ρωμαϊκής αυτοκρατορίας οφείλετο και σε χρόνια δηλητηρίαση των κατοίκων της από τον μόλυβδο!

Με τη χρήση όμως των ενώσεων του μολύβδου στα καύσιμα των αυτοκινήτων, ο μόλυβδος πέρναγε πλέον στην ατμόσφαιρα, οπότε δεν μπορούσε κανείς να αποφύγει την έκθεσή του σ’ αυτόν.

Ο Patterson δημοσίευσε τα αποτελέσματα των ερευνών του για τα αυξημένα επίπεδα μολύβδου στο περιβάλλον το 1965 επισημαίνοντας τον κίνδυνο, αλλά συνάντησε έντονη αντίδραση ακόμα και από συναδέλφους του, με πιο χαρακτηριστική περίπτωση αυτή του τοξικολόγου R. Kehoe, που βέβαια δεν είναι περίεργο ότι εργάζονταν για την Ethyl Corporation, που παρήγαγε τον τετρααιθυλομόλυβδο για τη βιομηχανία και τα καύσιμα!

Αυτή του η στάση στέρησε στον Patterson την πρόσβαση σε πολλούς οργανισμούς έρευνας και τη σχετική χρηματοδότηση, και χαρακτηριστικά δεν προσκλήθηκε σε συνέδριο το 1971 για την ατμοσφαιρική ρύπανση από μόλυδρο, για την οποία ήταν ο πλέον ειδικός.

Τελικά, από το 1975 στις ΗΠΑ η χρήση της βενζίνης με μόλυβδο άρχισε να περιορίζεται, καθώς ξεκίνησαν να κυκλοφορούν αυτοκίνητα με καταλύτη (τον οποίο ο μόλυβδος καταστρέφει), ενώ μέχρι το 1986 απαγορεύτηκε τελείως.

Σαν συνέπεια, οι μετρήσεις στο αίμα Αμερικανών το 1990 έδειξαν μείωση στο ποσοστό μολύβδου μέχρι και 80%.

Στη συνέχεια ο Patterson έστρεψε την προσχή του στη βιομηχανία τροφίμων και ειδικά στις κονσέρβες ψαριών, όπου βρήκε ποσοστά μολύβδου πάνω από χίλιες φορές ψηλότερα σε σχέση με τα ποσοστά στα φρέσκα ψάρια.

Έκανε επίσης συγκριτικές μετρήσεις μολύβδου, βαρίου και ασβεστίου σε περουβιανούς σκελετούς ηλικίας 1600 ετών, και βρήκε και εκεί χίλιες φορές χαμηλότερο ποσοστό μολύβδου σε σχέση με σύγχρονα οστά, ενώ τα άλλα δύο στοιχεία δεν έδειξαν σημαντικές διαφορές.

Τελικά, το 1978 συμμετείχε σ’ ένα συνέδριο για τη μόλυνση από μόλυβδο, στο οποίο όμως έκρινε ότι τα προτεινόμενα μέτρα δεν θα ήταν αρκετά αποτελεσματικά, ενώ η άποψή του ήταν ότι τα απαιτούμενα μέτρα θα έπρεπε επιπλέον να ληφθούν άμεσα.

Σιγά -σιγά όμως το έργο του άρχισε να αναγνωρίζεται, και τιμήθηκε με αρκετές διακρίσεις και βραβεία, και το 1987 έγινε μέλος της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.

Ο Patterson πέθανε το 1995 σε ηλικία 73 ετών στην Καλιφόρνια, ενώ σήμερα όλες σχεδόν οι προτάσεις του έχουν γίνει αποδεκτές και εφαρμόζονται στις ΗΠΑ και σε πολλές άλλες χώρες.

Γ. Μεταξάς