«Πώς τα “σωματίδια-φαντάσματα”, τα μαθηματικά μοντέλα και οι υπολογιστικές προσομοιώσεις ξεκλειδώνουν τα μυστικά του σύμπαντος; Η Αναπληρώτρια Καθηγήτρια του Νορβηγικού NTNU μιλά στο omathimatikos.gr με αφορμή το πρόσφατο Νόμπελ Φυσικής.»
Επιμέλεια – Παρουσίαση: Κώστας Μπουραζάνας (Μαθηματικός, τ. Σχολικός Σύμβουλος, Διαχειριστής omathimatikos.gr)
Η πρόσφατη απονομή του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής στον διακεκριμένο επιστήμονα Francis Halzen για την πρωτοποριακή του εργασία στο τηλεσκόπιο νετρίνων IceCube στον Νότιο Πόλο, έφερε ξανά στο προσκήνιο ένα από τα πιο συναρπαστικά πεδία της σύγχρονης επιστήμης: την αστροφυσική υψηλών ενεργειών.
Τα νετρίνα – συχνά αποκαλούμενα και «σωματίδια-φαντάσματα» λόγω της ελάχιστης αλληλεπίδρασής τους με την ύλη και του μηδενικού ηλεκτρικού τους φορτίου – αποτελούν έναν από τους πιο πολύτιμους «αγγελιοφόρους» του σύμπαντος. Ταξιδεύουν δισεκατομμύρια έτη φωτός ανεπηρέαστα από μαγνητικά πεδία, μεταφέροντας πληροφορίες για τα πιο βίαια και ακραία φαινόμενα του κόσμου μας, όπως οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.
Στην αιχμή αυτής της παγκόσμιας ερευνητικής προσπάθειας βρίσκεται μια λαμπρή Ελληνίδα επιστήμονας, η Δρ. Φωτεινή Οικονόμου, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια στο Τμήμα Φυσικής του Νορβηγικού Πανεπιστήμιου Επιστήμης και Τεχνολογίας (NTNU) στο Trondheim.
Το Προφίλ & το Ερευνητικό Έργο της Δρος Φωτεινής Οικονόμου
Η Δρ. Οικονόμου ειδικεύεται στην αστροσωματιδιακή φυσική υψηλών ενεργειών. Η έρευνά της επικεντρώνεται στη συνδυαστική μελέτη των κοσμικών ακτίνων και των νετρίνων, καθώς και στην υπολογιστική προσομοίωση των ακραίων αστροφυσικών πηγών (όπως οι πίδακες ύλης γύρω από μαύρες τρύπες).
Χρησιμοποιώντας δεδομένα από διεθνή παρατηρητήρια, όπως το IceCube στην Ανταρκτική και το υποθαλάσσιο KM3NeT στη Μεσόγειο, η ομάδα της επιχειρεί να απαντήσει σε θεμελιώδη ερωτήματα: Ποιοι είναι οι πιο ισχυροί «επιταχυντές σωματιδίων» στο σύμπαν και πώς λειτουργεί ο κόσμος στις πιο ακραίες ενεργειακές του κλίμακες;
Με αφορμή τις εξελίξεις αυτές, ο Κώστας Μπουραζάνας είχε τη χαρά και την τιμή να συνομιλήσει με τη Δρα Φωτεινή Οικονόμου για λογαριασμό του omathimatikos.gr, εστιάζοντας στον κομβικό ρόλο που διαδραματίζουν τα Μαθηματικά, οι υπολογιστικές προσομοιώσεις και η αναλυτική σκέψη στην αποκρυπτογράφηση των μυστικών του σύμπαντος.
Οι Ερωτήσεις της Συνέντευξης
- Φωτεινή, η φετινή απονομή του Νόμπελ Φυσικής στον Francis Halzen γιορτάστηκε ιδιαίτερα από την κοινότητα της Αστροσωματιδιακής Φυσικής. Ως συνάδελφος που συνεργάζεσαι και αναλύεις δεδομένα από το IceCube, τι σημαίνει αυτή η αναγνώριση για το πεδίο σας και για την κατανόηση του σύμπαντος;
Χάρηκα πάρα πολύ όταν έμαθα ότι απονεμήθηκε το Νόμπελ Φυσικής στον Francis Halzen! Είναι εξαιρετικός φυσικός και ένας άνθρωπος που στηρίζει και βοηθά τους νεότερους επιστήμονες, οπότε η χαρά μου ήταν ιδιαίτερη.
Σε μια εποχή που η αξία της θεμελιώδους επιστήμης συχνά αμφισβητείται, για μένα είναι πολύ μεγάλη χαρά που η Επιτροπή Νόμπελ επέλεξε αυτό το θέμα και, με αυτή την επιλογή, έστρεψε την προσοχή του κόσμου σε ένα αντικείμενο στο οποίο πολλοί από εμάς αφιερώνουμε την καριέρα μας. Με χαροποιεί ιδιαίτερα η αναγνώριση της σημασίας της έρευνας αυτής για την κατανόηση του Σύμπαντος.
- Τα νετρίνα αποκαλούνται “σωματίδια-φαντάσματα” γιατί είναι σχεδόν αόρατα. Ποιος είναι ο ρόλος των Μαθηματικών, των στατιστικών μοντέλων και των υπολογιστικών προσομοιώσεων (simulations) στη δική σου έρευνα στο NTNU για να μπορέσετε να “δείτε” και να ερμηνεύσετε αυτά τα σωματίδια;
Τα νετρίνα αποκαλούνται «σωματίδια-φαντάσματα» επειδή έχουν πολύ μικρή μάζα και, κυρίως, επειδή δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη. Έτσι, μπορούν να διασχίζουν τεράστιες ποσότητες ύλης χωρίς να αλληλεπιδράσουν.
Στην έρευνά μας χρησιμοποιούμε υπολογιστικές προσομοιώσεις που βασίζονται σε μαθηματικά μοντέλα και διαφορικές εξισώσεις. Με αυτές εξετάζουμε πώς εξελίσσονται τα σωματίδια και οι αλληλεπιδράσεις τους μέσα σε πιθανές αστροφυσικές πηγές, όπως περιοχές γύρω από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Στόχος μας είναι να δούμε αν οι πηγές αυτές μπορούν να παράγουν νετρίνα με ιδιότητες αντίστοιχες με εκείνες που παρατηρεί το IceCube.
- Πολλοί μαθητές και εκπαιδευτικοί αναρωτιούνται πώς η θεωρητική μαθηματική γνώση συνδέεται με την πράξη. Στη δική σου καθημερινή ερευνητική εργασία, ποια μαθηματικά εργαλεία είναι αυτά που χρησιμοποιείς περισσότερο;
Ένα μέρος της δουλειάς μας είναι να λύνουμε διαφορικές εξισώσεις και να παρακολουθούμε πώς αλλάζουν τα σωματίδια με τον χρόνο: ποιες αντιδράσεις συμβαίνουν, ποια σωματίδια παράγονται και πώς αλληλεπιδρούν. Έτσι δημιουργούμε μια εικόνα για τα σωματίδια που μπορεί να παράγει κάθε αστροφυσική πηγή.
Ένα άλλο βασικό εργαλείο είναι η στατιστική. Για να υποστηρίξουμε ότι παρατηρήσαμε ένα φαινόμενο, εξετάζουμε πόσο συμβατά είναι τα δεδομένα με αυτό και πόσο πιθανό είναι να προέκυψε το αποτέλεσμα τυχαία, αν ίσχυε η λεγόμενη μηδενική υπόθεση. Αυτή η διαδικασία είναι βασική τόσο στους επιταχυντές σωματιδίων όσο και στην Αστροσωματιδιακή Φυσική.
Τα νετρίνα δεν είναι νέα σωματίδια. Η έρευνα γύρω από αυτά έχει ήδη τιμηθεί με πέντε βραβεία Νόμπελ Φυσικής! Η σημαντική ανακάλυψη του IceCube ήταν ότι ανιχνεύθηκαν νετρίνα που προέρχονται από αστροφυσικές πηγές. Αυτό άνοιξε έναν νέο τρόπο να μελετάμε το Σύμπαν.
- Στο πρόσφατο άρθρο του Νορβηγικού Τύπου ανέφερες ότι το ερώτημα “πώς λειτουργεί το σύμπαν” είναι για σένα εξίσου συναρπαστικό με το “πώς ξεκίνησε η ζωή”. Τι θα συμβούλευες έναν νέο ή μια νέα στην Ελλάδα που αγαπά τα Μαθηματικά και τη Φυσική και ονειρεύεται μια πορεία στην επιστημονική έρευνα;
Είναι δύσκολο να δώσω μια συμβουλή που να ταιριάζει σε όλους, γιατί ο καθένας έχει διαφορετικές προτεραιότητες. Μπορώ όμως να μιλήσω από τη δική μου εμπειρία. Όταν επέλεξα την αστροφυσική, άκουγα συχνά την ερώτηση: «Καλά, θα σπουδάσεις αστροφυσική, αλλά τι θα τρως;» Δεν ήξερα τότε αν θα κατάφερνα να κάνω αυτό το αντικείμενο καριέρα μου.
Η πορεία στην έρευνα δεν είναι πάντα προβλέψιμη. Ένα διδακτορικό ή μια μεταδιδακτορική θέση δεν εγγυώνται μια μόνιμη ακαδημαϊκή θέση. Παρ’ όλα αυτά, δεν μετάνιωσα που δοκίμασα. Η συμβουλή μου είναι να ακολουθούμε, όσο μπορούμε, ό,τι μας ενδιαφέρει και να μη φοβόμαστε να δοκιμάζουμε όταν παρουσιάζεται μια ευκαιρία. Αν διαπιστώσουμε ότι μια επιλογή δεν μας ταιριάζει, μπορούμε να αλλάξουμε πορεία.
- Πώς πιστεύεις ότι μπορούμε να μεταδώσουμε τον ενθουσιασμό της σύγχρονης επιστημονικής ανακάλυψης στις σχολικές αίθουσες, ώστε τα μαθηματικά να πάψουν να φαίνονται ως ένα “στεγνό” μάθημα;
Όταν ήμουν μικρή, με εντυπωσίαζαν τα τηλεσκόπια: το φως των αστεριών που ξεκίνησε το ταξίδι του πριν από χιλιάδες χρόνια και έφτασε τελικά σε εμάς. Με εντυπωσίαζαν επίσης οι ανιχνευτές σωματιδίων, όπως οι θάλαμοι νέφωσης, όπου μπορούμε να δούμε τα ίχνη που αφήνουν σωματίδια γύρω μας.
Όπου είναι εφικτό, η πρόσβαση των παιδιών σε τέτοιες εμπειρίες, ακόμη και με απλό και οικονομικό εξοπλισμό, μπορεί να κάνει την επιστήμη πιο χειροπιαστή. Εξίσου σημαντικό είναι να εξηγούμε τι βλέπουν και πώς συνδέεται αυτό με τις ιδέες που μαθαίνουν στην τάξη. Όταν η επιστημονική ανακάλυψη γίνεται κάτι που μπορούν να παρατηρήσουν και να κατανοήσουν, τα μαθηματικά και η φυσική αποκτούν ζωή και μπορούν να τροφοδοτήσουν τη φαντασία και την περιέργειά τους.
Ευχαριστούμε θερμά τη Δρα Φωτεινή Οικονόμου για αυτή τη συναρπαστική και ουσιαστική συζήτηση. Η επιστημονική της διαδρομή, το πάθος της για την έρευνα και το έργο της στο NTNU αποτελούν ζωντανή απόδειξη του πώς τα Μαθηματικά και η Φυσική γίνονται τα ισχυρότερα εργαλεία για την διεύρυνση των ορίων της ανθρώπινης γνώσης.
Της ευχόμαστε ολόψυχα κάθε επιτυχία στη συνέχιση της σπουδαίας ερευνητικής της πορείας και ανυπομονούμε για τις επόμενες μεγάλες ανακαλύψεις στα πέρατα του σύμπαντος!
