Nu credem ca mai exista alta
personalitate al carei chip imprimat pe un tricou sa poata fi regasit cu atata
usurinta la un rocker „suparat“, la un stralucit olimpic international sau la
un pasionat cititor de literatura SF. Nu cunoastem un alt savant care sa fie
subiectul atator caricaturi, bancuri sau filme. Nu am citit lucrari stiintifice
cu nume mai seducatore si mai iluzorii decat Teoria relativitatii restranse
(sau generale). Nu am gasit formule atat de simple si de cunoscute cum este
E=mc¬2. Sunt extrem de multi cei care il simpatizeaza pe Albert Einstein pentru
imaginea sa, ori care il respecta considerandu-l un geniu. Dar sunt la fel de
convins ca prea putini dintre acestia ar accepta faptul ca viteza luminii
produse de un bec aflat pe marginea drumului are EXACT aceeasi valoare cu cea a
luminii aruncate de farurile unei masini care l-a depasit in goana. Si ca inca
si mai putini ar fi de acord cu ideea ca traim intr-o lume in care corpurile
curbeaza spatiul in jurul lor sau ca intregul Univers are o geometrie stranie,
care se modifica o data cu trecerea timpului.
In acest articol
* Istoria fizicii cu viteza gandului
* Pornind de la zero?
* Lumina care vine dinspre Asfintit
* Einstein, ultimul mare geniu
* Incotro se indreapta fizica secolului XXI?
Istoria fizicii cu viteza gandului
In perioada preistorica, oamenii
faceau observatii (straniile constructii monumentale de la Stonehenge sau
Carnac sunt o buna dovada) asupra fenomenelor naturale si ajungeau chiar sa le
reproduca. Fenomenele care se repetau in cicluri (diurn, lunar sau anual) au
dus la descoperirea unor invariante (marimi, relatii care nu se schimba in urma
unei transformari). Acestea au constituit un inceput al rationamentului
stiintific si al intelegerii faptului ca lumea exterioara asculta de niste
reguli care, probabil, pot fi folosite. Timpul pe care obisnuim sa-l plasam
inaintea istoriei a fost martorul unor inovatii tehnice, agrare, arhitecturale
si militare decisive. Sa nu uitam ca stiintele si religia erau adanc
intrepatrunse: in vreme ce isi construiau obiectele, artizanii rosteau
rugaciuni, care puteau fi foarte bine o excelenta metoda de masurare a
timpului, atunci cand durata determina reusita procedeului. Antichitatea a
nascut noi intrebari si a vazut proliferand raspunsuri multiple: de ce cad
obiectele lipsite de sprijin pe Pamant, de ce materiale diferite au proprietati
diferite s.a.? Ca raspuns la aceste nedumeriri, au fost propuse diverse teorii.
Chiar daca false, acestea au fost inerente demersului stiintific.
Peste 3.000 de megaliti au fost
ridicati la Carnac, in nord-vestul Frantei, de catre populatia pre-celtica din
Britania, in Neolitic, cu 3.300 de ani inainte de Hristos
In zilele noastre, teorii moderne
precum cele ale mecanicii cuantice sau ale relativitatii sunt considerate inca
niste teorii doar pentru ca pana acum nu au fost contrazise (cu toate ca, in
starea lor actuala, sunt incompatibile una cu cealalta). Teoriile fizice ale
Antichitatii erau, intr-o mare masura, rodul unor reflectii filosofice si nu
reuseau decat rareori sa fie verificate printr-o experienta sistematica. Cu
toate acestea, ideea metodei experimentale a inceput sa fie elaborata de catre
Epicur si de catre sceptici, ducand, pana una-alta, la o dezvoltare fara
precedent a medicinei. In lipsa unui material tehnic perfectionat (telescoape,
sa zicem) si a unor instrumente precise de masurare a timpului, verificarea
experimentala a unor asemenea idei era dificila, daca nu chiar imposibila. Sa
notam insa cateva remarcabile exceptii: Arhimede – care a descris corect
statica fluidelor, sau Eratostene – care era convins, din cauza eclipselor de
Luna, ca Pamantul este sferic si care a izbutit sa calculeze circumferinta
terestra comparand umbrele lasate de niste bete dispuse vertical in puncte
indepartate. (Trebuie notat ca, aplicand rezultatul acelorasi observatii asupra
unui Pamant plat, ar fi putut deduce distanta pana la Soare. Observatia este
importanta, pentru ca ne aminteste ca orice interpretare se sprijina, in mod
necesar, pe niste presupuneri anterioare. Sau, cum a spus Einstein intr-o
celebra conferinta despre Kepler, „experienta simpla nu poate genera
cunoasterea, aceasta fiind produsa doar prin compararea creatiilor spiritului
cu faptele observatiei.“)
Epicur (314 i.Hr.-270 i.Hr.),
fondatorul unei scoli de gandire si a unei metode stiintifice care aveau sa
revolutioneze peste veacuri stiintele: nu ar trebui sa credem decat lucrurile
pe care le testam prin observatii directe si deductii logice
Pornind de la zero?
Vechile idei ale fizicii, precum si
datele privitoare la verificarile lor experimentale, ne sunt foarte putin
cunoscute. Asta pentru ca majoritatea surselor directe care le privesc au
disparut in cele doua mari incendii suferite de Biblioteca din Alexandria (in anul
48 i.Hr., cand au fost mistuite 40.000 de papirusuri, si in 696 d.Hr., cand
generalul Al-as Amrou a dispus distrugerea totala a fondurilor bibliotecii).
Trebuie notat ca textele lui Aristotel au fost salvate in extremis, in mod
clandestin, de catre niste admiratori ai operei acestuia. Europa Evului Mediu a
ocultat, in mare masura, mostenirea Antichitatii, memoria „stiintelor de
inceput“ fiind conservata, printr-o frumoasa si pilduitoare conjunctura, de
catre arabi. Tot savantii arabi au fost cei care au asigurat progresul
stiintific al perioadei (in domenii precum matematica, medicina si astronomia),
alaturi de cei indieni (care, intre altele, au inventat, pe la anul 500,
miraculosul numar zero). Fara sa faca pasi decisivi, fizica a inregistrat in
aceasta perioada descoperirea unor unelte matematice „de aur“: algebra,
algoritmii…
Aristotel (384 i.Hr .- 322 i.Hr.),
studentul lui Platon si invatatorul lui Alexandru cel Mare, filosof si mare
inovator al stiintelor fizice
Fizica, in sens modern, isi incepe
drumul ascendent o data cu Galileo Galilei, savant nu prea increzator in
virtutile matematicii, dar scrupulos observator al fenomenelor fizice. Rigoarea
care ii lipsea lui Galilei a fost instaurata de Descartes (Discurs asupra
metodei), iar Isaac Newton a deschis o noua era (mecanica clasica) introducand
calculul diferential in abordarile mecanicii ceresti si descriind gravitatia
intr-un mod universal si matematic. Era industriala a coincis cu inventarea
termodinamicii, aplicata, initial, studiului masinilor cu vapori, si a
reprezentat, totodata, sfarsitul unui unui vis – cel al miscarii perpetue. O
teorie stiintifica solid argumentata a demonstrat ca nu e cu putinta sa obtii
energie din nimic si ca energia „se degradeaza“. Ludwig Boltzmann a aplicat legile
mecanicii si teoria probabilitatilor miscarii moleculelor, explicand cel de-al
doilea principiu al termodinamicii si furnizand, astfel, cel mai important
jalon de frontiera intre fizica trecutului si cea a viitorului. James Maxwell a
unificat teoria electricitatii cu cea a magnetismului, iar experientele lui
Michelson si Morley au condus la ideea ca viteza luminii este aceeasi,
indiferent de directie.
James Maxwell (1831-1879), fizicianul
scotian care a dezvoltat teoria clasica a electromagnetismului
Era mecanicii clasice s-a inchis o
data cu descoperirea, de catre Einstein si Poincaré, a relativitatii restranse.
Postuland relativitatea timpului, aceasta crea premisele constatarii ca
mecanica newtoniana avea un camp restrans de valabilitate. Continuand pe acest
drum, Einstein a pus la punct teoria relativitatii generale, cu ajutorul lui
David Hilbert si folosind un domeniu cu totul nou al matematicilor. Teoria sa a
putut furniza explicatii constatarilor lui Edwin Hubble, care anuntase, in
1929, ca galaxiile ce ne inconjoara se indeparteaza de galaxia noastra. Cu alte
cuvinte, ca Universul se afla in expansiune. Iata, in consemnarea lui Stephen Hawking, implicatiile acestui moment:
„Observatiile lui Hubble sugerau ca a existat un moment, numit Big Bang, cand
Universul era infinit de mic si infinit de dens. In aceste conditii, toate
legile stiintei si, prin urmare, toata capacitatea de a preciza viitorul nu
functionau. Daca au existat evenimente inaintea acestui moment, atunci ele nu
puteau afecta ceea ce se intampla in prezent. Existenta lor poate fi ignorata,
deoarece nu ar avea consecinte observabile. Se poate spune ca timpul a avut un
inceput la Big Bang in sensul ca timpul de dinainte pur si simplu nu ar putea
fi definit.“
Stephen William Hawking (n. 1942),
cel mai mare si mai cunoscut fizician britanic in viata
La inceputul veacului XX, ca urmare a
studiilor lui Max Planck si Einstein care au demonstrat existenta fotonului,
s-a produs cea mai mare revolutie conceptuala a fizicii: nasterea mecanicii cuantice,
fapt ce a coincis cu sfarsitul definitiv al epocii lui Newton, a carui teorie
nu poate descrie decat o mica parte a
fenomenelor naturale, cele ce se produc la scara noastra. Descoperirea
radioactivitatii (Henri Becquerel) si
interpretarea ei (Ernest Rutherford), dar si succesiunea din ce in ce mai
rapida a descoperirilor stiintifice au transformat radical conceptia noastra
despre lume, codificand, in termeni stiintifici, o intuitie simbolica veche de
cand lumea: desi atat de marunt in raport cu Universul, omul are de partea sa
maretia unei inteligente care il face sa navigheze, intergalactic sau
subatomic, cu o viteza superioara celei a luminii: viteza gandului.
Max Planck (1858 – 1947), fondatorul
teoriei cuantice si unul dintre cei mai importanti fizicieni germani ai
secolului XX
Lumina care vine dinspre Asfintit
Cu un secol in urma, Albert Einstein
publica trei articole capitale: despre relativitate, despre cuantele de lumina
si despre miscarea browniana. Aceste trei texte aveau sa constituie temeiul
descoperirilor care au bulversat intelegerea lumii in veacul XX, iar
aniversarea tiparirii lor in 2005, a constituit pretextul organizarii unui an
mondial al stiintelor fizicii, care a fost inaugurat intre 13-15 ianuarie 2005,
la sediul UNESCO din Paris.
Albert Einstein a prezis, in teoria
sa asupra relativitatii generale, ca universul nostru este populat de unde
venite din spatiu. Gauri negre care se ciocnesc, stele care mor, obiecte in
rotatie precum pulsarii creeaza, toate, niste unde care au fost numite
gravitationale, pentru ca s-au nascut din distorsiuni ale spatiu-timpului.
Aceste unde nu au fost niciodata observate, dar marea experienta LIGO (Laser
Interferometer Gravitational Wave Observator, vezi filmulet), initiata, intre
altii, de catre Massachusetts Institute of Technology, a adunat deja primele
marturii ale existentei lor, marturii care au inceput sa fie analizate. Cum
aceasta operatie solicita mult timp pentru calcul, oamenii de stiinta au avut
de ales intre a sta ani in sir sa scormoneasca printre date sau a utiliza
miraculoasa unealta care este internetul si a transforma, astfel, LIGO intr-o
experienta participativa.
Einstein, ultimul mare geniu
De-a lungul istoriei, marile cuceriri
stiintifice au fost in general apanajul indivizilor si nu al institutiilor.
Oameni precum Galileo si Copernic, Edison si Einstein, muncind singuri cu
abnegatie in laboratoare sau descifrand cosmosul in studii personale, au produs
marile progrese ale stiintei. Dar in ultimele zeci de ani, in special de la
sucesul sovietic al lansarii satelitului Sputnik in 1957, tendinta a fost aceea
de a infiinta institutii masive care sa cultive colaborarea dintre cercetatori
si care sa concentreze mari fonduri in cercetare. Un studiu efectuat asupra
castigatorilor Premiului Nobel din 2005 a descoperit ca acumularea de
cunoastere in timp a fortat marile creiere sa se sa osteneasca mai mult inainte
de a descoperi raspunsuri la probleme. Varsta la care marii ganditori produc
inovatii semnificative a crescut cu sase ani pe parcursul secolului XX.
Inginerul Adrian Bejan de la Universitatea Duke sustine ca “istoria marilor
realizari stiintifice este marcata de investigatori solitari, de la Arhimede la
Newton si Darwin. Ganditorii solitari au inflorit de-a lungul istoriei,
deoarece acest lucru este natural, stiinta este buna pentru mintea
ganditaorului si pentru bunastarea societatii. Chiar daca tendinta este spre
formarea de grupuri mari de cercetare, individul va fi intotdeauna infloritor”.
Bejan crede ca problema de astazi a
stiintei este aceea ca daca o institutie este facuta din cercetatori
individuali, aceasta va avea multe idei, dar suport putin. Pe de alta parte,
sustine el, un grup mare s-ar bucura de mult suport, dar prin comparatie, ar
avea mai putine idei din partea fiecarui individ. Din acest motiv, desi oameni
extrem de inteligenti se nasc in fiecare generatie, este posibil ca sclipirea
lor fie sa nu se mai manifeste, fie sa nu mai fie atat de vizibila, aflandu-se
sub brandul unei mari companii. Ar mai putea deci aparea astazi un al doilea
Einstein ? Nici macar el nu ar putea raspunde unei astfel de intrebari, dar
trebuie remarcat ca doua secole l-au despartit pe german de Newton, considerat
de multi marele sau rival intelectual. Acest lucru ar putea insemnea ca
urmatorul Einstein abia urmeaza sa se nasca.
Albert Einstein, la plaja, in 1945
Incotro se indreapta fizica secolului
XXI?
Fizicienii de la inceputul secolului
XX cunosteau doua teorii care, aparent, nu aveau legatura una cu alta. Prima,
construita de Newton, se referea la miscarea corpurilor si la interactiunea
dintre ele prin gravitatie. Aceasta teorie a putut explica, printre altele,
miscarea planetelor in jurul Soarelui. A doua teorie, elaborata de catre
Maxwell, se referea la fenomenele electrice si magnetice si a putut explica
interactiunile electromagnetice si natura luminii ca unda electromagnetica ce
se propaga, in vid, cu viteza de 300.000 km/secunda, fara sa se precizeze fata
de ce sistem de referinta. Singurul
punct comun al celor doua teorii era necesitatea definirii unui sistem de
referinta absolut la care sa raportam miscarea corpurilor si a undelor. Din
acest punct de vedere, nici una dintre cele doua teorii anterioare nu reusise
sa ofere un raspuns convingator. Timpul, variabila necesara in ambele teorii,
era privit ca o notiune absoluta, impusa de experienta de zi cu zi, si nu avea
nici o legatura cu sistemul de referinta. Primul fizician care a abordat problema timpului a fost Henri Poincaré.
Henri Poincaré (1854-1912), ultimul
mare universalist – a excelat in toate disciplinele reale pe care le-a studiat
Intr-o lucrare publicata in 1898,
acesta si-a pus urmatoarele intrebari: "Avem vreun temei sa spunem ca o secunda, astazi, este egala cu o
secunda, maine? Avem vreun temei sa sustinem ca doua evenimente separate in
spatiu pot fi simultane in timp?" Daca la prima intrebare nu s-a gasit inca un raspuns satisfacator, la
cea de-a doua a raspuns Einstein in 1905, prin articolul care a pus bazele
teoriei relativitatii speciale. Acolo, Einstein a dovedit ca nu exista sistem
de referinta absolut, postuland ca toate legile fizicii sunt identice in
sisteme de referinta care se misca cu viteza constanta si ca viteza luminii nu
depinde de viteza sistemului de referinta, aceasta fiind o constanta
universala. Consecinta surprinzatoare a teoriei a fost ca timpul depinde de
viteza sistemului de referinta, respectiv ca „o secunda este cu atat mai lunga
intr-un sistem de referinta, cu cat viteza lui este mai mare.“ Acest fenomen de
dilatare a timpului a fost dovedit de experimentele din marile acceleratoare de
particule, in care electronii sau protonii pot fi accelerati pana la viteze
apropiate de viteza luminii.
Spatiul si timpul sunt doua notiuni
indisolubil legate intre ele, orice eveniment, chiar si scrierea acestui
articol, petrecandu-se intr-un sistem cvadridimensional, cu trei axe de spatiu
si cu o a patra axa – timpul. Faptul ca eu, in timp ce scriu acest text, nu ma
misc cu o viteza apropiata de viteza luminii imi permite sa-l termin in timp
util pentru a fi publicat. Altfel, ar fi trebuit ca redactia sa astepte cateva
secole pana sa-l primeasca.
Revenind la Newton si Maxwell si la
explicarea naturii luminii, trebuie spus ca cei doi se aflasera pe pozitii
antagonice. Newton considera lumina compusa din particule, iar Maxwell – din
unde electromagnetice. Aceasta contradictie a fost rezolvata tot de Einstein.
In acelasi an 1905, a publicat un articol in care a explicat efectul
fotoelectric (gratie acestui articol, a si primit Premiul Nobel in 1922) si a
dovedit ca lumina este atat particula, cat si unda – acest dualism
manifestandu-se intr-o forma sau alta, in functie de experiment. Astfel, din 1905, putem spune ca a inceput
marea aventura a fizicii, care si-a lasat amprenta pe tot secolul XX.
Triunghiul Newton – Maxwell – Einstein a pus bazele fizicii moderne, la care
si-au adus contributia Lorentz, Minkovski, Plank, Heisenberg, Bohr, de Broglie,
Schrödinger, Dirac, Fermi, Eddington si, in ciuda controverselor legate de
bomba atomica, Oppenheimer. Facand o scurta trecere in revista, putem spune,
cronologic, ca secolul XX a fost secolul energiei nucleare, controlata in cazul
reactoarelor nucleare, „lasata in voia ei“ in cazul bombelor, ambele situatii
avand la baza celebra formula, data tot de Einstein, E=mc2. XX a fost si
secolul in care a fost realizat primul laser, in care s-a descoperit
tranzistorul si in care s-au pus bazele ingineriei genetice si ale
clonarii. Toate acestea au fost facute
fie de catre fizicieni, fie pe baza descoperirilor facute de acestia.
Asta nu inseamna ca ei si-au terminat
treaba. Au ramas inca multe lucruri de explicat sau de descoperit. Secolul XX
este doar o provocare pentru fizicienii secolului XXI. Marea intrebare, marea provocare, este
ridicata, in primul rand, de cosmologie. Cum a aparut Universul? Este el
infinit? Ultimele observatii astronomice au pus in evidenta galaxii care se
gasesc la 15 milioane de ani lumina fata de noi. Ce se afla mai departe? Chiar
daca forta gravitationala este mica iar masa care o produce este foarte mare,
aceasta forta devine predominanta. De aici a aparut teoria gaurilor negre, zone
din Univers in care exista o masa asa de mare a materiei, incat nici lumina
(fotonii) nu poate iesi de acolo. Ce
este acolo? Mai sunt legile fizicii, cunoscute de noi, valabile in acele
locuri? In ciuda eforturilor depuse de Einstein si de alti giganti ai fizicii
moderne, ca de pilda Eddington si Duke, nu s-a gasit inca ecuatia care sa
descrie intr-o forma integratoare toate fortele existente in Univers. Stim ca
exista forta de atractie gravitationala, slaba in comparatie cu forta de
atractie electrostatica, stim formulele lor, foarte asemanatoare de fapt,
aman¬doua fiind dependente de inversul patratului distantei dintre
corpuri/sarcini. Stim fortele ce tin impreuna, intr-un spatiu foarte mic,
protonii dintr-un nucleu, asa-numitele forte nucleare, incomparabil mai mari
decat cele doua mentionate anterior.
Vechea dilema a formarii Universului.
Va fi ea rezolvata in secolul XXI?
Dar nu avem formula care sa le
explice, prin particularizare, pe toate, asa cum mecanica newtoniana este
astazi explicata ca un caz particular al teoriei relativitatii. Nu stim care
este particula fundamentala. Multa vreme am crezut ca electronul, protonul,
neutronul, fotonul stau la baza existentei Universului in care traim. Dar
experimentele din marile acceleratoare, au deschis „cutia Pandorei“ prin descoperirea
unei multimi de particule, greu de ierarhizat de catre fizicienii de astazi.
Este dovedit, acum, ca particula care sta la baza celorlalte este quarcul, iar
in urma cu 10 ani, in acceleratorul Laboratorului Fermi (SUA), s-a descoperit
asa-numitul top quarc. Se cauta acum quarcul fundamental sau asa-numitul Boson
Higgs. Intrebarea este: pana cand vom cauta particule noi? De fapt, cand vom
putea spune: de aici a pornit Universul? Daca campul electromagnetic isi are
particula sa, fotonul, oare care este, prin analogie, particula campului
gravitational? Nimeni nu a reusit pana acum sa dovedeasca existenta
gravitonului. O sa-l gasim pe acesta prin experimentele din laboratoarele de pe
Pamant, sau prin experimentele de pe statiile orbitale? Nimeni nu stie inca. Exemple de acest gen pot continua, dar ne
oprim aici, pentru a continua cu alte provocari.
Reprezentarea unui top quarc
Entropia este o functie ce defineste
starea oricarui sistem facut din foarte multe „particule“. Fizicienii spun ca
aceasta functie este o masura a „ordinii din sistem“. Cu cat ordinea este mai
mare, cu atat entropia este mai mica. Extrapoland, atunci cand entropia va fi
zero, totul va incremeni, deci totul se va aseza la locul sau, ceea ce inseamna
ordine perfecta (absoluta). Dar cine va mai constata acest lucru, cand toti vom
fi… perfecti, deci nemiscati? Caci viata este o negare a entropiei. Am exagerat, intr-un fel, pentru a lansa o
noua provocare: sunt procesele biologice guvernate de legi asemanatoare legilor
fizicii? Daca da, care este „viteza“ maxima a gandirii, prin analogie cu viteza
luminii – viteza maxima din Univers? Si care este constanta cuantificarii
energiei biologice, prin analogie cu constanta lui Plank? Cel care va raspunde
la aceste intrebari va primi, in mod sigur, Premiul Nobel.
SPUNE-TI PAREREA! Care crezi ca este
marea provocare a fizicii moderne? Care consideri ca este fizicianul care a
avut cea mai mare influenta asupra dezvoltarii stiintelor? Ce parere ai despre
acest articol?
*articol preluat de pe 
