Care este cel mai mic lucru din Univers?

Cândva, oamenii credeau că particule de mărimea firelor de nisip alcătuiesc tot ceea ce ne înconjoară. 

• O gaură neagră masivă din Universul timpuriu, surprinsă în timp ce trage „un pui de somn”
• Telescopul Webb a găsit o populație neobișnuit de mare de asteroizi între Jupiter și Marte

Apoi, a fost conceptualizat atomul şi, o vreme, ne-am legănat în iluzia că aveam răspunsul: cea mai mică unitate indivizibilă din care este alcătuită materia este atomul. Dar progresul, după cum ştim, pentru fiecare răspuns pe care-l dă, ridică şi mai multe întrebări.

Când oamenii au aflat că atomul, aşa elementar cum părea el, era la rândul său alcătuit din componente, au început să se întrebe până unde se va putea merge cu această despicare ştiinţifică a firului în patru, în căutarea celui mai mic lucru care există. Iar răspunsurile reflectă atât progresele cunoaşterii, cât şi frustrarea oamenilor de ştiinţă confruntaţi cu această chinuitoare enigmă a Universului.

Dincolo de atom

Atomul, multă vreme crezut indivizibil, este alcătuit, de fapt, din nucleu şi electroni. Nucleul, la rândul lui, este format din protoni şi neutroni.

Acestea păreau, în sfârşit, să fie particule fundamentale, dincolo de care nu ar fi putut exista nimic mai mic. Dar nu! Protonii şi neutronii ne-au înşelat speranţele: s-au dovedit şi ei alcătuiţi din particule încă şi mai mici: fiecare proton sau neutron este alcătuit din trei quarci.

Bineînţeles, întrebarea următoare este: există ceva – particule încă şi mai mici – în interiorul quarcilor? 

„De data aceasta n-am fost capabili să descoperim nicio dovadă că ar exista ceva în interiorul quarcilor”, spune fizicianul  Andy Parker, profesor la Universitatea Cambridge din Marea Britanie. „Să fi atins oare nivelul «cel mai fundamental» al materiei?”

De fapt, lucrurile sunt şi mai complicate: chiar dacă quarcii şi electronii sunt indivizibili, nu înseamnă că sunt neapărat cele mai mici „chestii” din tot ceea ce există. Oamenii de ştiinţă nu ştiu dacă acestea sunt cele mai mici fărâme de materie, sau dacă Universul conţine alcătuiri încă şi mai mici.

Problema este unghiul de abordare: matematicienii şi fizicienii se situează pe planuri diferite în ceea ce priveşte conceptul de „cel mai mic lucru din Univers”. Matematicienii nu au nicio problemă să-şi imagineze anumite lucruri şi să le demonstreze în spiritul logicii matematiceşi al principiilor generale ale disciplinei, în vreme ce fizicienii vor dovezi, rezultate concrete, date experimentale.

De pildă, în experimente, particule extrem de mici precum quarcii şi electronii par să se comporte ca nişte „puncte” în accepţiunea matematică/geometrică a termenului. 

Dar existenţa şi proprietăţile obiectelor punctiforme intră în conflict cu legile fizicii: matematic vorbind, un punct este ceva fără dimensiuni măsurabile (zero-dimensional) şi de el te poţi apropia oricât, fără a-l atinge; poţi ajunge infinit de aproape de un punct şi atunci forţele care acţionează asupra acestui punct devin infinit de mari. Iar cu infinitul e greu de operat – cine poate să-l măsoare? – aşa că fizicienii detestă noţiunea de infinit.

În încercarea de a rezolva problema, se poate apela la o altă teorie din fizică – teoria superstringurilor (sau a corzilor). Ea conceptualizează toate particulele nu ca pe nişte puncte, ci ca pe nişte „corzi” (stringuri), nişte „laţuri” sau ochiuri de fir. Imaginaţi-vă un elastic – un elastic obişnuit, o buclă circulară făcută dintr-un fir de cauciuc -, şi reduceţi-l în imaginaţie cât puteţi de mult – cât vă ţine imaginaţia. Aşa ceva ar fi, de fapt, particulele, spune teoria superstringurilor.

Iar aceste bucle se comportă cu totul altfel decât punctele: ele nu sunt zero-dimensionale, precum punctele, şi nimic nu se poate apropia de o astfel de buclă infinit de mult, pentru că întotdeauna va fi puţin mai departe de o zonă a buclei decât de alta. Aşadar, aceste superstringuri par să rezolve unele dintre problemele legate de amestecul infinitului, ceea ce le convine fizicienilor.

Partea proastă este că, totuşi, deocamdată, fizicienii nu au nicio dovadă că teoria superstringurilor e corectă. E un concept teoretic în fizică, foarte important, care încearcă să împace între ele două viziuni până în prezent incompatibile în anumite puncte: relativitatea generală şi mecanica cuantică, fiind astfel candidată în competiţia pentru elaborarea acelei „teorii a întregului”, sau „teoria finală” – un fel de Sfânt Graal al fizicii, o teorie a teoriilor, care să explice complet şi să lege între ele toate fenomenele fizice cunoscute. De ce avem nevoie de a astfel de teorie? Pentru că, deocamdată, există şi lucruri care nu pot fi explicate complet de cele două mari concepte despre care vorbeam:

• teoria relativităţii generale, care descrie gravitaţia şi ceea ce se întâmplă la scară foarte mare în spaţiu-timp. Gravitaţia este una dintre cele 4 forţe fundamentale care acţionează în Univers.
• teoria câmpului cuantic, care se referă la ceea ce se întâmplă la scară foarte mică, la nivel de particule. Pe baza ei a fost elaborat modelul standard al fizicii particulelor, care descrie structurile infinitezimale ale materiei, nivel la care acţionează celelalte 3 forţe fundamentale: forţa nucleară slabă, forţa nucleară puternică şi forţa electromagnetică. Un concept înrudit şi mai cunoscut este mecanica cuantică, care descrie modul în care interacţionează particulele pentru a genera aceste 3 forţe. Gravitaţia nu intră în vederile mecanicii cuantice şi de aici provin nişte nepotriviri despre care vom mai vorbi şi care pun beţe în roate încercărilor de a stabili care e cel mai mic lucru din Univers.

După cum vedeţi, nu toate cele 4 forţe fundamentale încap în aceeaşi teorie, aşa că scopul mult-visatei teorii finale este acela de a găsi o cale care să  le adune pe toate la un loc, armonios şi complet, unificând cele două viziuni într-un singur model care să descrie toate forţele fundamentale şi toate formele materiei.

Dar o astfel de teorie finală, care să fie acceptată de marea majoritate a fizicienilor – cum sunt deja teoria relativităţii generale şi cea a câmpului cuantic – încă nu e gata. Teoria superstringurilor este, spuneam, o candidată, nu o câştigătoare confirmată.

În singularitatea găurilor negre

Dacă pe superstringuri nu ne putem baza, ce posibile soluţii mai avem? O altă abordare ar fi aceea care susţine că spaţiul nu este omogen şi continuu, ci este alcătuit din pixeli, sau „granule”, alcătuind ceea ce este desemnat sub denumirea de spumă cuantică sau spumă spaţiu-timp, considerată drept fundamentul texturii Universului.  În acest caz, două particule nu vor putea să se apropie infinit de mult una de cealaltă, deoarece vor trebui întotdeauna să fie separate printr-un spaţiu minim de mărimea unei granule de spaţiu.

Aşadar, avem un candidat, pentru titlul de cel mai mic lucru din univers – granula de spaţiu.

Dacă până aici simţiţi că v-aţi prins urechile în atâta fizică, avem două veşti – una bună şi una proastă, vorba bancurilor.

Vestea bună – o fi chiar bună? – este că acest concept al spumei cuantice este greu de „înghiţit” chiar şi pentru mulţi fizicieni, care îl consideră foarte vag; prin urmare, nu e de mirare că oricine poate să devină confuz când aude despre aşa ceva.

Vestea proastă este că, în continuare, o să ne afundăm şi mai adânc în hăţişurile Cosmosului, până acolo de unde nimeni şi nimic nu se poate întoarce vreodată: în străfundurile găurilor negre.

Pentru că o altă candidată la trofeul „cel mai mic lucru din Univers” este – doamnelor şi domnilor! – singularitatea din centrul unei găuri negre! 

Aceste misterioase structuri cosmice – găurile negre – se formează atunci când materia se condensează într-un spaţiu atât de mic încât gravitaţia copleşeşte totul, făcând materia să se tot comprime şi comprime, până când se reduce la un punct, cu densitate infinit de mare – conform legilor actuale ale fizicii. 

O noţiune importantă care apare în modelele teoretice ce descriu formarea găurilor negre este singularitatea gravitaţională (sau singularitatea spaţiu-timp), descrisă ca o zonă a continuum-ului spaţiu-timp în care măsurile cantitative ce descriu câmpul gravitaţional devin infinite. Formarea unei găuri negre este însoţită de apariţia unei singularităţi gravitaţionale în interiorul ei: câmpul gravitaţional aici ar fi atât de puternic, încât nici n-ar putea fi măsurat. 

Aşadar, acest punct, infinit de mic şi cu densitate infinit de mare, ar putea fi cel mai mic lucru care există în Univers.

Însă majoritatea specialiştilor nu cred că găurile negre sunt chiar infinit de dense. Această infinitate, cred ei, rezultă din calcule ca urmare a incompatibilităţii (despre care am vorbit) între cele două teorii, ce implică relativitatea generală şi mecanica cuantică. Niciuna dintre ele, singură, nu „acoperă”, nu explică tot ce se petrece în Univers, atât la scară mare, cât şi la scară mică. Avem nevoie de o teorie unificatoare – de pildă o teorie a gravitaţiei cuantice – iar atunci, cred savanţii, blestemul cunoaşterii incomplete va lua sfârşit, vălul misterului va fi ridicat şi adevărata natură a găurilor negre va fi dezvăluită.

Până atunci, nu ne rămâne decât să ne încredem în intuiţia şi cunoştinţele unor specialişti, care, oameni fiind şi ei, au păreri diverse în această privinţă. Andy Parker, fizicianul deja citat, este unul dintre cei care nu cred în supremaţia singularităţii. „Părerea mea este că aceasta este mult mai mică decât un quarc, dar nu cred că ar avea densitate infinită”, a declarat el publicaţiei LiveScience.

„Mai curând aş spune că singularităţile sunt de milioane de milioane de ori mai mici decât cele mai mici dimensiuni pe care le putem vedea.”

Iar dacă e aşa, atunci singularităţile ar putea fi aproximativ de mărimea superstringurilor. Dar cu asta n-am rezolvat problema.

Cifra „micimii supreme”

Şi totuşi, între atâtea concepte  zăpăcitoare, nu am putea avea şi ceva mai concret, o dimensiune exprimată în clasicul sistem metric, uşor de înţeles şi pentru noi, dimensiune care, chiar dacă e mai mică decât orice ne-am putea imagina, să ne dea totuşi senzaţia liniştitoare că e vorba despre ceva măsurabil?

Aici intră în scenă aşa-numita lungime Planck. Superstringurile, singularităţile şi pixelii/granulele de univers ar putea avea această dimensiune.

Lungimea Planck este egală cu 1.61619926 × 10–35 metri (dacă chiar vreţi să scrieţi desfăşurat, scrieţi 0, puneţi o virgulă, mai scrieţi 34 de zerouri şi apoi 16), o valoare de o mărime (sau micime) greu de imaginat, dar importantă şi care este implicată în numeroase aspecte ale fizicii. 

E ceva mult prea mic pentru a putea fi măsurat cu instrumentele de măsură existente; ea a rezultat din calcule complexe, dar se crede că ar reprezenta limita teoretică a celei mai mici lungimi măsurabile. 

Această dimensiune este socotită, de asemenea, drept linia de demarcaţie între relativitatea generală şi mecanica cuantică, valoarea la care toate devin una, iar ceea ce se întâmplă ar putea fi descris de gravitaţia cuantică – acea viziune unificatoare pe care încă aşteptăm să o elaboreze cineva, făcând-o să existe prin ecuaţii pe care fizicienii să le poată înţelege şi accepta.

Poate că e bine să ne oprim aici, cu ipoteza reconfortantă că lucrul cel mai şi mai mic din câte există în Universul cel mare ar fi de o mărime care, deşi (încă) imposibil de măsurat cu mijloace practice, există măcar teoretic şi ne oferă un orizont de aşteptare, o limită pentru obositorul efort al imaginaţiei întru închipuirea celui mai mic lucru: mărimea lungimii Planck.