Cele mai importante 10 idei din istoria ştiinţelor

Privind lungul drum parcurs de ştiinţă până azi, cu progrese formidabile şi salturi uimitoare, pare foarte dificil să adunăm 10 – doar 10 – idei cărora să le conferim importanţa maximă.

Hai să o luăm pe o “scurtătură”: să găsim un Top 10 deja alcătuit – de cineva implicat profund în ştiinţă şi care, prin urmare, ştie ce spune – şi să trecem astfel în revistă, sub îndrumarea unui expert, lista celor 10 concepţii ştiinţifice pe care acesta le consideră cele mai măreţe din istoria multimilenară a ştiinţelor.

Ghidul nostru7 va fi Peter Atkins, profesor de chimie la Universitatea Oxford şi autor al unei cărţi apărute în anul 2003 şi devenită bestseller, intitulată Galileo’s Finger: The Ten Great Ideas of Science.

Sunt, într-adevăr, 10 idei excepţionale, pe care, azi, cei mai mulţi s-au obişnuit în asemenea măsură să le audă, încât nici nu li se mai par cine ştie ce – de parcă s-ar fi banalizat de tot. Dar este doar o impresie: aceste 10 idei sunt într-adevăr uriaşe, măreţe şi, ca, să ne convingem, ar trebui să încercăm să ne imaginăm cam cum ar fi fără ele; cum ar fi dacă nimeni nu le-ar fi descoperit vreodată, dacă nu le-ar fi enunţat şi argumentat şi cum ar arăta cercetarea ştiinţifică de azi în lipsa acestor idei fundamentale.

Dar iată Topul 10 întocmit de profesorul Peter Atkins, aşa cum a fost el rezumat şi comentat într-un articol recent publicat în Rear Clear Science.

1. Evoluţia are loc prin mecanismul selecţiei naturale

Puterea acestui concept vine din faptul că el este capabil să explice atât unitatea, cât şi diversitatea lumii vii, descriind modul în care apar asemănările şi deosebirile dintre speciile de vieţuitoare, care s-au desprins dintr-un strămoş universal comun. 65% dintre genele umane se întâlnesc şi la microorganisme unicelulare; de fapt, toate formele de viaţă de pe Terra au circa o treime dintre gene în comun, iar această unitate în diversitate capătă sens în lumina teoriei evoluţiei prin selecţie naturală. Sau, cum spune titlul unui eseu publicat în 1973 de Theodosius Dobzhansky (1900-1975), genetician şi specialist în biologie evolutivă: Nimic nu are sens în biologie, decât în lumina evoluţiei.

Un exemplu dintre cele mai interesante, care ilustrează moştenirea comună a tuturor vieţuitoarelor, descendenţa lor dintr-un strămoş comun, este legat de capacitatea organismelor vii de a sintetiza vitamina C. Multe organisme pot face acest lucru: produc vitamina C prin propriile puteri, în cadrul metabolismului lor, graţie prezenţei unei gene active, implicate în etapa finală a procesului de sinteză a vitaminei C.

Oamenii sunt printre puţinele vieţuitoare incapabile să sintetizeze această vitamină, motiv pentu care trebuie să mâncăm fructe şi legume proaspete, ca să obţinem din ele vitamina C de care avem nevoie, dar pe care nu o putem produce singuri. Cu toate acestea, şi noi avem gena menţionată mai sus, dar la noi ea este inactivă, Faptul că există dovedeşte că avem o ascendenţă comună cu celelalte vieţuitoare (unitate); faptul că este inactivă arată că ea a a evoluat diferit la om (şi alte câteva animale) faţă de alte specii (diversitate).

Prin analize genetice comparative, se poate afla când a avut loc mutaţia care a dus la dezactivarea genei. În arborele filogenetic al mamiferelor, această mutaţie s-a produs la un strămoş care dat naştere întregii linii evolutive a primatelor antropoide; de aceea, omul, dar şi cimpanzeii, gorila şi orangutanul au, cu toţii, această genă inactivă. Alte mamifere – precum câinii şi pisicile, de pildă – au păstrat capacitatea de produce singure vitamina C.

Iar cea mai simplă şi mai completă explicaţie pentru aceste deosebiri şi asemănări între specii este descendenţa dintr-un strămoş comun (unitate), proces în care au avut loc şi anumite modificări ale genomului ce au dus la deosebiri în fiziologia organismelor (diversitate).
 

2. Informaţia privind ereditatea este codificată în ADN

Pare uimitor faptul că Gregor Mendel, “părintele geneticii”, în urma celebrelor sale experimente asupra mazării, a putut vorbi despre principille fundamentale ale eredităţii fără a şti nimic despre ADN şi gene; fără îndoială, o intuiţie foarte apropiată de o sclipire de geniu l-a făcut să discearnă faptul că însuşirile ereditare sunt transmise prin intermediul unor unităţi ce purtau informaţia ereditară. El le-a. numit “elemente”, iar azi le numim gene.

Dar n-am fi putut merge mult mai departe de atât dacă, în 1952, oamenii de ştiinţă n-ar fi descoperit că ADN-ul este molecula care poartă informaţia genetică şi dacă ulterior, în 1953, nu s-a fi descoperit structura de dublu helix a ADN-ului, care a stat la baza a mii de experimente ulterioare, ce au dus mai departe cunoaşterea în domeniul geneticii.

În ADN, informaţia genetică este codificată prin intermediul unor baze azotate (adenina A, citozina C, timina T şi guanina G), adesea desemnate sub numele de “litere”; genele sunt secvenţe de asemenea baze azotate, înşiruite într-o anumită ordine, grupate în anumite moduri, iar funcţia de bază a genelor din orice organism este să furnizeze instrucţiuni pentru sinteza proteinelor din organism.

Este adevărat, în deceniile care au urmat s-a descoperit de asemenea că, oricât de important ar fi ADN-ul, secvenţa de baze azotate din ADN nu este suficientă pentru a controla tot ce se întâmplă în celule; au apărut noi câmpuri de investigaţie (unul dintre cele mai fascinante fiind cel al epigeneticii, care studiază acele modificări ale ADN-ului care nu afectează secvenţa de baze azotate, dar care intervin şi ele – cât de mult, nu se ştie încă – în transmiterea ereditară a unor caractere). Însă fără cunoaşterea faptului fundamental că ADN-ul este molecula ce conţine informaţia genetică, n-am fi ajuns până aici şi n-am putea merge mai departe.
 

3. Energia se conservă

Toată energia care există în Univers a fost aici dintotdeauna şi va fi mereu. Energia nici nu se creează pornind de la nimic, nici nu dispare, ci doar se transformă. Între altele, se poate transforma în masă, de unde conceptul de echivalenţă masă-energie, pe baza căruia a fost formulată celebra ecuaţie einsteiniană E = mc².

Principalele două forme de energie sunt energia potenţială (energie stocată) şi enegia cinetică (a mişcării); majoritatea celorlalte forme de energie (chimică, electrică şi altele) sunt doar forme de manifestare a energiei potenţiale şi cinetice, iar căldura e mai degrabă o modalitate de transfer al energiei.

Pe această idee fundamentală, că energia nu poate fi creată şi nici distrusă, ci doar transferată şi preschimbată dintr-o formă în alta, se sprijină în mare măsură dezvoltarea tehnologică la care a ajuns lumea contemporană. N-am fi putut produce electricitate prin mijloace atât de variate dacă n-am fi ştiut asta.
 

4. Entropia: Universul tinde spre dezordine

Entropia este o măsură a dezordinii – dezordinea comportamentului particulelor din care este alcătuită materia – iar cea de-a doua lege a termodinamicii spune că, în toate sistemele închise, entropia tinde să crească.

Pentru a contracara această tendinţă, e nevoie de un aport de energie din exterior, însă această energie adăugată pentru a scădea entropia într-un loc măreşte entropia în alt loc, iar în ansamblu, entropia în Univers creşte mereu. (Asta ne face să ne întrebăm care va fi soarta finală a Universului.) Oricum, cunoaşterea acestui fapt este indispensabilă celor care studiază legile Cosmosului şi încearcă să explice ce s-a întâmplat, ce se întâmplă şi ce se va mai întâmpla în Univers.

5. Materia este alcătuită din atomi

Aerul şi apa, bacteriile şi omul, computerele şi corpurile cereşti – toate sunt alcătuite din atomi.

Multă vreme, aceştia au fost consideraţi cele mai mici particule existente în Univers, până când oamenii de ştiinţă au pătruns şi în intimitatea structurii atomului, ca să descopere că şi el are componentele lui – particule şi mai mici decât el: nucleul (alcătuit din protoni şi neutroni) încărcat pozitiv, în jurul căruia se rotesc electronii, încărcaţi negativ. (Şi protonii sunt, la rândul lor, alcătuiţi din particule încă şi mai mici – quarci – iar oamenii de ştiinţă, de fapt, încă nu s-au pus de acord când e vorba să decidă care este cel mai mic lucru din Univers.)

Descoperirea acestui model de structură a atomului a permis, între altele, crearea tabelului periodic al elementelor, baza chimiei, fără de care industria chimică n-ar fi putut niciodată ajunge la dezvoltarea spectaculoasă de azi. N-am fi obţinut niciodată cauciuc sintetic şi plastic, fibre sintetice şi o mulţime de medicamente.
 

6. Simetria este o măsură a perfecţiunii

Când e vorba despre chipurile omeneşti, simetria este o măsură a frumuseţii. Dar simetria este prezentă foarte larg în natură, până la niveluri foarte subtile, şi este implicată în fenomene şi structuri pe care savanţii le cercetează fascinaţi, încercând să descopere rolul tainic al simetriei în apariţia lor. Simetria intervine în aranjarea ordonată, după nişte legi încă neînţelese pe deplin, a atomilor în cristale şi în alte nenumărate alcătuiri naturale din Univers, de la flori la faguri, de la fulgii de zăpadă la galaxiile spirale.

Dar simetria – şi opusul său, asimetria, fără de care conceptul ar fi incomplet – sunt de interes deosebit şi pentru astrofizicieni şi cosmologi. Una dintre cele mai fascinante faţete ale fenomenului este aşa-numita asimetrie barionică: în Univers, cantitatea de materie este mutl mai mare decât cea de antimaterie, deşi Big Bang-ul ar fi trebuit – credem noi, – să dea naştere unor cantităţi egale de materie şi antimaterie. Ce s-a întâmplat cu antimateria? Este una dintre marile enigme, încă nedescifrate, ale Universului.
 

7. Mecanica clasică nu este de ajuns pentru a descrie comportamentul particulelor

Dacă am fi rămas la fizica lui Newton, n-am fi reuşit nici măcar să ne explicăm de ce o bucată de fier devine la început roşie când este încălzită în foc, iar dacă vom continua să o încingem, va deveni albă. E un fenomen pe care fizica clasică nu-l poate lămuri, dar fizica cuantică poate. Fizicianul Max Planck a venit cu ideea că, poate, energia este emisă în fracţiuni minuscule numite cuante şi că acea cantitate de energie nu poate varia oricum, ci doar discret. (Aici e momentul să explicăm ce înseamnă discret în fizică: nu are nimic de-a face cu vreo însuşire morală, ci înseamnă că e vorba despre o variaţie în trepte – energia cuantică nu poate lua orice valoare, ci doar pe cele ce corespund unui număr întreg de „trepte”. Adică este, metaforic vorbind, ca diferenţa dintre o persoană care s-ar da pe un tobogan, putându-se opri unde vrea ea, ca să se afle la o anumită înălţime, şi una care ar coborî pe o scară, putându-se plasa la o anumită înălţime doar prin alegerea unui număr fix de trepte.)

Azi, aceste cuante de energie preconizate de Planck sunt numite fotoni. Pornind de aici, şi în urma altor experimente, s-a dovedit că lumina, care fusese considerată o undă, are, în realitate, o natură duală, de undă şi corpuscul, de vreme ce se poate manifesta şi prin particule discrete, fotoni.

Dualitatea undă-corpuscul şi conceptul de cuantă de enegie stau la baza mecanicii cuantice, la care apelăm ori de câte ori legile mecanicii clasice nu ne ajută. Datorită mecanicii cuantice, ştim azi atâtea lucruri despre particulele subatomice, despre structura Universului – pe scurt, despre lumea în care trăim.

8. Universul se află în expansiune

Este una dintre marile descoperiri ale fizicii cosmologice dar, în acelaşi timp, una dintre marile enigme ale Universului, în ceea ce priveşte detaliile.

Ştim că Big Bang-ul a avut loc pentru că ne-a lăsat o „amintire” a izbucnirii colosale de radiaţie care a însoţit evenimentul: e vorba despre radiaţia cosmică de fond, formată din microunde (CMB – cosmic microwave background). Pe măsură ce Universul s-a extins, radiaţia iniţială (totodată undă şi corpuscul, cum am spus mai sus) a fost şi ea “întinsă” – respectiv, i-a crescut lungimea de undă. Aşa se face că, azi, această radiaţie aparţine domeniului microundelor, radiaţii cu lungime de undă mare, mai mare decât poate ochiul uman să perceapă, motiv pentru care nu o vedem. Dar ea există şi poate fi detectată cu aparatură corespunzătoare.

Între timp, Universul se extinde în continuare, ba chiar cu o viteză din ce în ce mai mare. Nu se cunoaşte încă precis cauza acestei accelerări a expansiunii Universului, dar se crede că e vorba despre energia neagră, o altă chestie misterioasă, a cărei existenţă nici n-am fi bănuit-o vreodată fără această idee importantă – că Universul se găseşte în expansiune. Pornind de la această idee, oamenii de ştiinţă au ajuns să-şi pună şi întrebări fundamentale privind viitorul Universului: ce se va întâmpla, în cele din urmă, cu el?
 

9. Interacţiunea cu materia duce la curbarea spaţiu-timpului

În primul rând, e foarte importantă ideea de spaţiu-timp, sau continuum spaţiu-timp; fizica modernă adaugă timpul, ca o patra dimensiune, la cele trei ale spaţiului – o dezvoltare importantă în fizica cosmologică, deoarece a permis explicarea comportamentului şi a influenţei unor corpuri cereşti de mari dimensiuni, care exercită o forţă gravitaţională atât de uriaşă, încât afectează nu numai spaţiul din jurul lor, ci şi timpul.

Datorăm lui Albert Einstein acest concept (teoria relativităţii generale); nu e ceva prea uşor de înţeles, dar să încercăm o analogie: dacă ne imaginăm acest continuum spaţiu-timp ca pe o pânză elastică, în mijlocul căreia am aşeza o bilă uriaşă, pânza s-ar deforma, s-ar adânci, curbându-se în zona în care bila uriaşă îşi exercită colosalele ei efecte .

Einstein şi-a sporit apoi contribuţia la dezvoltarea fizicii şi prin teoria relativităţii speciale, care descrie modul în care timpul se încetineşte atunci când este observat, măsurat, de pe un obiect care se mişcă foarte repede.

Ambele teorii sunt luate în considerare când e vorba despre anumite tehnologii moderne, precum GPS. Dacă nu s-ar ţine seama de această distorsionare a timpului din cauza vitezei şi a gravitaţiei, ceasurile de pe Pământ şi cele de pe sateliţi n-ar funcţiona sincronizat, iar indicaţiile GPS privind distanţele n-ar mai fi bune de nimic.
 

10. Matematica impune o limită raţiunii

Conceptul de număr pare simplu, dar, în realitate, un număr e foarte greu de definit; matematicienii au studiat problema, dar n-au reuşit să ajungă la un acord în această privinţă.

Infinitul, de asemenea, e ceva care încape cu greu în mintea matematicienilor. Oricât de ciudat ar suna, unele infinituri sunt mai mari decât altele: mulţimea numerelor raţionale (cele care pot fi exprimate printr-o fracţie ordinară) este infinită, dar mulţimea numerelor iraţionale (care nu pot fi exprimate printr-o fracţie ordinară) este şi ea infinită, dar mai mare decât cea a numerelor raţionale.

Ca să complice lucrurile şi mai mult, există un tip special de numere iraţionale, numite transcendentale, precum celebrul număr pi, care nu poate fi exprimat nici printr-o fracţie, nici ca soluţie a unei ecuaţii algebrice; cifrele lui se înşiruie la infinit, fără a se repeta după un model previzibil. Şi cele mai multe numere sunt astfel. Rezultă că numerele naturale (1,2,3 etc.), care nouă ni se par cele mai obişnuite, de fapt sunt foarte rare!

Pe măsură ce oamenii de ştiinţă adâncesc matematica, îşi dau seama că ea se apropie tot mai mult de filosofie; chestiuni fundamentale, precum existenţa infinitului şi însuşirile acestuia, par să ţină mai curând de filosofie decât de ştiinţă. Numeroasele probleme matematice nerezolvate până azi fac din această disciplină una profund tulburătoare, pentru că ea ne aminteşte de propriile limitări şi trasează o graniţă dincolo de care raţiunii umane îi este prea dificil să treacă.