Quo vadis fizica secolului XXI?

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.

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. Prin urmare, 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. 

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

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.  Din acel moment, ma refer la anul 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 de catre fizicieni.

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 opinia mea, 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, aman­doua 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.

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, despre care am pomenit la inceputul acestui articol, 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 ma opresc aici, pentru a continua cu alte provocari. 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.

EXPERTS

Un Einstein al tuturor

Nu cred 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 cunosc 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=mc­2. Imi este absolut limpede ca sunt extrem de multi cei care il simpatizeaza pe Albert Einstein pentru imaginea sa, ori care il respecta considerandu-l „o minte“. 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.  Dar aceasta este cu siguranta doar perceptia mea. Sunt constient de faptul ca modul in care vad eu lumea imi este propriu numai mie. Doar legile fizicii raman aceleasi pentru orice observator.