Incotro se indreapta fizica secolului XXI?

Cu ocazia aniversării a 130 de ani de la naşterea celui mai mare fizician al tuturor timpurilor – l-am numit pe Albert Einstein[1] ( născut pe 14 martie 1869) - lumea ştiinţifică salută contribuţia excepţională a acestuia în evoluţia fizicii. Printre numeroasele manifestări, am reţinut şi vă prezint extrase dintr—un material intitulat: „ZIUA EINSTEIN Ultimul mare geniu si viitorul fizicii”
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.

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 autorul, in timp ce scrie acest text, nu se miscă cu o viteza apropiata de viteza luminii ii permite sa-l termine in timp util pentru a fi publicat. Altfel, ar fi trebuit ca redactia sa astepte cateva secole pana sa-l primeasca.

Teoria lui Einstein 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

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 si a dovedit ca lumina este atat particula, cat si unda – acest dualism manifestandu-se intr-o forma sau alta, in functie de experiment.

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? 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, 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 [„maximalizare” care, se pare, este pusă la îndoială de ultimele experimentări ce au demonstrat că un foton poate avea o viteză mult superioară vitezei luminii]?

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.
14 martie 2009

Adaptare după: Conf. univ. dr. Razvan C. Bobulescu, Marc Ulieriu, echipa DESCOPERA

[1] Albert Einstein s-a nascut pe 14 martie 1869 la Ulm, un oras modest din Germania; în 1899 solicita in mod oficial cetatenia elvetiana. Un an mai tarziu, obtine diploma la Institutul Federal de Tehnologie din Elvetia (ETH) si incearca, fara succes, sa obtina si un post de asistent in cadrul universitatii. Savantul a dobândit cetatenia americana in 1940.

Einstein a formulat teoria relativitatii cu o deformare a spatiului in jurul corpurilor care a înlocuit forta de atractie a lui Newton; mai mult, Einstein a enunţat faptul ca timpul si spatiul nu pot exista in absenta materiei.

Einstein a primit premiul Nobel pentru fizica in 1922 pentru studiul sau din 1905 asupra efectului fotoelectric

Einstein a fost foarte respectat, dar la sfarsitul vietii a intrat in conflict cu tanara generatie de fizicieni: Heisenberg, Pauli si mai ales Bohr.

De fapt, Einstein a creat bazele teoriei cuantice, pe care el insusi avea sa o respinga mai tarziu. Teoria cuantica interzice orice reprezentare reala a obiectelor fizice elementare precum electronii, protonii, etc. care nu pot fi descrisi decat in termeni de probabilitate. Dar Einstein nu adera la aceasta ipoteza probabilistica a realitatii: “Dumnezeu nu joaca zaruri”, a spus Einstein.