Fizica cuantică despre univers, multiversuri, legile naturii şi realitate. MARELE PLAN

„Pentru a înţelege universul la nivelul cel mai profund, trebuie să ştim nu numai cum se comportă universul, dar şi de ce.

De ce există cava mai degrabă decât nimic ?

De ce existăm ?

De ce acest set particular de legi şi nu altele?

Aceasta e Întrebarea Ultimă privind Viaţa, Universul şi Tot ce Există. Vom încerca să dăm un răspuns în această carte”. (citate din pag 8 a cărţii Marele Plan )

*  *  *

Cartea „MARELE PLAN”  scrisă de fizicienii St. Hawking şi L. Mlodinow prezintă evoluţia şi stadiul actual în domeniul fizicii, punând  în evidenţă noua vizune ştiinţifică privind:

- Universul, originile, trecutul, evoluţia  şi viitorul său. Modul cum trebuie abordat, analizat dar şi despre existenţa prezentulul, trecutului şi viitorului Universului, în conformitate cu teoriile fizicii moderne, îndeosebi a mecanicii cuantice - teoriei  M

- Legile naturii - „Natura se comportă într-un mod tot mai puţin compatibil cu experienţa cotidiană”

„ Fizica cuantică.. e o descriere precisă a naturii...” „Fizica cuantică ... impune o schemă conceptuală total diferită de fizica clasică în care poziţiile, traiectoria ba chiar trecutul şi viitorul unui obiect nu sunt precis determinate”

- Realitatea - care diferă (mult) de realitatea percepută de simţurile noastre, mai ales în modul de desfăşurare al interacţiunilor, reacţiilor, şi legăturilor în structurile materiei sub-atomice: particule elementare şi cuarci,  inclusiv cu evidenţierea legăturii cu activităţile de natură spirituală [mentale, psihologice, conştiinţă, liber arbitru];

  Realitaţile Universului ( de la macro- cosmos la micro- cosmos ) pot fi înţelese numai prin folosirea de modele (teorii). Este fundamental a înţelege teoria Realismului dependent de model: el reprezintă o sinteză a unei  noi concepţii despre materie, univers, realitate. „Realismul dependent de model se aplică nu doar modelelor ştiinţifice, dar şi modelelor mentale pe care ni le creiem cu toţii... pentru a interpreta şi înţelege lumea de zi cu zi...

Realismul dependent de model corespunde modului în care percepem obiectele.... Altă problemă pe care o rezolvă realismul dependent de model,.... este cea a semnificaţiei existenţei. Există lucruri, obiecte pe care nu le putem vedea, precum electronii sau cuarcii - care sunt un model util care explică observaţiile asupra multor fenomene şi au permis inventarea, de ex a televizorului; astăzi, toţi fizicienii cred în existenţa electronilor şi a cuarcilor, deşi nu-i pot vedea.”...” deşi nu putem observa cuarci individuali, acceptăm modelul fiindcă reuşeşte să explice foarte bine comportamentul protonilor, neutronilor şi a altor particule de materie”.

„ Percepţia noastră - deci şi observaţiile pe care se întemeiază teoriile noastre - nu este directă, ci e ajustată de un fel de lentile, structura interpretativă a creierului nostru”

Realitatea nu este cea percepută de simţurile noastre. Mecanica cuantică şi Teoria M** demonstrează teoretic acest lucru [de subliniat că toate experimentele făcute confirmă teoria / modelele mecanicii cuantice, ceea ce îi dă notorietate şi credibilitate maximă, fiind unanim acceptată].

    „Nu există nici o noţiune de realitate independentă de imagine sau de teorie” „ .. Natura se comportă într-un mod tot mai puţin compatibil cu experienţa cotidiană, deci cu intuiţia noastră, după cum o dovedeşte experimentul cu  fulerene” „ Noi creăm istoria prin observaţiile noastre, iar nu istoria ne crează pe noi”.

Modelele (legi) de comportament ale UNIVERSULUI descoperite / stabilite cronologic

                                           

Cel mai de neînţeles lucru în privinţa universului este că poate fi înţeles (Einstein)

„Universul poate fi înţeles pentru că e guvernat de legi ale ştiinţei; cu alte cuvinte, comportamentul lui poate fi modelat”

Aceste modele / legi sunt:

= Gravitaţia - protagonist - Newton

= Forţele electrice şi magnetice; electromagnetism; câmpuri de forţe; câmpul electromagnetic care constituie legătura dintre electricitate, magnetism şi lumină - protagonişti: Hans Christian Orsted, Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Michelson, Morley, Hendrik Lorentz, Albert Einstein. Câmpul electromagnetic se propagă în spaţiu ca o undă; s-a calculat că viteza de propagare e viteza luminii (  300.000 km/sec în funcţie de un anumit reper de referinţă). Ca reper de referinţă s-a „inventat” eterul care a rezistat o perioadă de timp, până la apariţia altor modele / teorii ce au arătat că eterul nu există. Einstein a afirmat că legile fizicii - şi în particular viteza luminii ar trebui să fie aceleaşi pentru toţi observatorii aflaţi în mişcare uniformă şi „ măsurarea timpului scurs şi a distanţei parcurse depind de observatorul care face măsurătorile” [ un principiu din relativitatea specială formulată în anul 1905).

= Spaţiu - timp - protagonist : Einstein

= Relativitatea generală şi specială- teoria asupra gravitaţiei - Eintein

= Mecanica cuantică - care determină noul tip de abordare al legilor naturii de către fizica modernă şi care este unanim acceptată şi pe baza căreia, în fizica modernă au fost elaborate mai multe teorii - modele (paradigme !?) care satisfac cerinţele tot mai exigente ale realităţii coportării şi existenţei naturii - prin studierea particulelor şi cuarcilor.

In fizica modernă, există mai multe teorii printre care:

= Teoria cuantică a câmpului magnetic, numită electrodinamică cuantică elaborată de Richard Feynman şi alţii sau QED  (quantum electrodynamics) - în anii `40 ; toate predicţiile QED au fost testate şi confirmate de rezultatele experimentale

= Teoria  cromodinamică cuantică (quantum chromodynamics) sau QCD - propusă de  Abdas Salam şi Steven Weinberg -  în 1967 conform căreia protonul, neutronul şi multe alte particule de materie elementare se compun din cuarci. Protonii şin eutronii barionii care alcătuiesc nucleul atomilor şi constituie baza întregii materii normale din univers

= aşa numite teorii ale marii unificări [grand unified theories] - anii 70 - care unifică forţa tare cu cea slabă şi cea electromagnetică; ele prezic că protonii, materia din care suntem alcătuiţi, se dezintegrează după aproximativ 10³² ani (universul are abia vârsta de 10¹⁰ ani).

= Modelul standard - majoritatea fizicienilor au adoptat această teorie ad-hoc care cuprinde teoria unificată a forţelor electroslabe şi QCD ca teorie a forţelor tari. „Modelul standard este unul de succes şi concordă cu toate observaţiile actuale dar e nesatisfăcător fiindcă.... nu include gravitaţia” .

= Supergravitaţia - în 1976; teoria posedă o supersimetrie a cărei consecinţă importantă este că particulele de forţă şi particulele de materie şi prin urmare forţa şi materia sunt două faţete ale aceluiaşi lucru; asta înseamnă că fiecare particulă de materie, de pildă un cuarc, trebuie să aibă drept partener o particulă de forţă, iar fiecare particulă de forţă, de pildă un foton, trebuie să aibă drept partener o particulă de materie.

= Teoria corzilor [strig theory] conform căreia particulele nu sunt puncte, ci structuri aflate în vibraţie, care au lungime, dar nu au lăţime sau înălţime. „Teoriile corzilor mai au o trăsătură stranie: ele  sunt coerente numai dacă spaţiu-timp are zece dimensiuni în loc de cele patru obişnuite”.

= Teoria M** - teorie fundamentală - începând cu 1994. - „...are unsprezece dimensiuni spaţio-temporale, ea poate conţine nu doar corzi vibrante ci şi, ci şi particule punctiforme, membrane bidimensionale, picături tridimensionale precum şi alte obiecte mai greu de imaginat şi care ocupă încă mai multe dimensiuni ale spaţiului, până la nouă” „Legile teoriei M permit deci existenţa unor universuri diferite, cu legi aparente diferite....”. „Teoria M are soluţii care permit existenţa a numeroase spaţii interne diferite.... ceea ce înseamnă că ea admite 10⁵⁰⁰ universuri diferite, fiecare cu legile lui” „ Conform teoriei M, universul nostru nu e singurul univers. Teoria M prezice că nenumărate universuri au fost creiate din nimic. Crearea lor nu presupune intervenţia unei fiinţe supranaturale sau a unui zeu, ci aceste universuri multiple apar în chip natural din legile fizice, sunt predicţii ale ştiinţei”.

                         

** Teorie fundamentală. „Nimeni nu pare să ştie ce înseamnă „M” dar poate veni de la  „master”  [stăpân], „miracol” sau „mister”. Sau de la toate trei.

Modificări majore, esenţiale  în abordarea ştiinţifică a cunoaşterii legilor naturii, ale fizicii.

- „Se pare că  ne aflăm într-un punct critic în istoria ştiinţei ... trebuie să ne schimbăm ideile despre scopul unei teorii fizice si despre condiţiile pentru a o accepta. Se pare că numerele fundamentale şi chiar forma legilor aparente* ale naturii nu sunt impuse de logică sau de principii fizice

* legi aparente: legile naturii pe care le observăm în universul nostru - legile celor patru forţe fundamentale şi parametrii ce caracterizează particulele elementare cum sunt masa şi sarcina electrică - în opoziţie cu legile mai profunde ale teoriei M care permit existenţa unor universuri diferite, cu legi diferite.

„ Ceea ce ştim este că elementele componente ale unor obiecte ascultă de legile fizicii cuantice, iar legile lui Newton sunt o bună aproximaţie pentru a descrie comportamentul obiectelor macroscopice alcătuite din aceste obiecte cuantice. ... Atomii şi moleculele individuale acţionează într-un mod profund diferit de cel care rezultă din experienţa noastră cotidiană”. „cu cât un obiect e mai mare, cu atât efectele cuantice sunt mai puţin vizibile”...   

 

Istorii alternative

• Teoria cuantică introduce ideea de istorii alternative: „conform fizicii cuantice, universul nu are doar un singur trecut sau o singură istorie” ....”prezentul, trecutul (neobservat), la fel ca şi viitorul, e nedefinit şi există doar ca un spectru de posibilităţi” . „...la fel ca o particulă, universul nu are o singură istorie ci toate istoriile posibile, fiecare cu probabilitatea ei”. Fizica clasică - „teoriile clasice sunt modele în care universul are o singură istorie” „..aceste modele intră în contradicţie cu observaţiile” „In locul lor trebuie să folosim teorii cuantice în care universul poate avea toate istoriile posibile”  .... „trebuie să găsim versiuni cuantice ale tuturor legilor naturii. Asemenea teorii se numesc teorii cuantice de câmp”

      In cadrul cosmologiei cuantice  s-au elaborat teorii / modele  şi deci s-au creiat  premizele ca originea şi evoluţia universului să fie abordate ştiinţific şi studiate prin  două perspective:

 

- de „jos în sus” , abordare şi studiere clasică, adică de la origini  până în prezent şi cu predicţii spre viitor ceea ce duce la concluzi că universul are un singur trecut, o cauză - cel mai ades pomenită fiind big bangul - dar care nu lămureşte creierea universului;

- de „sus în jos”, adică adică din prezent spre origini, spre trecut, ceea ce duce la concluzii  că universul are mai multe istorii, deci posibil să aibe mai multe trecuturi şi să fie mai multe universuri.

În teoriile  cosmologiei cuantice, natura cuantică a universului  cuprinde şi modelul potrivit căruia  începutul universului a fost guvernat de legi ale naturii şi că „atunci când vorbim de „începutul” universului ajungem la ideea subtilă că, privind înapoi către universul primordial, timpul, aşa cum îl cunoaştem nu exista!” iar....”.... timpul se poate comporta ca o altă directie a spaţiului” şi „ ...începutul universului a fost guvernat de legi ale naturii şi nu mai este nevoie de vreun zeu care să-l fi pus în mişcare”, deci că nu nu există un început al timpului. Dar şi „originea universului a fost un eveniment cuantic”.

•   Existenţa vieţii inteligente - deci existenţa umanităţii - conform principiului antropic slab - dă posibilitatea stabilirii condiţiilor necesar a fi întrunite pentru a fi viaţă în univers; dintre acestea:

-  existenţa noastră stabileşte faptul că universul trebuie să aibă în jur de  zece miliarde de ani;

- parametrii fizici să nu se abată prea mult de la valoarea pe care le-o găsim în realitate; astfel:

          - pentru ca noi să existăm, universul trebuie să conţină elemente mai grele precum carbonul şi acestea să rămână stabile timp de cel puţin miliarde de ani

- să existe excentricităţi orbitale mici - între 0 şi 0,5 - care permit viaţa

- ”  principiul antropic tare susţine că faptul că noi existăm impune constrângeri nu doar asupra mediului dar chiar şi asupra formei şi conţinutul posibile ale legilor naturii”

          - să existe un echilibru între forţele fundamentale ale naturii

          - majoritatea constantelor fundamentale găsite de teoriile fizicii să fie fin reglate; dacă acestea ar fi puţin  modificate, universul ar fi neprielnic dezvoltării vieţii.

„Legile naturii formează un sistem extrem de fin reglat” ... şi „nu se poate modifica aproape nimic în legile fizicii fără a se distruge posibilitatea dezvoltării vieţii aşa cum o cunoaştem”

 DESPRE UNIVERSUL  nostru:

 „Universul poate fi înţeles pentru că e guvernat de legi ale ştiinţei: cu alte cuvinte, comportamentul lui poate fi modelat”.

„ ...dacă vrem să înţelegem începutul universului, când materia şi energia erau comprimate într-un volum mic, trebuie să apelăm la o versiune cuantică a  relativităţii generale”. 

Iată ce sunt câteva din  legile sau modelele privind universul:

* Universul cunoscut are trei dimensiuni spaţiale extinse şi este irelevantă posibilitatea cuantică ca universul să aibe mai puţine sau mai multe dimensiuni spaţiale extinse ; deci ne interesează doar istoriile cu trei dimensiuni spaţiale extinse.

* Observăm că în realitate se aplică modelul standard (al interacţiunilor particulelor elementare) cu toţi parametrii săi; modelul standard descrie universul nostru.

* Universul timpuriu trebuie să fi fost (a luat naştere) aproape omogen, doar cu mici neregularităţi ceea ce a permis existenţa condiţiilor  pentru crearea şi menţinerea vieţii, atunci când au fost întrunite condiţiile minime obligatorii.

* Teoria de sus în jos e în perfect acord cu cerinţele generale ale teoriei inflaţiei*** dar e nevoie de mai multe măsurători mai precise pentru a fi infirmată sau confirmată.

*** universuri care încep se extindă cu o viteză tot mai mare - cu alte cuvinte universuriîn stare de inflaţie

* „... Universul a apărut spontan începând cu toate modurile posibile. Majoritatea acestora corespund altor universuri. „... creaţia spontană a universului” „....ştim totuşi că originea universului a fost un eveniment cuantic” .

”Universul nostru e doar unul din nenumărate altele, iar legi ale sale aparente nu sunt determinate în mod unic”. „Se pare că există un peisaj vast de universuri posibile”.

MARELE PLAN

„ În cosmologie, dovada copleşitoare privind un scop şi un plan .... este reglajul fin al legilor fizicii”  prezentat în carte. Reglajul extrem de fin  a atât de multe legi ale naturii i-a condus pe unii la susţinerea unui proiect inteligent - Intelligent Design - subînţelegându-se că proiectantul este Dumnezeu. Nu acesta este răspunsul ştiinţei moderne. Principiul antropic pune reglajul fin al legilor fizicii pe picior de egalitate cu factorii de mediu, căci el presupune că habitatul nostru cosmic este unul din multe alte universuri, la fel cum sistemul nostru solar este unul din multe altele. Deci reglajul fin al legilor naturii poate fi explicat prin existenţa universurilor multiple ( la fel ca existenţa unor multiple sisteme „solare”).

„Pentru că există o lege cum este gravitaţia, universul poate să se creeze - şi se va crea - pe sine însuşi din nimic, în modul pe care l-am arătat [ „trebuie să acceptăm că ideile noastre obişnuite despre spaţiu şi timp nu se aplică universului primordial, să „ înţelegem că timpul se poate comporta ca o altă direcţie a spaţiului” şi că „..începutul universului a fost guvernat de legi ale naturii]. Crearea spontană e motivul pentru care există ceva mai de grabă decât nimic, motivul pentru care universul există şi pentru care noi existăm. Nu e nevoie să apelăm la Dumnezeu să facă lumină şi să pună universul în mişcare.

Teoria M - cea mai generală teorie supersimetrică a gravitaţiei şi singurul candidat pentru o teorie completă asupra universului, „teoria a tot ce există” - este cea care dă suport teoretic şi consistenţă ştiinţifică unor astfel de paradigme privind istoriile alternative şi crearea spontană ale universului,existenţa multiversurilor. „Dacă e finită - ceea ce rămâne de demonstrat - ea va fi modelul unui univers care se crează pe sine însuşi. Noi trebuie să facem parte din acest univers, fiindcă nu există un alt model coerent. Dacă teoria va fi confirmată de observaţii, aceasta va fi încheierea încununată de succes a unor căutări care durează de peste 3000 de ani. Vom fi găsit marele plan”.

Sorin302 - aprilie 2013

MARELE PLAN    -      de Stephen Hawking şi Leonard Mlodinow

                                  Editura Humanitas   -  2012

Traducere după                   THE GRAND DESIGN  published by Bantam Books in 2010.