ZIUA EINSTEIN: Ultimul mare geniu si viitorul fizicii

Istoria fizicii cu viteza gandului 

In perioada preistorica, oamenii faceau observatii (straniile constructii monumentale de la Stonehenge sau Carnac sunt o buna dovada) asupra fenomenelor naturale si ajungeau chiar sa le reproduca. Fenomenele care se repetau in cicluri (diurn, lunar sau anual) au dus la descoperirea unor invariante (marimi, relatii care nu se schimba in urma unei transformari). Acestea au constituit un inceput al rationamentului stiintific si al intelegerii faptului ca lumea exterioara asculta de niste reguli care, probabil, pot fi folosite. Timpul pe care obisnuim sa-l plasam inaintea istoriei a fost martorul unor inovatii tehnice, agrare, arhitecturale si militare decisive. Sa nu uitam ca stiintele si religia erau adanc intrepatrunse: in vreme ce isi construiau obiectele, artizanii rosteau rugaciuni, care puteau fi foarte bine o excelenta metoda de masurare a timpului, atunci cand durata determina reusita procedeului. Antichitatea a nascut noi intrebari si a vazut proliferand raspunsuri multiple: de ce cad obiectele lipsite de sprijin pe Pamant, de ce materiale diferite au proprietati diferite s.a.? Ca raspuns la aceste nedumeriri, au fost propuse diverse teorii. Chiar daca false, acestea au fost inerente demersului stiintific.

Peste 3.000 de megaliti au fost ridicati la Carnac, in nord-vestul Frantei, de catre populatia pre-celtica din Britania, in Neolitic, cu 3.300 de ani inainte de Hristos

In zilele noastre, teorii moderne precum cele ale mecanicii cuantice sau ale relativitatii sunt considerate inca niste teorii doar pentru ca pana acum nu au fost contrazise (cu toate ca, in starea lor actuala, sunt incompatibile una cu cealalta). Teoriile fizice ale Antichitatii erau, intr-o mare masura, rodul unor reflectii filosofice si nu reuseau decat rareori sa fie verificate printr-o experienta sistematica. Cu toate acestea, ideea metodei experimentale a inceput sa fie elaborata de catre Epicur si de catre sceptici, ducand, pana una-alta, la o dezvoltare fara precedent a medicinei. In lipsa unui material tehnic perfectionat (telescoape, sa zicem) si a unor instrumente precise de masurare a timpului, verificarea experimentala a unor asemenea idei era dificila, daca nu chiar imposibila. Sa notam insa cateva remarcabile exceptii: Arhimede – care a descris corect statica fluidelor, sau Eratostene – care era convins, din cauza eclipselor de Luna, ca Pamantul este sferic si care a izbutit sa calculeze circumferinta terestra comparand umbrele lasate de niste bete dispuse vertical in puncte indepartate. (Trebuie notat ca, aplicand rezultatul acelorasi observatii asupra unui Pamant plat, ar fi putut deduce distanta pana la Soare. Observatia este importanta, pentru ca ne aminteste ca orice interpretare se sprijina, in mod necesar, pe niste presupuneri anterioare. Sau, cum a spus Einstein intr-o celebra conferinta despre Kepler, „experienta simpla nu poate genera cunoasterea, aceasta fiind produsa doar prin compararea creatiilor spiritului cu faptele observatiei.“)

Epicur (314 i.Hr.-270 i.Hr.), fondatorul unei scoli de gandire si a unei metode stiintifice care aveau sa revolutioneze peste veacuri stiintele: nu ar trebui sa credem decat lucrurile pe care le testam prin observatii directe si deductii logice

Pornind de la zero? 

Vechile idei ale fizicii, precum si datele privitoare la verificarile lor experimentale, ne sunt foarte putin cunoscute. Asta pentru ca majoritatea surselor directe care le privesc au disparut in cele doua mari incendii suferite de Biblioteca din Alexandria (in anul 48 i.Hr., cand au fost mistuite 40.000 de papirusuri, si in 696 d.Hr., cand generalul Al-as Amrou a dispus distrugerea totala a fondurilor bibliotecii). Trebuie notat ca textele lui Aristotel au fost salvate in extremis, in mod clandestin, de catre niste admiratori ai operei acestuia. Europa Evului Mediu a ocultat, in mare masura, mostenirea Antichitatii, memoria „stiintelor de inceput“ fiind conservata, printr-o frumoasa si pilduitoare conjunctura, de catre arabi. Tot savantii arabi au fost cei care au asigurat progresul stiintific al perioadei (in domenii precum matematica, medicina si astronomia), alaturi de cei indieni (care, intre altele, au inventat, pe la anul 500, miraculosul numar zero). Fara sa faca pasi decisivi, fizica a inregistrat in aceasta perioada descoperirea unor unelte matematice „de aur“: algebra, algoritmii... 

Aristotel (384 i.Hr .- 322 i.Hr.), studentul lui Platon si invatatorul lui Alexandru cel Mare, filosof si mare inovator al stiintelor fizice

Fizica, in sens modern, isi incepe drumul ascendent o data cu Galileo Galilei, savant nu prea increzator in virtutile matematicii, dar scrupulos observator al fenomenelor fizice. Rigoarea care ii lipsea lui Galilei a fost instaurata de Descartes (Discurs asupra metodei), iar Isaac Newton a deschis o noua era (mecanica clasica) introducand calculul diferential in abordarile mecanicii ceresti si descriind gravitatia intr-un mod universal si matematic. Era industriala a coincis cu inventarea termodinamicii, aplicata, initial, studiului masinilor cu vapori, si a reprezentat, totodata, sfarsitul unui unui vis – cel al miscarii perpetue. O teorie stiintifica solid argumentata a demonstrat ca nu e cu putinta sa obtii energie din nimic si ca energia „se degradeaza“. Ludwig Boltzmann a aplicat legile mecanicii si teoria probabilitatilor miscarii moleculelor, explicand cel de-al doilea principiu al termodinamicii si furnizand, astfel, cel mai important jalon de frontiera intre fizica trecutului si cea a viitorului. James Maxwell a unificat teoria electricitatii cu cea a magnetismului, iar experientele lui Michelson si Morley au condus la ideea ca viteza luminii este aceeasi, indiferent de directie.

James Maxwell (1831-1879), fizicianul scotian care a dezvoltat teoria clasica a electromagnetismului

Era mecanicii clasice s-a inchis o data cu descoperirea, de catre Einstein si Poincaré, a relativitatii restranse. Postuland relativitatea timpului, aceasta crea premisele constatarii ca mecanica newtoniana avea un camp restrans de valabilitate. Continuand pe acest drum, Einstein a pus la punct teoria relativitatii generale, cu ajutorul lui David Hilbert si folosind un domeniu cu totul nou al matematicilor. Teoria sa 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

La inceputul veacului XX, ca urmare a studiilor lui Max Planck si Einstein care au demonstrat existenta fotonului, s-a produs cea mai mare revolutie conceptuala a fizicii: nasterea mecanicii cuantice, fapt ce a coincis cu sfarsitul definitiv al epocii lui Newton, a carui teorie nu poate descrie decat o mica parte  a fenomenelor naturale, cele ce se produc la scara noastra. Descoperirea radioactivitatii  (Henri Becquerel) si interpretarea ei (Ernest Rutherford), dar si succesiunea din ce in ce mai rapida a descoperirilor stiintifice au transformat radical conceptia noastra despre lume, codificand, in termeni stiintifici, o intuitie simbolica veche de cand lumea: desi atat de marunt in raport cu Universul, omul are de partea sa maretia unei inteligente care il face sa navigheze, intergalactic sau subatomic, cu o viteza superioara celei a luminii: viteza gandului.

Max Planck (1858 - 1947), fondatorul teoriei cuantice si unul dintre cei mai importanti fizicieni germani ai secolului XX

Lumina care vine dinspre Asfintit 

Cu un secol in urma, Albert Einstein publica trei articole capitale: despre relativitate, despre cuantele de lumina si despre miscarea browniana. Aceste trei texte aveau sa constituie temeiul descoperirilor care au bulversat intelegerea lumii in veacul XX, iar aniversarea tiparirii lor in 2005, a constituit pretextul organizarii unui an mondial al stiintelor fizicii, care a fost inaugurat intre 13-15 ianuarie 2005, la sediul UNESCO din Paris.

Albert Einstein a prezis, in teoria sa asupra relativitatii generale, ca universul nostru este populat de unde venite din spatiu. Gauri negre care se ciocnesc, stele care mor, obiecte in rotatie precum pulsarii creeaza, toate, niste unde care au fost numite gravitationale, pentru ca s-au nascut din distorsiuni ale spatiu-timpului. Aceste unde nu au fost niciodata observate, dar marea experienta LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observator, vezi filmulet), initiata, intre altii, de catre Massachusetts Institute of Technology, a adunat deja primele marturii ale existentei lor, marturii care au inceput sa fie analizate. Cum aceasta operatie solicita mult timp pentru calcul, oamenii de stiinta au avut de ales intre a sta ani in sir sa scormoneasca printre date sau a utiliza miraculoasa unealta care este internetul si a transforma, astfel, LIGO intr-o experienta participativa.

Einstein, ultimul mare geniu 

De-a lungul istoriei, marile cuceriri stiintifice au fost in general apanajul indivizilor si nu al institutiilor. Oameni precum Galileo si Copernic, Edison si Einstein, muncind singuri cu abnegatie in laboratoare sau descifrand cosmosul in studii personale, au produs marile progrese ale stiintei. Dar in ultimele zeci de ani, in special de la sucesul sovietic al lansarii satelitului Sputnik in 1957, tendinta a fost aceea de a infiinta institutii masive care sa cultive colaborarea dintre cercetatori si care sa concentreze mari fonduri in cercetare. Un studiu efectuat asupra castigatorilor Premiului Nobel din 2005 a descoperit ca acumularea de cunoastere in timp a fortat marile creiere sa se sa osteneasca mai mult inainte de a descoperi raspunsuri la probleme. Varsta la care marii ganditori produc inovatii semnificative a crescut cu sase ani pe parcursul secolului XX. Inginerul Adrian Bejan de la Universitatea Duke sustine ca “istoria marilor realizari stiintifice este marcata de investigatori solitari, de la Arhimede la Newton si Darwin. Ganditorii solitari au inflorit de-a lungul istoriei, deoarece acest lucru este natural, stiinta este buna pentru mintea ganditaorului si pentru bunastarea societatii. Chiar daca tendinta este spre formarea de grupuri mari de cercetare, individul va fi intotdeauna infloritor”.

Bejan crede ca problema de astazi a stiintei este aceea ca daca o institutie este facuta din cercetatori individuali, aceasta va avea multe idei, dar suport putin. Pe de alta parte, sustine el, un grup mare s-ar bucura de mult suport, dar prin comparatie, ar avea mai putine idei din partea fiecarui individ. Din acest motiv, desi oameni extrem de inteligenti se nasc in fiecare generatie, este posibil ca sclipirea lor fie sa nu se mai manifeste, fie sa nu mai fie atat de vizibila, aflandu-se sub brandul unei mari companii. Ar mai putea deci aparea astazi un al doilea Einstein ? Nici macar el nu ar putea raspunde unei astfel de intrebari, dar trebuie remarcat ca doua secole l-au despartit pe german de Newton, considerat de multi marele sau rival intelectual. Acest lucru ar putea insemnea ca urmatorul Einstein abia urmeaza sa se nasca.

Albert Einstein, la plaja, in 1945

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.

Henri Poincaré (1854-1912), ultimul mare universalist - a excelat in toate disciplinele reale pe care le-a studiat

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 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.

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.  Astfel, din 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 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? 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, aman¬doua 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.

Vechea dilema a formarii Universului. Va fi ea rezolvata in secolul XXI?

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? 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.

SPUNE-TI PAREREA! Care crezi ca este marea provocare a fizicii moderne? Care consideri ca este fizicianul care a avut cea mai mare influenta asupra dezvoltarii stiintelor? Ce parere ai despre acest articol?

CITESTE SI Albert Einstein dupa 130 de ani, celalalt articol din mini-seria ZIUA EINSTEIN dedicata de DESCOPERA.RO celebrarii a 130 de la nasterea ultimului mare geniu al umanitatii, Albert Einstein, in care afli totul despre fabuloasa biografie a faimosului savanti!