Frumusetea FIZICII.De ce iubesc FIZICA

  Natura si legile ei stau ascunse in noapte
             Dumnezeu a spus “Sa fie Newton”,
              si s-a facut  lumina
Epitaf vazut scris pe mormantul lui Isaac Newton,
Westminster Abbei,Londra

            Inca din timpul liceului am simtit o atractie pentru fizica,deoarece am realizat ca fizica este o stiinta fundamentala  prin excelenta care imi ofera speranta de a intelege ce se intampla in jurul meu.Scopul fizicii la nivelul ei cel mai profund nefiind doar acela de a descrie lumea in care traim,ci si de a explica de ce  aceasta lume,aceasta planeta si acest univers este asa cum este.Iar daca e sa inventam un rost pentru vietile noastre eu simt ca rostul vietii mele ar putea fi acela de a incerca sa inteleg lumea in care traim si fizica cu siguranta m-a ajutat sa fac acest lucru.Poate ca am reusit intr-o mica masura sa gasesc raspunsuri la multe din problemele ce m-au framantat ,dar mai sunt inca atat de multe lucruri pe care vreau sa le stiu. Desi activitatea mea de cercetare s-a rezumat in principal la  dezvoltarea combustibilului nuclear destinat reactorilor de mare putere, mi-a placut dintotdeauna sa explic fizica.Am simtit o placere sa discut probleme de fizica cu tineri elevi sau studenti. Cum unul dintre nepotii mei m-a intrebat nu demult, de ce iubesc atat de mult fizica, m-am gandit sa-mi prezint mai in detaliu opinia in randurile care urmeaza.Ideile prezentate in continuare nu sunt catus de putin originale; ele fac parte din arsenalul orcarui fizician modern.Desigur mi-ar place nespus de mult ca si nepotii mei sa indrageasca fizica si poate unele aspectele prezentate de mine aici le va trezi interesul pentru fizica si va fi un bun indemn pentru ei sa studieze fizica.Sper ca fizica sa aduca si lor cel putin tot atata placere  cat am avut-o eu. In fizica sunt o multime de lucruri interesante si captivante.Cum principiile fizicii reprezinta o componenta pretioasa a cvilizatiei de pe planeta noastra  mi  se pare  o mare tragedie faptul ca atat de multi oameni,altminteni instruiti,sunt rupti de acesata parte a culturii noastre din cauza lipsei cunostitelor stiintifice de baza.Dar aceasta lacuna in instructie nu trebuie sa ne surprinda.Noi ,fizicienii,suntem un grup ciudat,care facem cu mare placere calcule si experimente de fizica.Nu e rezonabil sa ne asteptam ca toti oamenii sa simta la fel,dupa cum nu pretindem ca aceia care nu au de gand sa cante la vioara doresc sa guste exersarea gamelor. Dupa parerea mea cel mai important lucru în munca – atât în cercetare, cât si în orice alt domeniu, e sa-ti placa ceea ce faci. Doar atunci poti lucra bine si avea rezultate bune.Dupa propria mea experienta, aproape tot ce stiu din fizica si matematica am invatat atunci cand a trebuit sa invat ceva pentru a avansa in propriile mele activitati de cercetare, in dezvoltarea modelelor de calcul si-n interpretarea rezultatelor experimentale si cu siguranta fizica mi-a oferit cel mai minunat material imaginabil.
       Fizica e o stiinta privilegiata – se refera la legile de baza ale naturii ,la cele mai profunde legi ale naturii. Toate celelalte stiinte se folosesc de rezultatele produse de fizica. Faptul ca fizica se ocupa de legile de baza ale naturii o face extrem de fascinanta – o adevarata aventura a spiritului uman.Reusitele fizicii de pana acum sunt extraordinare.Trebuie doar sa privim in jurul nostru pentru a ne da seama de puterea exceptionala pe care intelegerea naturii ne-a permis sa o obtinem. Tehnologia din lumea moderna s-a dezvoltat in mare masura din enorma experienta acumulata in cecetare si fizica este cea care se afla la baza tehnologiei dezvoltate de civilizatia planetei noastre.Teoriile fizicii de care dispunem azi au o precizie remarcabila. Dar nu numai precizia este cea care le-a dat forta pe care o au azi, ci si faptul cu totul remarcabil ca au putut fi tratate matematic in detaliu.Fizica si matematica impreuna ne-au dat o stiinta cu o putere cu adevarat impresionanta.Cei doi mari”stalpi” ai stiintei de pe planeta noastra sunt mecanica cuantica,cruciala in lumea microscopica,si teoria gravitatiei a lui Einstein. Ei reprezinta marile realizari intelectuale din prima jumatati ale secolui trecut. Marele fizician Einstein a savarsit una din cele mai mari ispravi intelectuale din toate timpurile aratandu-ne ca spatiul si timpul sunt influentate de starea de miscare a observatorului si se pot curba ca raspuns la prezenta materiei si a energiei.La fel cum  relativitatea speciala si relativitatea generala ne-au  impus schimbari drastice in conceptia noastra asupra lumii,mecanica cuantica ,fizica lumii noastre reale,ne cere sa renuntam si la calitatile de “bun  simt” pentru a intelege frenezia haotica a universului microscopic.In prezent gravitatia cuantica zguduie atat de puternic fundamentele fizicii moderne ,incat pana si banalul   numar de trei dimensiuni spatiale ale universului ,un lucru atat de elementar,incat l-am putea considera dincolo de orice indoiala,este in mod spectaculos si convingator modificat.
Asa cum am spus ,cele mai profunde principii fizice pe care le cunoastem sunt regulile mecanicii cuantice, care stau la baza a tot ce cunoastem despre materie si interactiile ei.Probabil in viitorul apropiat acel principiu holografic din gravitatia cuantica la care se referea Hawking, Susskind, Smolin, Winberg si alti fizicieni in lucrarile lor, va fi o idee formidabila care va marca profund civilizatia planetei noastre. Cand am predat fizica tinerilor studenti  am simtit ca principala mea sarcina (si fara indoiala cea mai dificila) era ca pe baza experientei mele din cercetare,sa incerc sa explic puterea pe care ti-o da capacitatea de a calcula ce se intampla cu un sistem fizic in diferite conditii si cat de util este sa-ti validezi modelele de calcul cu rezultatele unui experiment bine gandit.In acest fel  puteau simti ei insasi ce inseamna cu adevarat principiile fizicii. Am petrecut ceva timp cautand sa le explic  lucruri dificile in termeni elementari.Am incercat sa-i fac sa inteleaga ca particulele elementare apar in teoriile din fizica moderna ca mici aglomerari de energie, impuls si sarcina electrica ale unor campuri.Campurile sunt propietati invizibile ale spatiului,care inflenteaza obiectele ce se misca prin el.Spatiul poate fi umplut cu o mare varietate de influente invizibile care au tot soiul de efecte asupra materiei.Dintre toate campurile noi care au fost descoperite,cel de la care aflam cel mai mult despre univers este campul Higgs si particula Higgs asociata lui. Campul Higgs seamana foarte mult cu campul magnetic,exceptand faptul ca e un scalar si ca e mult mai greu de manipulat.E nevoie de cantitati uriase de energie pentru a schimba oricat de putin campul Higgs.Daca l-am putea schimba ,masa fiecarei particule elementare(cu exceptia fotonului )s-ar modifica.Teoria fizica fara campul Higgs este coerenta matematic ,dar numai daca toate particulele se misca cu viteza luminii.Particulele care se misca cu viteza luminii nu pot avea masa,de aceea fizicienii spun ca un camp Higgs este necesar pentru “ a le da masa particulelor elementare”.Masele reale ale particulelor cum sunt electronii,cuarcii,bozonii W,bozonii Z se datoreaza miscariilor prin fluidul particulelor Higgs.La marele accelerator de la CERN Geneva,numit Large Hadron Colinder(LHC)  fost gasita cu putin timp in urma particula Higgs numita si”Particula lui Dumnezeu”. In fizica moderna campurile trebuiesc privite nu doar ca simple artificii matematice care ne ajuta sa calculam fortele dintre particule, ci ca entitati fizice de sine statatoare, locuitori ai universului nostru ce pot fi in realitate “mai fundamentali” decat particulele elementare.
     Explicatia stiintifica e o sursa de placere,la fel ca dragostea si arta.Cea mai buna cale de a intelege natura explicatiei stiintifice este sa traiesti acel fior pe care il simti atunci cand cineva (de preferinta tu insuti) a reusit sa inteleaga si explice un anumit lucru.Desigur este foarte greu sa definesti frumusetea fizicii,dar ea e la fel de reala ca toate celelalte feluri de frumusete.La fel ca dragostea sau teama aceste lucruri nu se definesc;le cunoastem atunci cand le simtim. Fizica nu se ocupa doar cu a face previziuni.Exista o diferenta intre a face previziuni si a le intelege.Frumusetea fizicii, ratiunea ei de a fi este ca ofera informatii privind motivele pentru care lucrurile din univers se comporta asa cum o fac.Abilitatea de a prezice comportamente este o mare parte din puterea fizicii, dar esenta acesteia s-ar pierde dac nu ne-ar oferi si o cunoastere profunda a realitatii ascunse aflate la baza a ceea ce observam.Isaac Newton, acum cateva secole, a deschis larg usa stiintei.El a descoperit cum cateva ecuatii matematice pot descrie modul in care se deplaseaza obiectele ,atat aici pe Pamant,cat si in spatiu.Date fiind forta si simplitatea rezultatelor sale,ne-am fi putut usor imagina ca ecuatiile lui Newton ar reflecta adevaruri eterne sapate adanc la temelia cosmosului. Continuand explorarile lui Newton ,oamenii de stiinta s-au aventurat in zone ce depasesc cu mult raza de actiune a ecuatiilor sale.In ultimile decenii am ajuns sa intelegem tot mai bine universul fizic.Mijloacele teoretice ale mecanicii cuantice si relativitatii generale ne permit sa facem predictii testabile in legatura cu evenimentele fizice care au loc de la dimensiuni atomice si subatomice, la galaxii,roiuri de galaxii si chiar pana la structura universului insusi.Este o realizare monumentala.Este incredibil cum noi oamenii, niste fiinte izolate  pe o mica planeta ce se invarte in jurul unei stele oarecare,dintr-un colt indepartat al unei galaxii obisnuite,prin gandire si experiment am putut percepe si intelege una din cele mai misterioase caracteristici ale universului fizic.Fizicienii,prin natura lor,nu vor fi multumiti pana cand nu vor sti ca cel mai profund si elementar adevar al universului a fost descoperit.Cu totii admiram progresul tenace,acolo unde aparent nu erau sorti de isbanda.Intr-un fel sau altul,cu totii ne dorim sa descifram lumea din jurul nostru.Ei bine,toate aceste elemente se afla in insasi esenta fizicii moderne.
    Desigur fizica este o stiinta fundamenta si atotcuprinzatoare si a avut un efect profund asupra intregii dezvoltari a stiintei in general.E suficient sa amintim ca intreaga colectie de reguli din chimia organica, care ne spun ce substante se combina cu care si in ce fel, pot fi explicate numai de mecanica cuantica si in acest fel chimia teoretica este de fapt fizica.Daca privim mai indeaproape procesele biologiei fiintelor vii,vedem multe fenomene fizice( circulatia sangelui,procese electrice la nivelul nervilor,modul in care functioneaza gandirea, modul in care functioneaza ochiul,vederea ,etc.).Fizica este de mare importanta in biologie si in alte stiinte pentru inca un motiv,legat de tehnicile esperimentale.De fapt, fara puternica dezvoltare a fizicii experimentale,toate schemele biochimice nu ar fi cunoscute astazi.Structura moleculei AND a fost studiata intens cu raze X spre ai determina structura spatiala.Rezultatul a fost acea descoperire remarcabila ca molecula de AND este formata dintr-o pereche de lanturi,rasucite unul in jurul altuia.Am  ramas uimit atunci cand am vizitat in Cicago laboratoarele Argone si am vazut aici biologi care lucrau alaturi de fizicieni, folosind  instrumentele si metodele avansate de cercetare dezvoltate aici de fizicieni.Fizica ajuta enorm astronomia.Astronomia este mai veche decat fizica.De fapt,ea a dat nastere fizicii aratand frumoasa simplitate a miscarii stelelor, planetelor,iar intelegerea acestei miscari a fost inceputul fizicii.Dar dintre toate descoperirile astronomiei cea mai remarcabila este aceea ca stelele sunt alcatuite din atomi de acelasi fel cu cei de pe Pamant.Se stie ca atomii emit lumina care are anumite frecvente,specifice fiecarui tip de atom.Astfel cu un spectroscop putem analiza frecventele undelor de lumina  si in acest mod putem vedea din ce atomi sunt alcatuite stelele.Oricat de ciudat ar parea ,intelegem distributia materiei din interiorul Soarelui cu mult mai bine decat intelegem interiorul Pamantului.Cercetand proportiile izotopilor din corpul nostru,putem spune cum arata cuptorul unde sa foarmat materialul ,atomii din care suntem alcatuiti.Acest cuptor a fost in miezul fierbinte al stelelor si astfel e foarte probabil ca elementele noastre au fost fabricate in stele si expulzate prin explozii pe care le numim nove si supernove.Astazi adevaratele mistere ale naturii si universului trebuiesc cautate in astrofizica si fizica particulelor elementare.Cea mai mare speranta a noastra pe termen scurt de a obtine noi informatii revelatoare despre legile fizicii ramane fizica experimentala a energiilor inalte (a particulelor elementare).Cel mai mare accelerator din lume este marele accelerator de hadroni (Large Hadron Collinder, prescurtat LHD) de la CERN din Geneva.Conceput initial pentru a studia bozonul Higgs, el este de asemenea dispozitivul ideal pentru a descoperii partenerii supersimetrici ai particulelor elementare. In prezent mai multe grupuri de cercetatori din Marea Britanie,Germania,Italia (la Gran Sasso) si Statele Unite construiesc detectori subterani si incearca sa descopere acele particule elementare care alcatuiesc materia intunecata.In urmatorii cativa ani speram sa obtinem rezultate spectaculoase din acest gen de experimente.Aceste detectoare, ca dealtfel si marele accelerator de la Geneva, promit sa dezvaluie lucruri remarcabile despre univers,pe cai nebanuite inca.Materia intunecata aflata in universul nostru constituie inca un mare mister pentru astrofizicieni. Marile roiuri de galaxii care constituie materia ce emite lumina in universul nostru ,pot fi doar o picatura in oceanul materiei din univers.Masa materiei intunecate poate fi suficient de mare pentru a curba spatiul pana la inchiderea lui.Aceasta materie intunecata s-ar putea afla intr-o forma care sa nu semene cu nimic din ce am detectat pana acum in acceleratoarele noastre de particule.Aceasta ar fi ultima rasturnare copernicana a statutului nostru in universul material.Laserul de la Bucuresti-Magurele concentreaza intr-un fascicul o intensitate luminoasa iesita din comun :10 milioane de miliarde de wati! Fizicienii presupun ca exista asa ceva in univers si ca lumina, forta generata de lumina , este cauza unor efecte care se apar în univers. Ideea este de a ceceta fenomenele noi care apar când materia este supusa unor conditii extreme. Probabil ca aici la Magurele vor fi descoperite legi noi care vor trebui intelese si clarificate.
       “Frumusetea fizicii se afla in masura in care fenomenele aparent complexe si independente pot fi explicate printr-un set de legi uimitoare in simplitatea lor” spunea  Melvin Schwartz laureat al  Premiului Nobel in Fizica.Combinatia de eleganta,unicitate si capacitatea de a raspunde la toate intrebarile la care se poate raspunde e ceea ce face ca o teorie a fizicii sa fie frumoasa. Fizicienii se numara printre savantii cei mai responsabili, care imping frontierele cunoasterii umane spre orizonturi greu predictibile dar fermecatoare si pline de promisiuni.
     In continuare, voi incerca prezint cateva din ideile cele mai directe si centrale din fizica.Voi incerca sa schitez modul in care descoperirile din fizica ne-au condus pe noi oamenii la largirea continua a conceptiilor noastre asupra legilor naturii si sa arat stadiul la care s-a ajuns acum.Toate teoriile fizice implica ecuatii si formule care fac aspectele tehnice(nu si ideile esentiale,din fericire) opace pentru nespecialisti.Desi legile fizicii sunt descrise cel mai bine prin simbolismul subtil al matematicii abstracte,totusi cu putin efort din partea mea si ceva rabdare din partea cititorului,lucrurile cele mai importante pot fi traduse in limbajul comun fara a folosi ecuatii si formule .De fapt,adeseori mi-am dat seama ca prezentarea unor fenomene fizice pe cat posibil in termeni simpli,netehnici,mi-a permis sa inteleg eu insumi cu mai multa claritate decat atunci cand le priveam numai in forma lor matematica.Daca cumva la sfarsitul drumului,cititorul nu va fi convins de argumentele mele,sper cel putin,ca el sau ea sa fi luat,ceea ce era cu adevarat interesant din aceasta prezentare.

 Ce a reusit fizica clasica

          O buna parte din teoriile fizicii nu sunt deosebit de recente. Teoria  staticii (ce se refera la corpurile ce nu se afla în miscare) dezvoltata într-o stiinta foarte frumoasa de Arhimede face acum parte din mecanica newtoniana. Cel mai mare fizician si matematician al antichitatii a fost fara indoiala Arhimede(287-212 i.Ch.).El a calculat ariile si volumele multor forme geometrice diferite.Astazi noi folosim analiza matematica, dar el a realizat acceasta cu aproximativ nouasprezece secole inainte ca ca analiza matematica sa fie introdusa de Newton si Libnitz! Scrierile lui Arhimede au influentat profund pe Galilei si Newton.Arhimede a introdus teoria fizica a staticii(adica legile care guverneaza corpurile in echilibru,cum este legea parghilor si legea corpurilor care plutesc).
Profundul pas inainte pe care secolul al saptesprezecelea l-a adus stiintei a fost intelegerea miscarii. Vechii greci au avut o intelegere extraordinara a lucrurilor, dar privite static , forme geometrice rigide, sau corpuri in echilibru(adica cu toate fortele in echilibru, astfel ca nu exista miscare). Ei nu au avut o conceptie corecta asupra legilor ce guverneaza modul in care corpurile se deplaseaza. Lor le-a lipsit o buna teorie asupra dinamicii, adica o teorie asupra modului extraordinar in care Natura controleaza modificarea locului in care se gaseste un corp de la un moment la altul. Aceasta absenta s-a datorat partial lipsei unor mijloace suficient de precise de masurare a timpului, adica a unui “ceas” suficient de bun. Un astfel de ceas era necesar pentru a fixa in timp cu precizie modificarile de pozitie, pentru a se putea determina corect viteza si acceleratia corpurilor. Astfel, observatia facuta de Galileo Galilei in 1583 ca pentru fixarea in timp poate fi folosit un pendul a avut urmari importante in timp pentru el, (dar si pentru dezvoltarea întregii stiinte!) deoarece fixarea in timp a miscarii a putut fi astfel facuta cu precizie.Inainte de Galilei anticii il credeau pe Aristotel, care spunea ca starea naturala a unui corp era in repaus si ca el se misca numai actionat de o forta sau de un impuls.Rezulta ca un corp greu trebuie sa cada mai repede decat unul usor,deoarece ar fi fost atras mai mult  spre pamant.Deasemenea,Aristotel considera  ca toate legile care guverneaza universul pot fi elaborate doar prin gandire pura si nu era necesar sa se verifice prin observatie.Galilei a demonstrat ca parerea lui Aristotel era falsa lasand sa cada corpuri de greutate diferita din turnul inclinat din Pisa.Galilei a avut o intuitie geniala aratand ca,in absenta frecarii, toate corpurile cad in acelasi timp sub influenta gravitatiei.In experimentele lui Galilei ,cu bile care se rostogoleau pe un plan inclinat,s-a aratat ca sub actiunea unei forte (in acest caz greutatea bilei) efectul real al fortei este intodeauna modificarea vitezei unui corp si nu acela de al pune in miscare,asa cum credea Aristotel.Forta care actioneaza asupra unui corp determina o acceleratie si nu o viteza,asa cum credeau anticii,precum Aristotel.Aceasta mai inseamna ca ori de cate ori asupra unui corp care se misca nu actioneaza o forta(se misca fara a fi atins de nimic si este complet neperturbat),el va continua sa se miste neancetat,deplasandu-se cu o viteza constanta in linie dreapta.De ce continua sa se deplaseze ?Nu stim,dar asa stau lucrurile.Aceasta idee a  fost preluata mai tarziu de Newton si e cunoscuta ca principiul inertiei(lex prima,prima lege a lui Newton ). Odata cu publicarea in 1638 a lucrarii Discorsi a lui Galileo Galilei, a fost inaugurat noul domeniu al fizicii –dinamica- si astfel a inceput trecerea de la vechiul misticism la stiinta moderna!
       Ideile profunde ale dinamicii (corpuri in miscare), introduse de Galilei in jurul anului 1600 au fost dezvoltate de Newton intr-o teorie eleganta si cuprinzatoare.Publicarea in 1687 a lucrarii “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” a lui Isaac Newton a fost fara indoiala primul mare suces al fizicii.Aceasta lucrare deosebita a demonstrat, pornind de la cateva principii fizice de baza, cum poate fi inteles, si deseori prevazut cu mare precizie, comportamentul obiectelor fizice aflate in miscare. Marele merit este ca in aceasta lucrare Newton a dezvoltat si aparatul matematic necesar pentru analiza acestor miscari.Legea a doua a lui Newton (lex secunda) explica ce se intampla cu un corp atunci cand aspra lui actioneaza o forta: corpul va capata o acceleratie proportionala cu forta. Una din ituitiile deosebite ale lui Newton a fost ca si-a dat seama de necesitatea unei a treia legi:forta pe care corpul A o exercita asupra corpului B este egala si de sens contrar cu forta pe care corpul B o exercita asupra corpului A( pentru fiecare actiune exista intotdeauna o reactiune opusa egala).In plus fata de legile miscarii,Newton a descoperit o lege care descrie forta de gravitatie si care afirma ca fiecare corp atrage oricare alt corp cu o forta proportional atat cu masele corpurilor care se atrag cat si cu inversul patratului distantei dintre ele.Devenea evident acum de ce toate corpurile indiferent de masa lor cad la fel(daca nu intampina o rezistenta mare din partea aerului).Conform acestei legi, Newton a aratat ca forta gravitational determina Luna sa se miste pe o orbita eliptica in jurul Pamantului,iar Pamantul si planetele sa urmeze traiectorii eliptice in jurul Soarelui. Legea gravitatiei ,descoperita de Newton,prezice cu cu mare precizie orbitele Pamantului,Lunii si planetelor.Newton a ajuns la ideea legii inversului patrat pentru a explica lucruri deja cunoscute despre sistemul solar,cum ar fi relatia lui Kepler intr dimensiunea orbitelor planetare si timpul in care planetele  se rotesc in jurul Soarelui.Newton a aratat ca cele trei legi ale lui Kepler,privind orbitele planetelor,decurg din teoria sa asupra miscarii corpurilor(cu o forta de atractie invers proportional cu patratul distantei).Marele astronom Johannes Kepler,un contemporan al lui Galilei,a observat ca orbitele planetelor sunt eliptice si nu circulare(cu Soarele intotdeauna intr-unul din focarele elipsei,nu in centru si a formulat trei legi legat de miscarea planetelor in jurul Soarelui.Totusi, Newton a fost cel care a descoperit motivul pentru care orbitele planetare sunt elipse si nu cercuri.Aceasta i-a permis sa unifice explicatia miscarii planetelor cu multe alte miscari observate,cum ar fi traiectoriile parabolice ale proiectilelor lansate de pe Pamant,puse in evidenta de Galileo Galilei.Marea diferenta dintre ideile lui Aristotel si acelea ale lui Galilei si Newton este ca ca Aristotel credea intr-o stare preferentiala de repaus,pe care orice corp ar trebui sa o aiba daca asupra lui nu s-ar actiona cu o forta.In particular el credea ca Pamantul era in repaus.Din legile lui Newton rezulta ca nu exista un criteriu  unic al repausului.O consecinta a legilor dinamicii dezvoltate de Galilei si Newton este ca miscarea rectilinie si uniforma este din punct de vedere fizic complet indiscernabila de starea de repaus(adica de absenta miscarii): nu exista nici o modalitate locala de a decela miscarea uniforma de starea de repaus.Galilei a fost deosebit de clar in aceasta problema( mai clar chiar decat Newton) si a dat o descriere foarte plastica recurgand la imaginea unei corabii pe mare.Acest fapt remarcabil,numit principiul relativitatii lui Galileo Galilei,este crucial pentru a intelege punctul de vedere dinamic al lui Copernic, care a propus interpretarea ca Pamantul se deplaseaza pe orbita in jurul Soarelui si nu invers.Teoria lui Newton se aplica atat aici pe Pamant, cat si la distante mari , la stele si galaxii – cu o aceeasi precizie.Ideea ca niste legi precise ale fizicii guverneaza atat lumea cereasca cat si  cea terestra i se datoreaza desigur lui Isaac Newton.Inainte de Newton nu exista conceptual de lege universala care sa se aplice si obiectelor astronomice precum planetele, si obiectelor obisnuite de pe pamant cum sunt ploaia care cades au sagetile in zbor.Legile miscarii ale lui Newton au fost primele exemple de asemenea legi universale.Legea conservarii energiei este un principiu fizic foarte important.Nu este o cerinta fizica independenta,ci o consecinta a legilor dinamice ale lui Newton.Legea conservarii energiei impreuna cu principiul relativitatii lui Galilei permite formularea unor noi legi de conservare de o importanta considerabila:conservarea masei si a impulsului.O alta consecinta a legilor dinamicii este conservarea momentului cinetic care descrie conservarea rotatiei in jurul axei proprii a unui sistem.Rotatia Pamantului in jurul axei sale se mentine datorita conservarii momentului cinetic.
Mecanica clasica , pe care elevii o invata inca din  primul an de liceu ,produce rezultate foarte precise pentru problemele intalnite in  viata de zi cu zi. Miscarea rachetelor, satelitilor, cometelor,planetelor,meteoritilor ,eclipsele de Soare si de Luna poat fi usor  si destul de precis descrise de mecanica clasica.Pentru corpuri care se misca cu viteze foarte mari aproape de viteza luminii ea este înlocuita de mecanica relativista.
Distantarea de conceptia de baza a dinamicii lui Newton s-a realizat ulterior cand a aparut si ideea de camp.Michael Faraday a imaginat campul elelectromagnetic ca pe o perturbare slaba a spatiului,care afecteaza miscarile particulelor incarcate cu sarcina electrica,dar campul insusi nu era presupus a fi alcatuit din particule.Introducerea notiunii de camp electrica a marcat o abatere de la ideea lui Newton despre forta ca fiind influenta pe care un corp o exercita asupra altui corp.In schimb ,ne gandim la campul electric intr-un anumit punct ca fiind o conditie a spatiului in acel punct,care actioneaza direct asupra oricarui corp incarcat electric din acel punct .Descoperirile experimentale remarcabile ale lui Faraday(cu magneti si bobine in miscare) l-au facut sa creada ca aceste campuri electrice si magnetice sunt “obiecte” fizice reale si,chiar mai mult,campurile electrice si magnetice variabile s-ar putea ca uneori sa se poata”propulsa” unele pe altele prin spatiul liber,pentru a crea un fel de unda desprinsa de corpurile care genereaza campul.Campurile sunt propietati invizibile ale spatiului,care inflenteaza obiectele ce se misca prin el.Campul electric este adesea reprezentat ca o retea de linii de forta ce inconjoara obiectul care genereaza campul.Ceea ce-l face sa fie un camp este faptul ca exista o linie de forta ce trece prin fiecare punct.Daca am aseza o particular  inarcata in orice punct al campului,ea ar resimti o forta ce o impinge de-a lungul liniilor campului care trec prin fiecare punct.Imi amintesc de experimental simplu pe care l-am facut la scoala,cu un magnet,o foaie de hartie si ceva pilitura de fier.Am putut vedea o serie de linii curbe ce porneau de la un pol al magnetului la altul.Pilitura se alinia intr-un mod surprinzator in lungul asa-numitelor “linii magnetice de forta”.Ne imaginam ca liniile de forta raman prezente chiar si atunci cand pilitura nu mai este prezenta.Ele formeaza ceea ce numim un camp magnetic.Campul electric este ceva mai putin familiar in comparative cu cel magnetic.El nu are efecte observabile asupra piliturii de fier,dar face ca mici bucatele de hartie sa se miste atunci cand contin electricitate statica.Campurile electrice nu sunt produse de curentul electric,ci de acumularile de sarcina electrica statica.De exemplu,atunci cand frecam un material de altul-talpile pantofilor de covor,sa zicem-are loc un transfer de electroni.Un material devine incarcat negative,iar celalalt pozitiv.Obiectele incarcate creeaza in jurul lor campuri electrice care,ca si campul magnetic au atat directie,cat si intensitate.Daca intr-o zi deosebit de uscata iti scoti puloverul de lana,auzi niste pocnituri slabe si chiar simti unul ori doua mici socuri,atunci esti martorul manifestarii linilor de forta generate de sarcinile electrice din fibrele puloverului tau. Pentru Faraday,ca si pentru Maxwel care l-a urmat, lumea era compusa din particule si campuri.Dar,in 1905,Albert Einstein,pentru a explica formula lui Planck pentru radiatia caldurii,a propus o teorie bizara.Einstein a afirmat ca in realitate atat campul electric cat si cel magnetic este compus dintr-un numar foarte mare de particule invizibile,pe care le-a numit fotoni.In numar mic,fotonii  sau,cu alte cuvinte ,cuante de lumina,se comporta ca ca niste particule,dar atunci cand un numar mare de fotoni se misca intr-un mod coordonat,intreaga colectie se comporta ca un camp-un camp cuantic.Aceasta relatie intre particule si campuri este foarte generala.Pentru fiecare tip de particular din natura exista un camp,iar pentru fiecare tip de camp exista o particular.De aceea,campurile si particulele poarta adesea acelasi nume.Campul electromagnetic ar pute fi numit camp fotonic.Teoria  electromagnetismului a lui James Clerk Maxwell, dezvoltata la mijlocul secolului al nouasprezecelea cuprinde nu numai comportarea clasica a campului electric si magnetic, ci si a luminii. Teoria lui Maxwell a prezentat o importanta considerabila pentru dezvoltarea tehnologiei. Teoria electromagnetismului a lui Maxwel este valabila cu precizie intr-un domeniu extraordinar de larg, de la scara atomilor si al particulelor subatomice la aceea a galaxiilor, de aproximativ de milioane de milioane de milioane de milioane de milioane de milioane de ori mai mare ! În domeniul dimensiunilor foarte mici, ecuatiile lui Maxwel trebuiesc combinate cu regulile mecanicii cuantice. Marele fizician scotian James Clerk Maxwell bazat pe rezultatele experimentale ale lui Fraday si Andre Marie Ampere si inspirat de presupozitia lui Fraday,a fost preocupat de forma matematica a ecuatiilor pentru campurile electrice si magnetice puse in evident prin aceste descoperiri experimentale.Teoria lui Maxwel consta dintr-un set de opt ecuatii ale caror solutii descriu miscarea ondulatorie a campului electromagnetic.Aceleasi ecuatii descriu si fortele obisnuite dintre magneti si dintre sarcinile electrice.O consecinta a ecuatiilor lui Maxwel a fost aceea ca aceste campuri electrice si magnetice se propulseaza,intr-adevar unele pe altele prin spatial liber sub forma de unde,ca undele   intr-un bazin cu apa.Un camp magnetic ce variaza va da nastere unui camp electric ce variaza(aceasta era concluzia lui Fraday),iar acest camp electric variabil va da nastere la randul lui,la un camp magnetic variabil(concluzia teoretica a lui Maxwell),iar acesta va da nastere din nou,unui camp electric si asa mai departe.Maxwell a reusit sa calculeze viteza cu care campul electromagnetic se deplaseaza prin spatiu si a gasit ca aceasta este viteza luminii.Ecuatiile lui Maxwell au prezis existenta undelor electromagnetice si faptul ca aceste unde pot fi produse de curenti electrici ce circula prin fire.Maxwell a aratat ca atunci cand campurile se propaga sub forma de unde electromagnetice,ele transporta cu ele cantitati bine determinate de energie.Acest fapt ,cu totul remarcabil, ca energia poate fi transportata dintr-un loc in altul de catre aceste unde electromagnetice desprinse de corpuri a fost confirmat experimental de fizicianul Hertz prin detectia acestor unde.Undele electromagnetice pot transporta efectiv energie! Iti poti imagina campul electromagnetic ca niste valuri de linii de forta electrica si magnetic care umplu spatial pe care il stabat.Maxwell a reusit sa calculeze viteza cu care campul electromagnetic se deplaseaza prin spatiu si a gasit –intr-un mod surprinzator-ca perturbatiile electromagnetice se propaga cu o viteza fixa care nu se schimba niciodata si care se dovedeste a fie egala cu viteza luminii.De aici Maxwell a tras concluzia ca lumina vizibila nu e decat un anumit tip de unda electromagnetic,iar acum stim despre aceasta ca interactionand cu substantele chimice din  retina ochiului ,da senzatia de vedere.Mai mult,teoria lui Maxwell a aratat ca toate undele electromagnetice,inclusive lumina vizibila, sunt intruparea calatorului neobosit: nu se opresc niciodata,nu incetinesc niciodata.Lumina se misca intotdeauna cu viteza luminii.
Toate bune si frumoase pana ne intrebam,asa cum s-a intrebat Einstein la saisprezece ani,ce se intampla daca alergam dupa o raza de lumina cu viteza luminii ?O judecata intuitive bazata pe legile miscarii enuntate de Newton,ne spune ca vom ajunge din urma raza de lumina,care ne va parea atunci stationara;lumina va ramane nemiscata.Dar,conform teoriei lui Maxwell si a tuturor observatiilor relevante stiintific,nu exista lumina stationara;nimeni nu atinut vreodata o bucata de lumina in palma.De aici s-a ivit contradictia.Din fericire ,Einstein nu stia ca multi dintre fizicienii de marca ai ai lumii se luptau cu aceasta problema(si urmau multe piste gresite),asa ca a putut sa rumege singur si pe indelete paradoxul creat de Maxwell si Newton.In continuare vom vedea cum a rezolvat Einstein conflictul prin teoria restransa a relativitatii,schimband totodata conceptia noastra despre spatiu si timp. Dupa aproape un secol de eforturi, fizicienii experimentatori au aratat ca pentru toti observatorii viteza luminii este de 299.792.458.m/sec(deci aprox 300000km/s),indiferent de sistemul de referinta ales pentru comparatie. Aceptarea acestui fapt a necesitat o revolutie in modul nostru de a privi universul.

Teoria speciala arelativitatii

               

            Teoria speciala a relativitatii (numita si  teoria relativitatii restranse)  elaborata de  Einstein (anticipata de Poincare si reformulata elegant de Minkowski) da o descriere minunat de corecta fenomenelor in care viteza obiectelor se apropie de cea a luminii – viteza la care descrierile date de Newton incep in sfarsit sa nu mai fie valabile. Principalul scop al teoriei speciale a relativitatii este intelegrea corecta a modului in care lumea apare unor persoane – numite in general „observatori” – care sunt in miscare relativa una fata de alta.
            Paradoxul care il nelinistise pe Einstein timp de un deceniu era legat de faptul ca teoria lui Maxwell a aratat – intr-un mod surprinzator – ca perturbatiile electromagnetice se propaga cu o viteza fixa care nu se schimba niciodata si care se dovedeste a fi egalacu viteza luminii. De aici Maxwell a tras concluzia ca lumina vizibila nu e decât un anumit tip de unda electromagnetica.Mai mult, teoria lui Maxwell a aratat ca toate undele electromagnetice, inclusiv lumina vizibila, sunt intruparea calatorului neobosit: nu se opresc niciodata; nu incetinesc niciodata. Lumina se misca intotdeauna cu viteza luminii.
            Toate bune si frumoase pâna ne intrebam, asa cum s-a intrebat Einstein la saisprezece ani, ce se intâmpla daca alergam dupa o raza de luminacu viteza luminii? O judecata intuitiva, bazata pe legile miscarii enuntate de Newton, ne spune ca vom ajunge din urma raza de lumina, care ne va parea atunci stationara; lumina va ramâne nemiscata.  Dar, conform teoriei lui Maxwell si a tuturor observatiilor relevante stiintific, nu exista lumina stationara; nimeni nu a tinut vreodata o bucata de luminain palma. De aici s-a ivit contradictia. Din fericire,Einstein nu stia ca multi dintre fizicienii de marca ai lumii se luptau cu aceasta problema(si urmau multe piste gresite), asa ca a putut sa rumege singur si pe indelete paradoxul creat de Maxwell si Newton si a rezolvat conflictul prin teoria speciala a relativitatii, schimbând tot odata conceptia noastra despre spatiu si timp.
            Exista doua structuri simple si totusi profunde ce formeaza baza teoriei speciale a relativitatii. Asa cum am mentionat, una se referala proprietatile luminii (viteza luminii). Cealalta e mai abstracta. Ea nu se referala o lege fizica anume, ci la toate legile fizicii si e cunoscuta sub numele de principiul relativitatii . Principiul relativitatii  presupune ca legile fizicii – oricare ar fi ele – trebuie sa fie absolute  identice pentru toti observatorii aflati in miscare rectilinie uniforma (cu viteza constanta).Inca din anul 1632 Galileo Galilei a formulat destul de clar( chiar mai clar decat Newton) principiul relativitatii atunci cand s-a referit la fenomenele mecanice dintr-o cabina inchisa a unei corabii. Einstein a formulat aceasta idee enuntata de fapt pentru prima oara de Galilei – afirmând ca este imposibil pentru tine sau pentru orice alt calator sa faca vreun experiment in acel compartiment inchis prin care sa determine daca corabia se misca sau nu.  Esenta principiului relativitatii: conceptual de miscare cu viteza constanta este relativ. Putem vorbi despre miscarea unui obiect cu viteza constanta, insa numai relativ la, sau in comparatie, cu altul. Este imposibil sa faci vreo precizare asupra starii tale de miscare fara sa faci referire, direct sau indirect, la obiecte „exterioare”. Pur si simplu nu exista notiunea de miscare „absoluta” cu viteza constanta; doar comparatiile pot avea un sens fizic.De fapt, Einstein a inteles ca principiul relativitatii presupune ceva si mai important: legile fizicii – oricare ar fi ele – trebuie sa fie absolute identice pentru toti observatorii aflati in miscare cu viteza constanta. Vom vedea in curând efectul profund al acestui principiu.
      Al doilea ingredient-cheie in relativitatea speciala este legat de lumina si de proprietatile miscarii ei. S-a demonstrat, dupa aproape un secol de eforturi din partea fizicienilor experimentatori, capentru toti observatorii  viteza luminii este de 300000 de km pe secunda, indiferent de sistemul de referinta ales pentru comparatie.Cu toate ca tu fugi, viteza cu care fotonii vin dupa tine, asa cum o masori tu,  este tot de 300000 de km pe secunda, nici o fractiune mai putin. Desi la inceput acest lucru pare complet ridicol, si spre deosebire de ceea ce se intâmpla când fugi de o minge, sau de o avalansa, viteza cu care se apropie fotonii este intotdeauna de 300000 de km pe secunda Acelasi lucru se intâmpla si daca fugi catre fotonii care vin spre tine, si daca ii urmaresti pe cei care se indeparteaza- viteza cu care ei se apropie sau se indeparteaza ramâne neschimbata; ei calatoresc tot cu 300000 de km pe secunda. Indiferent de miscarea relative dintre sursa de fotoni si observator, viteza luminii este intotdeauna aceeasi. Indiferent cât de tare alergi dupa  o razade lumina, ea fuge de tine cu viteza luminii. Nu poti schimba viteza aparenta de 300000 de km pe secunda a luminii, sa nu mai vorbim cae imposibil s-o incetinesti pâna se opreste.Acest triumf asupra paradoxului a fost o victorie clara.Einstein a inteles ca o valoare constantaa vitezei luminii implica detronarea fizicii newtoniene. Viteza este o sura a distantei pe care un obiect o parcurge intr-un  timp dat. Daca suntem intr-o masinacare merge cu 65 de km pe ora,asta inseamnaca vom parcurge 65 de km dacane vom pastra aceasta stare de miscare timp de o ora. Definita astfel, viteza pare sa fie un concept simplu. Sa nu uitam insa ca distanta este o notiune legata de spatiu – in particular ea masoara cât spatiu este intre doua puncte. De asemenea, sa observam ca durata este o notiune legatade timp – cât timp se scurge intre doua evenimente.Prin urmare, viteza este intim legatade notiunile de spatiu si timp. Cu aceasta formulare, observam ca orice rezultat experimental care sfideaza conceptia noastra obisnuita despre viteza, asa cum este de exemplu valoarea constanta a vitezei luminii, sfideaza insesi conceptiile noastre generale despre spatiu si timp. Din acest motiv, ciudata constanta a vitezei luminii a meritat o cercetare mai atenta-cercetare intreprinsa de Einstein si care l-a condus la concluzii remarcabile.
              Daca principiul relativitatii era adevarat pentru legile miscarii ale lui Newton, acum ideea a fost dezvoltata pentru a include teoria lui Maxwell si viteza luminii.Toti observatorii trebuie sa masoare aceiasi viteza a luminii indiferent cat de repede se misca ei.Indiferent de miscarea relativa dintre sursa de fotoni si observator,viteza luminii este intotdeauna aceeasi.Aceasta idee simpla are consecinte remarcabile.Cele mai cunoscute sunt echivalenta masei si energiei,exprimata de faimoasa ecuatia lui Einstein:E=mc2(unde E este energia,m este masa si c este viteza luminii) si legea ca nici un corp nu se poate deplsa cu o viteza mai mare  decat viteza luminii.Am promis sa nu folosesc ecuatii dar nu pot sa trec cu vederea aceasta celebra ecuatie. Datorita echivalentei dintre masa si energie, energia pe care o are un corp datorita vitezei cu care se misca se va adouga masei sale.Cu alte cuvinte va creste masa si va fi mai greu sa i se mareasca viteza.De fapt ,el nu poate atinge viteza luminii,deoarece masa lui ar deveni infinta si,prin echivalenta energiei si masei,ar trebui o cantitate infinita de energie pentru a realiza aceasta.Numai fotonii,care nu au masa ,se pot deplasa cu viteza luminii! Pe de alta parte, relativitatea restransa ne spune ceva foarte profund despre realitatea fizica, legat de natura timpului si perceptia noastra asupra “curgerii timpului “.Teoria relativitatii pune capat ideii timpului absolut.Rezulta ca fiecare observator  are propia masura a timpului,inregistrata de un ceas care il poarta cu el si ca ceasuri identice purtate de observatori diferiti nu vor fi,in mod necesar,in acord. Teoria afirma ca observatorii aflati in miscare relativa vor avea perceptii diferite asupra spatiului si timpului. Aceasta inseamna ca ceasuri identice, purtate de doi indivizi care se misca unul fata de celalalt, vor ticai cu frecvente diferite si deci vor arata durate de timp diferite intre aceleasi evenimente. Teoria speciala a relativitatii demonstreaza ca prin aceasta afirmatie nu contestam precizia ceasurilor folosite in experiment, ci facem de fapt o afirmatie despre timpul insusi. In mod asemanator, observatori aflati in miscare unul fata de altul,avand cu ei rigle identice, nu vor cadea niciodata de acord asupra distantelor masurate. Din nou, aceasta nu se datoreaza lipsei de acuratete a instrumentelor de masurat sau erorilor de masurare. Cele mai precise mijloace de masurare din lume confirma faptul ca spatiul si timpul – masurate prin distanta si durata – nu sunt percepute in mod identic de toata lumea. Teoria speciala a relativitatii rezolva contradictia dintre perceptia noastra asupra miscarii si proprietatile luminii, dar acest lucru se face platind un pret: observatiile asupra spatiului si timpului, facute de persoane aflate in miscare una fata de alta, nu vor coincide.
     Valoarea constanta a vitezei luminii a condus la inlocuirea modului traditional de a privi obiective cu o noua conceptie in care acestea sunt in mod intim determinate de miscarea relativa dintre observator si observat. Am putea incheia discutia aici, stiind ca obiectele in miscare evolueaza incetinit si sunt scurtate in directia de miscare. Teoria relativitatii speciale ne ofera insa o perspective mai profund unificata asupra acestor fenomene.Einstein a descoperit ca exact aceasta idee – impartirea miscarii intre mai multe dimensiuni – sta la baza fizicii remarcabile a teoriei speciale a relativitatii atunci cand intelegem ca miscarea unui obiect nu se imparte numai dupa dimensiunile spatiale, ci insusi timpul ia parte la impartire. Defapt, in majoritatea cazurilor, cea mai mare parte a miscarii unui obiect are loc in timp, nu in spatiu. Sa vedem ce inseamna asta.Miscarea prin spatiu este o idee despre care aflam in primii ani de viata. Desi in general nu judecam lucrurile in asemenea termeni, aflam de asemenea ca noi, prietenii nostri, lucrurile noastre s.a.m.d., toate se misca si prin timp. Daca ne uitam la un ceas chiar si atunci cand privim nemiscati la televizor, afisajul ceasului se schimba constant, se „misca mereu inainte prin timp”. Noi – si totul din jurul nostru imbatranim,trecand inevitabil de la un moment de timp la urmatorul.De fapt, matematicianul Hermann Minkowski si chiar Einstein insusi au pledat in favoarea interpretarii timpului ca o alta dimensiune a universului- a patra dimensiune – intr-un fel similara cu cele trei dimensiuni spatiale in care suntem cu totii scufundati. Desi pare abstracta, notiunea de timp perceput ca dimensiune este de fapt concreta. Cand vrem sa ne intalnim cu cineva, ii spunem unde „in spatiu” vrem sa ne intalnim – de exemplu, la etajul 4 al cladirii de la intersectia strazii 24 cu bulevardul 7. Informatia aceasta contine trei date (etajul 4, strada 24 si bulevardul 7) care specifica o anumita localizare in cele trei dimensiuni spatiale ale universului. La fel de importanta este insa si precizarea timpului cand ne asteptam sa ne intalnim – de exemplu la 5 dupa-amiaza. Aceasta informatie ne precizeaza unde in timp va avea loc intalnirea. Evenimentele sunt deci specificate prin patru date,trei referindu-se la spatiu si una la timp. Spunem ca aceste date localizeaza evenimentul in spatiu si timp, sau, pe scurt, in spatiu-timp. In acest sens, timpul este o alta dimensiune.Din moment ce aceasta perspectiva afirma ca spatiul si timpul nu sunt decat diferite exemple de dimensiuni, putem oare vorbi despre viteza unui obiect prin timp intr-o maniera asemanatoare ideii de viteza prin spatiu? Intr-adevar, putem. Cand un obiect are o miscare relativa prin  spatiu fata de noi, ceasul lui merge mai incet in comparatie cu al nostru. Deci, viteza miscarii lui prin timp e incetinita. Aici se produce saltul: Einstein sustine ca toate obiectele din univers calatoresc intotdeauna prin spatiu-timp cu o viteza data-viteza luminii. E o idee ciudata; noi suntem obisnuiti cu ideea ca obiectele calatoresc cu viteze mult mai mici decat viteza luminii. Acesta este motivul pentru care efectele relativiste sunt atat de putin familiare in viata de zi cu zi. Toate acestea sunt adevarate. Acum insa vorbim despre viteza combinat a  unui obiect prin toate cele patru dimensiuni – trei spatiale si una termporala-, iar viteza obiectului in acest sens generalizat este egala cu viteza Luminii. Daca un obiect e in repaus (in raport cu noi) si in consecinta nu se misca deloc prin spatiu, atunci toata miscarea obiectului este folosita pentru deplasarea intr-o singura dimensiune – in acest caz, dimensiunea temporala. Mai mult, toate obiectele aflate in repaus in raport cu noi si intre ele se misca prin timp – imbatranesc – cu acelasi ritm sau viteza. Daca insa un obiect se misca si prin spatiu, aceasta inseamna ca o parte din miscarea pe care o avea prin timp trebuie deviata la miscarea prin spatiu.Aceastaimpartire a miscarii face ca obiectul sa se deplaseze mai incet prin timp decat partenerii sai stationari, pentru ca o parte din miscarea lui e folosita acum pentru a se deplasa prin spatiu. Adica ceasul atasat lui va ticai mai incet daca se misca prin spatiu. Este exact ce am descoperit mai devreme. Observam acum ca scurgerea timpului e incetinita pentru un obiect care se misca    in raport cu noi fiindca o parte din miscarea lui prin timp este transformata in miscare prin spatiu. Deci viteza unui obiect prin spatiu arata cat din miscarea lui prin timp a fost deviata in miscare prin spatiu. Vedem de asemenea ca aceasta perspectiva incorporeaza automat faptul ca exista o limita a vitezei spatiale a unui obiect: viteza maxima prin spatiu este atinsa atunci cand toata miscarea unui obiect prin timp este transformata in miscare prin spatiu. Aceasta se intampla cand toata miscarea initiala cu viteza luminii prin timp este transformata in miscare cu viteza luminii prin spatiu. Dar din moment ce si-a folosit toata miscarea prin timp, aceasta este viteza cea mai mare prin spatiu pe care un obiect – orice obiect – o poate atinge. Un obiect care se deplaseaza cu viteza luminii prin spatiu nu va mai avea viteza pentru miscarea prin timp. De aceea lumina nu imbatraneste; un foton care a rezultat din big bang are astazi aceeasi varsta pe care o avea si atunci. Nu exista scurgere a timpului la viteza luminii.
            A trecut aproape un secol de cand Einstein a facut cunoscute lumii descoperirile sale, si totusi cei mai multi dintre noi vedem spatiul si timpul in termeni absoluti. Teoria restransa(speciala) a relativitatii nu ne-a intrat in sange- nu o simtim. Implicatiile ei nu sunt usor de intuit pentru noi. Motivul e foarte simplu: efectele relativitatii speciale depind de cat de repede ne miscam, iar la vitezele masinilor, avioanelor sau chiar ale navelor spatiale aceste efecte sunt minuscule. Exista diferente in perceptia spatiului si timpului intre persoanele ramase in repaus fata de pamant si cele calatorind in masini sau avioane, dar ele trec intotdeauna neobservate. Insa, daca cineva ar putea calatori intr-un vehicul futuristic la o viteza comparabila cu viteza luminii, efectele relativiste ar deveni evidente. Bineinteles, acest lucru este deocamdata de domeniul stiintifico-fantasticului.Experimente ingenioase efectuate de fizicieni in conditii deosebite au permis observarea clara si precisa a proprietatilor relative ale spatiului si timpului prezise de teoria lui Einstein.

  Teoria generala a relativitatii

          Prin relativitatea speciala Einstein a rezolvat conflictul dintre „intuitia veche de cand lumea” privind miscarea, pe de o parte, si viteza constanta a luminii, pe de alta parte. Pe scurt, solutia este aceea ca intuitia noastra e gresita – ea s-a format pornind de la miscarea care e in general extrem de lenta in comparatie cu viteza luminii, iar aceste viteze mici ascund adevaratul caracter al spatiului si timpului.Einstein si-a dat seama destul de curand ca intre numeroasele consecinte ale teoriei speciale a relativitatii una era deosebit de profunda: postulatul ca nimic nu poate depasi lumina era incompatibil cu venerata teorie a gravitatiei universale, elaborata de Newton in cea de-a doua jumatate a secolului al XVII-iea. . In teoria newtoniana a gravitatiei, un corp exercita o atractie gravitationala asupra altuia cu o forta determinata doar de masele corpurilor si de marimea distantei dintre ele. Forta nu are nimic de-a face cu timpul cat cele doua obiecte s-au aflat unul in prezenta celuilalt. Asta inseamna ca, daca masele sau distanta dintre corpuri s-ar modifica, conform lui Newton, obiectele ar simti imediat o schimbare in atractia gravitationala reciproca. De exemplu, teoria newtoniana a gravitatiei sustine ca daca Soarele ar exploda brusc Pamantul – aflat la vreo de 150 de milioane de km departare – si-ar schimba instantaneu traiectoria, incepand sa se departeze de la orbita lui eliptica obisnuita. Cu toate ca luminii generate de explozie i-ar trebui 8 minute pentru a ajunge de la Soare la Pamant, in teoria lui Newton informatia ca Soarele a explodat ar fi transmisa instantaneu pe Pamant printr-o schimbare brusca a fortei gravitationale care ii guverneaza miscarea.Aceasta concluzie este in contradictie directa cu relativitatea speciala, care ne asigura ca nici o informatie nu poate fi transmisa mai repede decat viteza lumini – transmiterea instantanee ar fi cea mai flagranta violare a acestui concept.Prin urmare, la inceputul secolului XX, Einstein si-a dat seama ca mult pretuita teorie newtoniana a gravitatiei era in conflict cu propria lui teorie speciala a relativitatii. Avand incredere in veridicitatea teoriei relativitatii speciale si fara a putea combate muntele de dovezi experimentale ce sustineau teoria lui Newton, Einstein a cautat o noua teorie a gravitatiei compatibila cu teoria speciala a relativitatii. Pana la urma aceasta l-a condus la descoperirea teoriei generale a relativitatii, in care caracterul spatiului si timpului urmau sa sufere din nou o transformare remarcabila.Chiar si inainte de descoperirea relativitatii speciale, teoria newtoniana a gravitatiei avea o lacuna  importanta. Desi poate fi folosita pentru a face previziuni de o mare acuratete asupra modului in care se vor misca obiectele sub influenta gravitatiei, ea nu spune ce este gravitatia. Cum e posibil ca doua corpuri care sunt fizic separate unul de altul, uneori la sute de milioane de kilometri sau mai mult, sa-si influenteze totusi reciproc miscarea? Prin ce mijloace executa gravitatia aceasta misiune? Aceasta era o problema de care insusi Newton era constient. Cu alte cuvinte, Newton a acceptat existenta gravitatiei si a elaborate ecuatiile ce descriu cu precizie efectele ei, dar nu a oferit niciodata vreo explicatie privind felul in care functioneaza ea. El a dat lumii „manualul utilizatorului” pentru gravitatie, care descria modul de intrebuintare al acesteia – instructiuni pe care fizicienii, astronomii si inginerii le-au exploatat cu succes pentru a pregati drumul rachetelor spre Luna, Marte si alte planete ale sistemului solar; pentru a prezice eclipsele de Soare si de Luna; pentru a prezice miscarea cometelor si asa mai departe. Dar el a lasat substratul acestor actiuni – continutul „cutiei negre” a gravitatiei – intr-un mister total.Einstein a inteles ca, in pofida sutelor de ani de confirmari experimentale, teoria speciala a relativitatii conducea la concluzia ca exista un „defect” subtil al teoriei lui Newton si ca „repararea” ei presupunea dezvaluirea intregii si adevaratei naturi a gravitatiei,lucru pe care l-a facut in teoria relativitatii generale.
             Einstein in elaborarea teoriei generale a relativitatii avea o problema bine definita-cum  sa puna in acord teoria gravitatiei cu noua viziune asupra spatiului si timpului din teoria speciala a relativitatii pe care o propusese in 1905.El a avut cateva indicia prtioase,in special remarcabilul fapt descoperit de Galilei ca miscarea corpurilor mici in camp gravitational e independenta de natura corpurilor.Aceasta i-a sugerat lui Einstein ca gravitatia ar putea fi o propietatea a spatiu-timp.Einstein a avut deasemenea  la dispozitie o teorie matematica bine inchegata a spatiilor curbe,elaborate de Riemann si alti matematicieni.In teoria lui Newton,forta gravitational de atractie dintre Soare si o planeta depinde de distanta dintre pozitiile ocupate de cele doua corpuri in acelasi timp,dar in relativitatea speciala simultaneitatea nu are o semnificatie absoluta-observatori diferiti,in functie de starea lor de miscare,nu vor cadea de accord daca un eveniment are loc inaintea,dupa sau in acelasi timp cu un alt eveniment.Indiciul care i-a aratat lui Einstein in 1907 calea spre relativitatea generala a fost propietatea bine cunoscuta si distinctiva a gravitatiei:forta gravitational este proportionala cu masa corpului asupra caruia actioneaza.Einstein s-a gandit ca aceasta seamana cu asa-numitele forte de inertie pe care le resimtim  cand ne miscam cu o viteza neuniforma( miscare accelerate) sau cand schimbam directia de miscare .Forta de inertie este cea care ne impinge in scaun atunci cand acceleram brusc automobilul.Forta centrifuga care impiedica Pamantul sa cada spre Soare este deasemenea o forta de inertie.Toate aceste forte de inertie sunt la fel ca forta gravitationala proportionale cu masa corpului asupra caruia actioneaza.Pe Pamant nu resimtim nici campul gravitational al Soarelui,nici forta centifuga provocata de  miscarea Pamantului in jurul Soarelui,fiindca cele doua forte se echilibreaza reciproc,dar echilibrul ar fi rupt daca una din forte ar fi proportionala cu masa obiectelor asupra carora actioneaza iar cealalta nu;in acest caz unele obiecte ar putea cadea de pe Pamant pe Soare,iar altele ar putea fi azvarlite de pe Pamant in spatial interstelar.In general, faptul ca gravitatia si fortele de inertie sunt ambele proportionale cu masa corpului asupra caruia actioneaza si nu depend de nici o alta propietate a acestuia,face posibila identificarea in orice punct dintr-un camp gravitational a unui”sistem de referinta in cadere libera”,in care nici gravitatia,nici fortele de inertie nu sunt resimtite deoarece ele se afla intr-un echilibru perfect pentru toate corpurile.Daca resimtim fortele gravitationale sau de inertie,aceasta se datoreaza faptului ca nu ne aflam intr-un sistem in cadere libera.De exemplu ,la suprafata Pamantului,corpurile in cadere libera sunt accelerate spre central Pamantului cu 10 metri pe secunda si resimtim forta gravitationala,cu exceptia cazului in care se intampla sa fim accelerati in jos in acelasi ritm ( ex .cand coboram cu liftul).Einstein a facut un salt logic si a presupus ca fortele gravitationale si fortele inertiale sunt acelasi lucru,fapt numit de el principiul echivalentei intre gravitatie si inertie,sau,pe scurt principiul echivalentei.Conform acestui principiu orice camp gravitational este complet descris atunci cand cunoastem sistemul de referinta care se afla in cadere libera pentru fiecare punct din spatiu si timp.
            Aceasta legatura profunda intre gravitatie si miscarea accelerata e ste, fara indoiala, o realizare remarcabila, insa de ce oare l-a bucurat atat de mult pe Einstein? Motivul, simplu spus, este ca gravitatia e misterioasa. Ea e marea forta omniprezenta in viata cosmosului, dar in acelasi timp e insesizabila si eterica. Pe de alta parte, miscarea accelerata, desi ceva mai complicata decat miscarea uniforma, este concreta si tangibila. Prin descoperirea legaturii fundamentale dintre cele doua, Einstein si-a dat seama ca putea folosi felul sau de a intelege miscarea pentru a ajunge la o intelegere similara a gravitatiei.Punerea in practica a acestei strategii nu a fost o sarcina usoara nici macar pentru geniul lui Einstein, dar pana la urma aceasta abordare a dat roade sub forma relativitatii generale. Pentru a ajunge la acest obiectiv, Einstein a trebuit sa gaseasca o a doua legatura in lantul ce unifica gravitatia si miscarea accelerata: curbarea spatiului si timpului.Aceste observatii l-au condus pe Einstein spre pasul decisiv. Cum el aratase deja ca gravitatia si miscarea accelerata nu pot fi efectiv deosebite, iar apoi demonstrase ca miscare accelerata este asociata cu deformarea spatiului si timpului, a facut urmatoarea presupunere cu privire la continutul „cutiei negre” a gravitatiei – mecanismul prin care aceasta actioneaza. Gravitatia, dupa Einstein, este deformarea spatiului si timpului.
             Dupa 1907 ,Einstein a cautat vreme de aproape un deceniu cadrul matematic potrivit acestei idei.In cele din urma a gasit exact ce-i trebuia printr-o analogie profunda intre rolul gravitatiei in fizica si cel al curburii in geometrie…Pornind de la aceasta analogie intre gravitatie si curbura,Einstein a ajuns la concluzia ca gravitatia nu e nici mai mult nici mai putin decat un efect al curbarii spatiului si timpului.Pentru a preciza aceasta idee,el avea nevoie de o teorie matematica a spatiilor curbe.Einstein a fost cel mai mare fizician care a aparut dupa Newton,stapanea matematica pe care o cunosteau cei mai multi fizicieni din vremea lui,dar nu a fost un matematician.In cele din urma a gasit exct ce ii trebuia in teoria spatiilor curbe elaborate de Riemann ,Lobacevscki si Bolyai (nascut in Transilvania ! !).In forma sa finala,teoria relativitatii generale era doar o reinterpretare a matematicii deja existente a spatiilor curbe in termenii gravitatiei,impreuna cu o ecuatie de camp care preciza curbura produsa de orice cantitate de materie si energie.
                 Teoria generala a relativitatii este cea mai frumoasa teorie din fizica.Este o teorie cu adevarat superba! Eu nu cunosc sa existe vreo teorie fundamentala in oricare alta stiinta care ar putea sa intre in aceasta categoria de teorie superba.Poate ca teoria selectiei naturale,propusa de Darwin,ar fi potrivita acestei categorii,dar se situeaza totusi la o distanta apreciabila.Teoria generala a relativitatii descrie forta de gravitatie si structura la scara mare a universului, adica structura la scara de la numai cativa kilometri la milioane de milioane de milioane de milioane (unu cu douazeci si patru de zerouri dupa el) de kilometri, dimensiunea universului observabil.Teoria relativitatii generale  e o teorie a campurilor.Campul implicat se numeste camp gravitational.Este mult mai complicat decat campul electric si e reprezentat printr-un set mult mai complicat de linii de camp.Este nevoie de trei seturi de linii de camp in cazul campului gravitational.Spatiul poate fi umplut cu o mare varietate de influente invizibile care au tot soiul de efecte asupra materiei.Teoria relativitatii generale ne spune ca spatiul-timp este de fapt curb  in prezenta unui camp gravitational(adica nu este exact euclidian).Relativitatea generala este o teorie a spatiului si timpului  si a fost elaborata de celebrul fizician Albert Einstein . Einstein traia si gandea mult inaintea timpului sau.Putini au inteles si au acceptat teoria relativitatii la vremea respectiva, fapt pentru care premiul Nobel i-a fost acordat lui Einstein pentru efectul fotoelectric si nu si pentru teoria relativitatii! La acea vreme se considera firesc ca timpul sa fi curs permanent, indiferent de ceea ce se intampla,dar teoria relativitatii a combinat spatiul cu timpul si a afirmat ca amandoua pot fi rasucite sau distorsionate de materia si energia din univers.In acest fel,modul nostru de a percepe natura timpului s-a schimbat de la independenta acestuia pana la fasonarea lui de catre materia din univers.Dupa Einstein ,gravitatia este o distorsiune in textura spatiu-timp,produsa de masa si energia pe care acesta o contine.Obiecte ca proiectilele si planetele incearca sa se miste in linie dreapta in spatiu-timp,dar,deoarece spatiul-timp e curbat si rasucit si nu plat,traiectoriile lor par sa fie curbate.John Wheeler,unul dintre marii specialisti in relativitatea generala a rezumat astfel teoria relativitatii:”materia spune spatiului cum sa se curbeze;spatiul spune materiei cum sa se miste”. Pentru a intelege mai bine aceasta noua perspectiva asupra gravitatiei, sa consideram situatia tipica a unei planete, cum ar fi Pamantul, care se roteste in jurul unei stele, cum ar fi Soarele. Conform gravitatiei newtoniene, Soarele mentine Pamantul pe orbita cu ajutorul une „funii” gravitationale neidentificate care ajunge instantaneu, strabatand mari distante prin spatiu, la Pamant si il „agata” (iar, in mod asemanator, Pamantul „agata” Soarele). Einstein a oferit o noua explicatie pentru ceea ce se intampla. Dar ce se intampla cu spatiul daca este prezent un obiect masiv precum Soarele? Inainte de Einstein raspunsul era nimic; se credea ca spatiul (si timpul) ofera doar un fundal inert – scena pe care se jucau evenimentele universului. Rationamentele lui Einstein conduc insa la o concluzie diferita.Un corp masiv cum e Soarele, si de fapt orice corp, exercita o forta gravitationala asupra celorlalte obiecte. Aceste legaturi dintre gravitatie, miscarea accelerata si spatiul curbat l-au condus pe Einstein la concluzia remarcabila ca prezenta unei mase, asa cum e Soarele, face ca textura spatiului din jurul ei sa se deformeze. Aceasta deformare, la randul ei, afecteaza obiectele ce se misca in vecinatatea Soarelui, ele trebuind sa traverseze acum textura spatiala din vecinatatea Soarelui. Diferenta acum este aceea ca, spre deosebire de Newton, Einstein a identificat mecanismul prin care se transmite gravitatia: deformarea spatiului. Din punctul de vedere al lui Einstein, „funia” gravitationala care mentine Pamantul pe orbita nu este vreo actiune instantanee si misterioasa a Soarelui; ea este, de fapt, deformarea texturii spatiale datorata prezentei Soarelui .Pamantul este mentinut pe orbita in jurul Soarelui pentru ca se rostogoleste de-a lungul unei vai din textura spatiului deformat. Intr-un limbaj mai precis, urmeaza „traiectoria de minima rezistenta” in regiunea deformata din jurul Soarelui. . In mod asemanator, Pamantul, fiind la randul lui un corp masiv, deformeaza textura spatiului, chiar daca mult mai putin decat Soarele. In limbajul relativitatii generale, aceasta e modalitatea prin care Pamantul mentine Luna pe orbita si, de asemenea, ne tine pe fiecare dintre noi la suprafata sa. Cand un parasutist plonjeaza spre Pamant, el va aluneca de-a lungul unei depresiuni din textura spatiului produsa de masa Pamantului. In plus, fiecare dintre noi – ca orice alt obiect masiv – deformeaza textura spatiului din imediata vecinatate, dar masa relativ mica a unui corp uman face ca aceasta deformare sa fie infima. Deci, in esenta, Einstein a fost in acord cu afirmatia lui Newton ca „gravitatia trebuie sa fie produsa de un agent” si a acceptat provocarea acestuia care lasa stabilirea identitatii agentului „la latitudinea cititorilor”.In conformitate cu cele demonstrate de Einstein, agentul gravitatiei este textura cosmosului. In cazul Soarelui nu exista nici un alt obiect care „sa-l atraga”. In schimb, Einstein ne-a invatat ca deformarea spatiului este gravitatie. Simpla prezenta a unui obiect masiv face ca spatiul sa reactioneze deformandu-se. Einstein ne-a demonstrat ca obiectele se misca prin spatiu (prin spatiu-timp, mai precis) de-a lungul celor mai scurte traiectorii posibile – traiectoriile „cele mai usoare” sau traiectoriile „de minima rezistenta”. Daca spatiul este deformat, asemenea traiectorii vor fi curbate. Cand nu este prezenta nici o masa, spatiul e plat si un obiect mic poate sta linistit in repaus sau se poate deplasa cu viteza constanta. Daca o masa mare intra in scena, spatiul se va deforma dar,distorsiunea nu va fi instantanee. Ea se va transmite de la corpul masiv in toate directiile, ajungand in final la o forma distorsionata fixa ce va comunica atractia gravitationala a noului corp. In cadrul real al relativitatii generale, Einstein a putut calcula viteza cu care se deplaseaza perturbatiile in textura universului si a gasit ca aceasta viteza este exact viteza luminii.Cand un obiect isi schimba pozitia sau cand explodeaza, el produce o schimbare in deformarea texturii spatiului care se transmite in toate directiile cu viteza luminii, ramanand astfel in acord cu limita de viteza a relativitatii speciale. Prin urmare, noi, cei de pe Pamant, am percepe vizual distrugerea Soarelui in acelasi moment in care am simti si consecintele gravitationale ale distrugerii sale – asta s-ar intampla cam la 8 minute de la explozie. Formularea lui Einstein rezolva deci conflictul; perturbatiile gravitationale tin pasul cu fotonii, dar nu ii depasesc.In timp ce relativitatea restransa se manifesta mai pregnant in cazul obiectelor care se misca cu viteze mari, relativitatea generala capata o importanta critica atunci cand obiectele sunt foarte masive si deci deformarile spatiului si timpului sunt mari.
        Principala forta de atractie a teoriei lui Einstein e simplitatea ei,coerenta logica si desigur sentimentul de inevitabil pe care ni-l da teoria.Atat teoria lui Einstein,cat si cea a lui Newton despre gravitatie implica ecuatii care descriu fortele gravitationale produse de orice cantitate data de materie.In teoria lui Newton exista trei asemenea ecuatii(corespunzand celor trei dimensiuni ale spatiului),in teoria lui Einstein sunt paisprezece.Acest fapt in sine nu poate fi considerat un avantaj estetic al teoriei lui Newton fata de cea a lui Einstein.Teoria lui Einstein e mai frumoasa decat teoria lui Newton datorita simplitatii ideii centrale privind echivalenta dintre gravitatie si acceleratie: forta de gravitatie este resimtita la fel ca forta datorita acceleratiei.Einstein a transformat aceasta observatie banala, pe care orice copil de scoala o poate intelege ,intr-unul din cele mai importante principii ale fizicii:principiul echivalentei dintre gravitatie si acceleratie,sau mai simplu:principiul echivalentei.Din acesta el a dedus legile care guverneaza toate fenomenele dintr-un camp gravitational,ca si ecuatiile pentru geometria neeuclidiana a spatiu-timp.Totul este cuprins in cateva ecuatii,ecuatiile lui Einstein,cu o valabilitate universala.Cu ecuatiile sale elegante,un element de unicitate si capacitatea de a descrie multe fenomene,teoria generala a relativitatii este cea mai frumoasa teorie fizica conceputa pana acum.Dar,dupa cum am vazut,nu doar continutul unei teorii-ce spune ea despre lume-o face frumoasa,ci si forma in care sunt scrise ecuatiile,ba chiar si rationamentul  care a dus la descoperirea ei. Ascultand o piesa muzicala sau privind o pictura simtim o placere estetica intensa data de senzatia ca nimic din lucrare nu poate fi schimbat,fiecare nota din partitura sau fiecare culoare din pictura se afla la locul potrivit.Acelasi lucru e adevarat despre relativitatea generala.Odata ce cunosti principiile fizice generale adoptate de Einstein,intelegi ca el nu putea fi condus spre o alta teorie a gravitatiei semnificativ diferita. Recunoasterea faptului ca gravitatia si miscarea accelerata sunt profund legate este ideea-cheie pe care a avut-o Einstein in acea zi fericita, in biroul de brevete si inventii din Berna. Ce a descoperit Einstein a fost ca, aflandu-ne in interiorul unui compartiment de tren, nu vom fi in stare sa deosebim aceste miscari acelerate de cele in care nu exista acceleratie, dar exista gravitatie: cand marimile lor sunt reglate corespunzator, forta pe care o simti provocata de un camp gravitational si cea provocata de o miscare accelerata sunt imposibil de distins.Asa cum am spus,Einstein a numit aceasta indiscemabilitate dintre miscarea accelerata si gravitatie principiul echivalentei.El joaca un rol central in teoria generala a relativitatii.Relativitatea generala desavarseste demersul relativitatii speciale. In teoria speciala a relativitatii, principiul relativitatii proclama democratia in randul punctelor de vedere: legile fizicii apar identice tuturor observatorilor aflati in miscare cu viteza constanta. Dar aceasta e o democratie limitata, pentru ca exclude un numar enorm de alte puncte de vedere – cele ale indivizilor accelerati. Ideea lui Einstein din 1907 ne arata cum putem imbratisa toate punctele de vedere – miscare uniforma si miscare accelerata – intr-un cadru egalitar. Atat timp cat nu exista nici o diferenta intre punctual de vedere al unui observator accelerat, fara camp gravitational, si un punct de vedere al unui observator fara acceleratie, dar cu camp gravitational,putem adopta ultima perspectiva si declara ca toti observatorii, indiferent de starea lor de miscare, pot sustine ca sunt stationari si ca „restul lumii se misca pe langa ei “, atat timp cat includ un camp gravitational corespunzator  in descrierea mediului care ii inconjoara. In sensul acesta, prin includerea gravitatiei, relativitatea generala ne asigura ca toate punctele de vedere posibile se afla pe picior de egalitate.
      Sistemul de pozitionare GPS pe care il accesam de pe smartphone sau din automobil comunica cu satelitii ale caror dispozitive interne de sincronizare iau in mod curent cunostiinta de curbura spatiu-timp(si de ecuatiile relativitatii )pe care o inregistreaza satelitii pe orbita lor de deasupra Pamantului.Daca satelitii n-ar face acest lucru,indicatiile referitoare la pozitie pe care le genereaza ar deveni rapid incorecte.Geometria lui Euclid predata elevilor timp de doua milenii se aplica cu success numai datorita faptului ca la suprafata Pamantului campul gravitational e destul de slab,asa incat spatiul in care traim nu are o curbura observabila.Euclid folosind experienta unei vieti traite in campul gravitational slab al Alexandriei elenistice a creat o teorie a spatiului necurbat.A trebuit sa vina Einstein sa ne arate ca la scara universului spatiul este curbat si gemetria lui Euclid trebuie inlocuita cu geometria neeuclidiana a lui Lobacevscki, Rieman si Bolyai.

 Atomul si particulele subatomice

       Argumentele cruciale care i-au facut pe oameni sa accepte existenta atomilor au fost formulate la inceputul secolului trecut pentru a rezolva paradoxurile si contradictiile ce decurgeau din presupunerea ca materia si radiatia ar fi continue.Aceste argumente cruciale care dovedesc existenta atomilor tin de intelegerea legilor care guverneaza caldura ,temperatura si entropia,parte a fizicii numita termodinamica.Printre legile termodinamicii se afla legea doua care spune ca entropia nu scade niciodata,si asa-numita lege zero,care spune ca atunci cand entropia unui sistem se afla la cea mai mare valoare posibila,sistemul are o singura temperatura uniforma.Lor li se adauga prima lege,care afirma ca energia nu este nicioadata creata sau distruasa.In timpul celei mai mari parti a secolului XIX,majoritatea fizicienilor nu credeau in atomi.E drept,chimistii descoperisera ca diferite subsatante se combina in proportii fixate,ceea ce ar fi trebuit sa sugereze existenta atomilor.Cum am putea intelege mai bine dizolvarea unei bucati de sare intr-un pahar cu apa decat presupunand ca atomii din care e compusa sarea se imprastie in spatiile goale dintre atomii apei ?Pana in 1905 multi dintre fizicieni gandeau ca material este continua sau ca intrebarea despre existent atomilor nu tine de domeniul stiintei,deoarece,chiar daca ar exista,atomii ar ramane pentru totdeauna neobservabili.Acesti cercetarori au dezvoltat legile termodinamicii intr-o forma care nu facea referire la atomi si la miscarile lor.Ei nu credeau in definitile temperaturii si entropiei asa cum le stim acum:temperatura este o masura aenergiei miscarii dezordonate a atomilor si entropia o masura a informatiei.Ei intelegeau temperature si entropia ca fiind propietati esentiale ale materiei:material era doar un fluid sau o substanta continua,iar temperature si entropia erau propietatile ei de baza.Nu numai ca legile termodinamicii nu fac referire la atomi,dar fondatorii termodinamicii credeau chiar ca exista un motiv pentru care nu se putea face vreo legatura intre termodinamica si atomi.Cea de-a doua lege,afirmand ca entropia creste in viitor,introduce o asimetrie in timp.Conform acestei legi,viitorul este diferit de trecut,deoarece viitorul este directia in care creste entropia universului.Pe de alta parte savantii faceau rationamentul ca,daca ar exista atomi,atunci ei ar asculta de legile lui Newton.Aceste legi sunt insa reversibile in timp.Sa presupunem ca ati filma un set de particule care interactioneaza conform legilor lui Newton si apoi ati proiecta de doua ori filmul in fata unui grup de fizicieni,odata derulat asa cum a fost facut,iar apoi derulandu-l invers.Atata timp cat au fost filmate doar cateva particule,fizicienii nu-si pot da seama in ce sens curge timpul.In lumea in care traim,viitorul este foarte diferit de trecut,ceea ce e conform legii care spune ca entropia creste in viitor.Deoarece aceasta parea sa intre in contradictie cu faptul ca, in teoria lui Newton ,viitorul si trecutul sunt ireversibile,multi fizicieni au refuzat sa creada ca materia e alcatuita din atomi,pana in primele decenii ale secolului XX cand au fost gasite dovezi experimentale concludente pentru existenta lor.Ideile ca temperatura este o masura a energiei atomilor in miscarea haotica si ca entropia e o masura a informatiei reprezinta fundamentul a ceea ce se numeste formularea statistica a termodinamicii.Conform acesteia materia obisnuita este alcatuita dintr-un numar imens de atomi.Prin urmare,comportamentul materiei obisnuite trebuie inteles in termenii statisticii.Fondatorii mecanicii statistice,asa cum a fost numita ideea,au sustinut ca paradoxul aparent legat de directia timpului se poate explica deducand legile termodinamicii din legile lui Newton.Paradoxul se poate rezolva intelegand ca legile termodinamicii nu sunt absolute;ele descriu ceea ce este cel mai probabil sa se intample,dar va exista intotdeauna o mica probabilitate ca legile sa fie violate.In particular legile afirma ca in majoritatea timpului un ansamblu mare de atomi va evolua astfel incat sa atinga o stare cat mai haotica-altfel spus,cat mai dezordonata.Aceasta pur si simplu pentru ca aleatorul interactiunilor tinde sa stearga orice urma de organizare si ordine care ar fi prezenta initial.E cel mai probabil ca lucrurile sa se petreaca astfel,dar nu e absolute necesar.Daca sistemul este preparat cu grije sau daca incorporeaza structuri care pastreaza memoria a ceea ce s-a intamplat cu el-precum intr-o molecula de AND-atunci sistemul poate evolua de la o stare mai putin ordonata catre una mai ordonata.Rationamentul invocat aici e subtil si a fost nevoie de cateva decenii pentru ca majoritatea fizicienilor sa fie convinsi.Cel care a avut ideea de a lega entropia de informatie si probabilitate a fost Ludwig Boltzmann.Ceea ce a descoperit Boltzmann era ca legile termodinamicii ar fi riguros respectate pentru sisteme cu un numar infinit de atomi.Numarul atomilor dintr-un sistem dat,sa zicem apa dintr-un pahar,este desigur foarte mare ,dar nu infinit.Einstein a inteles ca pentru sisteme ce contin un numar finit de atomi legile termodinamicii ar putea fi din cand in cand incalcate.Incercarea de a gasi semnificatia temperturii si entropiei a dus la descoperirea atomilor.Incercarea de a gasi semnificatia temperaturii si entropiei radiatiei la condus pe Einstein la descoperirea ‘atomului de lumina” sau cuanta.Fiecare cuanta transporta o unitate de energie legata de frecventa luminii.Exact in acelasi mod,incercarea de a gasi semnificatia temperaturii si entropiei unei gauri negre a condus pe fizicieni catre structura atomica a spatiului si timpului.
    La sfarsitul secolului al XIX-lea ideea de atom a devenit familiara pentru cea mai mare parte a oamenilor de stiinta-familiara,dar nu inca universal acceptata.Totul s-a schimbat in primele decenii ale secolului XX prin descoperirea constituentilor atomului,electronul si nucleul atomic-descoperiri care au infirmat vechea idee ca atomii ar fi indivizibili.Electronul este prima din particulele elementare care a fost identificata in mmod clar.Este  deasemenea de departe cea mai usoara particula elementara(in afara catorva tipuri de particule neutre din punct de vedere electric,care au masa mai mica sau nu au masa deloc) si una din putinele particule care nu se pot dezintegra in alte particule.Ca o consecinta a masei mici,a sarcinii si a stabilitatii,electronul are o importanta unica in fizica,chimie si biologie.Curentul electric printr-un fir conductor nu e altceva decat un flux de electroni.Descoperirea electronului este atribuita fizicianului englez Sir Joseph Jon Thomson care a primit premilul Nobel in 1906 si acum isi are locul de veci la Westmister Abbey,nu departe de Newton si Rutherford.Ca sa afle ceva cantitativ despre natura misterioaselor particule incarcate negative ale razelor catodice,Thomson a masurat cu cat erau deviate aceste raze de forte electrice si magnetice.Thomson a folosit legea doua a lui Newton pentru a obtine o formula generala care sa-i permita sa interpreteze masuratorile privind devierea razelor catodice,produsa in experimentul sau de diverse forte electrice si magnetice.Atomii sunt neutri din punct de vedere electric,dar electronii descoperiti de Thomson au sarcina electrica negativa.Prin urmare,daca atomii contin electroni ,ei trebuie sa contina si un alt material cu sarcina electrica pozitiva,pentru a compensa sarcina negativa a electronilor.Marea problema dupa descoperirea electronilor a fost identificarea materialului cu sarcina pozitiva  si descrierea modului in care acesta si electronii sunt aranjati in atom.Nucleul atomic a fost descoperit in experimentele efectuate la Universitatea din Manchester in 1910-1911 sub conducerea fizicianului Ernest Rutherford.In aceste experimente un fascicul de particule cu energie mare(particule alfa emise de radiu C,nu existau mari acceleratoare ca astazi) a fost dirijat asupra unei foite subtiri de aur si s-a dedus distributia sarcinii electrice in atomii foitei din probabilitatea ca particulele sa fie imprastiate la diferite unghiuri de catre aceasta.Astfel Rutherford a reusit sa resolve problema dispunerii sarcinii electrice in interiorul atomului:sarcina pozitiva este concentrata intr-un nucleu de dimensiuni mici,in jurul caruia se invart electronii.Rezultatele lui Rutherford au ridicat insa intrebari la fel de grele ca si cele la care deja raspunsese.Ce anume determina dimensiunile si energiile orbitelor electronilor din atomi?De ce electronii care se rotesc pe orbite nu emit unde electromagnetice?Ce anume determina dimensiunile si energiile orbitelor electronilor din atomi? De ce electronii care se rotesc pe orbite nu emit unde electromagnetice?Acestor intrebari nu li se putea da un raspuns in contextul fizicii teoretice de la acel moment,dar un prim pas a fost facut de tanarul fizician danez Niels Hendrik David Bohr,care l-a vizitat pe Rutherford la Manchester in 1912.Bohr a emis ipoteza ca atomii si moleculele pot exista doar in anumite stari ,configuratii stabile avand energii bine definite.Desi atomii sunt deseori asemuiti unor mici sisteme solare,exista o diferenta fundamental.In sistemul solar,orcarei planete i s-ar putea creste  ori scadea putin energia,mutand-o ceva mai aproape sau mai departe de Soare,dar starile unui atom sunt discrete-nu putem modifica energiile atomilor decat cu cantitati bine definite. In mod normal un atom sau o molecula se afla in starea cu energia cea mai joasa.Cand absoarbe lumina,atomul sau molecula sare dintr-o stare de energie mai joasa intr-una de energie mai inalta( si invers cand emite lumina).Einstein a inteles pentru prima data ca o raza de lumina e ste un flux alcatuit dintr-un  numar imens de particule  numite fotoni.Fotonii nu au masa sau sarcina electrica,dar fiecare are o anumita energie,invers proportional cu lungimea de unda a luminii.Considerate impreuna aceste idei ale lui Bohr si Einstein ne arata ca lumina  poate fi absorbita de un atom sau o molecula numai daca lungimea de unda a luminii are anumite valori.De ce atomii si moleculele se afla in stari discrete,fiecare cu o energie bine definite ?De ce anumite stari ale atomilor si moleculelor sunt extrem de usor de atins prin absorbtia fotonilor?Nu a fost posibil un raspuns la aceste intrebari decat dupa dezvoltarea mecanicii cuantice.Astfel lucrarile lui Bohr au condus in mod direct la dezvoltarea mecanicii cuantice din anii 1920.Particulele dintr-un atom sau molecula sunt descries in mecanica cuantica prin asa-numita functie de unda.Functia de unda se comporta asemanator  undei luminoase sau sonore,dar amplitudinea ei (de fapt patratul amplitudinii) corespunde probabilitatii de a gasi particulele  intr-o pozitie data.Cand ecuatiile mecanicii cuantice sunt aplicate atomului de cupru (spre exemplu) se dovedeste ca unul din electronii de pe o orbita exterioara de energie inalta a atomului e slab legat si poate sari usor prin absorbtia luminii vizibile pe urmatoarea orbita.Calculele mecanicii cuantice arata ca  diferenta dintre energiile atomului de cupru in cele doua stari este de 2 volti,exact energia unui foton corespunzand  luminii rosii-portocalii.Cat priveste fotonii,propietatile lor se explica aplicand in acelasi mod principiile mecanicii cuantice in cazul luminii.
           O vreme, multi fizicieni au crezut ca protonii, electronii si neutronii sunt cele mai mici particule. Dar, în 1968, experimentatorii de la Centrul Acceleratorului Liniar de la Stanford, folosindu-se de capacitatea sporita a tehnologiei de a sonda adancimile microscopice ale materiei, au descoperit ca nici protonii si nici neutronii nu sunt fundamentali.Ei au aratat ca fiecare dintre acestia constau din cate trei particule mai mici numite cuarci. Experimentatorii au confirmat ca exista doua tipuri de cuarci, numiti cu mult mai putina fantezie „up” (sus) si „down” (jos). Un proton este constituit din doi cuarci up si un cuarc down, iar un neutron, din doi cuarci down si un cuarc up.Tot ce se vede pe Pamant si pe cerul de deasupra noastra pare sa fie alcatuit din combinatii de electroni, cuarci up si cuarci down. Nu exista nici o dovada experimentala ca aceste particule ar fi compuse din ceva mai mic. Pe de alta parte, exista o multime de dovezi ca universul contine mai multe tipuri de particule. Frederick Reines si Clyde Cowan au obtinut dovezi experimentale concludente privind existenta unei a patra particule fundamentale, numita  neutrin – o particula a carei existenta fusese prezisa înca de la începutul anilor 1 930 de Wolfgang Pauli. Neutrinii s-au dovedit a fi foarte greu de gasit, deoarece sunt particule fantomatice care interactioneaza foarte rar cu alta materie: un neutrin de energie medie poate trece cu usurinta prin multe milioane de milioane de mile de plumb,fara sa-i fie afectata în vreun fel miscarea.La sfarsitul anilor 1 930, fizicienii care studiau razele cosmice (jeturi de particule venite din spatiu si care bombardeaza Pamantul) au descoperit particula numita miuon – identica cu electronul, dar avand o masa de 200 de ori mai mare.Folosind tehnologii din ce în ce mai avansate, fizicienii au continuat sa izbeasca una de alta bucati de materie, la energii din ce în ce mai înalte, recreand pentru scurt timp conditii nemaiîntalnite de la marea explozie. Au cautat apoi printre schije noi ingredienti fundamentali, pentru a-i adauga la lista particulelor aflata în continua crestere.Iata ce au descoperit: înca patru cuarci – charm (farmec), strange (straniu), bottom (baza) si top (varf) – si o alta ruda, si mai grea, a electronului, numita tau, împreuna cu alte doua particule cu proprietati  similare neutrinului (numite neutrinul miuonic si neutrinul taonic, pentru a le deosebi de neutrinul initial care acum se numeste neutrinul electronic). Aceste particule sunt produse prin ciocniri la energie înalta, iar existenta lor este efemera; ele nu sunt printre constituentii tipici ai unui unui element întalnit în mod obisnuit in univers.Dar nici acesta nu e sfarsitul povestii. Fiecare dintre aceste particule are un partener antiparticula o particula de masa identica, dar avand unele proprietati opuse,de exemplu sarcina electrica (sau sarcinile corespunzatoare altor tipuri de forte, prezentate mai j os). De exemplu antiparticula unui electron se numeste pozitron- are exact aceeasi masa ca electronul, însa sarcina lui ectrica este + 1 , în timp ce sarcina electrica a electronului este-1. Atunci cand vin în contact, materia si antimateria se pot anihila reciproc, producand energie pura – de aceea în lumea înconjuratoare antiimateria apare extrem de rar.Fizicienii au identificat o schema careia i se supun aceste particule de materie încadrandu-le cu precizie în trei grupari, numite: familii. Fiecare familie contine doi dintre cuarci,un electron sau o ruda a lui si una din speciile de neutrini. Tipurile de particule corespunzatoare fiecareia dintre cele trei familii au proprietati identice, cu exceptia masei, care creste de la o familie la alta.Rezultatul este ca acum fizicienii au sondat structura materiei pana la scari de ordinul unei miliardimi dintr-o miliardime de metru si au aratat ca tot ce s-a întalnit pana acum – indiferent daca exista în mod natural sau este produs artificial cu ajutorul gigantelor acceleratoare de particule – consta dintr-o combinatie a particulelor din aceste trei familii si din partenerii lor antimaterie.
Lucrurile se complica si mai tare atunci cand luam în considerare si fortele din natura. Lumea din jurul nostru este plina de modalitati de exercitare a influentelor: mingile pot fi lovite cu bate, amatorii de parasutism se arunca spre pamant din avioane, magnetii pot sustine trenuri foarte rapide suspendate deasupra sinelor metalice, contoarele Geiger pot ticai ca raspuns la prezenta unui material radioactiv,bombe nucleare pot exploada. Avem capacitatea de a influenta obiectele împingandu-le, tragandu-le sau scuturandu-le; aruncand sau tragand în ele cu alte obiecte; întinzandu-le, rasucindu-le sau strivindu-le; ori înghetandu-le, încalzindu-le sau arzandu-le. În cursul ultimei sute de ani, fizicienii au adunat dovezi peste dovezi ca toate aceste interactii dintre diverse obiecte si materiale, precum si alte milioane si milioane de alte interactii posibile întalnite zilnic pot fi reduse la o combinatie de patru forte fundamentale. Una dintre ele este forta gravitationala. Celelalte trei sunt forta electromagnetica, forta slaba si forta tare.
       Gravitatia este cea mai familiara dintre forte, fiind raspunzatoare de pastrarea Pamantului pe orbita în jurul Soarelui si de mentinerea noastra cu picioarele ferm lipite de Pamant. Masa unui obiect masoara forta gravitationala pe care acesta o poate simti si exercita. Forta electromagnetica este a doua dintre fortele cu care suntem obisnuiti. Ea este cea care ne aduce toate înlesnirile vietii modeme – lumina, calculatorul, televizorul, telefoanele -, ea se afla în spatele puterii uluitoare a fulgerului si te face sa simti o usoara atingere de mana. Din punct de vedere microscopic, sarcina electrica a unei particule joaca acelasi rol pentru forta electromagnetica ca si masa pentru ‘forta gravitationala:ca determina capacitatea particulelor de a exercita sau de a raspunde la interactia electromagnetica.
      Fortele slabe si cele tari ne sunt mai putin familiare, pentru ca taria lor scade rapid cand este depasita scara subatomica; ele sunt fortele nucleare. Acesta este motivul pentru care aceste forte au fost doar de curand descoperite. Forta tare este cea care tine cuarcii strans „lipiti” în interiorul protonilor si neutronilor si mentine protonii si neutronii „înghesuiti” în interiorul nucleelor atomice. Forta slaba este în general cunoscuta ca fiind responsabila pentru descompunerea radioactiva a unor substante, cum ar fi uraniul si cobaltul.Forta nuclear slaba face ca un neutron din nucleu sa se transforme in proton,in acelasi timp aparand un electron si o alta particular,numita azi antineutin, care sunt expulzate din nucleu.Acest lucru ( sa schimbi identitatea unor particule)nu e permis nici unui alt tip de forta.
        În ultima suta de ani, fizicienii au descoperit doua caracteristici comune tuturor acestor forte. În primul rand la nivel microscopic, tuturor acestor forte li se asociaza cate o particula, pe care o putem considera ca fiind cel mai mic pachet de forta.Deci fortele dintre particule pot lua nastere doar prin schimbul altor particule.Mai mult,toate aceste particule sunt pachete de energie,sau cuante,ale diferitelor tipuri de campuri. Un camp cum este cel electric sau magnetic este un fel de tensiune in spatiu,asemanatoare diferitelor tipuri de tensiuni ce pot aparea intr-un carp solid,dar campul este o tensiune in spatial insusi.Exista un anume tip de camp pentru fiecare  specie de particular elementara.Exista un camp electronic ale carui cuante sunt electronii;exista un camp electromagnetic( constand din campurile electric si magnetic) ale carui cuante sunt fotonii.Neutrinii sunt pachete de energie ale campului neutrinic si asa mai departe.In teoria cuantica a campului toate particulele elementare sunt pachete de energie in diferite campuri.Ecuatiile unei teorii a campului cum este modelul standard nu opereaza cu particule ,ci cu campuri;particulele apar ca manifestari ale acestor campuri.De ce lumea e alcatuita exact din aceste campuri;campurile   electronului, cuarcilor,fotonului si asa mai departe ?De ce natura asculta de principiile relativitatii si mecanicii cuantice? Imi pare rau aceste intrebari sunt inca fara raspuns.Daca trageti cu o raza laser – un „pistol cu raze electromagnetice”-, atunci declansati un suvoi de fotoni, care sunt cele mai mici pachete de forta electromagnetica. În mod similar, cei mai mici constituenti ai campurilor de forte slaba si tare sunt particulele numite bosonii de etalonare slaba si gluonii. Pana în  1984,experimentatorii stabilisera definitiv existenta si proprietatile detaliate ale acestor trei tipuri de particule de forta.Fizicienii considera ca si forta gravitationala are o particular asociata, gravitonul, însa existenta lui nu a fost confirmata experimental pana acum.A doua caracteristica comuna celor patru tipuri de forte este aceea ca, asa cum masa unei particule determina modul în care ea este afectata de gravitatie si cum sarcina ei electrica determina cat de mult interactioneaza electromagnetic, particulele sunt înzestrate cu anumite cantitati de „sarcina tare” sau de „sarcina slaba,” care determina modul în care sunt afectate de fortele tari si slabe.Dar, ca si în cazul maselor particulelor, dincolo de faptul ca experimentatorii au masurat cu atentie aceste proprietati, nimeni nu a putut explica de ce universul nostru este compus anume din aceste particule, cu aceste valori ale maselor si sarcinilor de forta. În ciuda caracteristicilor comune, o examinare a fortelor fundamentale serveste doar la formularea întrebarilor. De ce, de exemplu, exista patru forte fundamentale? De ce nu cinci, nu trei sau poate chiar numai una? De ce fortele au proprietati atat de diferite? De ce fortele tari si slabe sunt constranse sa actioneze doar la scara microscopica, în timp ce gravitatia si forta electromagnetica au o raza nelimitata de influenta? Si de ce exista asemenea diferente enorme între tariile intrinseci ale acestor forte? Pentru a întelege semnificatia acestei ultime întrebari, imaginati-va ca tineti un electron în mana stanga si un alt electron în mana dreapta si ca apropiati aceste doua particule identice încarcate electric pana la o distanta foarte mica. Atractia gravitationala reciproca va apropia particulele, în timp ce respingerea electromagnetica va încerca sa le îndeparteze. Care este mai puternica? Nu se compara: respingerea electromagnetica este de aproximativ un milion de miliard de miliard de miliard de miliard de ori ( 1 042) mai puternica! Singurul motiv pentru care forta electromagnetica nu copleseste total gravitatia în lumea din jurul nostru este ca majoritatea obiectelor sunt compuse din cantitati egale de sarcina electrica pozitiva si negativa, iar fortele acestora se anuleaza reciproc. Pe de alta parte, cum gravitatia este întotdeauna atractiva, nu exista anulari analoge – mai multa materie înseamna o forta gravitationala mai mare. Însa, din punct de vedere fundamental, gravitatia este o forta extrem de slaba. Acesta este motivul pentru care e atat de greu de confirmat experimental existenta gravitonului.Cautarea celui mai mic pachet al fortei celei mai slabe este o provocare uriasa pentru fizicieni .Experimentele au mai aratat ca forta tare este cam de o suta de ori mai puternica decat forta electromagnetica si de o suta de mii de ori mai puternica decat forta slaba. Dar care este ratiunea – asa-numita raison d ‘etre – pentru care universul nostru are aceste caracteristici?Universul ar fi cu totul diferit daca proprietatile particulelor de materie si de forta ar fi doar usor modificate. De exemplu, existenta nucleelor stabile care alcatuiesc cele o suta si ceva de elemente ale tabelului periodic depind critic de raportul dintre puterea fortei tari si cea a fortei electromagnetice. Protonii înghesuiti în nucleele atomice se resping electromagnetic unul pe altul; din fericire, forta tare care actioneaza asupra cuarcilor constituenti anihileaza aceasta respingere si mentine protonii strans legati. Dar o schimbare relativ de mica în taria relativa a acestor doua forte ar perturba echilibrul existent si ar face ca majoritatea nucleelor atomice sa  se dezintegreze. Mai mult, daca masa lor ar fi doar de cateva ori mai mare decat este în realitate, electronii si protonii s-ar combina formand neutroni, devorand nucleele de hidrogen (cel mai simplu element din cosmos, al carui nucleu consta dintr-un singur proton) si împiedicand astfel formarea elementelor mai complexe. Stelele se bazeaza pe fuziunea nucleelor stabile, asa ca ele nu s-ar mai putea forma în cazul unor asemenea modificari în fizica fundamentala. Taria fortei gravitationale joaca si ea un rol.Zdrobitoarea densitate a materiei din miezul unei stele alimenteaza furnalul nuclear al acesteia si da nastere orbitoarei lumini stelare. Daca taria fortei gravitationale ar creste, bulgarele stelar s-ar strange mai mult, producand o crestere semnificativa a ratei reactiilor nucleare. Dar, la fel cum o flacara stralucitoare îsi epuizeaza combustibilul mai rapid decat o lumanare care arde încet, o crestere a ratei reactiilor nucleare ar face ca stele precum Soarele sa arda mult mai rapid, iar acest lucru ar avea un efect devastator asupra aparitiei vietii, asa cum o cunoastem noi. Pe de alta parte, daca taria fortei gravitationale ar scadea semnificativ, materia nu s-ar mai lega, iar formarea stelelor, planetelor si galaxiilor nu ar mai putea avea loc.Am putea continua, dar ideea e clara: universul este asa cum este pentru ca particulele de materie si de forta au proprietatile pe care le au. Dar oare se poate explica stiintific de ce au ele aceste proprietati?
Fara indoiala, lista particulelor elementare nu este limitata la cele care formeaza atomii obisnuiti :electronul,protonul si neutronul.Cea de-a doua jumatate a secolului XX a fost martorul descoperirii multor noi tipuri de particule elementare.Aceste descoperiri nu numai ca au sporit catalogul particulelor,dar au produs si o revolutie in ce priveste insusi conceptul de particula elementara.Adevaratul scop spre care se indreapata studiile experimentale si teoretice asupra particulelor elementare nu este acela de a face o lista a particulelor si a propietatilor lor,ci acela de a intelege principiile fundamentale care fac ca natura-particulele,nucleele,atomii,pietrele si stelele-sa fie asa cum e.Studiul particulelor elementare este cea mai buna si poate singura cale spre legile fundamentale ale naturii.
             Una din cele mai mari descoperiri ce au inaugurat fizica secolului XX a fost descoperirea radioactivitatii.Cercetarile lui Rutherford,Antoine Henri Becquerel si ale sotilor  Marie si Piere Curie au aratat ca anumite elemente ca uranium,toriu,radiu( numite elemente radioactive) emite doua feluri de radiatii pe care le-au numit raze alfa si raze beta.Becquerel ,folosind metoda lui Thomson ,a constatat ca razele beta sunt deviate de campul magnetic in acelasi sens ca si razele catodice si masurand raportul masa/sarcina a gasit o valoare apropiata de cea gasita de Thomson pentru electroni.Era clar ca razele beta erau defapt electroni,insa electroni cu viteze mult mai mari decat cei din razele catodice.Identificarea razelor alfa cu ionii de heliu(de fapt,nuclee de heliu) a fost sugerata lui Rutherford de faptul ca heliul era asociat cu materialele radioactive.Pe atunci Rutherford nu stia,dar motivul pentru care particulele alfa sunt in mod obisnuit emise de atomii radioactivi este acelasi cu motivul pentru care heliul e un element frecvent in universul nostru:nucleul de heliu este de departe cel mai strans legat dintre nucleele atomice usoare.Cel de al treilea tip de radioactivitate era reprezentat de raze foarte penetrante( ca si razele beta si razele X),dar care (ca si razele alfa si razele X) nu pot fi deviate usor de un camp magnetic.Rutherford le-a numit raze gama si a demonstrate ca acestea ca si razele X,sunt lumina (fotoni) cu lungime de unda foarte mica.Asadar,razele alfa sunt nuclee de heliu,razele beta sunt electroni,iar razele gama sunt fotoni.Dar ce anume face ca atomii sa emita aceste raze ?In doua lucrari publicate in 1903,Rutherford si Soddy explicau ca radioactivitatea este de fapt transformarea(dezintegrare rdioactiva) unui element chimic in altul,transformare provocata de emiterea unor particule incarcate alfa sau beta.Aceasta era o afirmatie indrasneata-imuabilitatea elementelor chimice fiind o axioma a chimiei.Energia degajata in dezintegrarea radioactive este cam de 105 ori mai mare decat cea degajata in procesele chimice obisnuite.Pentru comparatie,energia degajata prin arderea unui combustibil obisnuit,cum este gazul natural,este de ordinal a 5×107 jouli pe kilogram.Energia  degajata de un kilogram de radiu cand toti atomii de radiu s-au transformat intr-un alt element prin emisia unei particule alfa este de aproximativ 5×1012 jouli pe kilogram.Astfel,pe aceste consideratii,Rutherford si Soddy au ajuns la concluzia ca energia latenta dintr-un atom trebuie sa fie enorma in comparatie cu cea care se elibereaza in transformarile chimice obisnuite.Satelitii de comunicatii si vehiculele spatiale(Apollo, Pioneer, Viking, Voyager) folosec generatoare termoelectrice cu radioizotopi pentru producerea energiei electrice necesare.In aceste generatoare,caldura  produsa de radiatia alfa a unui  radioizotop, cum ar fi Pu-238 ,este transformata in energie electrica cu ajutorul unor termocuple de inalata performanta.
            Ne putem intoarce acum la intrebarea  cum a intrat initial in nuclee energia care se elibereaza prin radioactivitate.Se crede ca universul a inceput printr-un “big-bang”,o mare explozie,dupa care gazul primordial fierbinte format din protoni si neutroni s-a racit foarte repede si la sfarsitul primelor trei minute s-a format hidrogenul si heliul.Nucleele de hidrogen au energia per particula nucleara mult mai mare decat cea a nucleelor de heliu,iar nucleele de heliu au energia per particular nucleara mult mai mare decat cea a atomilor de masa atomica medie.Cand s-au format stelele,nucleele de hidrogen au fuzionat in nuclee de heliu,iar nucleele de heliu au fuzionat in nuclee de masa atomica medie,degajand suficienta energie pentru a permite stelelor sa staluceasca miliarde de ani.In cele din urma,in furnalul stelelor,materia stelara evolueaza spre elemente din apropierea fierului,ale caror nuclee au cea mai mica energie per particular nucleara.Nu mai exista degajare de energie ,iar steaua incepe sa se raceasca.Deseori steaua se stinge ca o lumanare si devine o pitica neagra.Uneori devine instabila,incepe sa colapseze sub actiunea gravitatiei si apoi poate exploada formand cea ce astronomii numesc o supernova.In timpul acestei explozii din interiorul stelei se elibereaza un flux imens de neutroni. Neutronii care lovesc nucleele de masa atomica medie aflate in straturile exterioare ale stelei formeaza tot felul de elemente mai grele,pana la uraniu.Steaua care exploadeaza isi arunca in spatiu straturile exterioare ce vor forma o parte a materiei interstelare din care se va forma in cele din urma o alta generatie de stele asa cum s-a format si Soarele noastru.Confor m acestui scenariu,energia elementelor radioactive naturale,ca toriu si uraniu,a fost pusa in ele de neutronii degajati in exploziile stelelor si se datoreaza in cele din urma fortei de atractie gravitationale care a furnizat energia exploziilor stelare.Poate parea contrar intuitiei ca un intreg univers,cu dimensiunea de paisprezece miliarde de ani lumina,a putut aparea dintr-un germene infinitesimal.Acest lucru e posibil deoarece,oricat de mare a fost dilatarea universului,energia neta a universului poate sa ramana zero.Orice corp are energia mc2,conform celebrei relatii a lui Einstein.Dar orice corp are deasemenea o energie negativa datorita gravitatiei.Avem nevoie de energie pentru a iesi din atractia gravitational a Pamantului (arderea unei cantitati suficiente de combustibil intr-o racheta pentru a atinge o viteza de 11,2km pe secunda).La suprafata Pamantului avem deci un deficit de energie in comparative cu un astronaut din spatiu.Dar deficitul(numit in termini de specialitate “energie potential gravitational”) datorat tuturor corpurilor din univers luate impreuna,ar putea fi de minus mc2.Cu alte cuvinte ,universul constituie pentru el un “put gravitational” atat de adanc,incat orice corp din el are o energie gravitational negatia care ii compenseaza exact energia de repaus.Astfel costul total al umflarii universului nostru ar putea fi in realitate zero.
In anii din urma,neutronul a capatat o semnificatie amenintatoare din punct de vedere practic.Neutronii nu au sarcina electrica,astfel ca nu sunt afectati de campurile electrice intense din apropierea unui nucleu,care resping perticulele alfa si alte particule.Ca urmare,asa cum a aratat Rutherford in conferinta Baker din 1920,ei sunt capabili sa patrunda in nuclee mai grele si sa produca o dezintegrare nucleara.In 1938 Otto Hahn si Fritz Strassmann au descoperit ca neutronii pot face ca nucleele grele sa sufere o fisiune.Fiecare fisiune poate produce mai mult de un neutron,astfel incat devine posibila o reactie nucleara in lant.Inca nu e clar daca noi oamenii vom invata sa stapanim pe depin aceasta mare descoperire.Totusi un grup de fizicieni ,aici in Romania ,sus pe culmea unui deal din Mioveni-Arges ,a reusit sa dezvolte cu succes combustibilul nuclear destinat reactorilor nucleari de la Cernavoda!

 

 Mecanica cuantica.Electrodinamica cuantica.Modelul standard

Pentru Isaac Newton si cei care au venit dupa el ,lumea fizica era un mecanism determinist precis,al carui trecut ii determina viitorul la fel de sigur ca faptul ca”ziua urmeaza noptii”.pentru ei legile fizicii erau reguli(ecuatii) care exprimau acest determinism intr-un limbaj matematic precis.De exemlu,se putea determina cum se misca obiectele pe traiectorii precise,date fiind pozitiile lor initiale (incluzand si vitezele initiale).Marele fizician si mathematician francez din secolul XVIII Pierre-Simon de Laplace spunea ca daca, la un anumit moment,noi (niste minti superluminate) am cunoaste pozitia si viteza fiecarei particule din univers,atunci am putea sa calculam viitorul exact al lumii in care traim.La prima vedere universul pare guvenat de legi inradacinate in concepte clasice :de pilda,o particula sau un corp avand pozitia si viteza bine determinate la orice moment de timp. Dar dupa o cercetare amanuntita la nivel microscopic ne dam seama ca aceste idei clasice familiare noua trebuie modificate.Aceasta imagine ultra-determinista a naturii a fost paradigma dominanat pana cand,la inceputul secolului XX,celebrul fizician Albert Einstein a facut un pas inainte si a schimbat totul.Desi Einstein e celebru mai ales pentru teoria relativitatii,mutatia sa cea mai indrasneata si mai radicala priveste lumea stranie a mecanicii cuantice.Evolutia fizicii ne-a facut sa trecem de la cadrul clasic la unul modificat de perspectiva cuantica.Universul este guvernat cu o precizie extrema de mecanica cuantica.Fizicienii au inteles ca legile fizicii sunt defapt legi cuantice.Mecanica cuantica trateaza fenomene la scara extrem de mica, cum ar fi o milionime dintr-o milionime de centimetru.Mecanica cuantica a fost inventata pentru a explica de ce atomii sunt stabili si nu se dezintegreaza instantaneu,cum ar fi fost cazul in orice incercare de a descrie structura atomilor folosind fizica newtoniana. Electronii sunt atrasi de protoni. De ce nu cad electronii în nucleul atomului? Conform teoriei electromagnetismului creata de fizicianul scotian James Clerk Maxwell, o sarcina electrica, precum electronul, deplasându-se pe o traiectorie care nu e o linie dreapta va pierde pierde energie sub forma de unde electromagnetice. O consecinta a acestei pierderi de energie este imposibilitatea de a se mai opune atractiei electrice si caderea electronului în nucleu. Procesul ar fi extrem de rapid, practic într-o fractiune de secunda electronul si-ar pierde întreaga energie, iar atomii de hidrogen nu ar putea exista, iar lectura acestuia articol nu ar fi posibila…Salvarea situatiei vine de la mecanica cuantica, dar înaelegerea exacta a fenomenului este destul de contraintuitiva….Nasterea mecanicii cuantice s-a produs in 1925 cand tanarul fizician Werner Heisenberg s-a hotarat sa  sa resolve problema ridicata de Niels Bohr privind teoria atomului:de ce  ocupa electronii in atomi numai anumite orbite permise,cu anumite energii bine definite ?Din moment ce nimeni nu putea observa vreodata direct orbita electronului  in atom ,Heisenberg s-a hotarat sa opereze numai cu marimi ce pot fi masurate,si anume cu energiile starilor cuantice in care toti electronii atomului ocupa doar orbite premise si cu ratele la care un atom ar putea efectua o tranzitie spontana dintr-o stare cuantica in alta prin emisia unei particule de lumina (foton).Mecanica cuantica predata in facultati si  folosita de fizicieni si chimisti nu e de fapt mecanica matriciala a lui Hisenberg,ci un formalism matematic echivalent-mult mai comod insa-dezvoltat ceva mai tarziu de Erwin Schrodinger.In versiunea mecanicii cuantice dezvoltate de Scrodinger,fiecare stare fizica posibila a unui sistem e descrisa printr-o cantitate numita functia de unda a sistemului , oarecum asemanator modului in care lumina e descrisa ca o unda a campurilor electric si magnetic.De fapt abordarea mecanicii cuantice prin functii de unda aparuse inainte de lucrarile lui Heisenberg si ale lui Schrodinger atunci cand De Broglie in teza sa de doctorat a intuit ca electronul poate fi privit ca un fel de unda avand o lungime de unda legata de impulsul sau ,la fel cum lungimile se unda ale luminii sunt legate de impulsul fotonilor ,conform teoriei lui Einstein.De Broglie nu a banuit insa semnificatia fizica a undei si nu a inventat nici o ecuatie dinamica de unda.Schrodinger a fost acela care a transformat idea lui De Broglie privind unda electronului intr-un formalism matematic precis si coerent aplicabil electronilor sau altor particule din orice fel de atom sau molecula.In central abordarii lui Schrodinger se afla o ecuatie dinamica (cunoscuta de atunci ca ecuatia lui Schrodinger) care dicteaza modul in care unda oricarei particule date se modifica in timp.Folosind ecuatia Schrodinger ,fizicienii au putut calcula energiile si alte propietati pentru tot felul de atomi si molecule.In ciuda acestui succes,nici De Brogle  nici Schrodinger si nici vreun alt fizician nu au stiut la inceput ce fel de cantitate fizica oscila intr-o unda a electronului.A venit Max Born si a propus interpretarea functiei de unda in termini de probabilitati .E natural sa descrii electronul calatorind prin spatiul gol ca un pachet de unde .Ecuatia lui Schrodinger arata ca atunci cand un asemenea pachet de unde loveste un atom,el se destrama;undele se imprastie in toate directiile,la fel ca stropii de apa atunci cand jetul unui furtun loveste o piatra.E un lucru straniu;electronii care lovesc atomii zbara intr-o directive sau alta fara sa se rupa-ei raman electroni.Electronul nu se rupe dar poate fi imprastiat in orice directive,iar probabilitatea ca elecronul sa fie imprastiat intr-o anumita directie este mai mare acolo unde valorile functiei de unda sunt mai mari.Cu alte cuvinte ,undele elecronului sunt unde care reprezinta ceva;semnificatia lor este ca valoarea functiei de unda in orice punct ne da probabilitatea ca electronul sa se afle in acel punct sau in apropierea lui.Succesul mecanicii cuantice in calculul propietatilor moleculelor foarte simple a aratat limpede ca legile chimiei sunt determinate de legile fizicii.
          Mecanica cuantica a fost cel mai mare soc din fizica.La nivel cuantic,lumea e un loc agitat,fluctuant cu probabilitati si incertitudini. Mecanica cuantica nu e o teorie care prezice viitorul pornind de la trecut asa cum face mecanica newtoniana,ci determina  in schimb probabilitati pentru posibilele rezultate alternative privind viitorul unei particule. Aceste probabilitati sunt cuprinse in obiectul matematic fundamental al mecanicii cuantice-functia de unda, a carei forma si  evolutie in timp este data de ecuatia lui Schrodinger.In inima structurii mecanicii cuantice se afla principiul de superpozitie si principiul de incertitudine.Principiul de superpozitie nu e usor de inteles deoarece e formulat in termeni aparent abstracti.Principiul de superpozitie spune ca daca un sistem cuantic se poate gasi  intr-una din starile A sau B ,cu propietati diferite,atunci el se poate gasi si intr-o combinatie a acestor stari,aA +bB,unde a si b sunt numere oarecare.Fiecare astfel de combinatie se numeste o superpozitie si fiecare reprezinta o stare fizica diferita.Pe de alta parte, conform principiului de incertitudine,nici o particula nu poate sta absolut nemiscata fara a contrazice acest principiu.O particula in repaos are o pozitie precisa,pentru ca nu se misca.Dar pentru acelasi motiv are si un impuls precis si anume zero.Aceasta contrazice principiul de icertitudine:nu putem cunoaste simultan cu o prcizie anume atat pozitia cat si impulsul unei particule.Principiul ne spune ca,daca cunoastem pozitia unei particule cu precizie absoluta,atunci suntem complet ignoranti cu privire la valoarea impulsului,si viceversa.Asadar legile mecanicii cuantice au un element aleator intrinsic,care nu poate fi eliminate niciodata.De ce nu-de ce nu putem prezice viitorul din cunoasterea pozitiilor si vitezelor initiale? Raspunsul este faimosul principiu de incertitudine al lui Heisenberg.Pozitia si viteza nu sunt singurele marimi care se supun principiului de incertitudine.Exista multe marimi de asa-numite marimi conjugate care nu pot fi determinate simultan:cu cat este una mai bine fixata, cu atat mai mult fluctueaza cealalta.Un exemplu foare important este principiul de incertitudine energie-timp: este imposibil sa determinam atat timpul exact la care are loc un eveniment,cat si energia exacta a obiectelor implicate.Principiul de incertitudine energie -timp limiteaza precizia cu care se poate controla energia a doua particule care se cicocnesc si deasemenea si momentul de timp la care se ciocnesc ele.Principiul se aplica deasemenea campurilor care strabat spatial, precum campul electric si magnetic ce transporta fortele produse de magneti si curenti electrici.Datorita principiului de incertitudine al lui Heisenberg,e imposibil sa prezicem exact rezultatul unui experiment-imposibil in principiu.Ecuatiile fundamentale ale mecanicii cuantice determina o functie de unda si nimic mai mult,din care se calculeaza apoi probabilitatea unui rezultat.Conform mecanicii cuantice universul evolueaza supunandu-se unui formalism matematic riguros,dar acest cadru determina doar probabilitatea de avea un anumit viitor,nu si care va fi acel viitor.Mecanica cuantica a spart tiparul folosit de  mecanica clasica, stabilind ca previzunile stiintei sunt in mod necesar probabilistice.Fizica lui Newton ne-a dat un aparat matematic cu care putem calcula pozitiile si vitezele particulelor oricarui sistem la orice moment ulterior de timp prin cunoasterea completa (evident,imposibil de atins in practica) a volorilor acestora la orice moment dat. Dar mecanica cuantica a introdus un mod nou de a vorbi despre starea unui system.In mecanica cuantica vorbim despre constructii matematice numite functii de unda,care ne dau informatii despre probabilitatile diferitelor pozitii si viteze posibile.Cu multi ani in urma am petrecut ceva timp intrebandu-ma ce este real in aceasta lume cuantica.Sincer sa fiu si acum dupa ce au trecut atatia ani de cand in facultate am invatat mecanica cuantica nutresc un sentiment de neancredere.Problema cu teoria cuantica este ca nimic din experienta noastra de zi cu zi nu se intampla in modul descris de teorie.Toata lumea e de acord privind modul in care trebuie folosite ecuatiile mecanicii cuantice pentru a face predictii  extrem de precise,dar nu exista inca un consens privind sensul real al undelor de probabilitate sau despre modul cum isi “alege” o particula unul din numeroasele viitoruri posibile sau cum se despica pentru a trai ramificat toate viitorurile posibile intr-o arena de universuri paralele.Mecanica cuantica ne arata ca universul se bazeaza pe principii care din punctul de vedere al experientei noastre cotidiene sunt stranii.Ce sa intelegem din toate acestea? Inseamna oare ca la nivel microscopic universul functioneaza intr-un mod atat de obscur si neobisnuit, incat mintea umana care a evoluat de-a lungul epocilor pentru a face fata fenomenelor la scara vietii cotidiene este incapabila sa sesizeze “ce se petrece cu adevarat”?Sau poate ca, printr-un accident istoric,fizicienii au construit o formulare extrem de alambicata a mecanicii cuantice care,desi corecta din punct de vedere cantitativ,ascunde adevarata natura a realitatii? Nimeni nu stie.Poate ca in viitor un om inteligent va gasi o noua formulare a mecanicii cuantice care va lamuri complet ce-urile si de ce-urile mecanicii cuantice.Fizicianul Hugh Everett a inteles un lucru uluitor.Analiza lui,centrata pe o  lacuna in jurul careia Niels Bohr,marele maestru al mecanicii cuantice,se invartise dar pe care nu reusise sa o umple, a aratat ca o cunoastere in adevaratul sens al cuvantului a teoriei cuantice ar  putea necesita o retea vasata de universuri paralele.In abordarea lui Everett tot ce este posibil din punctul de vedere al mecanicii cuantice( adica toate rezultatele carora mecanica cuantica le atribuie probabilitate diferita de zero) se realizeaza in propia sa lume separata.Daca dintr-un calcul de mecanica cuantica rezulta ca o particula poate fi aici sau poate fi acolo,atunci intr-un univers este aici,iar in altul este acolo.Si in fiecare astfel de univers exista o copie a dumneavoastra,martor la un rezultat sau altul,considerand -incorrect-ca realitatea dumneavoastra este singura realitate. Aceasta este abordarea multe lumi a mecanicii cuantice. Contributia lui Everett a fost una din primele contributii motivate matematic care sugera ca am putea face parte dintr-n multiunivers.In fond daca spatiul se intinde la infinit-afirmatie care este in concordanta cu toate obsevatiile si care  face parte din modelul cosmologic sustinut de multi fizicieni si astronomi,atunci undeva(probabil foarte departe)trebuie sa existe zone in care copii ale mele si ale dumneavoastra si a tot ce ne inconjoara traiesc versiuni alternative ale realitatii de aici.Daca mecanica cuantica pare bizara sau chiar abusurda ar trebui sa retinem doua lucruri care ne fac sa credem in mecanica cuantica.In primul rand este o teorie coerenta din punct matematic.In al doilea rand furnizeaza predictii care au fost verificate cu o precizie uimitoare si fara de care nu am fi iregistrat astazi progresele uluitoare din electronica, calculatoare, aparatura medicala,tehnologii spatiale etc.Mecanica cuantica sta la baza tuturor proceselor fizice,de la fuziunea atomilor din soare pana la curentii neurali care genereaza in creier gandurile noastre. Ulterior Heisenberg,Pauli,Fermi si alti fizicieni au dezvoltat o teorie matematica cunoscuta sub numele de teoria cuantica a campului, conform careia un camp este alcatuit din particule infnitezimale numite cuante ale campului si toate particulele pot fi considerate ca mici aglomerari de energie si impuls.Pentru campul electromagnetic cuantele sunt fotonii.Fizicienii si-au concentrat eforturile inovatoare mai intai spre impletirea relativitatii speciale cu conceptele cuantice in descrierea fortei elecromagnetice si a interactiei ei cu materia.Printr-o serie de descoperiri inspirate ei au creat electrodinamica cuantica.Teoria acestei lumi simplificate formata din electroni,fotoni si nuclee este electrodinamica cuantica,iar versiunea sa data de Feyman a avut un suces incredibil.Electrodinamica cuantica este probabil cea mai precisa teorie a naturii creata pana acum.Din calcule efectuate cu ajutorul electrodinamicii cuantice rezulta predictii cu privire la propietatile electronilor,pozitronilor si fotonilor care au fost verificate experimental si intelese cu o precizie uluitoare.Nu exista niciun  rezultat obtinut in urma experimentelor care sa-i contrazica previziunile.In 1965,Feynman,Schwinger si fizicianul japonez Tomonaga au primit Premiul Nobel pentru lucrarile lor asupra electrodinamicii cuantice.Nimic interesant nu s-ar intampla vreodata daca am avea de-a face doar cu miscarea libera a electronilor si fotonilor.Dar aceste miscari au loc ambele intr-o actiune coordonata care e raspunzatoare pentru tot ce e interesant in natura.Sa ne gandim numai la ce se intampla cand electronii trec dintr-un nor in altul in timpul unui fulger luminos.Noaptea se transforma brusc in zi. Bubuitul tunetului se datoreaza undei de soc produse de ciocnirea electronilor rapid accelerati cu moleculele de aer care le stau in cale.De unde provine lumina care inunda spectaculos cerul pret de o secunda? Raspunsul ne duce iar la electronii individuali.Cand miscarea unui electron este brusc perturbata,el poate raspunde producand un foton.Acest proces,numit emisie fotonica ,este evenimentul fundamental in electrodinamica cuantica.La fel cum toata materia e alcatuita din particule,toate procesele fizice constau din evenimentele elementare de emisie si absortie.Astfel electronul-in timp ce se misca prin spatiul-timp-poate sa arunce brusc in afara o singura cuanta(sau foton) de lumina.In coditiile obisnuite,lumina vizibila este absorbita sau emisa atunci cand electronii dintr-un atom sunt excitati pe orbite de energie mai inalta sau, respective,revin pe orbite de energie mai joasa.Toata lumina pe care o vedem,la fel ca undele radio,radiatia infrarosie,razele X, e compusa din fotoni care au fost emisi de electroni,din Soare sau din filamentul unui bec luminous,dintr-o antenna radio sau dintr-o sursa de raze X.Electrodinamica cuantica este mai mult decat teoria electronilor si fotonilor :este fundamentul pentru teoria intregii materii. Se stie ca electronii din atom determina propietatile chimice ale tuturor elementelor din tabelul periodic.Daca electronul este eroul electrodinamicii cuantice,fotonul este camaradul care face cu putinta ispravile electronului.Lumina emisa de un bec aprins se reduce la evenimente microscopice in care electroni individuali emit fotoni atunci cand sunt acelerati.Toata teoria electrodinamicii cuantice se invarte in jurul unui proces fundamental:emisia unui singur foton de catre un singur electron.Fotonii joaca si ei un rol indispensbil in atom.Intr-un anume sens fotonii sunt funiile care leaga electronii de nucleu.Daca fotonii ar fi eliminati brusc de pe lista particulelor elementare,orice atom s-ar dezintegra instantaneu.Referitor la electrodinamica cuantica  trebuie totusi sa recunoastem ca nu o itelegem pe deplin.Cunoastem principiile fundamentale ale teoriei si putem deduce din ele ecuatiile de baza care definesc teoria.Totusi,nu putem de fapt sa rezolvam aceste ecuatii,sau macar sa dovedim ca ele sunt consistente din punct de vedere matematic.Ca totul sa aiba sens recurgem la un subterfugiu.Facem cateva presupuneri privind natura solutiilor-care dupa mai mult de saptezeci de ani sunt inca nedemonstrate-iar aceasta ne conduce la un procedeu de calcul aproximativ a ceea ce se intampla la interactiunea fotonilor cu electronii.Procedeul se numeste teoria perturbatiilor.Este foarte util pentru ca ne conduce la raspunsuri care sunt in foarte bun acord cu experienta.Totusi,inca nu stim de fapt daca procedeul este consistent sau nu,ori cat de precis reflecta ce ar prezice o solutie exacta a teoriei.Teoria perturbatiilor este destul de usor de descries cu ajutorul diagramelor Feynman.Sucesul electrodinamicii cuantice a indemnat alti fizicieni,in anii 1960 si 1970, sa aplice aceileasi metode pentru a descrie forta slaba si forta tare.Prin analogie cu electrodinamica cuantica fizicienii au construit o teorie cuantica de camp pentru fortele tari numita cromodinamica cuantica si una pentru fortele slabe numita teoria cuantica electro-slaba.Cromodinamica cuantica este versiunea moderna a fizicii nucleare.Fizica nucleara conventionala a inceput cu protonii si neutronii(nucleonii),dar cromodinamica cuantica merge mai in profunzime.Acum se stie ca nucleonii nu sunt particule elementare.Atat protonul cat si neutronul sunt fiecare format din trei cuarci legati intre ei printr-o inlantuire de particule numite gluoni.Teoria cuarcilor si a glonilor-cromodinamica cuantica- este mai complicata decat electrodinamica cuantica si imposibil de explicat in cateva propozitii.Ca si cromodinamica cuantica si electrodinamica cuantica,interactiile slabe joaca un rol important in explicarea propriei noastre existente.Forta nuclear slaba si-a facut pentru prima data simtita prezenta atunci cand ,in 1896 Henri Becquerel a descoperit radioactivitatea. Radioactivitatea este de trei feluri,numite alfa,beta si gama.Ele corespund unor fenomene foarte diferite.Astazi stim ca razele beta  care proveneau din esantionul de uranium al lui Becquerel erau de fapt electroni emisi de neutronii din nucleul de uranium.Atunci cand emite un electron,neutronul se transforma imediat in proton.Forta nuclear slaba face ca un neutron din nucleu sa se transforme in proton,in acelasi timp aparand un electron si o alta particular, numita azi antineutin, care sunt expulzate din nucleu.Acest lucru ( sa schimbi identitatea unor particule)nu e permis nici unui alt tip de forta.Nimic din cromodinamica cuantica sau din electrodinamica cuantica nu explica felul in care un neutron poate sa emita un electron si sa se transforme in proton.Ceea ce Becquerel nu stia este ca o alta particular era emisa atunci cand neutronul se dezintegra,si anume antiparticula fantomaticului neutrin.Neutrinul este asemanator electronului dar el nu are sarcina electrica si are o masa infima.Atat despre interactiile slabe.
           Teoria moderna cunoscuta sub numele de Modelul Standard,care include aceste teorii si care descrie corect toate particulele elementare cunoscute si fortele care actioneaza asupra lor (cu exceptia gravitatiei) este o teorie cuantica de camp.Desigur modelul standard este un urias progres facut in fizica dar cu certitudine  nu este raspunsul final.Desi forta nucleara tare este inclusa in modelul standard( cromodinamica cuantica),ea apare ca ceva diferit de fortele electromagnetica si nucleara slaba ( teoria cuantica elecro-slaba),nu ca o parte dintr-o imagine unificata.Problemele modelului standard se leaga intr-un fel sau altul de fenomenul cunoscut sub numele de rupere spontana a simetriei.Descoperidea acestui fenomen a fost unul din marile progrese din stiinta secolului XX,mai intai in fizica starii condensate( cum ar fi inghetarea apei sau magnetizarea fierului) ,iar apoi in fizica particulelor  elementare.In fizica starii condensate,un magnet permanent obisnuit ofera un bun exemplu de rupere a simetriei.Ecuatiile care guverneaza atomii de fier si campul magnetic dintr-un magnet permanent sunt perfect simetrice in raport cu directiile din spatiu;nimic nu face distinctive intre nord si sud sau est sau intre sus si jos.Totusi,cand o bucata de fier este racita sub 7700C,in mod spontan apare un camp magnetic orientat intr-o anumita directve,rupand simetria intre diferitele directii.Asa cum magnetizarea unei bucati de fier poate fi anulata,iar simetria intre diferitele directii restaurata,radicand temperature fierului la peste 7700C ,si simetria dintre fortele slabe  si electromagnetic ear putea fi restaurata daca am putea ridica temperatura laboratorului nostru la cateva milioane de miliarde de grade.Conform cu cea mai simpla versiune a teoriei cosmologice general acceptate a big bang-ului,a existat un moment in urma cu 14 miliarde de ani cand temperatura universului era infinita.La aproximativ o zecime de miliardime de secunda dupa acest moment de inceput,temperatura universului scazuse la cateva milioane de miliarde de grade,iar in acest moment simetria dintre fortele slabe si electromagnetice a fost rupta In fine,in afara de problema unificarii celor patru forte,modelul standard are multe trasaturi care nu sunt dictate de pricipii fudamentale si care trebuie pur si simplu luate din experiment.Aceste trasaturi aparent arbitrare includ catalogul particulelor elementare si un numar de constante cum ar fi raporturile maselor particulelor elementare si chiar simetriile insesi. Nimeni nu stie de ce lista particulelor elementare este exact aceasta si de ce propietatile acestor particule (electroni,cuarci,gluoni,fotoni,etc) sunt exact asa cum sunt.Ne putem imagina cu usurinta ca oricare din aceste trasaturi ale modelului standard ar putea fi diferite. Evident modelul standard este un urias progres al fizicii dar cu certitudine nu este raspunsul final. Fizicienii cauta o teorie mai profunda decat modelul standard ,in care interactiile tari,slabe si electromagnetice sa fie unificate de un singur mare grup de simetii rupte spontan. Aducerea gravitatiei in cadrul teoriei cuantice a campului intampina mari dificultati fiindca e foarte dificil sa descrii gravitatia in limbajul teoriei cuantice a campului.Putem aplica pur si simplu regulile mecanicii cuantice la ecuatiile de camp ale relativitatii generale,dar atunci ajungem la vechea problema a infinitilor( dam peste probabilitati infinite !). In efortul de a depasi aceste dificultati a aparut nu demult un candidat pentru teoria finala  si anume teoria corzilor ,in care chiar campurile cuantice sunt manifestari la energi joase ale unor neregularitati in spatiu-timp numite corzi.
            De teoria finala s-ar putea sa ne desparta secole si ea ar putea fi complet diferita de tot ce ne inchipuim acum.Partea din fizica actual care e probabil sa supravietuiasca nemodificata intr-o teorie finala e mecanica cuantica.Aceasta nu numai pentru ca mecanica cuantica sta la baza intregului nostrum mod de a intelege material si forta si a trecut teste experimentale extreme de severe;mai important e faptul ca nimeni nu putut agasi o cale de a modifica mecanica cuantica,asa incat sa-I pastreze succesele fara sa ajunga la absurditati logice.Actualul nostru model standard al fortelor slabe,electromagnetice si tari se bazeaza pe simetrii:simetriile spatio-temporale ale relativitatii speciale,care impun ca modelul standard sa fie formulat ca o teorie de camp,si simetriile interne care dicteaza existent campului electromagnetic si a celorlalte campuri purtatoare de forte din modelul standard. Gravitatia,de asemenea,poate fi inteleasa pe baza unui principiu de simetrie,simetria din teoria relativitatii generale,care stabileste ca legile naturii trebuie sa fie invariante in raport cu toate schimbarile posibile ale felului in care descriem pozitiile in spatiu si timp.Pornind de la aceasta experienta se presupune ca o teorie finala  in general se va baza pe principia de simetrie.Ne asteptam ca aceste simetrii sa unifice gravitatia cu forta slaba, electromagnetic si tare din modelul standard.

Teoria cuantica a gravitatiei

         Domeniul obisnuit de aplicare a teoriei relativitatii generale este cel al distantelor mari,astronomice.Pentru astfel de distante,teoria lui Einstein spune ca absenta masei implica faptul ca spatiul e plat si neted chiar si la nivel microscopic.In incercarea de a combina relativitatea generala cu mecanica cuantica va trebui sa examinam mai atent propietatile microscopice ale spatiului.Potrivit mecanicii cuantice la nivel microscopic totul e supus fluctuatiilor cuantice inerente principiului de incertitudine-chiar si campul gravitational.Notiunea de geometrie spatiala neteda,principiul central al teoriei generale a relativitatii ,este distrusa de fluctuatiile violente ale lumii cuantice la scara distantelor mici.Principiul de incertitudine ne spune ca universul este involburat atunci cand este examinat la o scara dimensionala din ce in ce mai mica si la o scara de timp din ce in ce mai scurta.Chiar si intr-o regiune goala a spatiului,principiul de incertitudine ne spune ca din punct de vedere microscopic,se desfasoara o formidabila activitate,energia si impulsul fluctueaza intre extreme ce cresc odata cu micsorarea dimensiunii si a duratei de timp pe care se face obsevatia.Asta inca nu explica de unde provin aceste fluctuatii cuantice haotice.Ele au legatura cu un alt concept central din teoria cuantica,si anume acela ca exista corelatii nelocale intre sistemele cuantice.Aceste corelatii pot fi observate in anumite situatii speciale,ca de exemplu in experimentul Einstein-Podolski-Rosen.Asa deci, la scara microscopica trasatura centrala a mecanicii cuantice –principiul de icertitudine-este in conflic direct  cu principiul de baza al teoriei relativitatii generale-modelul neted al spatiului -timp.Cu alte cuvinte,ecuatiile teoriei generale a relativitatii nu fac fata freneziei spumei cuantice care apare  la nivel microscopic.Exista obstacole matematice formidabile in descrierea gravitatiei cu acelasi limbaj pe care il folosim in mecanica cuantica.Ori de cate ori ecuatiile relativitatii generale sunt combinate cu cele ale teoriei cuantice se obtin contradictii matematice cum ar fi probabilitati infinite.Prin definitie valoarea unei probabilitati trebuie sa fie intre 0 si 1.O probabilitate infinita este ceva fara sens.Fizicienii au pus esecul pe seama incertitudinii cuantice.Deoarece campul gravitational este impletit in chiar structura spatiu-timp,oscilatiile sale cuantice seamana cu un cutremur care clatina intreaga structura si metodele matematice dau gres.Alti fizicieni au ignorant aceasta problema pentru ca apare doar in conditii extreme.Gravitatia isi face simtita prezenta in cazul obiectelor foarte mari,mecanica cuantica in cazul celor foarte mici.Si rara este zona care sa fie si mare si mica,astfel incat sa trebuiasca sa folosim atat mecanica cuantica cat si relativitatea generala pentru a o descrie.Totusi exista si asemenea zone.Cand gravitatia si mecanica cuantica sunt indreptate impreuna fie asupra Big Bang-ului,fie asupra gaurilor negre,zone care chiar implica  o masa enorma comprimata intr-o dimensiune foarte mica,matematica da gres,lasandu-ne cu intrebari fara raspuns in privinta inceputului universului si a modului in care,in centrul distrugator al unei gauri negre,s-ar putea sfarsi universul.Cum mecanica cuantica nu este compatibila cu teoria generala a relativitatii, unul dintre eforturile majore ale fizicii de astazi este cautarea unei noi teorii care sa  incorporeze mecanica cuantica si teoria generala a relativitatii intr-o teorie cuantica a gravitatiei. Nu avem inca o teorie de acest fel si speram sa nu dureze prea mult pana sa avem una, dar cunoastem deja multe din proprietatile ei.Atunci cand va exista o teorie cuantica a gravitatiei, ea va da cu siguranta noi raspunsuri la intrebarile despre spatiu si timp. In plus, teoria cuantica a gravitatiei va fi de asemenea o teorie a materiei.Va trebui sa includa cunostintele dobandite in ultimul secol asupra particulelor elementare si asupra fortelor care le guverneaza.Va fi de asemenea o teorie cosmologica.Va raspunde la ceea ce acum par intrebari foarte misterioase despre originea universului, de pilda: Marea Explozie(Big Bang-ul) a fost primul moment, sau doar o tranzitie de la o alta lume diferita care a existat mai inainte? Ar putea chiar sa ne ajute sa raspundem la intrebarea daca universul a fost sortit sa contina viata, sau daca propria nostra existenta este doar consecinta unui accident norocos.Multi fizicieni sunt convinsi ca  teoria corzilor ar putea fi raspunsul cautat.Teoria corzilor ofera un cadru explicativ unic capabil sa cuprinda toate fortele si toata materia.In teoria corzilor campurile cuantice sunt doar manifestari la energii joase  ale unor neregularitati din spatiu-timp,numite corzi.In continuare, potrivit mecanicii cuantice toate particulele sunt pachete de energie in diferite campuri.Astfel se ajunge la concluzia ca pentru alcatuirea lumii,lista ingredientilor nu mai contine particule ci doar cateva campuri generate de neregularitatile spatiu-timp.Ne putem inchipui aceste corzi ca niste incretituri unidimensionale in textura neteda a spatiului.Se presupune ca dimensiunile corzilor sunt foarte mici si ca o coarda apare ca o particula punctiforma.Deoarece o coarda apare in nenumarate moduri posibile de vibratie,ea apare ca o particular ce apartine orcarei specii de particule elementare cunoscute,specii corespunzand modului  specific in care vibreaza coarda.Teoria corzilor este o teorie in dezvoltare , a carei finalizare partiala a dus deja la dezvaluiri uluitoare despre natura spatiului,timpului si materiei.Potrivit acestei teorii textura microscopica a universului nostru este un labirint multidimensional  bogat intretesut,in care corzile se rasucesc si vibreaza  fara incetare batand tactul legilor cosmosului.Departe de a fi niste detalii accidentale,proprietatile  fundamentale ale naturii sunt profund impletite in textura spatiului si a timpului.Faptul ca gravitatia este o consecinta a teoriei corzilor  constituie una din marile descoperiri .Pentru ca teoria corzilor sa fie valabila universul trebuie sa aibe noua dimensiuni spatiale si una temporala(sau poate chiar doua),deci in total zece dimensiuni.Datorita faptului ca modurile de vibratie ale corzilor apar sub forma maselor sau sarcinilor particulelor elementare,tragem concluzia ca aceste proprietati fundamentale sunt determinate intr-o mare masura de forma geometrica si marimea dimensiunilor suplimentare.Aceasta este una din descoperirile cu bataie lunga ale toriei corzilor.Ecuatiile care rezulta din teorie restang intr-un mod foarte precis forma geometrica pe care o pot lua dimensiunile suplimentare la formele geometrice Calabi-Yau.Problema este ca deocamdata nimeni nu stie cum sa deduca din ecuatiile teoriei corzilor care dintre formele Calabi-Yau constituie dimensiunile suplimentare.Cadrul matematic al teoriei corzilor este atat de complicat,incat fizicienii nu pot face decat calcule aproximative folosind un formalism al teoriei perturbatiilor.Telul actualelor cercetari in teoria corzilor este de a elabora metode teoretice care sa depaseasca aceste abordari aproximative.In fond gravitatia cuantica poate fi abordata pe trei cai:termodinamica gaurilor negre,gravitatia cuantica cu bucle si teoria corzilor.Desi au puncte de plecare diferite cele trei cai concorda  asupra faptului ca la scara Planck spatiul si timpul nu poat fi continue.Totusi cele trei imagini ale spatiu-timp la care se ajunge par a fi destul de diferite.Astfel ,ramane sa unim cele trei imagini spatiu-timp pentru a obtine una singura care o data inteleasa va deveni drumul final catre gravitatia cuantica.Daca cele trei abordari diferite vor fi unificate,atunci va trebui sa existe un principiu care sa exprime discontinuitatea geometriei cuantice intr-un mod consistent cu cele trei abordari.Un astfel de principiu odata gasit,va servi ca ghid in combinarea celor trei abordari.De fapt,un asfel de principiu a fost deja propus de curand.El se numeste principiul holografic.Principiul holografic,bazat pe lucrarile lui Hawking si Bekenstein si care este o consecinta a celei de-a doua legi a termodinamicii aplicata gaurilor negre,  ne spune  ca lumea este de fapt o retea de holograme,fiecare continand codificate in ea informatii privind relatiile cu celelalte holograme. Acest principiu arata ca relatiile nu implica nimic altceva decat schimb de informatie.Este gresit sa gandim lumea ca fiind alcatuita din obiecte.Nu exista nimic in afara proceselor prin care informatia este transmisa dintr-o parte a lumii in alta.Tot cea ce percepem noi in spatiu-timp ar putea fi descris intocmai ca un proces ce se petrece pe o suprafata indepartata la frontiera Universului.Realitatea tridimensionala pe care o cunoastem este  o proiectie holografica a acelor procese fizice ce au loc pe o suprafata la granita Universului.Asadar, potrivit acestui principiu, lumea este unfel de imagine holografica.Dar si mai surprinzator, numarul pixelilor continuti in holograma este proportional doar cu aria regiunii descrise, si nu cu volumul.Principiul holografic spune ca daca am putea intelege legile ce guverneaza fizica de pe acea suprafata indepartata si modul in care fenomenele de acolo se leaga de experientele de aici,am putea intelege tot ce trebuie sa stim despre realitate. Profesorul Juan Maldacena a facut o ampla si complicata demonstratie matematica in acest sens bazat pe teoria spatiului anti-deSitter .Consider ca aceste cercetari fac parte dintre cele mai incitante descoperiri din ultimile decenii.Ideile holografice bazate pe un edificiu teoretic coerent,consistent si atent construit au fost supuse multor teste matematice riguroase pe care le-au trecut fara probleme.Experimentele efectuate la Acceleratorul de Ioni Grei Relativisti(AIGR) din Brookhaven,New York urmarind vascozitatea de forfecare a plasmei quarc gluon par sa confirme rezultatele lui Maldacena . Universurile holografice pot fi astfel mai mult decat o consecinta a legilor fundamentale,pot face parte chiar din definitia legilor fundamentale.Povestea gaurilor negre incepe a fi inteleasa,se intrevede deja o solutie pornind de la principiul holographic.Poate e prea mult sa spunem ca lumea tridimensionala este o iluzie completa.Dar ideea ca pozitia unui bit de informative nu este neaparat acolo unde ne-am astepta sa fie este acum un fapt acceptat pe scara larga.Ideea ca informatia ar avea o pozitie bine definita in spatiu este gresita.Aceasta este perspective holografica asupra naturii si care a rezultat din speculatiile teoretice asupra gaurilor negre.
In mod traditional fizica se axeaza pe lucruri ca planete,pietre,atomi,particule elementare,campuri si investigheaza fortele care le afecteaza comportamentul si le guverneaza interactiunile acestora.Profesorul John Wheeler sugera candva ca lucrurile-materia si radiatiile-ar trebui vazute ca secundare,ca purtatoare ale unei entitati fundamentale mai abstracte:informatia.Wheeler nu pretindea ca materia si radiatia ar fi cumva iluzorii ,ci el argumentea ca ar trebui vazute ca manifestarile materiale a ceva mai important.El considera ca informatia-unde se afla o particula,daca se roteste intr-o directie sau alta,daca are sarcina pozitiva sau negativa si asa mai departe-formeaza un nucleu ireductibil care se afla la baza realitatii.E ca si cum desenele unui arhitect se concretizeaza intr-un zgarie-nori.Informatia fundamentala se afla insa in schite.Zgarie-norii sunt doar o realizare fizica a informatiilor continute in schitele arhitectului.In aceste conditii informatia ar putea fi tema dominanta in fizica  pe care o vor studia nepotii nostri in urmatoarele decenii.Percepem lumea prin intermediul simturilor care ne stimuleaza creierul in moduri pe care circuitele noastre neuronale au invatat de-a lungul evoluiei sa le interpreteze.Din moment ce toate experientele noastre sunt filtrate si analizate de creierele noastre ,cat suntem de siguri ca experientele noastre reflecta realitatea ?Ce anume este acea voce pe care o auzim in minte,fluxul interior de vorbarie pe care il numim sinele nostru constient ?Deriva el din procese pur fizice ,sau constiinta se naste intr-o zona a realitatii care transcende fizicul? O presupunere ar fi ca gandirea constienta nu e suprapusa peste creier, ci este chiar senzatia generata de un anume tip de procesare a informatiei.
Suntem obisnuiti sa ne inchipuim ca,atunci cand ne uitam in jurul nostru,vedem o lume tridimensionala.Oare chiar este adevarat?Daca tinem cont ca ceea ce vedem e rezultatul izbirii fotonilor de ochii nostrii si a imaginii procesate de creier,este posibil sa ne imaginam perspectiva noastra asupra lumii intr-un mod diferit.Privind imprejur am   putea sa ne gandim ca vedem obiectele ca o consecinta a faptului ca fotonii care s-au reflectat pe obiecte au venit catre ochii nostrii,au trecut prin cristalin s-au focalizat pe retina si informatia primita este procesat in creier ca imagine.Cu cat obiectul e mai departe cu atat mai mult timp le-a luat fotonilor sa ajunga la noi. Prin urmare,atunci cand privim in jur nu vedem spatiul,ci mai curand privim in urma in istoria universului.Ceea ce vedem este o felie din istoria lumii.Tot ce vedem este o farama de informatie adusa la noi printr-un proces care este o mica parte a acestei istorii.Intreaga istorie a lumii nu este altceva decat istoria unui numar urias de astfel de procese,ale caror relatii sunt intr-o continua evolutie.Nu putem intelege lumea pe care o vedem in jur ca pe ceva static.Trebuie s-o vedem ca pe ceva creat,si intr-o continua re-creere,de catre un numar enorm de procese actionand impreuna .Lumea pe care o vedem e rezultatul colectiv al tuturor acestor procese. Nu exista asadar doua categorii de lucruri:obiecte si procese.Exista doar procese relativ rapide si procese relativ lente,procese care urmeaza unele dupa altele din necesitate cauzala.Descrierea Universului data de relativitatea generala este cea a unui univers cauzal,datorita afirmatiei ca nimic nu se poate delasa mai repede ca lumina.Deoarece nimic nu se misca mai repede decat lumina,drumurile razelor de lumina ce parasesc un eveniment definesc limitele exterioare ale viitorului cauzal al respectivului eveniment.Ele formeaza ce in fizica numim conul de lumina viitor al unui eveniment.Putem deci vedea ca structura relatilor cauzale din jurul unui eveniment poate fi gandita in termeni de conuri de lumina,trecut si viitor.Il numim con deoarece,daca facem desenul pe un plan cu numai doua dimensiuni,va arata ca un con( vezi fig..).Astfel ,in universul nostru,specificand traiectoriile tuturor razelor de lumina in jurul oricarui eveniment,descriem structura tuturor relatiilor cauzale posibile,Impreuna,aceste relatii contin ceea ce numim structura cauzala a unui univers.Nu numai ca traim intr-un univers cauzal,dar cea mai mare parte din povestea universului nostru este povestea relatiilor cauzale dintre evenimentele sale.Metafora in care spatial si timpul au impreuna o geometrie,numita geometria spatiu-timp se bazeaza pe o coincidenta matematica si nu ne este prea folositoare atunci cand incercam sa intelegem sensul fizic al teoriei relativitatii generale .Ideea fundamentala in relativitatea generala este ca structura cauzala a evenimentelor poate fi ea insasi influentata de aceste evenimente.Structura cauzala nu este fixata odata pentru totdeauna.Ea este dinamica: evolueaza conform legilor.Legile care determina evolutia in timp a structurii cauzale a universului se numesc ecuatiile Einstein.Sunt foarte complicate,dar atunci cand e vorba de cantitati mari de materie ce se misca incet,precum stelele si planetele,devin mult mai simple.In esenta in aceste situatii conurile de lumina se inclina catra materie(vezi fig..).Fenomenul este adesea numit curbura sau distorsiunea geometriei spatiului si timpului.Ca rezultat material tinde sa cada pe obiectele masive.Acesta este, fireste,alt mod de a vorbi despre forta gravitationala.Daca materia se misca in jur,atunci undele se propaga prin structura cauzala si conurile de lumina oscileaza  inainte si inapoi.Acestea sunt undele gravitationale.Astfel,teoria gravitatiei a lui Einstein este oteorie a structurii cauzale.Ne spune ca esenta spatiului si timpului este structura cauzala si ca miscarea materiei este o consecinta a modificarilor in reteaua relatiilor cauzale.
       Principiul holografic este o idee noua care daca va fi acceptata, va face practic imposibila revenirea la oricare din teoriile anterioare care o ignora.Pricipiul de incertitudine al teoriei cuantice si principiul echivalentei al lui Einstein au fost idei de acest tip.Ele au contrazis principiile teoriilor mai vechi si,la inceput,cu greu se putea admite ca ele au sens.Ca si ele,principiul holografic este acel gen de idee de care avem nevoie cand patrundem intr-un nou univers.

Legile Fizicii si Gandirea lui Dumnezeu

             Scopul final al stiintei este de a da o singura teorie care sa descrie intregul univers.Totusi in realitate abordarea urmata de majoritatea oamenilor este de a divide problema in doua parti.In prima parte exista legi care ne spun cum se modifica universul in timp.Daca stim cum este universul la un moment dat,aceste legi ne spun cum va arata in orice moment ulterior.In cea dea doua parte exista problema starii initiale a universului.Unii oameni cred ca stiinta trebuie sa se concentreze numai asupra primei parti;ei privesc problema starii initiale ca pe o chestiune de religie.Ei ar spune ca Dumnezeu,fiind atotputernic ,a putut pune in miscare universal in orice fel ar fi dorit.Ar putea fi asa ,dar in aces caz el ar fi putut,de asemenea,sa-l faca sa evolueze intr-un mod complet arbitrar.Totusi se pare ca a ales sa-l faca sa evolueze intr-un mod foarte regulat,conform anumitor legi din fizica.Prin urmare pare tot asa de rezonabil sa se presupuna ca exista legi care guverneaza si starea initiala.Ideea ca spatiul si timpul pot forma o suprafata inchisa fara limite are de asemenea implicatii profunde pentru rolul lui Dumnezeu in problemele universului.Datorita sucesului teoriilor stiintifice in descrierea evenimentelor,majoritatea oamenilor au ajuns sa creada ca Dumnezeu a permis universului sa evolueze conform unui set de legi si nu intervine in univers pentru a incalca aceste legi.Imaginea universului care a inceput foarte fierbinte si s-a racit pe masura ce s-a extins este in concordanta cu toate dovezile experimentale  din astofizica pe care le avem astazi. Un univers in expansiune nu exclude posibilitatea unui creator, dar introduce limitari asupra momentului cand el ar fi putut sa faca acest univers!Se pare ca universul in care traim este foarte special.Pentru ca un univers sa dainuie miliarde de ani si sa contina ingredientele necesare vietii,este nevoie sa fie indeplinite anumite conditii:masele particulelor elementare si intensitatile fortelor fundamentale trebuie ajustate fin la valori apropiate de cele pe care le observam in prezent.Daca acesti parametrii ar fi in afara unor limite destul de inguste,universul nu ar fi prielnic vietii.Propietatile la scara mare ale universului –marimea sa,viteza cu care creste,existenat galaxiilor,a stelelor si a planetelor-sunt in principal guvernate de forta gravitatiei.Teoria lui Einstein privind gravitatia-teoria generala a relativitatii-este cea care explica cum s-a extins universul de la big bang-ul fierbinte initial pana la dimensiunile mari de acum.Propietatile grvitatiei,in special taria sa,ar fi putut foarte bine sa fie diferite.Este un miracol neexplicat faptul ca gravitatia e atat de slaba.Forta gravitationala dintre electroni si nucleul atomic este de zece mii de miliarde de miliarde de miliarde de miliarde de ori mai slaba decat atractia electrica !!Daca fortele gravitationale ar fi fost doar cu putin mai tari, universal ar fi evoluat atat de rapid incat n-ar fi fost timp ca viata inteligenta sa apara.Gravitatia joaca un rol esential in dezvoltarea universului.Atractia sa face ca materia din univers-hidrogenul,heliul si asa numita materie intunecata- sa se stranga in galaxii,stele si in final planete.Dar, pentru ca  aceasta sa se intample,imediat la inceputul sau universal trebuie sa fi fost putin neomogen.Daca materia originara a universului ar fi fost uniform distribuita ea ar fi ramas in acea stare pentru totdeauna.De fapt acum paisprezece miliarde de ani,universul a fost neomogen exact cat trebuia-daca era cu putin mai neomogen sau mai uniform nu ar fi existat galaxii,stele sau planete pe care sa se dezvolte viata. Satelitul COBE si mai apoi satelitul WMAP au gasit in radiatia Big Bang dovada ca la aproximativ 300.000 ani de la momentul creatiei,existau dea lungul universului infime variatii de densitate de ordinul unei parti la suta de mii, care au crescut cu timpul si au dat nastere in cele din urma galaxiilor pe care le vedem astazi.Aceste sunt germenii primordiali ai structurilor din prezent,galaxii,roiuri de galaxii si asa mai departe.Daca sunteti credinciosi,e ca si cum am vedea semnatura lui Dumnezeu in imaginea obtinuta cu ajutorul satelitilor COBE si WMAP .Este descoperirea secolului,daca nu chiar ce mai mare descoperire a tuturor timpurilor!
        Progresele enorme din astronomie si astrofizica au condus la o descoperire care a cazut ca un trasnet peste fizicieni, ceva atat de socant incat suntem inca ametiti in urma impactului : constanta cosmologica, introdusa initial de Einstein in ecuatiile sale pentru a contracara atractia gravitationala (si pe care mai tarziu o respinge),chiar exista cu adevarat. Consatnta cosmologica reprezinta o respingere gravitationala suplimentara,un fel de antigravitatie,care se credea ca e total absenta in lumea noastra reala.Faptul ca nu e absenta si ca e fin reglata este un mare miracol pentru fizicieni,si singurul mod pe care il cunoastem de a-i da un sens este principiul antropic, aceasta idee detestata de majoritatea fizicienilor.Se pare ca legile fizicii au fost reglate cu finete pentru a mentine constanta cosmologica exact cat trebuie pentru a nu fi un pericol mortal pentru formarea vietii in unives. Deoarece diferentele de densitate in universal timpuriu au fost initial atat de mici(variatile de densitate erau de 100000 de ori mai mici decat densitatea insasi),chiar si o foarte mica respingere putea sa inverseze tendinta de condensare.In acel moment hidrogenul si heliul care alcatuiau masa universului se raspandeau peste tot intr-o distributie aproape perfect uniforma sau omogena. Fizicianul Steve Weinberg a calculat ca daca constanta cosmologica ar fi mai mare doar cu un ordin sau doua de marime nici o galaxie, stea sau planeta nu s-ar fi putut forma din materia primordiala ( hydrogen ,heliu) a universului timpuriu.Simetria perfecta a unui univers exact sferic si perfect omogen s-ar fi mentinut la nesfarsit si diferentele foarte mici de densitate (neomogenitatile) din univers timpuriu nu ar fi putut creste pentru a forma galaxi,stele si planete.Dar in privinta constantei cosmologice ,lucrurile par si mai ciudate.Cand combinam teoria particulelor elementare cu teoria gravitatiei ,descoperim spectrul unei constante cosmologice suficient de mari incat nu numai ca ar distruge galaxiile,stelele si planetele,ci chiar protonii si neutronii,cu exceptia unei coincidente.Care este aceasta ?Ca diversi bosoni,fermioni,mase si constante de cuplaj care intra in calculul energiei vidului sa conspire astfel incat sa anuleze primele 119 cifre zecimale ale constantei cosmologice.Dar ce mecanism natural ar putea explica vreodata o astfel de situatie improbabila ?Sunt oare legile fizicii in echilibru pe o muchie de cutit incredibil de ascutita,si daca e asa,de ce ?Aceasta este o mare intrebare pentru fizicieni ?Din ratiuni de neinteles constanta cosmologica este acordata fin intr-un grad uimitor ! Acest fapt ii face pe unii oameni sa traga concluzia ca universul trebuie sa fie rezultatul unui plan.Constanta cosmologica poate fi sursa tuturor actiunilor de echilibrare, dar exista multe conditii suplimentare delicate care par doar niste coincidente fantastic de norocoase.Constanta structurii fine este una dintre cele mai importante constante ale naturii. In general probabilitatea ca un electron sa radieze un foton  este data de constanta structurii fine.Cu alte cuvinte,doar un electron norocos din 137 emite un foton.Aceasta e semnificatia:probabilitatea ca un electron,in timp ce se misca pe traiectoria sa,sa aibe chef sa emita brusc un foton. Constanta structurii fine determina intensitatea fortelor electrice dintre particulele incarcate.Ea controleaza cat de puternic atrage nucleul atomic electronii din jurul sau.In consecinta ea determina cat de mare este atomul,cat de repede se misca electronii pe orbitele lor,si in final controleaza fortele dintre diversi atomi care le permit sa formeze molecule.Dar desi e foarte importanta,nu stim de ce valoarea ei este 0,007297351 si nu alt numar.Daca s-ar modifica doar cu cateva procente valoarea sa, n-ar fi existat nici carbon nici viata!Propietatile rezonantei carbonului prezise de fizicianul Fred Hoyle sunt sensibile la constanta structurii fine.Daca in universul timpuriu masa electronului ar fi fost mai mare,electronii si protonii ar fi fuzionat,formand neutroni si impiedicand astfel producerea la scara larga de hidrogen. Aceste lucruri l-a avut in vedere fizicianul Fred Hoyle , unul din cei mai mari savanti ai secolului XX si care desi nu era un adept al creationalismului ,atunci cand a spus ca “e ca si cum o minte superioara s-ar fi jucat cu fizica ,cu chimia si cu biologia”. Chiar daca oxigenul, carbonul si celelalte elemente s-au format in interiorul stelelor,a trebuit ca ele sa iasa de acolo pentru spre a oferi materia pentru plante si viata.In mod evident nu putem trai in miezul fierbinte al stelelor.Cum a reusit sa iasa aceasta materie din interiorul stelelor?Raspunsul e ca aceasta materie fost expulzata violent in exploziile devastatoare ale supernovelor.Exploziile supernovelor sunt ele insele fenomene remarcabile.In afara de protoni,neutroni, electroni,fotoni si gravitatie ,supernovele au nevoie si de o alta particula-fantomaticul neutrin.Atunci cand evadeaza din steaua care se contracta,neutrinii creeaza o presiune care impinge elementele din fata lor.Si ,din fericire,lista particulelor elementare se intampla sa includa neutrinul cu propietatile potrivite !
        Se pare ca ingerul nostru pazitor ne-a dat nu numai o planeta fertila pe care sa traim,dar a creat si regulile existentei-legile fizicii.Legile fizicii care au fost descoperite in secolul XX sunt foarte exacte si utile,dar originea lor ramane un mister.Va fi foarte important sa avem o idée clara privind natura acestor legi,inainte de a putea incepe sa ne intrebam de ce exista legi.Cand fizicienii se angajaza in studiul universului ei tind sa ia de bun faptul ca legile fizicii sunt aceleasi peste tot in univers si ca toate constantele din fizica sunt absolut constante si cu adevarat aceleasi in orice parte a universului observant. Dovezi experimentale sugereaza acest lucru. Astofizicienii studiaza in mod curent lumina provenind de la surse indepartate si izoleaza liniile spectrale emise sau absorbite de atomi aflati la foarte mare distanta. Relatiile dintre liniile spectrale individuale sunt complicate dar sunt intotdeauna aceleasi,indifferent de unde si de cand provine lumina.Deci avem dovezi excelente ca legile fizicii sunt aceleasi in toate partile universului.Legile fizicii incep cu o lista de particule elementare cum sunt electronii,cuarcii si fotonii,fiecare cu propietati specifice cum sunt masa si sarcina electrica.Acestea sunt particule din care sunt construite toate celelalte lucruri.Nimeni nu stie de ce lista este exact aceasta sau de ce propietatile acestor particule sunt asa cum sunt.Daca eliminam oricare din aceste particule(electronii,cuarcii sau fotonii) sau doar schimbam putin propietatile lor,chimia conventional se prabuseste !Conform interpretarii reductioniste a fizicii particulelor,toate fenomenele din natura –corpuri solide,lichide,gaze,materia vie,ca si cea lipsita de viata-se reduc la interactiile si ciocnirile permanente ale electronilor,fotonilor si nucleelor. Legile fizicii asa cum le cunoastem sunt tocmai bune pentru noi,pentru existenta vietii.Exista deci un reglaj foarte fin al naturii si care este extrem de improbabil.Pentru fizicieni acest reglaj constituie o enigma fantastica !Acesta e unul dintre cele mai mari mistere ale naturii.Este doar un noroc ?Este un plan inteligent si binevoitor?Este el la urma urmei un subiect pentru stiinta,sau pentru metafizica,sau pentru religie ?Raspunsul la astfel de intrebari a starnit pasiunile fizicienilor dar a condus si la o controversa care a patruns chiar si in discursul politic despre plan si creationism.De o parte sunt oamenii care care sunt convinsi ca lumea trebuie sa fi fost creata sau proiectata de un agent inteligent avand intentii binevoitoare.De cealalta parte sunt cei de tip pragmatic,stiintific,care sunt siguri ca universul este produsul legilor impersonale,dezinteresate ale fizicii.Prin primul grup nu inteleg doar partizanii Bibliei care cred ca lumea a fost creata acum sase mii de ani si sunt gata sa se bata pentru asta.Eu vorbesc de oameni inteligenti si seriosi,care privesc in jurul lor si nu pot sa creada ca doar hazardul a facut ca lumea sa fie atat de prielnica pentru fiintele umane.Partizanii planului inteligent sustin in general ca e de necrezut ca un lucru atat de complex cum e sistemul vizual al omului sa fi putut evolua prin procese aleatoare.Dar biologii sunt inarmati cu un instrument foarte puternic-principiul selectiei naturale,a carui forta explicativa este atat de mare incat toti biologii cred ca dovezile atarna greu in favoarea lui Darwin.Asadar miracolul ochiului e doar un miracol aparent !In fond controversa despre care e vorba nu este intre stiinta si crationism sau religie ci o controversa intre doau grupari militante ale stiintei.Pe de o parte sunt cei care cred ca legile naturii ale fizicii sunt determinate de relatii matematice,care prin intamplare ajung sa permita viata,iar pe de alta parte cei care cred ca legile fizicii au fost,intr-un anume fel,determinate de cerinta ca viata inteligenta sa fie posibila.Astfel, controversa sa cristalizat in jurul unui singur concept-principiul antropic,un principiu ipotetic care spune ca lumea este fin reglata astfel incat noi sa putem fi aici ca s-o observam !Se pune astfel o problema stiintifica legitima:dearece se pare ca exista mai multe seturi consistente de legi,de ce legile naturii sunt reglate asa de fin incat parametrii se incadreaza in domeniile inguste cerute de existenta vietii?De ce universul are toate caracteristicile care sugereaza ca a fost astfel conceput astfel icat formele de viata sa poata exista ?Aceasta este ce am putea numi principiul antropic . Aceasta problema a framantat oamenii de stiinta si in acelasi timp  i-a incurajat pe cei care prefera falsul confort al unui mit creationist. Eu cred cu tarie ca stiinta trebuie sa ofere explicatii care sa nu implice agenti supranaturali. Daca exista diferite posibile legi consistente ale naturii dar nu avem un cadru in care sa le unificam ,atunci sunt cu putinta doua raspunsuri la problema antropica.Primul ar fi ca suntem intr-adevar norocosi ca avem un astfel de univers.Al doilea spune ca oricare ar fi acea entitate care a stabilit legile a procedat astfel pentru ca viata sa apara.In acest caz avem un argument in favoarea religiei.Sa observam ca acest argument este valabil numai daca nu exista nici o cale de de a explica felul in care au putut fi alese legile naturii,exceptand invocarea actiunii unei entitati din afara universului nostru.Principiul antropic ofera un fel de explicatie pentru multe din relatiile numerice remarcabile care sunt observate intre parametrii fizici.Totusi ,principiu nu este complet satisfacator. Explicatia sa nu tine seama de toate regiunile universului.De exemplu,sistemul nostru solar e desigur o conditie prealabila pentru existenta noastra,ca si prezenta unei generatii mai vechi de stele vecine in care elementele grele sa se fi format prin sinteza nucleara.Este posibil sa fi fost necesara si intreaga noastra galaxie.In schimb,nu pare sa fi fost deloc necesare ale galaxii,darmite milioane si milioane de galaxii pe care le vedem distribuite aproape uniform in universul observabil.Aceasta omogenitate la scara mare  a universului face foarte greu de crezut ca structura  sa poate fi determinata de ceva atat de periferic cum sunt niste structuri moleculare complicate numite fiinte vii de pe o planeta minora numita Terra care orbiteaza in jurul unei stele mijlocii oarecare,aflata in suburbia indepartata a unei galaxii spirale tipice cum e Calea Lactee. Exista cel putin doua alernative la principiu antropic.Prima consta in aceptarea existentei unui proces care sa creeze multe universuri cu dimensiuni si geometrii diferite si de asemenea cu seturi diferite de particule elementare ce vor interactiona dupa seturi de legi diferite.Deoarece noi suntem fiinte vii,e firesc sa ne gasim intr-unul din acele universuri cu legi ospialiere pentru viata.O alta teorie poate fi formulata in legatura cu posibilitatea ca universul sa cunoasca o tranzitie fizica dintr-o faza in alta.Inainte de marea explozie s-ar putea sa fi fost o succesiune de faze diferite in care universul a avut diferite dimensiuni,seturi de particule si legi diferite.Noi ne gasim intr-o faza cu conditii prielnice vietii.Si chiar daca fiecare faza poate fi guvernata de o teorie fizica diferita,intreaga istorie a universului ar putea fi guvernata de o singura lege-teoria cuantica a gravitatiei.
        In lucrarea prezentata de profesorul Stephen Hawking la conferinta de astofizica organizata de iezuiti la Vatican,acesta a prezentat pentru prima oara ipoteza ca timpul si spatiul formeaza impreuna o suprafata care ar avea dimensiuni finite dar nu ar avea limita sau margine (ipoteza numita mai tarziu conditia  ” fara limita”).Conditia “fara limita” presupune ca istoria universului ar putea fi reprezentata asemanator cu suprafata pamantului (doar ca ar avea inca doua dimensiuni),distanta fata de Polul Nord reprezentand timpul imaginar(adica timpul este imaginar si nu poate fi distins de directiile spatiului) iar dimensiunea unui cerc aflat la distanta constanta de Polul Nord reprezentand dimensiunea spatiala a universului.Universul incepe (in urma cu miliarde de ani) la Polul Nord ca un singur punct.Pe masura ce ne deplasam spre sud,pararelele aflate la distanat constanta de Polul Nord devin mai mari,corespunzand universului in expansiune in timpul imaginar.Universul ar ajunge la ecuator la o dimensiune maxima ,apoi s-ar contracta odata cu cresterea timpului catre un singur punct la Polul Sud.Potrivit acestei ipoteze,chiar daca universul ar avea dimensiunea zero la Polul Nord si la Polul Sud aceste puncte nu ar fi singularitati.O alta consetinta deosebit de interesanta a conditiei “fara limita” se refera la dimensiunea abaterilor mici de la densitatea uniforma din universul timuriu,abateri care au determinat formarea  mai intai a galaxiilor,apoi a stelelor si planetelor si  in final a noastra.Principiul de incertitudine implica faptul ca universul timpuriu nu putea fi complet uniform deoarece trebuie sa fi existat unele incertitudini sau fluctuatii ale pozitiilor si vitezelor particulelor.Utilizand conditia”fara limita”,gasim ca universal trebuie sa fi inceput,de fapt,doar cu neuniformitatea minima posibila permisa de principiul de incertitudine.Apoi universul ar fi suferit o perioada de espansiune rapida,ca in modelul inflationist propus de Linde.In aceasta perioada neuniformitatile initiale s-ar fi amplificat pana au fost destul de mari pentru a explica originea structurilor pe care le vedem in jurul nostru.Intr-un univers in expansiune in care densitatea materiei varia usor de la un loc la altul,gravitatia ar fi determinat regiunile mai dense sa-si incetineasca expansiunea si sa inceapa sa se contracte.Aceasta ar fi condus la formarea galaxiilor, stelelor si,in cele din urma,chiar a unor creaturi neansemnate ca noi oamenii.Astfel,toate structurile complicate pe care le vedem in univers ar putea fi explicate prin conditia”fara limita”a universului impreuna cu principiul de incertitudine din mecanica cuantica.In gravitatia cuantica,cand se incearca unificarea gravitatiei cu mecanica cuantica,trebuie introdusa ideea timpului “imaginar”.Timpul imaginar nu se distinge de directiile spatiului.Aceasta inseamna ca nu poate fi o diferenta importanta intre directiile inainte si inapoi (intre trecut si viitor)ale timpului imaginar asa cum se considera in timpul “real”.Legile fizicii respecta anumite simetrii(nu se schimba la simetriile C,P,T) si nu fac diferenta intre trecut si viitor. In timpul real universul are un inceput si un sfarsit la singularitati, care formeaza o limita a spatiu-timpului si in care legile fizicii nu mai functioneaza.Dar in timpul imaginar nu mai exista singularitati sau limite. Aceasta poate sugera ca as-numitul timp imaginar este in realitate timpul real si ceea ce numim timp real este doar o plasmuire a imaginatiei noastre adica doar o idee pe care pe care am inventat-o pentru ane ajuta la descrierea a cea ce vedemm ca este universul.Totusi exista o mare diferenta intre directiile inainte si inapoi ale timpului real in viata obisnuita.De unde vine aceasta diferenta intre trecut si viitor in timpul real ?Explicatia care se da de obicei se bazeaza pe legea a doua a termodinamicii(entropia creste intotdeauna cu timpul intr-un sistem inchis).Daca un sistem are entropie el va evolua ireversibil in timp.A doua lege a termodinamicii spune ca entropia poate fi doar creata,nu si distrusa.Daca spargeti o ceasca de cafea zdrobind-o de podea,i-ati crescut cu mult entropia si va fi foarte greu s-o faceti la loc din bucatele.In termodinamica,ireversibilitatea unui proces este masurata printr-o crestere a entropiei,deoarece ea masoara cantitatea de informative pierduta pe seama miscarii dezordonate.Dar o asemenea informatie,odata pierduta nu va putea fi niciodata recuperata,astfel inacat entropia nu poate in mod normal sa descreasca.Cresterea dezordinii sau entropiei cu timpul reprezinta un exemplu de sens al timpului(sensul termodinamic al timpului),ceva care diferentiaza trecutul de viitor,dand timpului o directie.Exista trei sensuri diferite ale timpului.Primul este sensul termodinamic al timpului,directia timpului in care dezordinea sau entropia creste.Apoi,exista sensul psihologic al timpului,directia in care noi simtim trecerea timpului,directia in care ne reamintim trecutul,dar nu viitorul.In sfarsit,exista un sens cosmologic al timpului.Acesta este directia timpului in care universul se extinde,nu se contracta.A doua lege a termodinamicii rezulta din faptul ca exista intotdeauna mai multe stari dezordonate decat cele ordonate si la un moment ulterior este mai probabil ca sistemul sa fie intr-o stare dezordonata decat intr-una ordonata(exemplu cu piesele de puzzle dintr-o cutie).Astfel dezordinea va tinde sa creasca cu timpul,daca sistemul satisface o stare initiala ordonata.Intr-o teorie cuantica a gravitatiei,conditia”fara limita”inceputul poate fi un punct regulat,omogen al spatiu-timpului si universul ar fi trebuit sa-si inceapa expansiunea intr-o stare omogena si ordonata( in limitele principiului de incertitudine) si ar fi devenit neomogen si dezordonat pe masura ce trecea timpul.Aceasta ar explica sensul termodinamic al timpului.La inceput s-a crezut ca dezordinea ar descreste atunci cand universul ar suferi din nou un colaps si s-ar intoarce la o stare omogena si ordonata.Dar conditia”fara limita”inseamna ca dezordinea ar continua ,de fapt,sa creasca in timpul contractiei si sensurile termodinamic si pshiologic al timpului nu s-ar inversa cand universul incepe sa se contracte din nou. Inflatia din etapele timpurii ale universului,pe care o prezice conditia” fara limite”,inseamna ca universul trebuie sa se extindaa cu o rata foarte apropiata de cea critica la care el tocmai evita sa sufere din nou un colaps, si astfel nu va suferi un colaps inca foarte mult timp.Pana atunci toate stelele vor fi ars si protonii si neutronii din ele se vor fi dezintegrat in particule usoare si radiatii.Universul ar fi intr-o stare de dezordine aproape completa.Nu ar mai exista un sens termodinamic puternic al timpului.Dezordinea nu  ar pute sa creasca mult deoarece universul ar fi deja intr-o stare de dezordine aproape completa.Totusi pentru ca viata inteligenta sa functioneze este nevoie de un sens termodinamic puternic.Pentru a supravietui,fiintele umane trebuie sa consume hrana,care este o forma ordonata de energie,si o trnsforma in caldura,care este o forma dezordonata de energie.Astfel viata inteligenta nu va putea exista in faza de contractie a universului. Deci conditia “fara limita” determina crestera dezordinii si conditiile adecvate pentru viata inteligenta numai in faza de expansiune.
        Legile fizicii-o lista de particule, o lista de mase si de constante de cuplaj,precum si metodele lui Feynman constituie un instrument extrem de puternic.Ele guverneaza aproape orice aspect al fizicii,chimiei si ,in final al biologiei.Nu avem insa o teorie care sa ne spuna de ce modelul standard este cel corect si nu altul.Ar putea legile fizicii sa fie diferite in moment de timp si locuri foarte indepartate ? Ar putea lista particulelor elementare,masele si constantele de cuplaj sa sa fie diferite in alte parti ale universului pe care nu le putem oberva in present ?Daca e asa ce guverneaza modul in care se schimba ele ?Exista legi mai profunde care sa ne spuna care legi sunt posibile si care nu?Acestea sunt intrebarile cu care fizicienii se lupta acum la inceput de secol XXI.Fizicienii spera sa gaseasca un sistem unic si coerent de legi fizice,o teorie finala,in care orice constanta a naturii,inclusive constanta cosmologica,sa poata fi prezisa pe baza unui principiu matematic elegant.Ei cred ca la baza tuturor lucrurilor se afla o teorie frumoasa,un set unic,puternic si convingator de ecuatii,care descriu toate fenomenele,cel putin in principiu,chiar daca ecuatiile sunt pre greu de rezolvat.Aceste ecuatii trebuie sa fie simple si simetrice.Dar,inainte de toate,ecuatiile trebuie sa prezica in mod unic legile fizicii care au fost descoperite in ultimile cateva secole,inclusive modelul standard al fizicii particulelor:lista particulelor elementare,masele lor,constantele de cuplaj si fortele dintre ele.Ce ciudat ar fi  sa asistam la descoperirea unei teorii finale! Descoperirea legilor ultime ale naturii  va marca cu siguranta o ruptura in istoria stiintei moderne.Poate ca experimentele efectuate cu superacceleratorul de la Geneva vor oferi informatii lamuritoare.Am inaintat deja destul de mult spre o asemenea teorie.Cele mai profunde principii fizice pe care le cunoastem in prezent  sunt regulile mecanicii cuantice care stau la baza a tot ce cunoastem despre materie si interactiile ei.Dar mecanica cuantica nu este o teorie fizica completa.Ea nu spune nimic despre particulele si fortele ce pot exista.Am putea gasi un candidat pentru teoria finala  printre actualele teorii ale corzilor.Exita si o posibilitate care pare destul de probabila si mult mai tulburatoare.Poate ca exista o teorie finala,un set simplu de principii din care decurg toate sagetile explicative,dar nu o vom cunoaste niciodata.S-ar putea ca ca noi oamenii pur si simplu  sa nu fim suficient de inteligenti pentru a descoperii sau intelege legile fundamentale.Pana acum, din fericire,se pare ca nu am ajuns la capatul resurselor noastre intelectuale.In fizica cel putin,am vazut ca fiecare noua generatie de studenti pare mai inteligenta decat precedenta.Poate ca generatia noastra va atinge acest mult cautat nivel de cunoastere,sau poate ca nu.Poate ca vor mai trece multe generatii pana atunci.Singurul lucru cert este ca nu vom sti daca nu vom incerca.Cautarea legilor fundamentale ale universului este o drama profund umana care ne imbogateste mintea si spiritul.Cu totii cautam,fiecare in felul lui,adevarul,si cu totii tanjim sa aflam de ce suntem aici.Pe masura ce urcam impreuna muntele explicatiilor,fiecare generatie sprijinindu-se pe umerii inaintasilor,nazuim cu temeritate sa ajungem la varf de unde sa contemplam cu claritate vastul univers.Cel mai intemeiat motiv de speranta ca specia noastra e in stare sa progreseze intelectual si in viitor e minunata capacitate de a stabili prin limbaj o comunicare intre creierele noastre,dar s-ar putea ca acest lucru sa nu fie suficient.Fizicienii vor putea fi intr-o buna zi in stare sa scrie ecuatiile fundamentale care guverneaza realitatea fizica.Dar fizica nu va putea explica niciodata ce anume “sufla foc” peste ecuatii si le da viata intr-n univers real.
       Biserica Catolica a facut o mare greseala cu Galilei cand a incercat sa supuna legii bisericesti o problema de stiinta, declarand ca Soarele se misca in jurul Pamantului si nu invers. Cu ceva timp in urma, dupa mai multe secole, ea a hotarat sa invite fizicieni cu care sa se consulte in probleme de astrofizica si cosmologie in cadrul unei o conferinte organizata de iezuiti la Vatican.La conferinta a participat si celebrul fizician Stephen Hawking. La sfarsitul conferintei participantii au avut o intalnire cu Papa. El le-a spus ca e bine sa studieze evolutia universului dupa Big Bang, dar nu ar trebui sa faca cercetari in ceea ce priveste Big Bang-ul insusi, deoarece acela a fost momentul Creatiei si deci lucrul Domnului.De fapt, inca din 1952 Vaticanul a imbratisat reprezentarea Universului in expansiune dupa Big Bang ,ca pe intelegerea fireasca a ideii crestine de creatie din nimic.Procesul lui Galilei in fata Inchizitiei si pedeapsa care i-a urmat reprezinta una dintre cele mai intunecate episoade din istoria stiintei, triumful irationalului asupra logicii.”Nu ma simt obligat sa cred ca acelasi Dumnezeu care ne-a inzestrat cu judecata ,ratiune si intelect a vrut ca noi sa renuntam sa ne folosim de ele” ,a spus Galilei in timpul procesului de la Vatican.Succesul lui Galilei ca savant s-a datorat nu numai inteligentei iesite din comun,dar si imensei cureozitati cu care privea el lumea si tot ce-l inconjura.Ajunsese la concluzia ca savantii erau cei mai in masura sa-si spuna parerea despre lumea materiala ,in vreme ce teologii erau cei mai in masura sa vorbeasca despre lumea spirituala si despre felul in care trebuie sa traim in lumea materiala.Un renumit teolog a facut  afirmatia cum ca intre oamenii de stiinta  numai fizicienii par sa poata folosi fara stanjeneala cuvantul “Dumnezeu”. Teologia se bazeaza pe o experienta religioasa de tipul revelatiei la fel cum stiinta se bazeaza pe experiment si observatie.Dar  marea majoritate a adeptilor religiilor lumii nu se bazeaza pe experienta religioasa proprie,ci pe revelatii care se presupune ca au fost traite de altii si care in general nu converg spre o intelegere larg acceptata in timp ce experimentele si observatiile a mii de oameni de stiinta converg spre o intelegere satisfacatoare a realitatii fizice.Desigur invataturile experientei religioase ne pot aduce multa alinare,spre deosebire de  perspectiva abstracta si impersonala le care ajungem prin cercetarea stiintifica.Spre deosebire de stiinta,experienta religioasa poate sugera ca viata noastra are un sens,ca avem un rol de jucat in marea drama cosmica a pacatului si a mantuirii,si ne promite un fel de continuare dupa moarte.Tocmai din aceste motive invataturile experientei religioase par profund marcate de pecetea dorintelor noastre.Orice fel de religie am impartasi,a vorbi despre legile ultime ale naturii ca despre gandirea lui Dumnezeu e o metafora irezistbila.Fizicienii se straduiesc prin cercetarile lor asupra particulelor elementare si asupra stelelor sa descopere  legi care devin din ce in ce mai coerente si mai generale.Cunoscand aceste legi am putea intra in posesia cartii in care sunt scrise regulile care guverneaza stelele,muntii si tot restul universului.E firesc deci sa numim aceste legi “gandirea lui Dumnezeu“.Primul mare pas pe aceasta cale a fost demitizarea cerului.Cunoastem cu totii personajele cheie:Copernic care a lansat ideea ca Pamantul nu se afla in centrul Universului,Galilei,care a facut ca spusele lui Copernic sa devina plauzibile,Bruno,care a intuit ca Soarele e doar una din nenumaratele stele,si Newton,care a demonstrat ca aceleasi legi ale miscarii si gravitatiei se aplica atat sistemului solar cat si corpurilor de pe Pamant.Observatia lui Newton ca aceiasi lege a gravitatiei determina atat miscarea Lunii in jurul Pamantului cat si caderea unui corp pe suprafata Pamantului a fost momentul cheie.Viata la randul ei a fost demitizata.Chimistii au demonstrat inca din secolul trecut ca nu exista nici o piedica  pentru a sintetiza in laborator substantele asociate vietii.Mai presus de toate acestea,Charles Darwin si Alfred Russel au aratat ca minunatele insusiri ale corpurilor vii au putut evolua prin selectie naturala.Printr-o serie infinita de evenimente intamplatoare,atomii de carbon,azot,oxigen si hidrogen s-au unit pentru a constitui forme primitive de viata,care mai tarziu au evoluat  devenind protozoare,pesti,oameni.Fiintele vii prezinta variatii transmisibile ereditar-unele utile,altele nu-,iar acele organisme care poseda variatii utile tind sa supravietuiasaca si sa transmita aceste caracteristici progeniturilor.Acest lucru a fost explicat pe baza structurii moleculei de ADN,care serveste drept model pentru asamblarea proteinelor din aminoacizi.Molecula de ADN are forma unei spirale duble care stocheaza informatia genetic intr-un cod bazat pe sirul de unitati chimice de-a lungul celor doua lanturi ale spiralei.Informatia genetica e transmisa atunci cand spirala dubla se desface si fiecare din cele doua lanturi asambleaza o copie a sa.Variatiile transmisibile apar atunci cand anumite accidente modifica unitatile chimice care alcatuiesc lanturile spiralei.Desigur stiinta a dovedit ca lumea este cu mult mai veche decat cei sase mii de ani atribuiti de Biblie,si ca noi si noi specii de vietuitoare au aparut si au evoluat de-a lungul timpului.Aceste fapte sunt acum bine stabilite si nici un om cu oarecare educatie stiintifica nu s-ar indoi de varsta inaintata a Pamantului sau de realitatea evolutiei.Cei care critica teoria evolutiei sustin ca aceasta e incompatibila cu religia si cu existenta lui Dumnezeu si ii ia la rost pe oamenii de stiinta care neaga acest lucru. Incompatibilitatea dintre teoria moderna a evolutiei si credinta intr-un Dumnezeu implicat activ nu mi se pare a fi una de ordin logic.Ne putem inchipui ca Dumnezeu a stabilit legile naturii si a pus in functiune mecanismul evolutiei cu intentia ca prin selectie naturala tu si cu mine sa aparem candva.La urma urmei religia nu a aparut in mintile celor care vorbeau de cauze prime atotcunoascatoare,ci in inimile celor care tanjeau dupa interventia permanenta a unui Dumnezeu implicat activ.In America si in multe state din Europa manualele liceelor nu numai ca au dreptul dar sunt obligate sa prezinte teoria moderna a evolutiei,fara nici un fel de aberatii despre creationism.

            Ar fi multe de spus despre frumusetea FIZICII.Deocamdata, sper ca am spus destule pentru a va face sa simtiti ceva din forta de seductie a acestor idei.