Cel mai frumos lucru pe care il putem trai este misteriosul. El este izvorul artei si al stiintei autentice. Cel care nu cunoaste emotia, care nu se mai poate opri pentru a se minuna si a ramane invaluit in uimire, e ca si mort- ochii lui sunt inchisi (ALBERT EINSTEIN)
Inca din timpul liceului am simtit o atractie pentru fizica. Am realizat ca fizica este o stiinta fundamentala prin excelenta care imi ofera speranta de a intelege ce se intampla in jurul meu. Ea arata cat este de saraca perceptia noastra naturala in comparatie cu intregul continut al realitatii fizice. Fizica ne poate ajuta sa ne depasim neajunsurile. In fizica s-au infaptuit multe lucruri, dar mai sunt inca mult mai multe de facut.
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, rostul vietii ar putea fi acela de a incerca sa intelegem lumea in care traim si FIZICA cu siguranta ne ajuta sa facem acest lucru. In fizica s-au infaptuit multe lucruri, dar mai sunt inca mult mai multe de facut.
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 reactoarelor nucleare de mare putere, mi-a placut dintotdeauna sa discut probleme de fizica cu prieteni si oameni curiosi si, mai ales, cu tineri elevi si studenti. Asa am ajuns sa scriu aceste pagini privind fizica si frumusetea ei, asa cum o vad eu. Am incercat sa fiu pe cat de clar mi-a stat in putinta si totusi pe cat de concis posibil, trecand peste toate detaliile care nu sunt necesare pentru a intra in miezul problemelor de fizica. Am scris aceste pagini mai ales pentru cineva care nu cunoaste fizica dar doreste sa inteleaga, pe cat se poate, ce anume este si ce implica ea.
Din intreaga mea cariera stiintifica, pastrez inca vii in minte intalnirile anuale, organizate de IAEA (International Atomic Energy Agency) primavara tarziu, sau la inceput de toamna, unde fizicieni din intreaga lume se strangeau pentru a analiza probleme de mare interes, legate de cele mai recente cercetari din domeniul lor de activitate.
Japonezi, americani, europeni, chinezi, indieni, latinoamericani, crestini, musulmani, hindusi, ne intalneam cu totii ca sa ne ascultam reciproc ultimile idei in domeniu, prezentam si ascultam prelegeri asupra unor subiecte arzatoare din domeniul nostru de cercetare. Cativa dintre cei prezenti la aceste intalniri imi erau vechi prieteni cu care in cursul anului schimbam frecvent mesaje e-mail.
Cum noi, oamenii, traim din emotii si ganduri, imi face o deosebita placere sa-mi aminesc de intalnirile si discutiile avute cu Tony Turnbull si John Killen din Anglia, Steve Palleck si Ki-Seob Sim din Canada, Suzuki Motoe si Yoshiaki Makihara din Japonia, Alicia Denis si Armando Marino din Argentina, Klaus Lassmann si Nina Mueler Hoeppe din Germania, Frantisek Pazdera din Cehia, Pierre Chantoin din Franta, Zhang Yingchao din China, conducatori ai unor importante grupuri de cercetare din tarile lor. Se organiza si un banchet in una din seri, unde se glumea si se rosteau toasturi. In fizica sunt o multime de lucruri interesante si captivante. Cercetarea stiintifica da roade atat de bogate si gustoase, incat cine gusta din Pomul Cunoasterii ei isi pierde apetitul pentru alta hrana.
Am incercat sa prezint in aceasta expunere principlalele teorii ale fizicii intr-un mod cat mai simplu. Am scris-o avandu-i in minte pe tinerii mei prietenii curiosi sa afle ce are de spus fizica despre lumea in care traim. Spre final, aduc in discutie si cateva din ideile esentiale ce stau la baza cercetarilor actuale de la frontierele fizicii, de la frontierele cunoasterii. Desigur mi-ar place nespus de mult ca tinerii mei prieteni, tovarasi de calatorie in asta lume, sa indrageasca fizica si unele aspectele prezentate de mine sa fie pentru ei un bun indemn pentru a studia fizica.
Poate ca mesajul cel mai important al acestei expuneri este ca noi oamenii am ajuns intr-adevar sa intelegem in profunzime multe aspecte ale lumii fizice.
Intr-o zi din vara lui 2016, cu ocazia unei croaziere in marea Mediterana, am avut placuta surpriza sa vad ruinele orasului antic Abdera din Grecia. Aici, cu doua mii sase sute de ani in urma, Leucip si Democrit au intemeiat scoala atomista (450i.Cr la Abdera). Cei doi mari intelepti au avut o idee geniala. Fara sa aibe nevoie de fizica moderna de astazi, Leucip si Democrit au adus argumente bazate pe observatie si logica, aratand ca materia nu poate fi un intreg continuu care sa poata fi divizat la infinit.Singura posibilitate-conchide Democrit-este ca orice frantura de materie sa fie alcatuita dintr-un numar finit de mici bucati discrete, indivizibile, dar avand fiecare o dimensiune finita: atomii.
Dovada definitiva a asa-numitei “ipoteze atomiste”, potrivit careia materia este alcatuita din atomi, a trebuit sa astepte pana in 1905. Aceasta dovada definitiva a ioptezei atomiste a lui Leucip si Democrit a fost gasita de un tanar rebel de douazeci si cinci de ani, care studiase fizica si lucra la Biroul de Brevete din Berna. Numele tanarului de douazeci si cinci de ani este, evident, Albert Einstein.
Richard Feynman, cel mai mare fizician din a doaua jumatate a secolului XX, scrie la inceputul minunatelor sale lectii de fizica:“Daca intr-un cataclism, intreaga cunoastere stiintifica ar fi distrusa si ar fi transmisa generatiilor urmatoare numai o fraza, ce enunt ar contine cea mai multa informatie in cat mai putine cuvinte ? Cred ca aceasta este ipoteza atomista (sau faptul atomic, ori cum vreti sa-i spuneti) conform careia toate lucrurile sun alcatuite din atomi, mici particule care se misca continuu, atragandu-se una pe alta cand sunt la mica distanta, respingandu-se cand sunt inghesuite una intr-alta”. Veti vedea ca in aceasta unica fraza exista o cantitate enorma de informatie despre lumea in care traim, daca folosim doar putina imaginatie de gandire.
Astazi stim ca atomul traditional din chimie nu este “atom” in sensul celei mai mici caramizi ale materiei. Atomul este alcatuit din electroni care inconjoara un nucleu atomic. Nucleul e mai departe alcatuit din proptoni si neutroni, iar povestea nu se sfarseste aici, protonii si neutronii sunt formati din cuarci si gluoni.
Principiile fizicii reprezinta o componenta pretioasa a cvilizatiei de pe planeta noastra si 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 parerea mea cel mai important lucru In munca – atat In cercetare, cat si In 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 cu placere atunci cand a trebuit sa invat ceva pentru a avansa in propriile mele activitati de cercetare, in dezvoltarea modelelor de calcul sau in interpretarea rezultatelor experimentale, si cu siguranta fizica mi-a oferit cel mai minunat material imaginabil.
Fizica este o stiinta privilegiata – se refera la legile de baza ale naturii, la cele mai profunde legi ale naturii. Teoriile fizicii imbratisaza un urias domeniu de fenomene, de la galaxii si stele la atomi si particule elementare.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 s-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. In secolul nostru, stiintele naturii, fizica in mod special, au devenit o componenta fundamentala a civilizatiei noastre, iar numarul de oameni care doresc sa inteleaga cate ceva in acest domeniu a crescut vertiginous. Fizica deschide o fereasta prin care putem privi in departare.
Exista un consens unanim de a considera fizica drept stiinta cea mai avansata. Aceasta apreciere nu ete justificata numai de faptul ca teoriile fizicii imbratisaza un urias domeniu de fenomene, de la galaxii, nebuloase si stele la atomi si particule elementare. Fizica a ramas, prin urmare, mai mult ca oricand, un model pentru orice stiinta. Si ar fi greu de negat ca acest aspect are motivele sale bine intemeiate. Stiinta, si in particular fizica este o activitate de creatie. Stiinta este sistemul de cunoastere creat de fiintele omenesti, un sistem in permanenta “deschis” schimbarilor. Caracterul deschis si liber al stiintei face din ea modul cel mai avansat de gandire pe care omenirea l-a dezvoltat vreodata.
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 ale secolui trecut. Marele fizician Albert 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. Mecanica cuantica ne-a transformat insusi limbajul pe care il folosim pentru a descrie natura: in loc de particule cu pozitii si viteze bine definite, am inceput sa vorbim despre functii de unda si probabilitati. Din fuziunea relativitatii cu mecanica cuantica s-a dezvoltat o noua perspectiva asupra lumii, in care materia si-a pierdut rolul central. Acest rol a fost preluat in present de pricipiile de simetrie, unele dintre ele fiind ascunse vederii noastre. 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. Probabil in viitorul apropiat acel principiu holografic din gravitatia cuantica la care se refera in lucarile lor, profesorul Gerad’t Hoolf, laureat premiul Nobel in fizica si alti renumiti fizicieni, va fi o idee formidabila care va marca profund civilizatia planetei noastre. Acestea sunt realizari cu adevarat monumentale.
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 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. Este intr-adevar un mare noroc ca noi oamenii avem astfel de teorii si ca putem intelege lumea in care traim intr-un mod atat de remarcabil si de complet. Consider ca exceptionale pentru aceste teorii, atat domeniul lor de aplicare cat si exactitatea cu care se aplica. Eu nu cunosc sa existe vreo teorie fundamentala in oricare alta stiinta care ar putea sa intre in aceasta categorie de exceptional pentru domeniul de aplicare si exactitatea cu care se aplica, asa cum este teoria relativitatii generale a lui Einstein. Poate ca teoria selectiei naturale, propusa de Darwin si Wallance, ar fi potrivita, dar se situeaza totusi la o distanta apreciabila.
Exista capodopere care ne emotioneaza intens, Recviemul lui Mozard, Capela Sixtina, Regele Lear. Pentru a ajunge sa le apreciezi splendoarea e nevoie de o lunga ucenicie. Dar rasplata este darul frumusetii pure. O noua versiune asupra lumii.Relativitatea generala a lui Einstein este una dintre aceste capodopere. E nevoie de o perioada de invatare pentru a intelege matematica lui Riemann si a stapani tehnica prin care putem citi in integralitatea sa ecuatia lui Einstein. Marea fizica e aidoma marii muzici: vorbeste direct sufletului si ne deschide ochii catre frumusete.
Când am predat fizica tinerilor studenți, a fost o bucurie să fac un pas înapoi din domeniul meu de cercetare și să reflectez asupra unora dintre cele mai importante izbânzi ale generaților de fizicieni de pretutindeni, care au conlucrat de-a lungul timpului pentru înfăptuirea lor, minunându-mă ce pot realiza mințile omenești când iscodesc în mod creator lumea fizică, iar metodele și abordările care au dus la aceste descoperiri din fizică au oferit modele clare pentru a înțelege realitatea în care trăim. Studiind fizica putem învăța lecțiile fundamentale despre lumea fizică în care trăim si este important să înțelegem ce ne spun aceste fundamente despre locul nostru ca oameni în imensitatea universului. Percepția noastră obișnuită scoate la iveală doar câteva crâmpeie din realitatea dezvăluită de fizica modernă. A înțelege cum funcționează lumea exterioară – altfel spus, lumea fizică – este, desigur, o problemă practică vitală care presupune cunoștințe de fizică modernă.
Am simțit că principala mea sarcină (și fără îndoială cea mai dificilă) era ca, pe baza experienței mele din cercetare, să încerc să explic puterea pe care ți-o dă capacitatea de a calcula ce se întâmpla cu un sistem fizic în diferite condiții și cât de util este să-ți validezi modelul de calcul cu rezultatele unui experiment bine gândit. În activitatea de cercetare începem prin a studia ce se întâmplă în situații simple, precis definite, pe care le putem reproduce în mod repetat. Odată ce le stăpânim pe acestea, putem încerca să deducem ce se întâmplă în situații mai complicate. Am petrecut ceva timp căutând să le explic lucruri dificile din fizica modernă în termeni elementari, dar fără să fac rabat la rigoare. În acest fel tinerii studenți puteau înțelege ce înseamnă cu adevărat principiile fizicii. Toate teoriile fizice implica ecuații si formule care fac aspectele tehnice (din fericire nu si ideile esențiale) opace pentru nespecialiști. Deși legile fizicii sunt descrise cel mai bine prin simbolismul subtil al matematicii abstracte, totuși cu puțin efort si ceva răbdare, lucrurile cele mai importante pot fi traduse in limbajul comun fără a folosi ecuații 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 le înțeleg eu însumi cu mai multa claritate decât atunci când le priveam numai in forma lor matematică.
Ingredientele de bază ale realității fizice sunt câteva principii și proprietăți. Aceste principii și proprietăți sunt exprimate prin ceea ce numim particule elementare. Dar „particulele elementare” sunt cu totul diferite de orice obiecte ale experienței obișnuite, iar pentru a le înțelege corect trebuie să începem cu principiile și proprietățile. Am încercat să-i fac să înțeleagă că particulele elementare apar în teoriile din fizica modernă ca mici aglomerări de energie ale unor câmpuri. Câmpurile, și nu particulele, sunt componentele fundamentale ale materiei în fizica modernă. În fizica modernă câmpurile trebuie privite nu doar ca simple artificii matematice care ne ajută să calculăm forțele dintre particule, ci ca entități fizice de sine stătătoare, locuitori ai universului nostru ce pot fi în realitate „mai fundamentale” decât particulele elementare.
La prima vedere universul pare guvernat de legi înrădăcinate în concepte clasice: de pildă, o particulă sau un corp având poziția și viteza bine determinate la orice moment de timp. Dar după o cercetare amănunțită la nivel microscopic ne dăm seama că aceste idei clasice familiare nouă trebuiesc modificate. Universul este guvernat cu o precizie extremă de fizica cuantică. Fizicienii au înțeles că legile fizicii sunt de fapt legi cuantice.
Când ne gândim la spațiu la scara imensității cosmice, sau cu precizie extremă, sau în vecinătatea găurilor negre, geometria euclidiană nu se mai potrivește cu realitatea. În relativitatea specială și în cea generală, Albert Einstein i-a dezvăluit limitele și a arătat cum pot fi depășite. De atunci, ideile lui teoretice au fost confirmate în numeroase experimente. Faptul că geometria euclidiană nu reușește să ne ofere un model complet al realității nu-i știrbește coerența matematică, nici nu-i anulează numeroasele succese.
Materia obisnuita, adica acea materia din care suntem alcatuiti noi si lumea in care traim, este materia pe care o putem construi din electroni, fotoni, doua tipuri de cuarci, numiti “up” si “down”, si gluoni. Cele mai bune modele ale lumii, de care dispunem astazi, arata ca putem construi materia pe care o intalnim in viata de zi cu zi, cea din care sunt alcatuite corpurile noastre si lumea in care traim, folosind drept ingrediente fundamentale exact cele cinci feluri de particule elementare, fiecare definite prin cateva propietati clare: masa, sarcina, spin. Mesajul fundamental din fizica moderna e limpede: lumea fizica e construita din foarte putine tipuri de ingrediente. Mai mult, aceste ingrediente sunt ideal de simple, in sensul ca au doar cateva propietati, propietatile primare ale materiei, din care deriva toate celelalte propietati, sunt: masa, sarcina, spinul. Pentru orice particula elementara, odata precizata valoarea acestora trei propietati primare, impreuna cu pozitia si viteza ei, particula a fost complet descrisa.
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. Simtul estetic il ajuta pe fizician sa selecteze ideile care ii permit sa explice natura intr-un mod cat mai simplu. Simplitatea ideilor e o parte din ceea ce se intelege prin frumusete in fizica. Teoria lui Einstein e mai frumoasa decat decat teoria lui Newton datorita ideii sale privind echivalenta dintre gravitatie si inertie. In afara simplitatii putem considera ca sentimentul de inevitabil reprezinta o alta calitate care face ca o teorie fizica sa fie frumoasa. Odata ce cunosti principiile fizice generale adoptate de Einstein, intelegi ca el nu putea fi condus spre o alta teorie a gravitatiei semnificativ diferita de cea la care a ajuns.
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.
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. Ceva din modul de constructie al atomilor ii face sa se uneasca in cele mai bizare combinatii: giganticele molecule fantastice ale vietii, ADN, ARN, sute de proteine si tot restul. Chimia este intr-adevar o ramura a fizicii: fizica electronilor de valenta, adica a acelor electroni care se rotesc in jurul nucleului pe orbitele exterioare ale atomului. Propietatea electronilor de valenta de a sari dintr-o pozitie in alta sau de a fi pusi in comun de atomi este ceea ce le confera atomilor caracteristicile lor uimitoare si acest lucru e explicat numai de mecanica cuantica dezvoltata de celebrii fizicieni: Heisenberg, De Broglie, Schrodinger, Dirac, Born.
Daca aplicam regulile mecanicii cuantice atomilor din care e compusa creta (carbonatul de calciu, CaCO3 ) se dovedeste ca atomii de calciu si carbon cedeaza usor doi si respectiv patru electroni, iar atomii de oxigen accepta usor doi electroni.Astfel cei trei atomi de oxigen din fiecare molecula de carbonat de calciu pot accepta cei sase electroni oferiti de un atom de calciu si un atom de carbon: este exact numarul de electroni necesar pentru schimb. Forta electrica produsa prin acest transfer de electroni este cea care mentine atomii in molecula de carbonat de calciu si legile mecanicii cuantice explica formarea si propietatile carbonatului de calciu.Desigur exista cateva concepte ale chimiei care risca sa fie pierdute daca se incearca sa fie reduse la fizica , cum ar fi: valenta, structura legaturilor, orbitalii localizati, aciditatea, culoarea , mirosul.Dar faptul ca aceste cateva concepte nu pot fi reduse la fizica nu arunca nici o indoiala asupra adevarului ca toate aceste notiuni ale chimiei functioneaza in acest mod datorita mecanicii cuantice. Dupa cum a remarcat marele chimist Linus Pauling,” nu exista nici o parte a chimiei care sa nu depinda, in fundamentele ei teoretice, de principiile mecanicii cuantice”.
Succesul mecanicii cuantice in calculul propietatilor moleculelor mai simple (molecula de hidrogen de exemplu) a aratat limpede ca legile chimiei sunt determinate de legi ale fizicii. Desigur, in realitate nimeni nu rezolva ecuatiile mecanicii cuantice pentru a deduce in detaliu functia de unda sau energia exacta a moleculelor cu adevarat complicate cum sunt proteinele. Cu toate acestea nu avem nici o indoiala ca regulile mecanicii cuantice explica propietatile unor asemenea molecule. In principiu, folosind un calculator suficient de mare, am putea explica propietatile chiar si a unei molecule destul de complexe cum este molecula de AND, folosind ecuatiile mecanicii cuantice – ecuatii destul de complicate pentru astfel de molecule complexe.
Desigur chimia ramane disciplina care descrie si explica frumusetea si diversitatea lumii naturale. O floare, pana la urma este o colectie de elemente chimice care sufera reactii chimice si intelegerea acestor procese le sporeste valoarea estetica. Totusi chimia e plina de retete ad-hoc fara valabilitate universala. Primele linii ale tabelului periodic sunt destul de simple, dar, pe masura ce avansam in tabel, trebuie sa adaugam din ce in ce mai multe presupuneri. Regulile pentru legaturile moleculare sant aproximative si au numeroase exceptii. Referitor la acest subiect, pastrez inca in minte multe discutii interesante pe care le-am avut cu bunul meu prieten Nistor Perescu, plecat cam prea din vreme din asta lume, un foarte bun chimist care avea reputatia de a intelege lucrurile cu mult inaintea altora, si care, in activitatea sa de cercetare in domeniul nuclear la ICN Pitesti-Mioveni s-a remarcat prin curajul de a aborda probleme cu adevarat dificile.
Dintre stiintele ingineresti foarte multe, daca nu chiar toate, transpun in practica descoperirile de actualitate ale fizicii. Biologia si medicina se bazeaza din ce in ce mai mult pe studiul aspectelor fizice ale functionarii sistemelor biologice, precum si pe aparatura de inalta performanta bazata pe fenomene fizice de mare profunzime descoperite de fizicieni, cum ar fi de exemplu Rezonanta Magnetica Nucleara, pentru care au fost acordate de-a lungul anilor 8 premii Nobel in 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 ADN a fost studiata intens cu raze X spre ai determina structura spatiala. Rezultatul a fost acea descoperire remarcabila ca molecula de ADN este formata dintr-o pereche de lanturi, rasucite unul in jurul altuia.
Am ramas placut surprins, atunci cand, cu mult timp in urma, am vizitat laboratoarele Argonne din Cicago. Aici am vazut aici biologi si medici 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. Din studiul culorilor luminii pe care o emit atomii putem obtine informatii bogate si detaliate despre felul in care funtioneaza acestia. Iata cum stau lucrurile : un atom poate exista in stari cu energie totala diferita. Datorita conditiei cuantice, energiile permise alcatuiesc un tipar de valori discrete. Stari cu energie mai inalta pot trece in stari cu energie mai joasa, fiind emis un foton. Energia fotonului reprezinta diferenta de energie intre starile atomice initiala si finala. Asa cum ne-au invatat Planck si Einstein, energia unui foton e legata de frecventa lui-altfel spus de culoarea lui.Iar asta se poate masura usor. Ansamblul culorilor emise de un atom se numeste spectru. Studiul spectrelor se numeste spectroscopie. Spectroscopia este unul dintre cele mai puternice instrumente prin care putem comunica cu Natura.
Complexitatea ordonata a spectrelor atomice e un mare dar pentru cunoasterea umana. De vreme ce fiecare tip distinct de atom emite un tipar de lumina distinct, spectrele atomice formeaza un fel de semnatura sau amprenta. Asfel, doar analizand culorile din spectrul de lumina putem discerne identitatea atomilor aflati la mare distanta de noi in spatiu si timp. Spectroscopia ne permite sa testam fundamentele lumii fizice. Si din moment ce astrofizicienii au vazut aceleasi spectre atomice pretutindeni si mereu in univers, deducem ca aceleasi legi actioneaza asupra acelorasi materiale elementare pretutindeni in univers si in tot cursul istoriei lui. 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. Acceleratorul se afla intr-un tunel sbteran circular cu circumferinta de aprox 27 de Km sub o zona rurala de la granita dintre Franta si Elvetia. Fasciculele se intersecteaza in patru puncte si rezulta un milliard de ciocniri pe secunda. Detectorul ATLAS este de peste doua ori mai mare decat Partenonul si inregistreaza energiile, sarcinile electrice,etc. si transmite toate aceste informatii la o retea internationala care leaga intre ele mii de supercomputere. Conceput initial pentru a studia bozonul Higgs, el este de asemenea dispozitivul ideal pentru a descoperii partenerii supersimetrici ai particulelor elementare.
In ultimii ani rublicile de stiinta ale revistelor au relatat despre doua uimitoare descoperiri care ii deruteaza pe fizicieni. Prima e ca 90% din materia universului este alcatuita dintr-o subsatnat necunoscuta, misterioasa, numita materie intunecata. Cealalta e ca 70% din energia universului e compusa dintr-o structura si mai misterioasa, numita energie intunecata.
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, foarte 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 apar In univers. Ideea este de a cerceta fenomenele noi care apar cand 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 candva fizicianul Melvin Schwartz laureat al Premiului Nobel in Fizica. Felul in care opereaza legile fundamentale ale lumii fizice se deosebeste mult de felul in care opereaza legile oamenilor. Oamenii au multe legi, iar ele difera de la un loc la altul si se schimba in timp. Legile fizicii sun putine si sunt aceleasi pretutindeni si intotdeauna. Legile fizicii descriu pur si simplu ce se va intampla. Ele sunt exprimate ca ecuatii matematice in care apar cantitati precis definite, fara ambiguitati sau neantelegeri printre specialisti. Deducerea consecintelor lor e doar o chestiune de calcul. Poti programa un computer sa-l efectueze.
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.
Legile fizicii, modelul standard, o lista de particule, o lista de mase si de constante de cuplaj, constituie un instrument extrem de puternic pentru a explica universul in care ne aflam. 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 momente 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 prezent? 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, inclusiv 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 prea 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, inclusiv 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. Asa cum am spus, 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. 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, pe aceasta planeta numita Terra, este doar consecinta unui accident norocos.
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 in prea curand. 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 urmatoare de fizicieni 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 aceasta planeta numita Terra. 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.
Desigur in fizica mai exista insa multe lucruri pe care as dori sa le vad implinite inainte de a pleca din aceasta lume. Spre exemplu, mi-ar place sa traiesc sa vad realizat visul fizicienilor de a lamuri natura materiei intunecate si al energiei intunecate care predomina universul cat si pe acela de a dezvolta o teorie cuantica a gravitatiei care va trebui in final sa explice de ce traim intr-o lume pe care o putem cerceta in fel si chip, teorie care mai mult ca sigur ne va da noi raspunsuri la intrebarile fundamentale privind spatiul si timpul, de unde venim noi oamenii si incotro ne indreptam.
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. Principiul holografic, care este o consecinta a celei de-a doua lege a termodinamicii aplicata gaurilor negre, ne spune realitatea tridimensionala in care traim este o proiectie holografica a acelor procese fizice ce au loc pe o suprafata la granita Universului(vezi detalii la gravitatia cuantica).
Fizica a jucat un rol de vehicul si de unificator, oferind o imagine limpede a realitatii; un spatiu intins prin care alearga particule, impinse si atrase de forte. Faraday si Maxwell au adaugat campul electromagnetic, entitate raspandita in spatiu, prin mijlocirea careia corpuri alfate la distanta exercita anumite forte unul asupra altuia. Einstein a completat tabloul, aratand ca si gravitatia e purtata de un camp: un camp constituit din insesi geometria spatiului si timpui. Apoi, claritatea conceputa a fizicii clasice a fost tulburata de cuante. Realitatea nu este asa cum o descrie fizica clasica. Lumea pe care o cunoastem, cea care ne interesaza, cea pe care o numim “realitate”, e o vasta retea de entitati in interactiune, care se manifesta una fata de alta interactionand, si din care facem parte. Propietatile fiecarui lucru nu sunt altceva decat felul in care acel lucru le influenteaza pe celelte. Exista numai in interactiunea cu alte lucruri. Nu exista propietati in afara interactiunilor. Lumea cuantica e alcatuita numai din interactiuni, intamplari si evenimente discontinue. Orice interactiune e un eveniment. Proprietatile lucrurilor sunt in raport cu alte lucruri si apar din interactiune. Fenomenul in care se manifesta in cel mai mare grad acesata interdependenta a lucrurilor este “corelatia cuantica” (entanglement, in engleza). E fenomenul cel mai straniu care pune in evidenta aspectele cele mai ametitoare ale realitatii dezvaluite de teoria cuantelor. Acesta e fenomenul prin care doua obiecte aflate la distanta unul de altul, de exemplu doua particule care s-au intalnit in trecut, doi fotoni corelati cuantic, pastreaza un fel de legatura ciudata, ca si cum ar putea sa stea in continuare de vorba. Fenomenul e confirmat fara gres in laborator.
Teoria cuantica e teoria felului in care se influenteaza lucrurile, iar aceasta e cea mai buna descriere a naturii de care dispunem astazi, baza tehnologiei moderne, o teorie in care, fara nici un dubiu, putem avea incredere. Textura fina a lucrurilor formeaza acesta lume stranie in care traim, in care variabilele sunt relative, iar viitorul nu este influentat de prezent. Aceasta lume fantasmatica a cuantelor e lumea noastra. In viata de zi cu zi nu ne dam seama de toate acestea. Lumea ni se pare determinata pentru ca fenomenele de interferenta cuantica se pierd in zarva lumii macroscopice. Reusim sa le punem in evidenta doar prin obeservatii delicate si izoland cat mai mult obiectele. A lua in serios mecanica cuantica, a cugeta la implicatiile ei e o experienta aproape uluitoare: impune renuntarea, intr-un fel s-au altul, la ceva ce ni se parea solid si inatacabil in modul nostru de a intelege lumea. Ne cere sa acceptam ca realitatea e profund diferita de cea pe care ne-o imaginam.
Trei sunt rezultatele experimentale importante pentru fizica fundamentala din ultimii ani. Primul este descoperirea bozonului Higgs la CERN, langa Geneva cu ajutorul acceleratorului de particule LHC ( Large Hadron Colider). Al doilea sunt masuratorile satelitului Planck, ale caror date au fost publicate in acelasi an. Al treilea este prima detectare a undelor gravitationale anuntata in primele luni din anul 2016. Cele trei rezultate au ceva in comun: absenta totala a oricarei surprise. Descoperirea bozonului Higgs reprezinta o solida confirmare a modelului standard al particulelor elementare, bazat pe mecanica cuantica. Masuratorile facute de satelitul Planck reprezinta o solida confirmare a modelului cosmologic standard, bazat pe relativitatea generala cu constanta cosmologica. Detectarea undelor gravitationale este o spectaculoasa confirmare a relativitatii generale, o teorie veche de mai mult de o suta de ani. Toate trei rezultatele, obtinute cu mari eforturi tehnologice, prin colaborarea a sute de oameni de stiinta, nu fac decat sa intareasca imaginea pe care o aveam despre evolutia universului, fara sa aduca o surpriza adevarata.
Dar insasi absenta surprizeor a surprins. La CERN se asteptau sa gaseasca dovezi pentru supersimetrie, nu bozonul Higgs. Pe de alta parte, multi se asteptau ca satelitul Planck sa masoare discrepante fata de modelul cosmologic standard, care sa sustina teorii cosmologice alternative la relativitatea generala. Dar surprize n-au fost. Ceea ce ne confirma natura, prin cele trei rezultate experimentale, e simplu: relativitatea generala, mecanica cuantica si, in cadrul mecanicii cuantice, modelul standard!
Cea mai cercetata teorie alterantiva la teoria gravitatiei cuantice cu bucle este teoria corzilor (string theory). Majoritatea fizicienilor adepti ai teoriei corzilor sau a unor teorii inrudite cu aceasta se asteptau ca la acceleratorul de particule de la CERN sa apara particule de un tip nou, prezise de teoria corzilor, dar neobservate pana in prezent: particule supersimetrice. Teoria corzilor are nevoie de aceste particule pentru a fi coerenta; de aceea le asteptau adeptii teoriei cu atata nerabdare.In schimb teoria gravitatiei cu bucle e bine definita si in absenta particulelor supersimetrice; de aceea adeptii ei se asteptau mai degraba ca aceste particule sa nu existe. Spre marea dezamagire a multora aceste particule nu au aparut.
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. Vazand particular Higgs, noi oamenii, ne-am extins perceptia. Am intrezarit un comportament pe care Natura il dezvaluie doar rareori, pentru foarte scurt timp si numai dupa multa insistenta. Pentru mintea umana iscoditoare, spatiul gol nu va fi niciodata gol!
Desigur, mai exista Inca o multime de lucruri despre univers, despre lumea in care traim, pe care nu le stim sau pe care nu le Intelegem. Cu cat descoperim mai multe, cu atat ne dam seama totodata ca ceea ce nu stim inca reprezinta mai mult decat ce am inteles deja. Cu cat telescoapele noastre sunt mai puternice, cu atat vedem mai adanc in univers. Astazi vedem aproape pana la big bang, marea explozie din care acum 14 miliarde de ani au luat nastere toate galaxiile din univers; dar incepem deja sa intrezarim ca exista ceva dincolo de big bang. Am aflat deja ca spatiul se curbeaza, si incepem sa intrezarim ca acest spatiu e tesut din granule cuantice care vibreaza. Fizica deschide o fereastra prin care putem privi in departare. Imi place sa spun ca studiind cum este alcatuit si cum functioneaza universul, ajungem sa intelegem gandirea lui Dumnezeu. Einstein vorbea adesesa despre Dumnezeu ca in celebrul citat: “Lucrul cel mai greu de inteles despre univers este ca poate fi inteles. Domnul e subtil, dar in nici un caz rautacios”.
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 (din fericire nu si ideile esentiale) 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 le inteleg eu insumi cu mai multa claritate decat atunci cand le priveam numai in forma lor matematica. Poate uneori am sa ma repet atunci cand consider ca este necesar. 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. Poate ca mesajul cel mai important pe care am dorit sa-l transmit este ca noi oamenii am ajuns sa intr-adevar sa intelegem in profunzime multe aspecte ale lumii fizice in care traim.
Ar fi multe de spus despre frumusetea FIZICII. Scriind aceste note am ajuns sa reflectez si sa ma minunez, a nu stiu cata oara, de unele din cele mai importante izbanzi a generatii de oameni de stiinta de pretutindeni care au conlucrat de-a lungul timpului pentru infaptuirea lor.