Spațiul-timp spune materiei cum să se miște. Materia spune spațiului-timp cum să se curbeze (John Wheeler).

1. Cea mai frumoasa teorie din FIZICA

În urmă cu peste 110 ani, pe 25 noiembrie 1915, Albert Einstein a depus la Academia Prusacă a patra și ultima lucrare privind teoria generală a relativității. Einstein a prezentat această lucrare, „Ecuațiile de câmp ale gravitației” (Die Feldgleichungen der Gravitation), într-o perioadă marcată de tensiune personală, tensiune politică și o intensă rivalitate științifică care aproape l-a costat gloria descoperirii sale.

Teoria lui Einstein e mai frumoasa decât teoria lui Newton datorita simplității ideii centrale privind echivalenta dintre gravitație si accelerație. Odată ce cunoști principiile fizice generale adoptate de Einstein, înțelegi ca el nu putea fi condus spre o alta teorie a gravitației semnificativ diferita. Recunoașterea faptului ca gravitația si mișcarea accelerata sunt profund legate este ideea-cheie pe care a avut-o Einstein in acea zi fericita, in biroul de brevete si invenții din Berna.

TEORIA GENERALA A RELATIVITATII cea mai frumoasa teorie din FIZICA ! Eu nu cunosc sa existe vreo teorie fundamentala in oricare alta știința care ar putea sa se ridice la aceiași înălțime. Poate ca teoria selecției naturale, propusa de Darwin (mutația întâmplătoare si competiția), ar fi potrivita pentru comparație, dar se situează totuși la o distanta apreciabila.

Einstein trăia si gândea mult înaintea timpului sau. Putini au înțeles si au acceptat teoria relativității la vremea respectiva, fapt pentru care premiul Nobel i-a fost acordat lui Einstein pentru efectul fotoelectric si nu si pentru teoria relativității. La acea vreme se considera firesc ca timpul sa fi curs permanent, indiferent de ceea ce se întâmpla, dar teoria relativități a combinat spațiul cu timpul si a afirmat ca amândouă pot fi răsucite sau distorsionate de materia si energia din univers. După Einstein , gravitația este o distorsiune in textura spațiu-timp, produsa de masa si energia pe care acesta o conține.

Albert Einstein a dat lumii cea mai frumoasă teorie din toată știința civilizației de pe planeta Terra   și a transformat pentru totdeauna înțelegerea noastră despre univers.

Saltul făcut de Einstein e inegalabil, o lovitură de geniu, arătând că spațiul-timp e un câmp. Lumea e alcătuită din câmpuri și particule, spațiul și timpul nu sunt ceva separate de ele, diferit de restul naturii, sunt pur și simplu un câmp printre celelalte. Spațiul-timp și câmpul gravitațional reprezintă unul și același lucru. Este o simplificare impresionantă a lumii. Spațiul nu mai este ceva diferit de materie. E una din componentele „materiale” ale lumii, înrudită cu câmpul electromagnetic. Este o entitate reală care se ondulează, se pliază, se curbează, se răsucește. Noi nu suntem conținuți într-un eșafodaj rigid, ci scufundați într-o imensă moluscă flexibilă (metafora lui Einstein).

Sistemul de poziționare GPS pe care îl accesăm de pe smartphone sau din automobil comunică cu sateliții ale căror dispozitive interne de sincronizare iau în mod curent cunoștință de curbura spațiu-timp (și de ecuațiile relativității generale) pe care o înregistrează sateliții pe orbita lor de deasupra Pământului. Dacă sateliții n-ar face acest lucru, indicațiile referitoare la poziție pe care le generează ar deveni rapid incorecte. Geometria lui Euclid, predată elevilor timp de două milenii, se aplică cu succes numai datorită faptului că la suprafața Pământului câmpul gravitațional e destul de slab, astfel încât spațiul în care trăim nu are o curbură observabilă. Euclid, folosind experiența unei vieți trăite în câmpul gravitațional slab al Alexandriei elenistice, a creat o teorie a spațiului plat. A trebuit să vină Einstein să ne arate că, la scara universului, spațiul este curbat și geometria lui Euclid trebuie înlocuită cu geometria neeuclidiană a lui Lobacevski, Riemann și Bolyai.

Am aflat deja că spațiul se curbează, și începem să întrezărim că acest spațiu este țesut din granule cuantice care vibrează. Este incredibil cum noi oamenii, niște ființe izolate pe o mică planetă ce se învârte în jurul unei stele oarecare, dintr-un colț îndepărtat al unei galaxii obișnuite, prin gândire și experiment am putut percepe și înțelege cele mai misterioase caracteristici ale universului fizic. Fizica ne deschide o fereastră prin care putem privi în depărtare. Îmi place să spun că studiind cum este alcătuit și cum funcționează universul, ajungem să înțelegem gândirea lui Dumnezeu. Einstein vorbea adesea despre Dumnezeu ca în celebrul citat: “Lucrul cel mai greu de înțeles despre Univers este că poate fi înțeles. Domnul este subtil, dar în niciun caz răutăcios”(Albert Einstein, Cum văd Lumea). Teoria relativității generale a lui Einstein si Mecanica cuantica sunt cei doi mari “stâlpi” ai științei de pe planeta noastră. Acestea sunt realizări cu adevărat monumentale.

Principiile fizicii reprezintă o componentă prețioasă a civilizației de pe planeta noastră și pare o mare tragedie faptul că atât de mulți oameni, altminteri instruiți, sunt rupți de această parte a culturii noastre din cauza lipsei cunoștințelor științifice de bază. (în imagine : Prima pagină din lucrarea lui Albert Einstein).

• Elaborarea teoriei generale a relativității

Prin relativitatea specială, celebrul fizician Albert Einstein a rezolvat conflictul dintre „intuiția veche de când lumea” privind mișcarea, pe de o parte, și viteza constantă a luminii, pe de altă parte. Pe scurt, soluția este aceea că intuiția noastră e greșită – ea s-a format pornind de la faptul că mișcarea e în general extrem de lentă în comparație cu viteza luminii, iar aceste viteze mici ascund adevăratul caracter al spațiului și timpului. Einstein și-a dat seama destul de curând că, între numeroasele consecințe ale teoriei speciale a relativității, una era deosebit de profundă: postulatul că nimic nu poate depăși lumina era incompatibil cu venerata teorie a gravitației universale, elaborată de Newton în cea de-a doua jumătate a secolului al XVII-lea.

În teoria newtoniană a gravitației, un corp exercită o atracție gravitațională asupra altuia cu o forță determinată doar de masele corpurilor și de mărimea distanței dintre ele. Forța nu are nimic de-a face cu timpul cât cele două obiecte s-au aflat unul în prezența celuilalt. Asta înseamnă că, dacă masele sau distanța dintre corpuri s-ar modifica, conform lui Newton, obiectele ar simți imediat o schimbare în atracția gravitațională reciprocă. De exemplu, teoria newtoniană a gravitației susține că, dacă Soarele ar exploda brusc, Pământul – aflat la vreo 150 de milioane de km depărtare – și-ar schimba instantaneu traiectoria, începând să se depărteze de la orbita lui eliptică obișnuită. Cu toate că luminii generate de explozie i-ar trebui 8 minute pentru a ajunge de la Soare la Pământ, în teoria lui Newton informația că Soarele a explodat ar fi transmisă instantaneu pe Pământ printr-o schimbare bruscă a forței gravitaționale care îi guvernează mișcarea. Această concluzie este în contradicție directă cu relativitatea specială, care ne asigură că nicio informație nu poate fi transmisă mai repede decât viteza luminii – transmiterea instantanee ar fi cea mai flagrantă violare a acestui concept.

Prin urmare, la începutul secolului XX, Einstein și-a dat seama că mult prețuita teorie newtoniană a gravitației era în conflict cu propria lui teorie specială a relativității. Având încredere în veridicitatea teoriei relativității speciale și fără a putea combate muntele de dovezi experimentale ce susțineau teoria lui Newton, Einstein a căutat o nouă teorie a gravitației compatibilă cu teoria specială a relativității. Până la urmă, aceasta l-a condus la descoperirea teoriei generale a relativității, în care caracterul spațiului și timpului urmau să sufere din nou o transformare remarcabilă. Chiar și înainte de descoperirea relativității speciale, teoria newtoniană a gravitației avea o lacună importantă. Deși poate fi folosită pentru a face previziuni de o mare acuratețe asupra modului în care se vor mișca obiectele sub influența gravitației, ea nu spune ce este gravitația. Cum e posibil ca două corpuri care sunt fizic separate unul de altul, uneori la sute de milioane de kilometri sau mai mult, să-și influențeze totuși reciproc mișcarea? Prin ce mijloace execută gravitația această misiune? Aceasta era o problemă de care însuși Newton era conștient. Cu alte cuvinte, Newton a acceptat existența gravitației și a elaborat ecuațiile ce descriu cu precizie efectele ei, dar nu a oferit niciodată vreo explicație privind felul în care funcționează ea.

Newton a dat lumii „manualul utilizatorului” pentru gravitație, care descria modul de întrebuințare al acesteia – instrucțiuni pe care fizicienii, astronomii și inginerii le-au exploatat cu succes pentru a pregăti drumul rachetelor spre Lună, Marte și alte planete ale sistemului solar; pentru a prezice eclipsele de Soare și de Lună; pentru a prezice mișcarea cometelor și așa mai departe. Dar el a lăsat substratul acestor acțiuni – conținutul „cutiei negre” a gravitației – într-un mister total. Pentru Newton a rămas un mister motivul pentru care toate corpurile cad cu aceeași viteză și urmează traiectorii identice. De ce forța de gravitație și inerția se află în același raport pentru toate substanțele (în contrast cu forțele electrice unde „sarcina” și „masa” nu sunt proporționale)? Einstein a arătat că aceasta e o consecință naturală a faptului că toate corpurile urmează același „cel mai scurt drum” într-un spațiu-timp curbat din cauza masei și a energiei. Einstein a înțeles că, în pofida sutelor de ani de confirmări experimentale, teoria specială a relativității conducea la concluzia că există un „defect” subtil al teoriei lui Newton și că „repararea” ei presupunea dezvăluirea întregii și adevăratei naturi a gravitației, lucru pe care l-a făcut în teoria relativității generale.

Einstein, în elaborarea teoriei generale a relativității, avea o problemă bine definită – cum să pună în acord teoria gravitației cu noua viziune asupra spațiului și timpului din teoria specială a relativității, pe care o propusese în 1905. El a avut câteva indicii prețioase, în special remarcabilul fapt descoperit de Galilei că mișcarea corpurilor mici în câmp gravitațional e independentă de natura corpurilor. Aceasta i-a sugerat lui Einstein că gravitația ar putea fi o proprietate a spațiului-timp. Einstein a avut, de asemenea, la dispoziție o teorie matematică bine închegată a spațiilor curbe, elaborată de Riemann și alți matematicieni. În teoria lui Newton, forța gravitațională de atracție dintre Soare și o planetă depinde de distanța dintre pozițiile ocupate de cele două corpuri în același timp, dar în relativitatea specială simultaneitatea nu are o semnificație absolută – observatori diferiți, în funcție de starea lor de mișcare, nu vor cădea de acord dacă un eveniment are loc înaintea, după sau în același timp cu un alt eveniment. Indiciul care i-a arătat lui Einstein în 1907 calea spre relativitatea generală a fost proprietatea bine cunoscută și distinctivă a gravitației: forța gravitațională este proporțională cu masa corpului asupra căruia acționează. Einstein s-a gândit că aceasta seamănă cu așa-numitele forțe de inerție pe care le resimțim când ne mișcăm cu o viteză neuniformă (mișcare accelerată) sau când schimbăm direcția de mișcare. Forța de inerție este cea care ne împinge în scaun atunci când accelerăm brusc automobilul. Forța centrifugă care împiedică Pământul să cadă spre Soare este, de asemenea, o forță de inerție. Toate aceste forțe de inerție sunt, la fel ca forța gravitațională, proporționale cu masa corpului asupra căruia acționează. Pe Pământ nu resimțim nici câmpul gravitațional al Soarelui, nici forța centrifugală provocată de mișcarea Pământului în jurul Soarelui, fiindcă cele două forțe se echilibrează reciproc, dar echilibrul ar fi rupt dacă una din forțe ar fi proporțională cu masa obiectelor asupra cărora acționează, iar cealaltă nu; în acest caz, unele obiecte ar putea cădea de pe Pământ pe Soare, iar altele ar putea fi azvârlite de pe Pământ în spațiul interstelar.

În general, faptul că gravitația și forțele de inerție sunt ambele proporționale cu masa corpului asupra căruia acționează și nu depind de nicio altă proprietate a acestuia face posibilă identificarea în orice punct dintr-un câmp gravitațional a unui „sistem de referință în cădere liberă”, în care nici gravitația, nici forțele de inerție nu sunt resimțite, deoarece ele se află într-un echilibru perfect pentru toate corpurile. Dacă resimțim forțele gravitaționale sau de inerție, aceasta se datorează faptului că nu ne aflăm într-un sistem în cădere liberă. De exemplu, la suprafața Pământului, corpurile în cădere liberă sunt accelerate spre centrul Pământului cu 10 metri pe secundă și resimțim forța gravitațională, cu excepția cazului în care se întâmplă să fim accelerați în jos în același ritm (ex. când coborâm cu liftul).

Ideile lui Einstein au fost motivate de acest aspect elementar al gravitației, pe care orice copil de școală îl poate înțelege: forța gravitației este resimțită la fel ca forța datorată accelerației. Einstein a făcut un salt logic și a presupus că forțele gravitaționale și forțele inerțiale sunt același lucru, fapt numit de el principiul echivalenței între gravitație și inerție, sau, pe scurt, principiul echivalenței. Conform acestui principiu, orice câmp gravitațional este complet descris atunci când cunoaștem sistemul de referință care se află în cădere liberă pentru fiecare punct din spațiu și timp.

Această legătură profundă între gravitație și mișcarea accelerată este, fără îndoială, o realizare remarcabilă, însă de ce oare l-a bucurat atât de mult pe Einstein? Motivul, simplu spus, este că gravitația e misterioasă. Ea e marea forță omniprezentă în viața cosmosului, dar în același timp e insesizabilă și eterică. Pe de altă parte, mișcarea accelerată, deși ceva mai complicată decât mișcarea uniformă, este concretă și tangibilă. Prin descoperirea legăturii fundamentale dintre cele două, Einstein și-a dat seama că putea folosi felul său de a înțelege mișcarea accelerată pentru a ajunge la o înțelegere similară a gravitației.

Punerea în practică a acestei strategii nu a fost o sarcină ușoară nici măcar pentru geniul lui Einstein, dar până la urmă această abordare a dat roade sub forma relativității generale. Pentru a ajunge la acest obiectiv, Einstein a trebuit să găsească o a doua legătură în lanțul ce unifică gravitația și mișcarea accelerată: curbarea spațiului și timpului. Aceste observații l-au condus pe Einstein spre pasul decisiv. Cum el arătase deja că gravitația și mișcarea accelerată nu pot fi efectiv deosebite, iar apoi demonstrase că mișcarea accelerată este asociată cu deformarea spațiului și timpului, a făcut următoarea presupunere cu privire la conținutul „cutiei negre” a gravitației – mecanismul prin care aceasta acționează. Gravitația, după Einstein, este deformarea spațiului și timpului.

După 1907, Einstein a căutat vreme de aproape un deceniu cadrul matematic potrivit acestei idei. În cele din urmă, a găsit exact ce-i trebuia printr-o analogie profundă între rolul gravitației în fizică și cel al curburii în geometrie. Pornind de la această analogie între gravitație și curbură, Einstein a ajuns la concluzia că gravitația nu e nici mai mult, nici mai puțin decât un efect al curburii spațiului și timpului. Pentru a preciza această idee, el avea nevoie de o teorie matematică a spațiilor curbe. Einstein a fost cel mai mare fizician care a apărut după Newton, stăpânea matematica pe care o cunoșteau cei mai mulți fizicieni din vremea lui, dar nu a fost un matematician. Prietenul său Marcel Grossmann a fost acela care i-a sugerat lui Einstein să studieze geometria neeuclidiană pentru a construi o teorie veridică a spațiului și timpului. În cele din urmă, cu ajutorul lui Grossmann, Einstein a găsit exact ce îi trebuia în teoria spațiilor curbe elaborate de Riemann, Lobacevski și Bolyai (Bolyai cel născut în Transilvania!).

Einstein învață cu efort matematica lui Riemann și scrie în 1915 o ecuație în care curbura R_ab a spațiului-timp e proporțională cu energia materiei. În cuvinte, spațiul-timp se curbează mai tare acolo unde există mai multă materie.

Dacă nu insistăm asupra detaliilor matematice și evident aici n-o vom face, putem rezuma logica superbă a relativității generale în câțiva pași:

1. „Coincidența” că gravitația va imprima aceeași accelerație oricărui corp care ocupă o poziție dată la un moment dat, indiferent de proprietățile corpului, trebuie să fie punctul de pornire.
2. Prin urmare, accelerația gravitațională trebuie să reflecte o proprietate a spațiului-timp.
3. O proprietate pe care o poate avea spațiul-timp este curbura.
4. Curbura spațiului-timp influențează mișcarea corpurilor în spațiu-timp. Corpurile care se deplasează „pe cât de drept posibil” ar putea totuși să nu reușească să se deplaseze în linie dreaptă.
5. În spațiu-timp, mișcarea în linie dreaptă reprezintă mișcarea cu o viteză constantă. Abaterea de la mișcarea în linie dreaptă reprezintă astfel accelerația.
6. Combinând punctele 4 și 5, găsim o modalitate de a înfăptui punctul 2: gravitația reflectă curbura spațiului-timp.
7. De vreme ce curbura poate varia de la un punct la altul, precum și în timp, ea definește un câmp.
8. Pentru a avea o teorie a gravitației, ne trebuie o ecuație care leagă câmpul de curbură al spațiului-timp de influența materiei. Într-adevăr, așa cum ne-a învățat Newton, materia poate exercita gravitație.
9. Legea newtoniană a gravitației sugerează că proprietatea esențială a materiei în exercitarea gravitației este masa. Mai precis, curbura spațiului-timp, care codifică gravitația, trebuie să fie proporțională cu masa. Această sugestie trebuie clarificată pentru a obține o ecuație precisă, dar clarificarea necesară, odată ce ai relativitatea specială, devine o chestiune tehnică. Principala clarificare este recunoașterea faptului că toate formele de energie, nu numai energia-masă, exercită gravitație.

Fizicianul John Wheeler a rezumat astfel: „Spațiul-timp îi spune materiei cum să se miște; materia îi spune spațiului-timp cum să se curbeze”.

Teoria gravitației (relativitatea generală) explică într-un mod uimitor și pe deplin satisfăcător coincidența lui Newton. Împlinește, de asemenea, aspirația lui Newton de a avea o teorie a gravitației bazată pe acțiune locală, aducând gravitația în același cadru bazat pe câmpuri ca și electromagnetismul. Pentru a înțelege mai bine această nouă perspectivă asupra gravitației, să considerăm situația tipică a unei planete, cum ar fi Pământul, care se rotește în jurul unei stele, cum ar fi Soarele. Conform gravitației newtoniene, Soarele menține Pământul pe orbită cu ajutorul unei „funii” gravitaționale neidentificate care ajunge instantaneu, străbătând mari distanțe prin spațiu până la Pământ și îl „agață” (iar, în mod asemănător, Pământul „agață” Soarele). Einstein a oferit o nouă explicație pentru ceea ce se întâmplă.

Dar ce se întâmplă cu spațiul dacă este prezent un obiect masiv precum Soarele? Înainte de Einstein, răspunsul era „nimic”; se credea că spațiul (și timpul) oferă doar un fundal inert – scena pe care se jucau evenimentele universului. Raționamentele lui Einstein conduc însă la o concluzie diferită. Un corp masiv, cum e Soarele, și de fapt orice corp, exercită o forță gravitațională asupra celorlalte obiecte. Aceste legături dintre gravitație, mișcarea accelerată și spațiul curbat l-au condus pe Einstein la concluzia remarcabilă că prezența unei mase, așa cum e Soarele, face ca textura spațiului din jurul ei să se deformeze. Această deformare, la rândul ei, afectează obiectele ce se mișcă în vecinătatea Soarelui, ele trebuind să traverseze acum textura spațială din vecinătatea Soarelui.

Diferența acum este aceea că, spre deosebire de Newton, Einstein a identificat mecanismul prin care se transmite gravitația: deformarea spațiului. Din punctul de vedere al lui Einstein, „funia” gravitațională care menține Pământul pe orbită nu este vreo acțiune instantanee și misterioasă a Soarelui; ea este, de fapt, deformarea texturii spațiale datorată prezenței Soarelui. Pământul este menținut pe orbită în jurul Soarelui pentru că se rostogolește de-a lungul unei văi din textura spațiului deformat. Într-un limbaj mai precis, urmează „traiectoria de minimă rezistență” în regiunea deformată din jurul Soarelui. În mod asemănător, Pământul, fiind la rândul lui un corp masiv, deformează textura spațiului, chiar dacă mult mai puțin decât Soarele. În limbajul relativității generale, aceasta e modalitatea prin care Pământul menține Luna pe orbită și, de asemenea, ne ține pe fiecare dintre noi la suprafața sa. Când un parașutist plonjează spre Pământ, el va aluneca de-a lungul unei depresiuni din textura spațiului produsă de masa Pământului. În plus, fiecare dintre noi – ca orice alt obiect masiv – deformează textura spațiului din imediata vecinătate, dar masa relativ mică a unui corp uman face ca această deformare să fie infimă. Deci, în esență, Einstein a fost în acord cu afirmația lui Newton că „gravitația trebuie să fie produsă de un agent” și a acceptat provocarea acestuia care lăsa stabilirea identității agentului „la latitudinea cititorilor”. În conformitate cu cele demonstrate de Einstein, agentul gravitației este textura cosmosului. În cazul Soarelui, nu există niciun alt obiect care „să-l atragă”. În schimb, Einstein ne-a învățat că deformarea spațiului este gravitație. Simpla prezență a unui obiect masiv face ca spațiul să reacționeze deformându-se. Einstein ne-a demonstrat că obiectele se mișcă prin spațiu (prin spațiu-timp, mai precis) de-a lungul celor mai scurte traiectorii posibile – traiectoriile „cele mai ușoare” sau traiectoriile „de minimă rezistență”. Dacă spațiul este deformat, asemenea traiectorii vor fi curbate. Când nu este prezentă nicio masă, spațiul e plat și un obiect mic poate sta liniștit în repaus sau se poate deplasa cu viteză constantă. Dacă o masă mare intră în scenă, spațiul se va deforma, dar distorsiunea nu va fi instantanee. Ea se va transmite de la corpul masiv în toate direcțiile, ajungând în final la o formă distorsionată fixă ce va comunica atracția gravitațională a noului corp. În cadrul real al relativității generale, Einstein a putut calcula viteza cu care se deplasează perturbațiile în textura universului și a găsit că această viteză este exact viteza luminii.

Când un obiect își schimbă poziția sau când explodează, el produce o schimbare în deformarea texturii spațiului care se transmite în toate direcțiile cu viteza luminii, rămânând astfel în acord cu limita de viteză din relativitatea specială. Prin urmare, noi, cei de pe Pământ, am percepe vizual distrugerea Soarelui în același moment în care am simți și consecințele gravitaționale ale distrugerii sale – asta s-ar întâmpla cam la 8 minute de la explozie. Formularea lui Einstein rezolvă deci conflictul; perturbațiile gravitaționale țin pasul cu fotonii, dar nu îi depășesc. În timp ce relativitatea restrânsă se manifestă mai pregnant în cazul obiectelor care se mișcă cu viteze mari, relativitatea generală capătă o importanță critică atunci când obiectele sunt foarte masive și deci deformările spațiului și timpului sunt mari.

Teoria generală a relativității descrie forța de gravitație și structura la scară mare a universului, adică structura la scară de la numai câțiva kilometri la milioane de milioane de milioane de milioane (unu cu douăzeci și patru de zerouri după el) de kilometri, dimensiunea universului observabil. Teoria relativității generale e o teorie a câmpurilor. Câmpul implicat se numește câmp gravitațional. Este mult mai complicat decât câmpul electric și e reprezentat printr-un set mult mai complicat de linii de câmp. Este nevoie de trei seturi de linii de câmp în cazul câmpului gravitațional. Spațiul poate fi umplut cu o mare varietate de influențe invizibile care au tot soiul de efecte asupra materiei. Teoria relativității generale ne spune că spațiul-timp este de fapt curbat în prezența unui câmp gravitațional (adică nu este exact euclidian). Relativitatea generală este o teorie a spațiului și timpului, elaborată de Albert Einstein. Einstein trăia și gândea mult înaintea timpului său. Puțini au înțeles și au acceptat teoria relativității la vremea respectivă, fapt pentru care premiul Nobel i-a fost acordat lui Einstein pentru efectul fotoelectric și nu pentru teoria relativității! La acea vreme se considera firesc ca timpul să fi curs permanent, indiferent de ceea ce se întâmplă, dar teoria relativității a combinat spațiul cu timpul și a afirmat că amândouă pot fi răsucite sau distorsionate de materia și energia din univers. În acest fel, modul nostru de a percepe natura timpului s-a schimbat de la independența acestuia până la fasonarea lui de către materia din univers.

Potrivit relativității generale a lui Einstein, putem accepta că spațiul-timp nu e fundamental deosebit de materie, spațiul este un fel de material. Este o entitate dinamică, se poate curba și deplasa. Dacă așa stau lucrurile, atunci el va fi alcătuit din numere imense de unități identice – „particule de spațiu” – fiecare dintre ele aflându-se în contact cu câțiva vecini, schimbând mesaje, unindu-se și separându-se, dând naștere altora și murind. Potrivit principiilor mecanicii cuantice, orice se poate mișca se mișcă spontan. Ca urmare, distanța dintre două puncte fluctuează. Combinând relativitatea generală cu mecanica cuantică, calculăm că spațiul este un fel de gelatină în permanentă mișcare.

După Einstein, gravitația este o distorsiune în textura spațiu-timp, produsă de masa și energia pe care acesta o conține. Obiecte ca proiectilele și planetele încearcă să se miște în linie dreaptă în spațiu-timp, dar, deoarece spațiul-timp e curbat și răsucit și nu plat, traiectoriile lor par să fie curbate. John Wheeler, unul dintre marii specialiști în relativitatea generală, a rezumat astfel teoria relativității: „Spațiul-timp spune materiei cum să se miște; materia spune spațiului-timp cum să se curbeze”. Desigur, formularea lui Wheeler e atrăgătoare, dar înșelătoare sau cel puțin incompletă fără acest adaos important: Și spațiul-timp e o formă de materie. Mai exact, este greșit să credem că curbura spațiului-timp e în întregime dictată de altceva – adică de „materie”. Curbarea spațiului-timp presupune energie, iar energia face ca spațiul-timp să se curbeze. Astfel, curbura participă la propria ei creație. Pe scurt, spațiul-timp are o viață proprie. Cum vine asta „o viață proprie”?

Încununarea triumfului noțiunii de câmp a lui Faraday și, mai exact, a ecuațiilor lui Maxwell, care exprimă noțiunea în termeni matematici, a fost descoperirea undelor electromagnetice. În aceste unde, câmpul electromagnetic capătă o viață proprie. Câmpuri electrice variabile creează câmpuri magnetice variabile, care creează câmpuri electrice variabile, și așa mai departe, la nesfârșit. O perturbație autoântreținută a câmpurilor se propagă prin spațiu. Dacă perturbația se repetă la o lungime de undă corespunzătoare, o vom vedea ca lumină. Am învățat, de asemenea, să „vedem” și alte lungimi de undă, folosind detectoare specializate, cum ar fi, spre exemplu, receptoarele radio. În mod asemănător, câmpul de curbură al lui Einstein, care codifică gravitația, poate și el susține perturbații autoântreținute. Acestea se numesc unde gravitaționale. La undele gravitaționale, curbarea spațiului-timp în anumite direcții determină curbarea în alte direcții. Ecuațiile pentru undele gravitaționale seamănă foarte mult cu cele pentru undele electromagnetice, cu interpretări diferite ale simbolurilor, desigur. Sursele care declanșează undele sunt diferite: sarcinile electrice în mișcare radiază unde electromagnetice, în vreme ce masele în mișcare radiază unde gravitaționale. În ciuda asemănării calitative, există o mare diferență cantitativă între undele electromagnetice și cele gravitaționale. Această diferență cantitativă apare pentru că, potrivit relativității generale, spațiul-timp e extrem de rigid. Din pricina acestei rigidități, chiar și mișcări rapide care implică mase mari produc doar ondulări minuscule în spațiul-timp. Atunci când detectăm unde gravitaționale, ele conțin mesaje de la unele dintre cele mai violente și mai interesante evenimente din univers.

Observatorul Undelor Gravitaționale cu Interferometru Laser (LIGO – Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) a detectat astfel de unde generate atunci când stele neutronice sau două găuri negre se contopesc. LIGO a detectat zeci de asemenea evenimente, fapt ce dovedește că în ultimii ani s-a îmbogățit mult percepția noastră asupra unor evenimente stranii și îndepărtate din univers.

• Soluția exactă a relativității generale

Karl Schwarzschild (fizician și astronom german, 9 octombrie 1873 – 11 mai 1916), aflat în iarna lui 1916 pe frontul de Est, bolnav și sub bubuitul tunurilor, folosind o soluție exactă pentru ecuațiile lui Einstein, a confirmat că teoria lui Einstein explică mișcarea anormală a planetei Mercur. Schwarzschild era familiarizat cu geometria „riemanniană”, matematica spațiului curbat. A început prin a face câteva ipoteze de bază. În primul rând, Soarele – și de fapt orice stea – este perfect sferic. În al doilea rând, curbura spațiului-timp din jurul său nu se modifică în timp. Și în al treilea rând, curbura spațiului-timp nu depinde de direcție, ci doar de distanța „radială” față de Soare. Aceste intuiții i-au permis lui Schwarzschild să simplifice enorm ecuațiile lui Einstein, reducându-le de la zece la una singură. A folosit apoi un mic truc matematic și – minunea minunilor – a descoperit că ecuația avea o soluție unică. În locul unei expresii aproximative pentru curbura spațiului-timp din jurul Soarelui, el a găsit o descriere exactă – prima soluție exactă a teoriei einsteiniene. Deși Einstein își prezentase teoria gravitației la Academia Prusacă de Științe cu doar ceva mai mult de o lună în urmă, iar Schwarzschild nu numai că reușise s-o stăpânească, dar o făcuse să avanseze într-un teritoriu nou, a găsit prima soluție exactă a relativității generale, ceva ce Einstein însuși credea că e imposibil. Pentru a explica mișcarea anormală a lui Mercur, Einstein recursese la o expresie aproximativă pentru spațiu-timp curbat în jurul Soarelui, în timp ce Schwarzschild a folosit o soluție exactă. Schwarzschild a realizat imposibilul: l-a întrecut pe Einstein pe propriul său teren!

Dacă în teoria lui Newton o singură ecuație e suficientă pentru a descrie gravitația, ceea a lui Einstein are nevoie de zece. Prin urmare, a găsi forma spațiului-timp pentru o distribuție dată a materiei – sau, în termeni tehnici, o soluție a ecuațiilor Einstein ale câmpului gravitațional – este dificilă. Einstein însuși crezuse că e imposibil, de aceea, pentru a explica mișcarea anormală a lui Mercur, recursese la o expresie aproximativă pentru spațiu-timp curbat în jurul Soarelui.

Dar Schwarzschild, zăcând pe un pat de spital, încă nu terminase cu teoria lui Einstein. Examinând cazul unei stele idealizate – o masă sferică – el găsise o descriere exactă a curburii spațiului-timp în exterior, dar ce se întâmplă în interior? Acesta a fost subiectul celui de-al doilea articol trimis lui Einstein. Examinând cu atenție miraculoasa lui ecuație, a descoperit ceva incredibil. Dacă un corp ceresc va putea fi vreodată comprimat sub o anumită rază critică, spațiul-timp va fi curbat atât de mult încât steaua va fi separată pentru totdeauna de univers și va apărea ca o gaură în spațiu (numită mai târziu „gaură neagră”). Raza limită „Schwarzschild” este ridicol de mică. Pentru Soare (cu un diametru de un milion de kilometri) este de 1,47 kilometri, iar pentru Pământ de numai cinci milimetri. Schwarzschild a murit pe 11 mai 1916. Avea doar patruzeci și doi de ani. Dar un lucru n-a murit odată cu el: soluția ecuațiilor lui Einstein pentru o gaură neagră.

Astronomii au obținut prima imagine a găurii negre supermasive (Sagittarius A*) aflate în centrul Galaxiei Noastre (vezi imaginea atașată, sursa:https://eventhorizontelescope.org/).

„Am văzut porțile iadului la însuși capătul spațiului și al timpului”, a exclamat profesorul de astrofizică Heino Falcke, membru în echipa EHT, cea care a obținut imaginea găurii negre.

Folosind o rețea de telescoape interconectate răspândite pe tot globul, numită „Telescopul Orizontului Evenimentelor” (EHT, Event Horizon Telescope), astronomii au încercat să vizualizeze orizontul evenimentelor a două găuri negre supermasive, relativ apropiate de Pământ. Cea din centrul Căii Lactee, numită Sagittarius A*, are de 4,3 milioane de ori masa Soarelui, și cea din centrul galaxiei M87, care este de o mie de ori mai mare decât Sagittarius A*.

Semnalele radio înregistrate de fiecare telescop EHT au fost combinate pe un calculator la Observatorul Haystack (aflat la 45 km nord-vest de Boston) pentru a simula o antenă gigantică de dimensiunea Pământului. EHT folosește o lungime de undă de 1,3 milimetri. Cu cât antena este mai mare și lungimea de undă mai scurtă, cu atât se pot distinge detalii mai mici.

Principalul motiv pentru care găurile negre sunt considerate enormități ciudate este că, atunci când o stea suferă o contracție necontrolată pentru a forma o gaură neagră, sfârșește prin a fi comprimată într-un punct infinitezimal a cărui densitate crește vertiginos spre infinit. Mai precis, o gaură neagră pune o cantitate enormă de masă într-un volum zero. O astfel de singularitate semnalează colapsul spațiului și timpului, un indiciu important pentru fizicieni că legile fizicii, pe care le considerăm sacre și imuabile, nu sunt nicidecum astfel.

Fizicianul american John Wheeler s-a exprimat mai poetic: „Gaura neagră ne învață că spațiul poate fi mototolit ca o bucată de hârtie într-un punct infinitezimal, că timpul poate fi stins ca o flacără, iar legile fizicii pe care le considerăm ‘sacre’ și imuabile nu sunt nicidecum astfel”.

Pentru a înțelege ce se întâmplă cu adevărat cu spațiul și timpul în centrul unei găuri negre va fi necesară găsirea unei teorii mai profunde a gravitației. Și pentru asta, aviz celor interesați, la Stockholm așteaptă să fie înmânat un Premiu Nobel.

Este de așteptat ca teoria einsteiniană a gravitației să fie o aproximație a acestei teorii mai profunde, la fel cum teoria gravitației elaborată de Newton s-a dovedit a fi o aproximație a teoriei lui Einstein.

De ce trebuie să existe o gaură neagră supermasivă în fiecare galaxie rămâne pentru astrofizicieni unul dintre marile mistere.

• Universul cauzal

Descrierea Universului dată de relativitatea generală este cea a unui univers cauzal, datorită afirmației că nimic nu se poate deplasa mai repede decât lumina. Deoarece nimic nu se mișcă mai repede decât lumina, drumurile razelor de lumină ce părăsesc un eveniment definesc limitele exterioare ale viitorului cauzal al respectivului eveniment. Ele formează ce în fizică numim conul de lumină viitor al unui eveniment. Putem deci vedea că structura relațiilor cauzale din jurul unui eveniment poate fi gândită în termeni de conuri de lumină, trecut și viitor. Îl numim con deoarece, dacă facem desenul pe un plan cu numai două dimensiuni, va arăta ca un con (vezi fig.). Astfel, în universul nostru, specificând traiectoriile tuturor razelor de lumină în jurul oricărui eveniment, descriem structura tuturor relațiilor cauzale posibile.

Împreună, aceste relații conțin ceea ce numim structura cauzală a unui univers. Nu numai că trăim într-un univers cauzal, dar cea mai mare parte din povestea universului nostru este povestea relațiilor cauzale dintre evenimentele sale. Metafora în care spațiul și timpul au împreună o geometrie, numită geometria spațiu-timp, se bazează pe o coincidență matematică și nu ne este prea folositoare atunci când încercăm să înțelegem sensul fizic al teoriei relativității generale. Ideea fundamentală în relativitatea generală este că structura cauzală a evenimentelor poate fi ea însăși influențată de aceste evenimente. Structura cauzală nu este fixată odată pentru totdeauna. Ea este dinamică: evoluează conform legilor. Legile care determină evoluția în timp a structurii cauzale a universului se numesc ecuațiile Einstein. Sunt foarte complicate, dar atunci când e vorba de cantități mari de materie ce se mișcă încet, precum stelele și planetele, devin mult mai simple. În esență, în aceste situații, conurile de lumină se înclină către materie (vezi fig.). Fenomenul este adesea numit curbura sau distorsiunea geometriei spațiului și timpului. Ca rezultat, materia tinde să cadă pe obiectele masive. Acesta este, firește, alt mod de a vorbi despre forța gravitațională. Dacă materia se mișcă în jur, atunci undele se propagă prin structura cauzală și conurile de lumină oscilează înainte și înapoi. Acestea sunt undele gravitaționale. Astfel, teoria gravitației a lui Einstein este o teorie a structurii cauzale. Ne spune că esența spațiului și timpului este structura cauzală și că mișcarea materiei este o consecință a modificărilor în rețeaua relațiilor cauzale.

• Verificarea experimentală a relativității generale

Relativitatea generală a fost verificată experimental în diferite moduri. Lăsând la o parte estetica, testul suprem al unei teorii fizice este capacitatea ei de a explica și de a prezice cu exactitate fenomene fizice. Încă de la apariția ei, la sfârșitul anilor 1916, și până la începutul acestui secol, teoria gravitației newtoniene a trecut acest test cu brio. Fie că a fost aplicată mingilor aruncate în sus prin aer, obiectelor lăsate să cadă din turnuri, cometelor care se mișcă în jurul Soarelui sau planetelor care se rotesc pe orbitele lor, teoria lui Newton oferă explicații extrem de precise asupra tuturor observațiilor, precum și previziuni ce au fost verificate de nenumărate ori într-o mare diversitate de situații. Așa cum am subliniat, motivul pentru care a fost pusă la îndoială această teorie care a repurtat atâtea succese în fața experimentelor a fost proprietatea ei de a transmite instantaneu forța gravitațională, în contradicție cu teoria relativității speciale. Deși sunt esențiale pentru o înțelegere fundamentală a spațiului, timpului și mișcării, efectele relativității speciale sunt extrem de slabe în această lume a vitezelor mici în care trăim. În mod asemănător, diferențele dintre relativitatea generală a lui Einstein – o teorie a gravitației compatibilă cu relativitatea specială – și teoria gravitației newtoniene sunt, de asemenea, extrem de mici în majoritatea situațiilor întâlnite. E un lucru bun, dar și un lucru rău. Este bine pentru că orice teorie care intenționează să înlocuiască teoria gravitației newtoniene ar trebui să fie în concordanță cu ea când o aplicăm acelor situații în care teoria lui Newton a fost verificată experimental. Este rău pentru că, din punct de vedere experimental, e foarte greu să tranșăm în favoarea uneia din ele. Pentru a distinge între teoria lui Newton și cea a lui Einstein sunt necesare măsurători extrem de precise în experimente foarte sensibile la diferențele dintre cele două teorii. Dacă aruncați o minge de tenis, puteți prezice locul unde ea va cădea folosind atât gravitația newtoniană, cât și teoria lui Einstein, iar răspunsurile vor fi diferite, dar diferențele vor fi atât de mici, încât nu pot fi măsurate experimental. Era nevoie de un experiment mai ingenios, iar Einstein a găsit unul. Noi vedem stelele noaptea, dar, bineînțeles, ele se află acolo și pe timpul zilei. Nu le vedem pentru că lumina lor îndepărtată și punctiformă este covârșită de lumina emisă de Soare. În timpul unei eclipse solare însă, Luna obturează temporar lumina solară, iar stelele îndepărtate redevin vizibile. Dar prezența Soarelui mai are încă un efect. Lumina provenind de la unele stele îndepărtate trebuie să treacă prin apropierea Soarelui în drumul ei spre Pământ. Relativitatea generală a lui Einstein prezice că Soarele face ca spațiul și timpul din jurul său să se curbeze, iar o asemenea distorsiune va influența drumul razei de lumină. La urma urmei, fotonii care vin din regiuni îndepărtate călătoresc de-a lungul texturii universului; dacă textura este deformată, atunci și mișcarea fotonilor va fi afectată la fel ca în cazul unui corp material. Devierea drumului luminii este maximă pentru acele raze luminoase care trec chiar pe lângă Soare în drumul lor spre Pământ. O eclipsă solară face cu putință vizualizarea unor asemenea raze de lumină stelară care „șterg” în trecere Soarele, nelăsând ca ele să fie complet ascunse de lumina Soarelui. Unghiul cu care este deviată raza de lumină se poate măsura printr-o modalitate simplă. Devierea razei de lumină a stelei duce la schimbarea poziției aparente a stelei. Această schimbare poate fi măsurată cu precizie prin compararea poziției aparente cu poziția adevărată a stelei, cunoscută din observațiile făcute asupra ei în timpul nopții (în absența influenței deformatoare a Soarelui), când Pământul se află într-o poziție propice, aproximativ șase luni mai devreme sau mai târziu. În noiembrie 1915, Einstein a folosit noua teorie a gravitației pentru a calcula unghiul sub care vor fi deviate semnalele luminoase ale stelelor care ating Soarele în drumul spre Pământ, iar rezultatul obținut a fost de 0,00049 dintr-un grad (1,75 secunde de arc; o secundă de arc este 1/3600 dintr-un grad). Acest unghi minuscul este egal cu acela subîntins de o monedă plasată vertical și privită de la aproximativ două mile depărtare. Detectarea unui unghi atât de mic era însă accesibilă tehnologiei acelor vremuri.

La îndemnurile lui Sir Frank Dyson, directorul observatorului din Greenwich, Sir Arthur Eddington, astronom de renume și secretar al Societății Regale de Astronomie din Anglia, a organizat o expediție în insula Principe, pe coasta de vest a Africii, pentru a testa predicțiile lui Einstein în timpul eclipsei solare din 29 mai 1919. Pe 6 noiembrie 1919, după aproximativ cinci luni de analize ale fotografiilor făcute în timpul eclipsei solare în insula Principe (și ale altor fotografii ale eclipsei obținute de o altă echipă britanică condusă de Charles Davidson și Andrew Crommelin în localitatea Sobral din Brazilia), într-o conferință comună a Societății Regale și a Societății Regale de Astronomie s-a anunțat că predicțiile lui Einstein, bazate pe teoria generală a relativității, au fost confirmate. Curând, vestea despre acest succes – o schimbare radicală a concepțiilor anterioare asupra spațiului și timpului – a depășit granițele comunității științifice, făcând din Einstein o celebritate mondială.

• Frumusețea teoriei lui Einstein

Principala forță de atracție a teoriei lui Einstein e simplitatea ei, coerența logică și, desigur, sentimentul de inevitabil pe care ni-l dă teoria. Atât teoria lui Einstein, cât și cea a lui Newton despre gravitație implică ecuații care descriu forțele gravitaționale produse de orice cantitate dată de materie. În teoria lui Newton există trei asemenea ecuații (corespunzând celor trei dimensiuni ale spațiului), în teoria lui Einstein sunt paisprezece. Acest fapt în sine nu poate fi considerat un avantaj estetic al teoriei lui Newton față de cea a lui Einstein. Teoria lui Einstein e mai frumoasă decât teoria lui Newton datorită simplității ideii centrale privind echivalența dintre gravitație și accelerație: forța de gravitație este resimțită la fel ca forța datorată accelerației. Einstein a transformat această observație banală, pe care orice copil de școală o poate înțelege, într-unul din cele mai importante principii ale fizicii: principiul echivalenței dintre gravitație și accelerație, sau, mai simplu, principiul echivalenței. Din acesta, el a dedus legile care guvernează toate fenomenele dintr-un câmp gravitațional, ca și ecuațiile pentru geometria neeuclidiană a spațiului-timp. Totul este cuprins în câteva ecuații, ecuațiile lui Einstein, cu o valabilitate universală. Cu ecuațiile sale elegante, un element de unicitate și capacitatea de a descrie multe fenomene, teoria generală a relativității este cea mai frumoasă teorie fizică concepută până acum. Dar, după cum am văzut, nu doar conținutul unei teorii – ce spune ea despre lume – o face frumoasă, ci și forma în care sunt scrise ecuațiile, ba chiar și raționamentul care a dus la descoperirea ei. Ascultând o piesă muzicală sau privind o pictură, simțim o plăcere estetică intensă dată de senzația că nimic din lucrare nu poate fi schimbat, fiecare notă din partitură sau fiecare culoare din pictură se află la locul potrivit. Același lucru e adevărat despre relativitatea generală. Odată ce cunoști principiile fizice generale adoptate de Einstein, înțelegi că el nu putea fi condus spre o altă teorie a gravitației semnificativ diferită.

Recunoașterea faptului că gravitația și mișcarea accelerată sunt profund legate este ideea-cheie pe care a avut-o Einstein în acea zi fericită, în biroul de brevete și invenții din Berna. Ce a descoperit Einstein a fost că, aflându-ne în interiorul unui compartiment de tren, nu vom fi în stare să deosebim aceste mișcări accelerate de cele în care nu există accelerație, dar există gravitație. Când mărimile lor sunt reglate corespunzător, forța pe care o simți provocată de un câmp gravitațional și cea provocată de o mișcare accelerată sunt imposibil de distins. Așa cum am spus, Einstein a numit această indiscernabilitate dintre mișcarea accelerată și gravitație principiul echivalenței. El joacă un rol central în teoria generală a relativității. Relativitatea generală desăvârșește demersul relativității speciale. În teoria specială a relativității, principiul relativității proclamă democrația în rândul punctelor de vedere: legile fizicii apar identice tuturor observatorilor aflați în mișcare cu viteză constantă. Dar aceasta e o democrație limitată, pentru că exclude un număr enorm de alte puncte de vedere – cele ale indivizilor accelerați. Ideea lui Einstein din 1907 ne arată cum putem îmbrățișa toate punctele de vedere – mișcare uniformă și mișcare accelerată – într-un cadru egalitar. Atât timp cât nu există nicio diferență între punctul de vedere al unui observator accelerat, fără câmp gravitațional, și un punct de vedere al unui observator fără accelerație, dar cu câmp gravitațional, putem adopta ultima perspectivă și declara că toți observatorii, indiferent de starea lor de mișcare, pot susține că sunt staționari și că „restul lumii se mișcă pe lângă ei”, atât timp cât includ un câmp gravitațional corespunzător în descrierea mediului care îi înconjoară. În sensul acesta, prin includerea gravitației, relativitatea generală ne asigură că toate punctele de vedere posibile se află pe picior de egalitate.

În forma sa finală, teoria relativității generale era doar o reinterpretare a matematicii deja existente a spațiilor curbe în termenii gravitației, împreună cu o ecuație de câmp care preciza curbura produsă de orice cantitate de materie și energie. Manualele de fizică susțin că, odată ce ai înțeles tensorul de curbură, ești foarte aproape de teoria gravitației a lui Einstein.

E foarte straniu că matematicienii sunt călăuziți de simțul lor estetic spre elaborarea unor structuri formale pe care fizicienii abia mai târziu le găsesc utile, chiar dacă matematicienii nu s-au gândit vreodată la un asemenea scop. Mă refer acum la teoria spațiilor curbe elaborate de Riemann, dar același lucru se poate spune și de teoria grupurilor (grupurile Lie, etc.), cu ajutorul cărora pot fi catalogate toate simetriile legilor naturii. Cum poate un matematician, condus de simțul său estetic, să ajungă la structuri care se dovedesc valoroase pentru fizicieni abia decenii sau secole mai târziu, chiar dacă matematicianul s-ar putea să nu fi fost deloc interesat de aplicațiile din fizică? Într-un bine cunoscut eseu, fizicianul Eugene Wigner numește acest fenomen „Eficacitatea irațională a matematicii”. În general, fizicienii consideră absolut bizară capacitatea matematicienilor de a anticipa matematica necesară teoriilor fizice.

Saltul făcut de Einstein e inegalabil, o lovitură de geniu, arătând că spațiul-timp e un câmp. Lumea e alcătuită din câmpuri și particule, spațiul și timpul nu sunt ceva separate de ele, diferit de restul naturii, sunt pur și simplu un câmp printre celelalte. Spațiul-timp și câmpul gravitațional reprezintă unul și același lucru. Este o simplificare impresionantă a lumii. Spațiul nu mai este ceva diferit de materie. E una din componentele „materiale” ale lumii, înrudită cu câmpul electromagnetic. Este o entitate reală care se ondulează, se pliază, se curbează, se răsucește. Noi nu suntem conținuți într-un eșafodaj rigid, ci scufundați într-o imensă moluscă flexibilă (metafora lui Einstein).

Teoria relativității generale este o teorie frumoasă și elegantă deoarece prezice atât de mult plecând de la foarte puțin. Și fizicienilor le place ca axiomele lor să fie simple și în număr mic. Ce nu e absolut necesar este neelegant. O teorie elegantă trebuie să fie exprimată printr-un număr mic de ecuații, fiecare dintre ele fiind simplu de scris. Ecuațiile lungi, cu prea multe simboluri, sunt un semn al unei teorii neelegante, sau poate al unei teorii exprimate stângaci.

Există capodopere care ne emoționează intens, Recviemul lui Mozart, Capela Sixtină, Regele Lear. Pentru a ajunge să le apreciezi splendoarea e nevoie de o lungă ucenicie. Dar răsplata este darul frumuseții pure. O nouă versiune asupra lumii. Relativitatea generală a lui Einstein este una dintre aceste capodopere. E nevoie de o perioadă de învățare pentru a înțelege matematica lui Riemann și a stăpâni tehnica prin care putem citi în integralitatea sa ecuația lui Einstein. Marea fizică e aidoma marii muzici: vorbește direct sufletului și ne deschide ochii către frumusețe.

Teoria generală a relativității este cea mai frumoasă teorie din fizică. Este o teorie cu adevărat superbă! Eu nu cunosc să existe vreo teorie fundamentală în oricare altă știință care ar putea să intre în această categorie de teorie superbă. Poate că teoria selecției naturale, propusă de Darwin (mutația întâmplătoare și competiția), ar fi potrivită acestei categorii, dar se situează totuși la o distanță apreciabilă. Nu sunt biolog, dar aș îndrăzni să formulez o opinie referitoare la această teorie. Darwin și Wallace, ca nimeni alții înaintea lor, au fost primii savanți care au furnizat despre existența noastră explicații care elimină complet agenții supranaturali. Două legi naturale stau la baza evoluției darwiniene. Prima e că reproducerea informației nu este niciodată perfectă. Chiar și cele mai bune mecanisme de reproducere fac din când în când mici erori. Replicarea ADN-ului nu face excepție. Deși a trebuit să treacă încă un secol până când Crick și Watson să descopere spirala dublă, Darwin a înțeles intuitiv că mutațiile întâmplătoare acumulate constituie motorul care pune în mișcare evoluția. Majoritatea mutațiilor sunt nefaste, dar din când în când, din pură întâmplare, se produce o mutație benefică. Al doilea pilon al teoriei intuitive a lui Darwin a fost principiul competiției: învingătorul reușește să se înmulțească. Genele mai bune prosperă; genele inferioare dispar. Aceste două idei simple au explicat cum s-a putut forma viața complexă și chiar inteligența fără nicio intervenție supranaturală. Odată îndepărtată magia din originea ființelor vii, calea către o explicație științifică a creației a fost deschisă.

Știm acum, cel puțin în linii mari, să descriem istoria și întâmplările neprevăzute care au dus la apariția noastră aici. Darwin și Wallace au stabilit un cadru nu numai pentru științele vieții, ci și pentru cosmologie. Legile care guvernează nașterea și evoluția universului trebuie să fie aceleași cu legile care guvernează căderea pietrelor, chimia și fizica nucleară a elementelor și fizica particulelor elementare. Ele ne-au eliberat de supranatural, arătând că viața complexă și chiar viața inteligentă ar putea apărea din întâmplare, prin competiție și cauze naturale.

Einstein și-a dat seama de modul în care sunt legate între ele masa, gravitația și energia. Din păcate, el nu a avut șansa să afle răspunsul la întrebarea: de ce este masa o proprietate intrinsecă a corpurilor? Fizica modernă a particulelor elementare este cea care ne-a dat răspunsul la această întrebare în anul 2012, atunci când bosonul Higgs a fost, în cele din urmă, descoperit. Particulele care se mișcă cu viteza luminii nu pot avea masă, de aceea fizicienii spun că un câmp Higgs este necesar pentru „a le da masă particulelor elementare”.

Sistemul de poziționare GPS pe care îl accesăm de pe smartphone sau din automobil comunică cu sateliții ale căror dispozitive interne de sincronizare iau în mod curent cunoștință de curbura spațiu-timp (și de ecuațiile relativității) pe care o înregistrează sateliții pe orbita lor de deasupra Pământului. Dacă sateliții n-ar face acest lucru, indicațiile referitoare la poziție pe care le generează ar deveni rapid incorecte. Geometria lui Euclid, predată elevilor timp de două milenii, se aplică cu succes numai datorită faptului că la suprafața Pământului câmpul gravitațional e destul de slab, astfel încât spațiul în care trăim nu are o curbură observabilă. Euclid, folosind experiența unei vieți trăite în câmpul gravitațional slab al Alexandriei elenistice, a creat o teorie a spațiului plat. A trebuit să vină Einstein să ne arate că, la scara universului, spațiul este curbat și geometria lui Euclid trebuie înlocuită cu geometria neeuclidiană a lui Lobacevski, Riemann și Bolyai.