“Natura și legile ei stau ascunse în noapte.
Dumnezeu a spus „Să fie Newton!”
Și s-a făcut lumina!”
(Epitaf pentru Isaac Newton)

Isaac Newton, acum câteva secole, a deschis larg ușa științei. El a descoperit cum câteva ecuații matematice pot descrie modul în care se deplasează obiectele, atât aici pe Pământ, cât și în spațiu. Date fiind forța și simplitatea rezultatelor sale, ne-am fi putut ușor imagina că ecuațiile lui Newton ar reflecta adevăruri eterne săpate adânc la temelia cosmosului.

Continuând explorările lui Newton, oamenii de știință s-au aventurat în zone ce depășesc cu mult raza de acțiune a ecuațiilor sale. În ultimele decenii am ajuns să înțelegem tot mai bine universul fizic. Mijloacele teoretice ale mecanicii cuantice și relativității generale ne permit să facem predicții testabile în legătură cu evenimentele fizice care au loc de la dimensiuni atomice și subatomice, la galaxii, roiuri de galaxii și chiar până la structura universului însuși.

Într-o zi din vara lui 2016, cu ocazia unei excursii în Grecia, am avut plăcuta surpriză să pot vedea ruinele orașului antic Abdera. Aici, cu două mii șase sute de ani în urmă, Leucip și Democrit au întemeiat școala atomistă (450 î.Cr. la Abdera). Cei doi mari înțelepți au avut o idee genială. Fără să aibă nevoie de fizica modernă de astăzi, Leucip și Democrit au adus argumente bazate pe observație și logică, arătând că materia nu poate fi un întreg continuu care să poată fi divizat la infinit. Singura posibilitate – conchide Democrit – este ca orice fractură de materie să fie alcătuită dintr-un număr finit de mici bucăți discrete, indivizibile, dar având fiecare o dimensiune finită: atomii.

Dovada definitivă a așa-numitei „ipoteze atomiste”, potrivit căreia materia este alcătuită din atomi, a trebuit să aștepte până în 1905. Această dovadă definitivă a ipotezei atomiste a lui Leucip și Democrit a fost găsită de un tânăr rebel de douăzeci și cinci de ani, care studiase fizica și lucra la Biroul de Brevete din Berna. Numele tânărului de douăzeci și cinci de ani este, evident, Albert Einstein.

Richard Feynman, cel mai mare fizician din a doua jumătate a secolului XX, scrie la începutul minunatelor sale lecții de fizică: „Dacă într-un cataclism, întreaga cunoaștere științifică ar fi distrusă și ar fi transmisă generațiilor următoare numai o frază, ce enunț ar conține cea mai multă informație în cât mai puține cuvinte? Cred că aceasta este ipoteza atomistă (sau faptul atomic, ori cum vreți să-i spuneți) conform căreia toate lucrurile sunt alcătuite din atomi, mici particule care se mișcă continuu, atrăgându-se una pe alta când sunt la mică distanță, respingându-se când sunt înghesuite una într-alta”. Veți vedea că în această unică frază există o cantitate enormă de informație despre lumea în care trăim, dacă folosim doar puțină imaginație de gândire.

Astăzi știm că atomul tradițional din fizică și chimie nu este „atom” în sensul celei mai mici cărămizi ale materiei. Atomul este alcătuit din electroni care înconjoară un nucleu atomic. Nucleul este mai departe alcătuit din protoni și neutroni, iar povestea nu se sfârșește aici – protonii și neutronii sunt formați din quarci și gluoni.

Materia obișnuită, adică acea materie din care suntem alcătuiți noi și lumea în care trăim, este materia pe care o putem construi din electroni, fotoni, două tipuri de quarci, numiți „up” și „down”, și gluoni. Cele mai bune modele ale lumii, de care dispunem astăzi, arată că putem construi materia pe care o întâlnim în viața de zi cu zi, cea din care sunt alcătuite corpurile noastre și lumea în care trăim, folosind drept ingrediente fundamentale exact cele cinci feluri de particule elementare, fiecare definite prin câteva proprietăți clare: masa, sarcina, spinul.

Mesajul fundamental din fizica modernă este limpede: lumea fizică este construită din foarte puține tipuri de ingrediente. Mai mult, aceste ingrediente sunt ideal de simple, în sensul că au doar câteva proprietăți. Proprietățile primare ale materiei, din care derivă toate celelalte proprietăți, sunt: masa, sarcina, spinul. Pentru orice particulă elementară, odată precizată valoarea acestor trei proprietăți primare, împreună cu poziția și viteza ei, particula a fost complet descrisă.

Scopul fizicii la nivelul ei cel mai profund nu este doar acela de a descrie lumea în care trăim, ci și de a explica de ce această lume, această planetă și acest univers este așa cum este. Iar dacă e să inventăm un rost pentru viețile noastre, rostul vieții ar putea fi acela de a încerca să înțelegem lumea în care trăim, și FIZICA cu siguranță ne ajută să facem acest lucru. În fizică s-au înfăptuit multe lucruri, dar mai sunt încă mult mai multe de făcut.

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. Dar această lacună în instrucție nu trebuie să ne surprindă. Noi fizicienii suntem un grup ciudat, care facem cu mare plăcere calcule și experimente de fizică. Nu este rezonabil să ne așteptăm ca toți oamenii să simtă la fel.

După părerea mea, cel mai important lucru în muncă – atât în cercetare, cât și în orice alt domeniu – este să-ți placă ceea ce faci. Doar atunci poți lucra bine și avea rezultate bune. După propria mea experiență, aproape tot ce știu din fizica și matematică am învățat cu plăcere atunci când a trebuit să învăț ceva pentru a avansa în propriile mele activități de cercetare, în dezvoltarea modelelor de calcul sau în interpretarea rezultatelor experimentale, și cu siguranță fizica mi-a oferit cel mai minunat material imaginabil.

Fizica este o știință privilegiată – se referă la legile de bază ale naturii, la cele mai profunde legi ale naturii. Teoriile fizicii îmbrățișează un uriaș domeniu de fenomene, de la galaxii și stele la atomi și particule elementare. Toate celelalte științe se folosesc de rezultatele produse de fizică. Faptul că fizica se ocupă de legile de bază ale naturii o face extrem de fascinantă – o adevărată aventură a spiritului uman.

Reușitele fizicii de până acum sunt extraordinare. Trebuie doar să privim în jurul nostru pentru a ne da seama de puterea excepțională pe care înțelegerea naturii ne-a permis s-o obținem. Tehnologia din lumea modernă s-a dezvoltat în mare măsură din enorma experiență acumulată în cercetare și fizica este cea care se află la baza tehnologiei dezvoltate de civilizația planetei noastre.

Teoriile fizicii de care dispunem azi au o precizie remarcabilă. Dar nu numai precizia este cea care le-a dat forța pe care o au azi, ci și faptul cu totul remarcabil că au putut fi tratate matematic în detaliu. Fizica și matematica împreună ne-au dat o știință cu o putere cu adevărat impresionantă. În secolul nostru, științele naturii, fizica în mod special, au devenit o componentă fundamentală a civilizației noastre, iar numărul de oameni care doresc să înțeleagă câte ceva în acest domeniu a crescut vertiginos. Fizica deschide o fereastră prin care putem privi în depărtare.

Există un consens unanim de a considera fizica drept știința cea mai avansată. Această apreciere nu este justificată numai de faptul că teoriile fizicii îmbrățișează un uriaș domeniu de fenomene, de la galaxii, nebuloase și stele la atomi și particule elementare. Fizica a rămas, prin urmare, mai mult ca oricând, un model pentru orice știință. Și ar fi greu de negat că acest aspect are motivele sale bine întemeiate. Știința, și în particular fizica, este o activitate de creație. Știința este sistemul de cunoaștere creat de ființele omenești, un sistem în permanență „deschis” schimbărilor. Caracterul deschis și liber al științei face din ea modul cel mai avansat de gândire pe care omenirea l-a dezvoltat vreodată.

Cei doi mari „stâlpi” ai științei de pe planeta noastră sunt mecanica cuantică, crucială în lumea microscopică, și teoria gravitației a lui Einstein. Ei reprezintă marile realizări intelectuale ale secolului trecut. Marele fizician Albert Einstein a săvârșit una din cele mai mari isprăvi intelectuale din toate timpurile, arătându-ne că spațiul și timpul sunt influențate de starea de mișcare a observatorului și se pot curba ca răspuns la prezența materiei și a energiei.

La fel cum relativitatea specială și relativitatea generală ne-au impus schimbări drastice în concepția noastră asupra lumii, mecanica cuantică, fizica lumii noastre reale, ne cere să renunțăm și la calitățile de „bun simț” pentru a înțelege frenezia haotică a universului microscopic. Mecanica cuantică ne-a transformat însuși limbajul pe care îl folosim pentru a descrie natura: în loc de particule cu poziții și viteze bine definite, am început să vorbim despre funcții de undă și probabilități.

Din fuziunea relativității cu mecanica cuantică s-a dezvoltat o nouă perspectivă asupra lumii, în care materia și-a pierdut rolul central. Acest rol a fost preluat în prezent de principiile de simetrie, unele dintre ele fiind ascunse vederii noastre. În prezent gravitația cuantică zguduie atât de puternic fundamentele fizicii moderne, încât până și banalul număr de trei dimensiuni spațiale ale universului, un lucru atât de elementar încât l-am putea considera dincolo de orice îndoială, este în mod spectaculos și convingător modificat.

Probabil în viitorul apropiat, acel principiu holografic din gravitația cuantică la care se referă în lucrările lor profesorul Gerard ‘t Hooft, laureat al premiului Nobel în fizică, și alți reputați fizicieni, va fi o idee formidabilă care va marca profund civilizația planetei noastre. Acestea sunt realizări cu adevărat monumentale.

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. Fizicienii, prin natura lor, nu vor fi mulțumiți până când nu vor ști că cel mai profund și elementar adevăr al universului a fost descoperit.

Cu toții admirăm progresul tenace acolo unde aparent nu erau sorții de izbândă. Într-un fel sau altul, cu toții ne dorim să descifrăm lumea din jurul nostru. Ei bine, toate aceste elemente se află în însăși esența fizicii moderne. Este într-adevăr un mare noroc că noi oamenii avem astfel de teorii și că putem înțelege lumea în care trăim într-un mod atât de remarcabil și de complet.

Consider excepționale pentru aceste teorii, atât domeniul lor de aplicare cât și exactitatea cu care se aplică. Eu nu cunosc să existe vreo teorie fundamentală în oricare altă știință care ar putea să intre în această categorie de excepțional pentru domeniul de aplicare și exactitatea cu care se aplică, așa cum este teoria relativității generale a lui Einstein. Poate că teoria selecției naturale, propusă de Darwin și Wallace, ar fi potrivită, dar se situează totuși la o distanță apreciabilă.

Există capodopere care ne emoționează intens: Requiem-ul lui Mozart, Capela Sixtină, Regele Lear. Pentru a ajunge să le apreciezi splendoarea este nevoie de o lungă ucenicie. Dar răsplata este darul frumuseții pure. Relativitatea generală a lui Einstein este una dintre aceste capodopere. Este 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 este aidoma marii muzici: vorbește direct sufletului și ne deschide ochii către frumusețe.

Fizica nu se ocupă doar cu a face previziuni. Există o diferență între a face previziuni și a le înțelege. Frumusețea fizicii, rațiunea ei de a fi, este că oferă informații privind motivele pentru care lucrurile din univers se comportă așa cum o fac. Abilitatea de a prezice comportamente este o mare parte din puterea fizicii, dar esența acesteia s-ar pierde dacă nu ne-ar oferi și o cunoaștere profundă a realității ascunse aflate la baza a ceea ce observăm.

Desigur, este foarte greu să definești frumusețea fizicii, dar ea este la fel de reală ca toate celelalte feluri de frumusețe. La fel ca dragostea sau teama, aceste lucruri nu se definesc; le cunoaștem atunci când le simțim. Simțul estetic îl ajută pe fizician să selecteze ideile care îi permit să explice natura într-un mod cât mai simplu. Simplitatea ideilor este o parte din ceea ce se înțelege prin frumusețe în fizică.

Teoria lui Einstein este mai frumoasă decât teoria lui Newton datorită ideii sale privind echivalența dintre gravitație și inerție. În afara simplicității, putem considera că sentimentul de inevitabil reprezintă o altă calitate care face ca o teorie fizică să fie frumoasă. Odată ce cunoști principiile fizice generale adoptate de Einstein, înțelegi că el nu putea fi condus spre o altă teorie a gravitației semnificativ diferită de cea la care a ajuns.

„Frumusețea fizicii se află în măsura în care fenomenele aparent complexe și independente pot fi explicate printr-un set de legi uimitoare în simplitatea lor”, spunea cândva fizicianul Melvin Schwartz, laureat al Premiului Nobel în Fizică.

Felul în care operează legile fundamentale ale lumii fizice se deosebește mult de felul în care operează legile oamenilor. Oamenii au multe legi, iar ele diferă de la un loc la altul și se schimbă în timp. Legile fizicii sunt puține și sunt aceleași pretutindeni și întotdeauna. Legile fizicii descriu pur și simplu ce se va întâmpla. Ele sunt exprimate ca ecuații matematice în care apar cantități precis definite, fără ambiguități sau neînțelegeri printre specialiști. Deducerea consecințelor lor este doar o chestiune de calcul. Poți programa un computer să-l efectueze.

Combinația de eleganță, unicitate și capacitatea de a răspunde la toate întrebările la care se poate răspunde este ceea ce face ca o teorie a fizicii să fie frumoasă. Fizicienii se numără printre savanții cei mai responsabili, care împing frontierele cunoașterii umane spre orizonturi greu predictibile, dar fermecătoare și pline de promisiuni.

Explicația științifică este o sursă de plăcere, la fel ca dragostea și arta. Cea mai bună cale de a înțelege natura explicației științifice este să trăiești acel fior pe care îl simți atunci când cineva (de preferință tu însuți) a reușit să înțeleagă și să explice un anumit lucru.

Legile fizicii, modelul standard, o listă de particule, o listă de mase și de constante de cuplaj, constituie un instrument extrem de puternic pentru a explica universul în care ne aflăm. Ele guvernează aproape orice aspect al fizicii, chimiei și, în final, al biologiei. Nu avem însă o teorie care să ne spună de ce modelul standard este cel corect și nu altul.

Ar putea legile fizicii să fie diferite în momente de timp și locuri foarte îndepărtate? Ar putea lista particulelor elementare, masele și constantele de cuplaj să fie diferite în alte părți ale universului pe care nu le putem observa în prezent? Dacă este așa, ce guvernează modul în care se schimbă ele? Există legi mai profunde care să ne spună care legi sunt posibile și care nu? Acestea sunt întrebările cu care fizicienii se luptă acum la început de secol XXI.

Fizicienii speră să găsească un sistem unic și coerent de legi fizice, o teorie finală, în care orice constantă a naturii, inclusiv constanta cosmologică, să poată fi prezisă pe baza unui principiu matematic elegant. Ei cred că la baza tuturor lucrurilor se află o teorie frumoasă, un set unic, puternic și convingător de ecuații, care descriu toate fenomenele, cel puțin în principiu, chiar dacă ecuațiile sunt prea greu de rezolvat.

Aceste ecuații trebuie să fie simple și simetrice. Dar, înainte de toate, ecuațiile trebuie să prezică în mod unic legile fizicii care au fost descoperite în ultimele câteva secole, inclusiv modelul standard al fizicii particulelor: lista particulelor elementare, masele lor, constantele de cuplaj și forțele dintre ele.

Ce ciudat ar fi să asistăm la descoperirea unei teorii finale! Descoperirea legilor ultime ale naturii va marca cu siguranță o ruptură în istoria științei moderne. Poate că experimentele efectuate cu acceleratorul de la Geneva vor oferi informații lămuritoare.

Am înaintat deja destul de mult spre o asemenea teorie. Așa cum am spus, cele mai profunde principii fizice pe care le cunoaștem în prezent sunt regulile mecanicii cuantice care stau la baza a tot ce cunoaștem despre materie și interacțiunile ei. Dar mecanica cuantică nu este o teorie fizică completă. Ea nu spune nimic despre particulele și forțele ce pot exista.

Atunci când va exista o teorie cuantică a gravitației, ea va da cu siguranță noi răspunsuri la întrebările despre spațiu și timp. În plus, teoria cuantică a gravitației va fi de asemenea o teorie a materiei. Va trebui să includă cunoștințele dobândite în ultimul secol asupra particulelor elementare și asupra forțelor care le guvernează. Va fi de asemenea o teorie cosmologică.

Va răspunde la ceea ce acum par întrebări foarte misterioase despre originea universului, de pildă: Marea Explozie (Big Bang-ul) a fost primul moment, sau doar o tranziție de la o altă lume diferită care a existat mai înainte? Ar putea chiar să ne ajute să răspundem la întrebarea dacă universul a fost sortit să conțină viață, sau dacă propria noastră existență, pe această planetă numită Terra, este doar consecința unui accident norocos.

Am putea găsi un candidat pentru teoria finală printre actualele teorii ale gravitației cuantice. Există și o posibilitate care pare destul de probabilă și mult mai tulburătoare. Poate că există o teorie finală, un set simplu de principii din care decurg toate săgețile explicative, dar nu o vom cunoaște prea curând. S-ar putea ca noi oamenii, pur și simplu, să nu fim suficient de inteligenți pentru a descoperi sau înțelege legile fundamentale.

Până acum, din fericire, se pare că nu am ajuns la capătul resurselor noastre intelectuale. În fizică, cel puțin, am văzut că fiecare nouă generație de studenți pare mai inteligentă decât precedenta. Poate că generația următoare de fizicieni va atinge acest mult căutat nivel de cunoaștere, sau poate că nu. Poate că vor mai trece multe generații până atunci. Singurul lucru cert este că nu vom ști dacă nu vom încerca.

Principiul holografic este o idee nouă care, dacă va fi acceptată, va face practic imposibilă revenirea la oricare din teoriile anterioare care o ignoră. Principiul de incertitudine al teoriei cuantice și principiul echivalenței al lui Einstein au fost idei de acest tip. Ele au contrazis principiile teoriilor mai vechi și, la început, cu greu se putea admite că ele au sens. Ca și ele, principiul holografic este acel gen de idee de care avem nevoie când pătrundem într-un nou univers.

Principiul holografic, care este o consecință a celei de-a doua legi a termodinamicii aplicată găurilor negre, ne spune că realitatea tridimensională în care trăim este o proiecție holografică a acelor procese fizice ce au loc pe o suprafață la granița Universului.

Desigur, în fizică mai există însă multe lucruri pe care aș dori să le văd împlinite înainte de a pleca din această lume. Spre exemplu, mi-ar plăcea să trăiesc să văd realizat visul fizicienilor de a lămuri natura materiei întunecate și a energiei întunecate care predomină universul, cât și pe acela de a dezvolta o teorie cuantică a gravitației care va trebui în final să explice de ce trăim într-o lume pe care o putem cerceta în fel și chip, teorie care mai mult ca sigur ne va da noi răspunsuri la întrebările fundamentale privind spațiul și timpul, de unde venim noi oamenii și încotro ne îndreptăm.

Căutarea legilor fundamentale ale universului este o dramă profund umană care ne îmbogățește mintea și spiritul. Cu toții căutăm fiecare în felul lui adevărul și cu toții tânjim să aflăm de ce suntem aici pe această planetă numită Terra. Pe măsură ce urcăm împreună muntele explicațiilor, fiecare generație sprijinindu-se pe umerii înaintașilor, năzuim cu temeritate să ajungem la vârf de unde să contemplăm cu claritate vastul univers.

Cel mai întemeiat motiv de speranță că specia noastră este în stare să progreseze intelectual și în viitor este minunata capacitate de a stabili prin limbaj o comunicare între creierele noastre, dar s-ar putea ca acest lucru să nu fie suficient. Fizicienii vor putea fi într-o bună zi în stare să scrie ecuațiile fundamentale care guvernează realitatea fizică. Dar fizica nu va putea explica niciodată ce anume „suflă foc” peste ecuații și le dă viață într-un univers real.

Încă din timpul liceului am simțit o atracție pentru fizică. Am realizat că fizica este o știință fundamentală prin excelență care îmi oferă speranța de a înțelege ce se întâmplă în jurul meu. Ea arată cât este de săracă percepția noastră naturală în comparație cu întregul conținut al realității fizice. Fizica ne poate ajuta să ne depășim neajunsurile. Poate că am reușit într-o mică măsură să găsesc răspunsuri la multe din problemele ce m-au frământat, dar mai sunt încă atât de multe lucruri pe care vreau să le știu.

Din întreaga mea carieră științifică, păstrez încă vii în minte întâlnirile anuale, organizate de IAEA (International Atomic Energy Agency) primăvara târziu sau la început de toamnă, unde fizicieni din întreaga lume se strângeau pentru a analiza probleme de mare interes, legate de cele mai recente cercetări din domeniul lor de activitate.

Japonezi, americani, europeni, chinezi, indieni, latinoamericani, creștini, musulmani, hinduși, ne întâlneam cu toții ca să ne ascultăm reciproc ultimele idei în domeniu, prezentam și ascultam prelegeri asupra unor subiecte arzătoare din domeniul nostru de cercetare. Câțiva dintre cei prezenți la aceste întâlniri îmi erau vechi prieteni cu care în cursul anului schimbam frecvent mesaje e-mail. Se organiza și un banchet în una din seri, unde se glumea și se rosteau toasturi. În fizică sunt o mulțime de lucruri interesante și captivante. Cercetarea științifică dă roade atât de bogate și gustoase, încât cine gustă din Pomul Cunoașterii ei își pierde apetitul pentru altă hrană.

Deși activitatea mea de cercetare s-a rezumat în principal la fizica reactoarelor nucleare, mi-a plăcut dintotdeauna să discut probleme de fizică modernă cu prieteni și, mai ales, cu tineri elevi și studenți. Am întâlnit mulți oameni curioși să afle mai mult despre lumea fizică și dornici să știe ce are de spus despre ea fizica modernă. Fie că este vorba de studenți, medici, artiști, părinți sau pur și simplu oameni curioși, cu toții înzestrați cu inteligență, dar cărora le lipsesc cunoștințele de fizică modernă.

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 (din 1905 și, respectiv 1915), 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.

Mecanica cuantică, cea mai puternică și eficientă teorie științifică produsă vreodată de omenire, este încă și acum un mare mister. Mecanica cuantică oferă astăzi o surprinzător de bună descriere a naturii. Lumea nu este alcătuită din câmpuri și particule, ci dintr-un singur tip de entitate, câmpul cuantic. Nu mai este vorba de particule care se mișcă în spațiu în cursul timpului, ci de câmpuri cuantice ale căror evenimente elementare au loc în spațiul-timp. Mecanica cuantică ne învață să concepem lumea nu în termeni de “lucruri” aflate într-o stare sau alta, ci în termeni de “procese”.

Eficacitatea teoriei cuantice s-a dovedit a fi extraordinară. Dacă astăzi fabricăm computere, avem o chimie și o biologie moleculară avansate, dispunem de GPS, iPhone, lasere și semiconductori, toate acestea se datorează mecanicii cuantice. Timp de câteva secole fizicienii au trăit o sărbătoare perpetuă: la fiecare nouă problemă, răspunsul venea imediat din ecuațiile mecanicii cuantice, și era întotdeauna corect.

Mecanica cuantică este cea mai bună teorie științifică găsită până acum de omenire, baza tehnologiei moderne, o teorie în care, fără niciun dubiu, putem avea deplină încredere. Astrofizicieni, chimiști și biologi folosesc mecanica cuantică în fiecare zi. N-a dat greș niciodată. Rămâne totuși profund misterioasă. Oricine își ia răgazul să se întrebe ce ne spune teoria cuantelor despre lumea reală rămâne uimit si nedumerit. Dar asta este știința: explorarea unor noi moduri de a înțelege lumea.

Mecanica cuantică ne arată că universul se bazează pe principii care din punctul de vedere al experienței noastre cotidiene sunt străine. Ce să înțelegem din toate acestea? Înseamnă oare că la nivel microscopic universul funcționează într-un mod atât de obscur și neobișnuit, încât mintea umană care a evoluat de-a lungul epocilor pentru a face față fenomenelor la scara vieții cotidiene este incapabilă să sesizeze “ce se petrece cu adevărat”? Sau poate că, printr-un accident istoric, fizicienii au construit o formulare extrem de alambicată a mecanicii cuantice care, deși corectă din punct de vedere cantitativ, ascunde adevărata natură a realității? Nimeni nu știe. Poate că în viitor un om inteligent va găsi o nouă formulare a mecanicii cuantice care va lămuri complet ce-urile și de ce-urile mecanicii cuantice.

A lua în serios mecanica cuantică, a cugeta la implicațiile ei este o experiență aproape uluitoare: impune renunțarea, într-un fel sau altul, la ceva ce ni se părea solid și inatacabil în modul nostru de a înțelege lumea. Ne cere să acceptăm că realitatea este profund diferită de cea pe care ne-o imaginam. Percepția naturală umană nu se potrivește cu mecanica cuantică. În lumea cuantică, multe aranjamente și comportamente posibile coexistă. Dacă privești, vezi doar unul dintre ele – și nu poți să anticipezi pe care anume. Dimpotrivă, încununarea percepției umane naturale este că ne oferă o reprezentare a lumii în termeni de obiecte cu proprietăți mai mult sau mai puțin predictibile, ocupând poziții mai mult sau mai puțin definite în spațiul tridimensional. Este o informație foarte utilă pentru viața de zi cu zi, și o căpătăm fără efort. Dar înțelegerea fundamentală ne dezvăluie că sunt mult mai multe de văzut, iar mecanica cuantică o aduce la alt nivel.

Din fericire, se pare că există unele modalități, deocamdată încă foarte puțin explorate de fizicieni, prin care putem adapta lumea cuantică la percepția umană. Cu toate aceste recunoașteri, teoria cuantică rămâne încă un hău întunecat. Teoria nu ne spune unde anume se află o anumită particulă de materie când nu o privim. Ne spune doar care este probabilitatea s-o găsim într-un punct dacă o observăm. Cea mai puternică și eficientă teorie științifică produsă vreodată de omenire este un mister. Deocamdată, teoria cuantică are întotdeauna dreptate.

Într-o expunere în site-ul meu web am încercat să prezint principalele teorii ale fizicii într-un mod cât mai simplu. Am scris-o având-i în minte pe tinerii mei prieteni curioși să afle ce are de spus fizica despre lumea în care trăim. Am încercat să fiu pe cât de clar mi-a stat în putință și totuși pe cât de concis posibil, trecând peste toate detaliile care nu sunt necesare pentru a intra în miezul problemelor de fizică. Spre final am adus în discuție și câteva din ideile esențiale ce stau la baza cercetărilor actuale de la frontierele fizicii, de la frontierele cunoașterii.

Desigur mi-ar plăcea nespus de mult ca tinerii mei prieteni, tovarăși de călătorie în această lume, să îndrăgească fizica și unele aspecte prezentate de mine să fie pentru ei un bun îndemn pentru a studia fizica.

Despre univers, despre lumea în care trăim,  mai există încă o mulțime de lucruri care nu le știm sau pe care nu le înțelegem. Cu cât descoperim mai multe, cu atât ne dăm seama totodată că ceea ce nu știm încă reprezintă mai mult decât ce am înțeles deja. Cu cât telescoapele noastre sunt mai puternice, cu atât vedem mai adânc în univers. Astăzi vedem aproape până la Big Bang, marea explozie din care acum 14 miliarde de ani au luat naștere toate galaxiile din univers; dar începem deja să întrezărim că există ceva dincolo de Big Bang.

Am aflat deja că spațiul se curbează, și începem să întrezărim că acest spațiu este țesut din granule cuantice care vibrează. Fizica 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”.

Poate că mesajul cel mai important al acestei expuneri este că noi oamenii am ajuns într-adevăr să înțelegem în profunzime multe aspecte ale lumii fizice. Este o realizare extraordinară pentru specia noastră, o dovadă a puterii minții umane de a transcende limitările experiențelor cotidiene și de a pătrunde în misterele cele mai profunde ale existenței.

Fizica ne arată că universul este mai frumos, mai elegant și mai minunat decât ne-am fi putut imagina vreodată. Și în această frumusețe, în această eleganță matematică a legilor naturii, găsim nu doar cunoaștere, ci și o formă sublimă de poezie – poezia existenței înseși, scrisă în limbajul universal al matematicii.

                   Grigore Horhoianu, Topoloveni, 16 Septembrie 2025