La un nivel mai profund, particulele sunt înlocuite de câmpuri. Câmpurile cuantice produc particule. Câmpurile domnesc !

Când, la Abdera, nu departe de țărmul Mării Egee, Leucip și Democrit făceau speculații asupra existenței atomilor, acești filozofi presocratici nu puteau bănui că vor trece 2300 de ani până la punerea directă în evidență a existenței atomilor.

Argumentele cruciale care i-au făcut pe oameni să accepte existența atomilor au fost formulate la începutul secolului trecut pentru a rezolva paradoxurile și contradicțiile ce decurgeau din presupunerea că materia și radiația ar fi continue. Aceste argumente cruciale care dovedesc existența atomilor țin de înțelegerea legilor care guvernează căldura, temperatura și entropia, parte a fizicii numită termodinamică. Până în 1905, mulți dintre fizicieni gândeau că materia este continuă sau că întrebarea despre existența atomilor nu ține de domeniul științei, deoarece, chiar dacă ar exista, atomii ar rămâne pentru totdeauna neobservabili. Acești cercetători au dezvoltat legile termodinamicii într-o formă care nu făcea referire la atomi și la mișcările lor. Ei nu credeau în definițiile temperaturii și entropiei așa cum le știm acum: temperatura este o măsură a energiei mișcării dezordonate a atomilor și entropia o măsură a informației. Ei înțelegeau temperatura și entropia ca fiind proprietăți esențiale ale materiei: materia era doar un fluid sau o substanță continuă, iar temperatura și entropia erau proprietățile ei de bază. E drept, chimiștii descoperiseră că diferite substanțe se combină în proporții fixate, ceea ce ar fi trebuit să sugereze existența atomilor. Cum am putea înțelege mai bine dizolvarea unei bucăți de sare într-un pahar cu apă decât presupunând că atomii din care este compusă sarea se împrăștie în spațiile goale dintre atomii apei?

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 de douăzeci și cinci de ani, care studiase fizica, dar nu reușise să găsească de lucru ca fizician, trăind în consecință din modestul salariu de funcționar al Biroului de Brevete din Berna. Numele tânărului este, evident, Albert Einstein. La douăzeci și cinci de ani, Einstein scrie și expediază trei articole la cea mai prestigioasă revistă de fizică a vremii, Annalen der Physik. Fiecare dintre ele ar fi meritat un premiu Nobel, ba chiar mai mult. Fiecare reprezintă un pilon al felului în care înțelegem astăzi lumea. Primul dintre ele cuprindea dovada definitivă că atomii există și le calcula dimensiunea, rezolvând definitiv problema ridicată de Leucip și Democrit cu două mii trei sute de ani înainte. Cum a procedat Einstein? Ideea este incredibil de simplă. Este vorba de mișcarea în zigzag a particulelor foarte mici, cum ar fi un firicel de praf sau un grăunte de polen, suspendate în aer sau într-un lichid. Este ca și cum particulele ar primi lovituri la întâmplare din toate părțile. Ele oscilează fiindcă sunt izbite de moleculele individuale ale aerului sau ale lichidului, care lovesc particulele când din stânga, când din dreapta. Pornind de la observarea mișcării grăunțelor în fluide, de la măsurarea deplasării lor, adică a mișcării lor dintr-o anumită poziție, Einstein a calculat dimensiunea atomilor lui Democrit, a grăunțelor elementare din care este alcătuită materia, oferind dovada definitivă a corectitudinii principalei intuiții a lui Democrit: materia este granulară, materia este alcătuită din atomi.

Al doilea articol, scris și trimis de Einstein la Annalen der Physik, este cel care i-a făcut faima: este articolul prin care introduce teoria specială a relativității (numită și „teoria relativității restrânse”), iar despre teoria specială a relativității am vorbit în capitolul precedent. Relativitatea restrânsă este o clarificare importantă a structurii spațiului și timpului. Dar cea mai însemnată teorie a lui Einstein este relativitatea generală.

Al treilea articol, scris și trimis de Einstein în 1905 la Annalen der Physik, reprezintă adevărata naștere a mecanicii cuantice. Albert Einstein a înțeles că „pachetele de energie”, introduse de Max Planck în 1900, pentru a calcula câmpul electric aflat în echilibru în interiorul unei cutii închise, sunt reale. În articol, Einstein arată că lumina este într-adevăr alcătuită din granule, din particule de lumină. O face plecând de la un fenomen ciudat observat cu puțin timp în urmă: efectul fotoelectric. Inițial, ideea lui Einstein este socotită de colegi o trăsnaie de tinerețe. Toți îl laudă pentru teoria relativității, dar consideră noțiunea de foton o fantasmagorie. Oamenii de știință abia se convinseseră că lumina este o undă a câmpului electromagnetic, cum putea fi alcătuită din granule? La scurt timp, aceiași colegi îi vor decerna Premiul Nobel tocmai pentru înțelegerea faptului că fotonii există. La scară mică, lumina cade pe o suprafață ca o ploaie ușoară de particule.

La sfârșitul secolului al XIX-lea, ideea de atom a devenit familiară pentru cea mai mare parte a oamenilor de știință – familiară, dar nu încă universal acceptată. Totul s-a schimbat în primele decenii ale secolului XX prin descoperirea constituenților atomului, electronul și nucleul atomic – descoperiri care au infirmat vechea idee că atomii ar fi indivizibili.

Electronul este prima din particulele elementare care a fost identificată în mod clar. Este, de asemenea, de departe cea mai ușoară particulă elementară (în afara câtorva tipuri de particule neutre din punct de vedere electric, care au masa mai mică sau nu au masă deloc) și una din puținele particule care nu se pot dezintegra în alte particule. Ca o consecință a masei mici, a sarcinii și a stabilității, electronul are o importanță unică în fizică, chimie și biologie. Curentul electric printr-un fir conductor nu este altceva decât un flux de electroni. Descoperirea electronului este atribuită fizicianului englez Sir Joseph John Thomson, care a primit Premiul Nobel în 1906 și acum își are locul de veci la Westminster Abbey, nu departe de Newton și Rutherford.

Ca să afle ceva cantitativ despre natura misterioaselor particule încărcate negativ ale razelor catodice, Thomson a măsurat cu cât erau deviate aceste raze de forțe electrice și magnetice. Thomson a folosit legea a doua a lui Newton pentru a obține o formulă generală care să-i permită să interpreteze măsurătorile privind devierea razelor catodice, produsă în experimentul său de diverse forțe electrice și magnetice. Atomii sunt neutri din punct de vedere electric, dar electronii descoperiți de Thomson au sarcină electrică negativă. Prin urmare, dacă atomii conțin electroni, ei trebuie să conțină și un alt material cu sarcină electrică pozitivă, pentru a compensa sarcina negativă a electronilor. Marea problemă după descoperirea electronilor a fost identificarea materialului cu sarcină pozitivă și descrierea modului în care acesta și electronii sunt aranjați în atom.

Nucleul atomic a fost descoperit în experimentele efectuate la Universitatea din Manchester în 1910-1911, sub conducerea fizicianului Ernest Rutherford. În aceste experimente, un fascicul de particule cu energie mare (particule alfa emise de radiu, nu existau mari acceleratoare ca astăzi) a fost dirijat asupra unei foițe subțiri de aur și s-a dedus distribuția sarcinii electrice în atomii foiței din probabilitatea ca particulele să fie împrăștiate la diferite unghiuri de către aceasta. Astfel, Rutherford a reușit să rezolve problema dispunerii sarcinii electrice în interiorul atomului: sarcina pozitivă este concentrată într-un nucleu de dimensiuni mici, în jurul căruia se învârt electronii.

Rezultatele lui Rutherford au ridicat însă întrebări la fel de grele ca și cele la care deja răspunsese. Ce anume determină dimensiunile și energiile orbitelor electronilor din atomi? De ce electronii care se rotesc pe orbite nu emit unde electromagnetice?

Acestor întrebări nu li se putea da un răspuns în contextul fizicii teoretice de la acel moment, dar un prim pas a fost făcut de tânărul fizician danez Niels Henrik David Bohr, care l-a vizitat pe Rutherford la Manchester în 1912. Bohr a emis ipoteza că atomii și moleculele pot exista doar în anumite stări, configurații stabile având energii bine definite. Deși atomii sunt deseori asemuiți unor mici sisteme solare, există o diferență fundamentală. În sistemul solar, oricărei planete i s-ar putea crește ori scădea puțin energia, mutând-o ceva mai aproape sau mai departe de Soare, dar stările unui atom sunt discrete – nu putem modifica energiile atomilor decât cu cantități bine definite. În mod normal, un atom sau o moleculă se află în starea cu energia cea mai joasă. Când absoarbe lumină, atomul sau molecula sare dintr-o stare de energie mai joasă într-una de energie mai înaltă (și invers când emite lumină).

Einstein a înțeles pentru prima dată că o rază de lumină este un flux alcătuit dintr-un număr imens de particule numite fotoni. Fotonii nu au masă sau sarcină electrică, dar fiecare are o anumită energie, invers proporțională cu lungimea de undă a luminii. Considerate împreună, aceste idei ale lui Bohr și Einstein ne arată că lumina poate fi absorbită de un atom sau o moleculă numai dacă lungimea de undă a luminii are anumite valori.

De ce atomii și moleculele se află în stări discrete, fiecare cu o energie bine definită? De ce anumite stări ale atomilor și moleculelor sunt extrem de ușor de atins prin absorbția fotonilor? Nu a fost posibil un răspuns la aceste întrebări decât după dezvoltarea mecanicii cuantice. Astfel, lucrările lui Bohr au condus în mod direct la dezvoltarea mecanicii cuantice din anii 1920. Particulele dintr-un atom sau moleculă sunt descrise în mecanica cuantică prin așa-numita funcție de undă. Funcția de undă se comportă asemenea undei luminoase sau sonore, dar amplitudinea ei (de fapt pătratul amplitudinii) corespunde probabilității de a găsi particulele într-o poziție dată. Când ecuațiile mecanicii cuantice sunt aplicate atomului de cupru (spre exemplu), se dovedește că unul din electronii de pe o orbită exterioară de energie înaltă a atomului este slab legat și poate sări ușor prin absorbția luminii vizibile pe următoarea orbită. Calculele mecanicii cuantice arată că diferența dintre energiile atomului de cupru în cele două stări este de 2 volți, exact energia unui foton corespunzând luminii roșii-portocalii.

Din studiul culorilor luminii pe care o emit atomii putem obține informații bogate și detaliate despre felul în care funcționează aceștia. Iată cum stau lucrurile: un atom poate exista în stări cu energie totală diferită. Datorită condiției cuantice, energiile permise alcătuiesc un tipar de valori discrete. Stări cu energie mai înaltă se pot dezintegra în stări cu energie mai joasă, fiind emis un foton. Energia fotonului reprezintă diferența de energie între stările atomice inițială și finală. Așa cum ne-au învățat Planck și Einstein, energia unui foton este legată de frecvența lui – altfel spus, de culoarea lui. Iar asta se poate măsura ușor. Ansamblul culorilor emise de un atom se numește spectru. Studiul spectrelor se numește spectroscopie. Spectroscopia este unul dintre cele mai puternice instrumente prin care putem comunica cu Natura.

Complexitatea ordonată a spectrelor atomice este un dar pentru cunoașterea umană. De vreme ce fiecare tip distinct de atom emite un tipar de lumină distinct, spectrele atomice formează un fel de semnătură sau amprentă. Astfel, doar analizând culorile din spectrul de lumină putem discerne identitatea atomilor aflați la mare distanță de noi în spațiu și timp. Spectroscopia ne permite să testăm fundamentele lumii fizice. Și din moment ce astrofizicienii au văzut aceleași spectre atomice pretutindeni și mereu în univers, deducem că aceleași legi acționează asupra acelorași materiale elementare pretutindeni în univers și în tot cursul istoriei lui.

O vreme, mulți fizicieni au crezut că protonii, electronii și neutronii sunt cele mai mici particule. Dar, în 1968, experimentatorii de la Centrul Acceleratorului Liniar de la Stanford, folosindu-se de capacitatea sporită a tehnologiei de a sonda adâncimile microscopice ale materiei, au descoperit că nici protonii, nici neutronii nu sunt fundamentali. Ei au arătat că fiecare dintre aceștia constă din câte trei particule mai mici numite cuarci. Experimentatorii au confirmat că există două tipuri de cuarci, numiți cu mult mai puțină fantezie „up” (sus) și „down” (jos). Cuarcii au sarcini egale cu 1/3 și 2/3 din sarcina electronului. Verificarea experimentală la acceleratorul de la Stanford s-a făcut prin ciocnirea electronilor cu protoni. Astfel s-a descoperit că electronii se împrăștie ca și cum fiecare proton ar fi alcătuit din trei „sarcini punctiforme” care poartă o fracțiune de 2/3, 2/3 și, respectiv, -1/3 din sarcina totală. Un proton este constituit din doi cuarci up și un cuarc down, iar un neutron, din doi cuarci down și un cuarc up. Tot ce se vede pe Pământ și pe cerul de deasupra noastră pare să fie alcătuit din combinații de electroni, cuarci up și cuarci down. Nu există nicio dovadă experimentală că aceste particule ar fi compuse din ceva mai mic.

Pe de altă parte, există o mulțime de dovezi că universul conține mai multe tipuri de particule. Frederick Reines și Clyde Cowan au obținut dovezi experimentale concludente privind existența unei a patra particule fundamentală, numită neutrin – o particulă a cărei existență fusese prezisă încă de la începutul anilor 1930 de Wolfgang Pauli. Experimentatorii au observat că particulele alfa și razele gamma erau emise cu energii precise, ceea ce era perfect logic dacă acele energii erau egale cu diferența de energie dintre stările inițială și finală a nucleului. Surpriza era în cazul particulelor beta care, spre deosebire de verii lor, nu erau emise cu o energie precisă, ci cu un spectru continuu de energii. Pauli, în lucrarea sa despre dezintegrarea beta, arăta că, chiar dacă într-o dezintegrare beta este disponibilă o cantitate fixă de energie, faptul că electronul emis din nucleu nu are o cantitate fixă de energie poate fi explicat dacă el o împarte cu o particulă necunoscută până atunci și care mai apoi a fost numită neutrin. Pauli a arătat nu doar că neutrinul nu are sarcină electrică, are o masă extrem de mică și interacționează foarte rar cu materia obișnuită, el a postulat de asemenea că are spinul ½. Niciodată până atunci în istoria fizicii nu prezisese cineva existența unei noi entități, care să rezolve atâtea probleme simultan și ale cărei caracteristici – spin, sarcină electrică, masă și capacitate de a pătrunde – să poată fi determinate experimental cu atâta precizie.

Neutrinii s-au dovedit a fi foarte greu de găsit, deoarece sunt particule fantomatice care interacționează foarte rar cu altă materie: un neutrin de energie medie poate trece cu ușurință prin multe milioane de milioane de kilometri de plumb, fără să-i fie afectată în vreun fel mișcarea. Chiar dacă oxigenul, carbonul și celelalte elemente s-au format în interiorul stelelor, a trebuit ca ele să iasă de acolo pentru a oferi materia pentru plante și viață. În mod evident, nu putem trăi în miezul fierbinte al stelelor. Cum a reușit să iasă această materie din interiorul stelelor? Răspunsul este că această materie a fost expulzată violent în exploziile devastatoare ale supernovelor. Pentru asta, supernovele au nevoie de neutrini.

Exploziile supernovelor sunt ele însele fenomene remarcabile. Când o stea masivă ajunge la capătul vieții, ea își epuizează combustibilul care generează căldura internă necesară pentru a se opune gravitației care încearcă să o strivească. În timp ce miezul se contractă catastrofal, încălzindu-se la o temperatură feroce, elementele sintetizate prin reacții nucleare de-a lungul vieții stelei se dezagregă în protoni, neutroni și electroni. Electronii sunt presați în protoni pentru a crea o sferă supradensă numită „miez neutronic”, proces care eliberează un tsunami de neutri. În afară de protoni, neutroni, electroni, fotoni și gravitație, supernovele au nevoie și de o altă particulă – fantomaticul neutrin. Atunci când evadează din steaua care se contractă, neutrinii creează o presiune care împinge elementele din fața lor. Neutrinii sunt cei care transformă implozia miezului într-o explozie de supernovă, expulzând în spațiu învelișul exterior al stelei. Fără neutrini, elementele esențiale ale vieții ar rămâne zăvorâte în interiorul stelelor. Și, din fericire, lista particulelor elementare se întâmplă să includă neutrinul cu proprietățile potrivite!

Enrico Fermi, care s-a dovedit a fi cel mai mare om de știință italian de la Galilei încoace, a fost captivat de ideea lui Pauli, nu doar fiindcă rezolva problema spectrului energiei particulelor beta, dar fiindcă lămurea și problema spinului. Fizicienii descoperiseră că particulele subatomice se comportă ca și cum s-ar roti în jurul axei lor, deși nu este cazul. La fel ca toate celelalte lucruri din tărâmul cuantic, și spinul există în fărâme indivizibile, sau „cuante”. Deoarece o sarcină în rotație acționează ca un minuscul magnet, spinul unei particule poate fi dedus din modul în care ea este deviată într-un câmp magnetic. Protonul, electronul și neutronul se dovedesc a avea cu toții spinul ½. Ca semn distinctiv al comportamentului particulelor cu „spin semiîntreg”, idee lămurită în principal de Fermi, ele au fost numite „fermioni”.

La publicarea ei în 1934, teoria dezintegrării beta a lui Fermi a fost un mare triumf. Ea necesita existența unei a treia forțe fundamentale din natură, pe lângă binecunoscutele forțe gravitațională și electromagnetică. Noua interacțiune, pe care Fermi a botezat-o „forța slabă”, acționează doar pe distanțe foarte scurte în interiorul nucleului atomic. Ea acționează transformând un neutron din nucleu în proton, cu crearea simultană a unui electron și a unui antineutrin. Teoria lui Fermi permite și procesul invers, în care un proton captează un neutrin și se transformă în neutron, cu emisia unui pozitron. Fermi a numit noua interacțiune forța slabă. Ea este de aproximativ zece bilioane (10¹³) de ori mai slabă decât forța electromagnetică, cea care menține laolaltă atomii din corpurile noastre. În teoria cuantică, forțele fundamentale sunt create de schimbul particulelor purtătoare de forță. O forță slabă este prin urmare una în care schimbul de particule purtătoare de forță se produce foarte rar, iar o forță tare este una în care schimbul se produce frecvent. De aceea, neutrinii, care sunt supuși forței slabe, interacționează atât de rar cu alte particule.

Razele cosmice sunt nuclee de mare energie, în majoritate protoni, create în exploziile stelare și în alte evenimente cosmice violente. În straturile superioare ale atmosferei, ele se ciocnesc cu nuclee atomice și creează particule „secundare”, care se revarsă apoi prin atmosferă ca o ploaie fină. Razele cosmice de energie mai scăzută provin din Soare, pe când cele cu energie înaltă provin probabil din supernove. Originea razelor cosmice de energie ultraînaltă, particule cu energii de milioane de ori mai mari decât tot ce putem produce în prezent pe Pământ, este una din marile enigme nerezolvate ale astronomiei.

La sfârșitul anilor 1930, fizicienii care studiau razele cosmice (jeturi de particule venite din spațiu și care bombardează Pământul) au descoperit particula numită miuon – identică cu electronul, dar având o masă de 200 de ori mai mare. Folosind tehnologii din ce în ce mai avansate, fizicienii au continuat să izbească una de alta bucăți de materie, la energii din ce în ce mai înalte, recreând pentru scurt timp condiții nemaiîntâlnite de la marea explozie. Au căutat apoi printre schije noi ingrediente fundamentale, pentru a-i adăuga la lista particulelor aflată în continuă creștere. Iată ce au descoperit: încă patru cuarci – charm (farmec), strange (straniu), bottom (bază) și top (vârf) – și o altă rudă, și mai grea, a electronului, numită tau, împreună cu alte două particule cu proprietăți similare neutrinului (numite neutrinul miuonic și neutrinul taonic, pentru a le deosebi de neutrinul inițial, care acum se numește neutrinul electronic). Aceste particule sunt produse prin ciocniri la energie înaltă, iar existența lor este efemeră; ele nu sunt printre constituenții tipici ai unui element întâlnit în mod obișnuit în univers. Dar nici acesta nu este sfârșitul poveștii. Fiecare dintre aceste particule are un partener antiparticulă, o particulă de masă identică, dar având unele proprietăți opuse, de exemplu sarcina electrică (sau sarcinile corespunzătoare altor tipuri de forțe, prezentate mai jos). De exemplu, antiparticula unui electron se numește pozitron – are exact aceeași masă ca electronul, însă sarcina lui electrică este +1, în timp ce sarcina electrică a electronului este -1. Atunci când vin în contact, materia și antimateria se pot anihila reciproc, producând energie pură – de aceea în lumea înconjurătoare antimateria apare extrem de rar. Fizicienii au identificat o schemă căreia i se supun aceste particule de materie, încadrându-le cu precizie în trei grupări, numite familii. Fiecare familie conține doi dintre cuarci, un electron sau o rudă a lui și una din speciile de neutrini. Tipurile de particule corespunzătoare fiecăreia dintre cele trei familii au proprietăți identice, cu excepția masei, care crește de la o familie la alta. Rezultatul este că acum fizicienii au sondat structura materiei până la scări de ordinul unei miliardimi dintr-o miliardime de metru și au arătat că tot ce s-a întâlnit până acum – indiferent dacă există în mod natural sau este produs artificial cu ajutorul gigantelor acceleratoare de particule – constă dintr-o combinație a particulelor din aceste trei familii și din partenerii lor antimaterie.

Lucrurile se complică și mai tare atunci când luăm în considerare și forțele din natură. Lumea din jurul nostru este plină de modalități de exercitare a influențelor: mingile pot fi lovite cu bâte, magneții pot susține trenuri foarte rapide suspendate deasupra șinelor metalice, contoarele Geiger pot ticăi ca răspuns la prezența unui material radioactiv etc. Avem capacitatea de a influența obiectele împingându-le, trăgându-le sau scuturându-le; aruncând sau trăgând în ele cu alte obiecte; întinzându-le, răsucindu-le sau strivindu-le; ori înghețându-le, încălzindu-le sau arzându-le. În cursul ultimei sute de ani, fizicienii au adunat dovezi peste dovezi că toate aceste interacțiuni dintre diverse obiecte și materiale, precum și alte milioane și milioane de alte interacțiuni posibile întâlnite zilnic, pot fi reduse la o combinație de patru forțe fundamentale. Una dintre ele este forța gravitațională. Celelalte trei sunt forța electromagnetică, forța slabă și forța tare.

Gravitația este cea mai familiară dintre forțe, fiind responsabilă de păstrarea Pământului pe orbită în jurul Soarelui și de menținerea noastră cu picioarele ferm lipite de Pământ. Masa unui obiect măsoară forța gravitațională pe care acesta o poate simți și exercita. Acționând între particulele elementare, gravitația este neglijabilă. Dar când sunt implicate multe particule, influența ei se acumulează și ajunge să domine interacțiunile dintre corpurile mari.

Forța electromagnetică (QED) este a doua dintre forțele cu care suntem obișnuiți. Ea este cea care ne aduce toate înlesnirile vieții moderne – lumina, calculatorul, televizorul, telefoanele –, ea se află în spatele puterii uluitoare a fulgerului și te face să simți o ușoară atingere de mână. Din punct de vedere microscopic, sarcina electrică a unei particule joacă același rol pentru forța electromagnetică ca și masa pentru forța gravitațională: determină capacitatea particulelor de a exercita sau de a răspunde la interacția electromagnetică. Forța electromagnetică menține integritatea atomilor și le determină structura. Ea descrie, de asemenea, felul în care interacționează ei cu lumina.

Forțele slabe și cele tari ne sunt mai puțin familiare, pentru că tăria lor scade rapid când este depășită scara subatomică; ele sunt forțele nucleare. Acesta este motivul pentru care aceste forțe au fost doar de curând descoperite. Forța tare menține integritatea nucleelor atomice și le determină structura. Forța tare (QCD) este cea care ține cuarcii strâns „lipiți” în interiorul protonilor și neutronilor și menține protonii și neutronii „înghesuiți” în interiorul nucleelor atomice.

Forța slabă este în general cunoscută ca fiind responsabilă pentru descompunerea radioactivă a unor substanțe, cum ar fi uraniul și cobaltul. Forța nucleară slabă guvernează procesele de transformare. Ea face ca anumite particule, altminteri stabile, să se dezintegreze, așa cum se întâmplă în anumite forme de radioactivitate. Forța nucleară slabă face ca un neutron din nucleu să se transforme în proton, în același timp apărând un electron și o altă particulă, numită azi antineutrin, care sunt expulzate din nucleu. Acest lucru (să schimbi identitatea unor particule) nu este permis niciunei alte forțe.

Forța slabă nu leagă, nici nu dezleagă lucrurile. Importanța ei constă în puterea de a transforma. Puterea ei transformatoare, generată tocmai de slăbiciunea ei, îi conferă un rol unic, esențial în evoluția universului. Forța slabă reprezintă un fel de baterie cosmică de stocare, făcând posibilă eliberarea lentă a energiei cosmice. Ea mediază interacțiunile cu emisie de energie care fac să strălucească stelele, inclusiv Soarele nostru.

Pentru a ne familiariza cu forța slabă, un bun punct de pornire este procesul de dezintegrare a neutronilor. Este unul dintre cele mai simple procese implicând forța slabă, dar și unul dintre cele mai importante. Neutronii izolați se dezintegrează cu un timp de înjumătățire ceva mai mare de zece minute, aproape întotdeauna într-un proton, un electron și un antineutrin. Dezintegrarea neutronilor o putem concepe ca pe transformarea neutronilor în protoni, cu eliberare de energie. Procesul care stă la baza dezintegrării neutronului este transformarea unui cuarc „down” într-un cuarc „up” (plus un electron și un antineutrin).

Deci, forța slabă poate face lucruri pe care alte forțe nu le pot face. Nici forța tare, nici forța electromagnetică, nici gravitația nu pot schimba un tip de cuarc în alt tip de cuarc. Cum forța slabă poate transforma neutronii în protoni, după transformare, noul nucleu are un proton în plus și un neutron în minus față de vechiul nucleu. De vreme ce numărul protonilor din nucleu determină caracterul electric al atomului, deci chimia lui, acest proces transformă atomul unui element chimic în atomul altui element chimic, cu eliberare de energie.

Soarele folosește combustibil nuclear. Este un gigantic reactor de fuziune. Procesul nuclear de ardere care întreține Soarele este conversia hidrogenului în heliu. Un atom de hidrogen conține un proton și un electron. Un atom de heliu conține doi protoni, doi neutroni și doi electroni. În Soare, un lanț de reacții duce la conversia a patru atomi de hidrogen într-un atom de heliu plus doi neutrini, eliberând energie. Într-un nucleu de heliu există o atracție puternică între protoni și neutroni, datorită forței tari. Prin unirea acestor piese separate se obține multă energie. Astfel, protonii se pot transforma în neutroni legați, cu un surplus de energie. Forța tare furnizează atracțiile care fac posibilă arderea nucleară. Transformările dintre protoni și neutroni, în ambele sensuri, au nevoie de forța slabă, ceea ce face ca dezintegrarea neutronilor în protoni să fie un proces lent, la standardele fizicii particulelor. Forța slabă face cu putință transformările care permit arderea nucleară lentă. În arderea nucleară din Soare, lentoarea forței slabe este mult amplificată, durează în medie miliarde de ani până când protonii din Soare sunt convertiți în neutroni (legați). Așadar, din fericire, rezerva de combustibil a Soarelui se va epuiza peste câteva miliarde de ani. Pe de altă parte, rezerva de hidrogen din Soare este atât de mare, încât chiar și această ardere lentă este suficientă pentru a-i menține strălucirea.

În ultima sută de ani, fizicienii au descoperit două caracteristici comune tuturor acestor forțe. În primul rând, la nivel microscopic, tuturor acestor forțe li se asociază câte o particulă, pe care o putem considera ca fiind cel mai mic pachet de forță. Deci, forțele dintre particule pot lua naștere doar prin schimbul altor particule. Mai mult, toate aceste particule sunt pachete de energie, sau cuante, ale diferitelor tipuri de câmpuri. Un câmp, cum este cel electric sau magnetic, este un fel de tensiune în spațiu, asemănătoare diferitelor tipuri de tensiuni ce pot apărea într-un corp solid, dar câmpul este o tensiune în spațiul însuși. Există un anume tip de câmp pentru fiecare specie de particulă elementară. Există un câmp electronic ale cărui cuante sunt electronii; există un câmp electromagnetic (constând din câmpurile electric și magnetic) ale cărui cuante sunt fotonii. Neutrinii sunt pachete de energie ale câmpului neutrinic și așa mai departe. În teoria cuantică a câmpului, toate particulele elementare sunt pachete de energie în diferite câmpuri.

Ecuațiile unei teorii a câmpului, cum este modelul standard, nu operează cu particule, ci cu câmpuri; particulele apar ca manifestări ale acestor câmpuri. De ce lumea este alcătuită exact din aceste câmpuri: câmpurile electronului, cuarcilor, fotonului și așa mai departe? De ce natura ascultă de principiile relativității și mecanicii cuantice? Îmi pare rău, aceste întrebări sunt încă fără răspuns. Dacă tragi cu o rază laser – un „pistol cu raze electromagnetice” –, atunci declanșezi un șuvoi de fotoni, care sunt cele mai mici pachete de forță electromagnetică. În mod similar, cei mai mici constituenți ai câmpurilor de forțe slabă și tare sunt particulele numite bosonii de etalonare slabă și gluonii. Până în 1984, experimentatorii stabiliseră definitiv existența și proprietățile detaliate ale acestor trei tipuri de particule de forță.

Fizicienii consideră că și forța gravitațională are o particulă asociată, gravitonul, însă existența lui nu a fost confirmată experimental până acum. A doua caracteristică comună celor patru tipuri de forțe este aceea că, așa cum masa unei particule determină modul în care ea este afectată de gravitație și cum sarcina ei electrică determină cât de mult interacționează electromagnetic, particulele sunt înzestrate cu anumite cantități de „sarcină tare” sau de „sarcină slabă”, care determină modul în care sunt afectate de forțele tari și slabe. Dar, ca și în cazul maselor particulelor, dincolo de faptul că experimentatorii au măsurat cu atenție aceste proprietăți, nimeni nu a putut explica de ce universul nostru este compus anume din aceste particule, cu aceste valori ale maselor și sarcinilor de forță.

În ciuda caracteristicilor comune, o examinare a forțelor fundamentale servește doar la formularea întrebărilor. De ce, de exemplu, există patru forțe fundamentale? De ce nu cinci, nu trei sau poate chiar numai una? De ce forțele au proprietăți atât de diferite? De ce forțele tari și slabe sunt constrânse să acționeze doar la scara microscopică, în timp ce gravitația și forța electromagnetică au o rază nelimitată de influență? Și de ce există asemenea diferențe enorme între tăria intrinsecă a acestor forțe? Pentru a înțelege semnificația acestei ultime întrebări, imaginați-vă că țineți un electron în mâna stângă și un alt electron în mâna dreaptă și că apropiați aceste două particule identice încărcate electric până la o distanță foarte mică. Atracția gravitațională reciprocă va apropia particulele, în timp ce respingerea electromagnetică va încerca să le îndepărteze. Care este mai puternică? Nu se compară: respingerea electromagnetică este de aproximativ un milion de miliard de miliard de miliard de miliard de ori (10⁴²) mai puternică! Singurul motiv pentru care forța electromagnetică nu copleșește total gravitația în lumea din jurul nostru este că majoritatea obiectelor sunt compuse din cantități egale de sarcină electrică pozitivă și negativă, iar forțele acestora se anulează reciproc. Pe de altă parte, cum gravitația este întotdeauna atractivă, nu există anulări analoage – mai multă materie înseamnă o forță gravitațională mai mare. Însă, din punct de vedere fundamental, gravitația este o forță extrem de slabă. Acesta este motivul pentru care este atât de greu de confirmat experimental existența gravitonului. Căutarea celui mai mic pachet al forței celei mai slabe este o provocare uriașă pentru fizicieni. Experimentele au mai arătat că forța tare este cam de o sută de ori mai puternică decât forța electromagnetică și de o sută de mii de ori mai puternică decât forța slabă. Dar care este rațiunea – așa-numita raison d’être – pentru care universul nostru are aceste caracteristici? Universul ar fi cu totul diferit dacă proprietățile particulelor de materie și de forță ar fi doar ușor modificate. De exemplu, existența nucleelor stabile care alcătuiesc cele o sută și ceva de elemente ale tabelului periodic depind critic de raportul dintre puterea forței tari și cea a forței electromagnetice. Protonii înghesuiți în nucleele atomice se resping electromagnetic unul pe altul; din fericire, forța tare care acționează asupra cuarcilor constituenți anihilează această respingere și menține protonii strâns legați. Dar o schimbare relativ de mică în tăria relativă a acestor două forțe ar perturba echilibrul existent și ar face ca majoritatea nucleelor atomice să se dezintegreze. Mai mult, dacă masa lor ar fi doar de câteva ori mai mare decât este în realitate, electronii și protonii s-ar combina formând neutroni, devorând nucleele de hidrogen (cel mai simplu element din cosmos, al cărui nucleu constă dintr-un singur proton) și împiedicând astfel formarea elementelor mai complexe. Stelele se bazează pe fuziunea nucleelor stabile, așa că ele nu s-ar mai putea forma în cazul unor asemenea modificări în fizica fundamentală. Tăria forței gravitaționale joacă și ea un rol. Zdrobitoarea densitate a materiei din miezul unei stele alimentează furnalul nuclear al acesteia și dă naștere orbitoarei lumini stelare. Dacă tăria forței gravitaționale ar crește, bulgărele stelar s-ar strânge mai mult, producând o creștere semnificativă a ratei reacțiilor nucleare. Dar, la fel cum o flacără strălucitoare își epuizează combustibilul mai rapid decât o lumânare care arde încet, o creștere a ratei reacțiilor nucleare ar face ca stele precum Soarele să ardă mult mai rapid, iar acest lucru ar avea un efect devastator asupra apariției vieții, așa cum o cunoaștem noi. Pe de altă parte, dacă tăria forței gravitaționale ar scădea semnificativ, materia nu s-ar mai lega, iar formarea stelelor, planetelor și galaxiilor nu ar mai putea avea loc. Am putea continua, dar ideea este clară: universul este așa cum este pentru că particulele de materie și de forță au proprietățile pe care le au. Dar oare se poate explica științific de ce au ele aceste proprietăți?

Fără îndoială, lista particulelor elementare nu este limitată la cele care formează atomii obișnuiți: electronul, protonul și neutronul. Cea de-a doua jumătate a secolului XX a fost martorul descoperirii multor noi tipuri de particule elementare. Aceste descoperiri nu numai că au sporit catalogul particulelor, dar au produs și o revoluție în ce privește însuși conceptul de particulă elementară. Adevăratul scop spre care se îndreaptă studiile experimentale și teoretice asupra particulelor elementare nu este acela de a face o listă a particulelor și a proprietăților lor, ci acela de a înțelege principiile fundamentale care fac ca natura – particulele, nucleele, atomii, pietrele și stelele – să fie așa cum este. Studiul particulelor elementare este cea mai bună și poate singura cale spre legile fundamentale ale naturii.

Așadar, ingredientele noastre elementare nu sunt corpuri solide. Deși este convenabil să le numim „particule elementare”, ele nu sunt de fapt particule. Au puține în comun cu ceea ce numim particule. Ingredientele noastre fundamentale nu au dimensiune sau formă intrinsece. Dacă vrem neapărat să le vizualizăm, trebuie să ne închipuim niște puncte fără structură în care sunt concentrate masa, sarcina și spinul.

Potrivit nivelului atins în prezent de cunoașterea științifică, proprietățile primare ale materiei, din care derivă toate celelalte proprietăți, sunt următoarele: masa, sarcina, spinul. Asta este tot.

În lista particulelor de construcție trebuie să adăugăm și gravitonul. Gravitonul este particula din care sunt alcătuite câmpurile gravitaționale. Fotonii mențin laolaltă atomii și moleculele; gluonii mențin laolaltă cuarcii, protonii și nucleele atomice; gravitonii mențin laolaltă planetele, stelele, galaxiile și, în general, corpurile mari.

În cazul cuarcilor, lucrul cel mai important de reținut este că, deși masa lor este mare în comparație cu cea a electronilor, este foarte mică în comparație cu masa protonilor sau a neutronilor. Poate părea paradoxal că masa protonilor este mult mai mare decât masa componentelor lor. Aici se ascunde o înfăptuire măreață în cunoașterea Naturii: înțelegerea faptului că masa noastră își are originea în energie. Cuarcii au mase foarte mici, iar gluonii au mase zero. Dar ei se mișcă foarte repede în interiorul protonilor, astfel încât au energie. Toată această energie se însumează. Când energia acumulată este încapsulată într-un obiect aflat în repaus, cum este protonul în ansamblul lui, atunci obiectul are masa m=E/c². Asta explică aproape întreaga masă a protonilor și neutronilor, ca produs al energiei pure. La rândul ei, aproape toată masa oamenilor este dată de însumarea maselor protonilor și neutronilor pe care îi conține, deci produsul energiei pure.

Una din cele mai mari descoperiri ce au inaugurat fizica secolului XX a fost descoperirea radioactivității. Cercetările lui Rutherford, Antoine Henri Becquerel și ale soților Marie și Pierre Curie au arătat că anumite elemente ca uraniu, toriu, radiu (numite elemente radioactive) emit două feluri de radiații pe care le-au numit raze alfa și raze beta. Becquerel, folosind metoda lui Thomson, a constatat că razele beta sunt deviate de câmpul magnetic în același sens ca și razele catodice și, măsurând raportul masă/sarcină, a găsit o valoare apropiată de cea găsită de Thomson pentru electroni. Era clar că razele beta erau de fapt electroni, însă electroni cu viteze mult mai mari decât cei din razele catodice. Identificarea razelor alfa cu ionii de heliu (de fapt, nuclee de heliu) a fost sugerată lui Rutherford de faptul că heliul era asociat cu materialele radioactive. Pe atunci, Rutherford nu știa, dar motivul pentru care particulele alfa sunt în mod obișnuit emise de atomii radioactivi este același cu motivul pentru care heliul este un element frecvent în universul nostru: nucleul de heliu este de departe cel mai strâns legat dintre nucleele atomice ușoare.

Cel de-al treilea tip de radioactivitate era reprezentat de raze foarte penetrante (ca și razele beta și razele X), dar care (ca și razele alfa și razele X) nu pot fi deviate ușor de un câmp magnetic. Rutherford le-a numit raze gama și a demonstrat că acestea, ca și razele X, sunt lumină (fotoni) cu lungime de undă foarte mică.

Așadar, razele alfa sunt nuclee de heliu, razele beta sunt electroni, iar razele gama sunt fotoni. Dar ce anume face ca atomii să emită aceste raze? În două lucrări publicate în 1903, Rutherford și Soddy explicau că radioactivitatea este de fapt transformarea (dezintegrare radioactivă) unui element chimic în altul, transformare provocată de emiterea unor particule încărcate alfa sau beta. Aceasta era o afirmație îndrăzneață – imuabilitatea elementelor chimice fiind o axiomă a chimiei. Energia degajată în dezintegrarea radioactivă este cam de 10⁵ ori mai mare decât cea degajată în procesele chimice obișnuite. Pentru comparație, energia degajată prin arderea unui combustibil obișnuit, cum este gazul natural, este de ordinul a 5×10⁷ jouli pe kilogram. Energia degajată de un kilogram de radiu când toți atomii de radiu s-au transformat într-un alt element prin emisia unei particule alfa este de aproximativ 5×10¹² jouli pe kilogram. Astfel, pe aceste considerente, Rutherford și Soddy au ajuns la concluzia că energia latentă dintr-un atom trebuie să fie enormă în comparație cu cea care se eliberează în transformările chimice obișnuite. Sateliții de comunicații și vehiculele spațiale (Apollo, Pioneer, Viking, Voyager) folosesc generatoare termoelectrice cu radioizotopi pentru producerea energiei electrice necesare. În aceste generatoare, căldura produsă de radiația alfa a unui radioizotop, cum ar fi Pu-238, este transformată în energie electrică cu ajutorul unor termocuple de înaltă performanță.

Ne putem întoarce acum la întrebarea cum a intrat inițial în nuclee energia care se eliberează prin radioactivitate. Se crede că universul a început printr-un „Big Bang”, o mare explozie, după care gazul primordial fierbinte format din protoni și neutroni s-a răcit foarte repede și, la sfârșitul primelor trei minute, s-a format hidrogenul și heliul. Nucleele de hidrogen au energia per particulă nucleară mult mai mare decât cea a nucleelor de heliu, iar nucleele de heliu au energia per particulă nucleară mult mai mare decât cea a atomilor de masă atomică medie. Când s-au format stelele, nucleele de hidrogen au fuzionat în nuclee de heliu, iar nucleele de heliu au fuzionat în nuclee de masă atomică medie, degajând suficientă energie pentru a permite stelelor să strălucească miliarde de ani. În cele din urmă, în furnalul stelelor, materia stelară evoluează spre elemente din apropierea fierului, ale căror nuclee au cea mai mică energie per particulă nucleară. Nu mai există degajare de energie, iar steaua începe să se răcească. Deseori, steaua se stinge ca o lumânare și devine o pitică neagră. Uneori devine instabilă, începe să colapseze sub acțiunea gravitației și apoi poate exploda, formând ceea ce astronomii numesc o supernovă. În timpul acestei explozii, din interiorul stelei se eliberează un flux imens de neutroni. Neutronii care lovesc nucleele de masă atomică medie aflate în straturile exterioare ale stelei formează tot felul de elemente mai grele, până la uraniu. Steaua care explodează își aruncă în spațiu straturile exterioare, ce vor forma o parte a materiei interstelare din care se va forma în cele din urmă o altă generație de stele, așa cum s-a format și Soarele nostru. Conform acestui scenariu, energia elementelor radioactive naturale, ca toriu și uraniu, a fost pusă în ele de neutronii degajați în exploziile stelelor și se datorează în cele din urmă forței de atracție gravitaționale care a furnizat energia exploziilor stelare. Poate părea contrar intuiției că un întreg univers, cu dimensiunea de paisprezece miliarde de ani-lumină, a putut apărea dintr-un germene infinitesimal. Acest lucru este posibil deoarece, oricât de mare a fost dilatarea universului, energia netă a universului poate să rămână zero. Orice corp are energia mc², conform celebrei relații a lui Einstein. Dar orice corp are, de asemenea, o energie negativă datorită gravitației. Avem nevoie de energie pentru a ieși din atracția gravitațională a Pământului (arderea unei cantități suficiente de combustibil într-o rachetă pentru a atinge o viteză de 11,2 km pe secundă). La suprafața Pământului, avem deci un deficit de energie în comparație cu un astronaut din spațiu. Dar deficitul (numit în termeni de specialitate „energie potențial gravitațională”) datorat tuturor corpurilor din univers luate împreună ar putea fi de minus mc². Cu alte cuvinte, universul constituie pentru el un „puț gravitațional” atât de adânc, încât orice corp din el are o energie gravitațională negativă care îi compensează exact energia de repaus. Astfel, costul total al umflării universului nostru ar putea fi în realitate zero.

În anii din urmă, neutronul a căpătat o semnificație amenințătoare din punct de vedere practic. Neutronii nu au sarcină electrică, astfel că nu sunt afectați de câmpurile electrice intense din apropierea unui nucleu, care resping particulele alfa și alte particule. Ca urmare, așa cum a arătat Rutherford în conferința Baker din 1920, ei sunt capabili să pătrundă în nuclee mai grele și să producă o dezintegrare nucleară. În 1938, Otto Hahn și Fritz Strassmann au descoperit că neutronii pot face ca nucleele grele să sufere o fisiune. Fiecare fisiune poate produce mai mult de un neutron, astfel încât devine posibilă o reacție nucleară în lanț.

La Hiroshima, lumea a înțeles puterea distructivă devastatoare rezultată din conversia în energie a mai puțin de 1% din 50 de grame de uraniu. Încă nu este clar dacă noi, oamenii, vom învăța să stăpânim pe deplin această mare descoperire. Totuși, aici, în România, un grup de fizicieni, într-un laborator, pe culmea unui deal din Mioveni-Argeș, a reușit să dezvolte cu succes combustibilul nuclear destinat reactoarelor nucleare de la Cernavodă!

Dați-mi voie, în încheiere, să subliniez din nou că lucrul cel mai important și mai remarcabil este că „materia obișnuită”, adică acea materie din care suntem alcătuiți noi și lumea în care trăim, este construită din electroni, fotoni, două tipuri de cuarci, 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 aceste 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 acestora trei, împreună cu poziția și viteza ei, particula a fost complet descrisă.

Poate, de asemenea, părea paradoxal că masa protonilor și a neutronilor este mult mai mare decât masa totală a componentelor lor. Aici se ascunde o altă înfăptuire măreață în cunoașterea Naturii: înțelegerea faptului că masa noastră își are originea în energie (vezi în ANEXĂ).

ANEXĂ

 Am adunat în această anexă câteva prezentări legate de textul principal, dar care mi s-au părut prea tehnice sau ușor tangențiale în raport cu subiectul principal.

Voi prezenta aici și câteva aspecte importante privind „materia obișnuită”, adică acea materie din care suntem alcătuiți noi și lumea în care trăim. Mai precis, aceasta este materia pe care o putem construi din electroni, fotoni, două tipuri de cuarci, 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 aceste cinci feluri de particule elementare, fiecare definite prin câteva proprietăți clare: masa, sarcina, spinul.

1. Principii generale privind legile fundamentale ale fizicii

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 foarte 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 calculator să-l efectueze.

Prin legi „fundamentale” înțeleg legi care nu pot fi deduse, nici măcar în principiu, din alte legi. Există legi care sunt extrem de importante pentru înțelegerea naturii, dar nu sunt „fundamentale” în acest sens. Legea a doua a termodinamicii este un bun exemplu.

Astăzi, fizica modernă ne arată că ingredientele de bază ale realității fizice din universul în care trăim sunt câteva principii și proprietăți. Aceste principii și proprietăți sunt exprimate prin ceea ce numim particule elementare.

Patru principii simple, dar profunde, determină modul în care funcționează lumea: • Legile fundamentale descriu schimbarea. Este util să separăm descrierea lumii în două părți: stări și legi. Stările descriu „ce anume există”, iar legile descriu „cum se schimbă lucrurile”. Legile fundamentale nu descriu „de ce sunt lucrurile așa cum sunt?”. Ele descriu „ce urmează să se întâmple cu lucrurile?” și, grație celui de-al doilea și de-al treilea principiu, putem face experimente pentru a răspunde la această întrebare. • Legile fundamentale sunt universale. Altfel spus, legile fundamentale sunt valabile pretutindeni și întotdeauna. Un aspect esențial al acestui principiu este că putem face experimente oriunde și oricând. Potrivit acestui principiu, universalitatea, vom descoperi întotdeauna aceleași legi fundamentale. • Legile fundamentale sunt locale. Acest principiu ne spune că, pentru formularea legilor, nu este nevoie să luăm în considerare întregul univers sau întreaga istorie. Comportamentul unui obiect în viitorul imediat depinde numai de condițiile curente din imediata lui vecinătate. În limbaj științific, asta se numește caracter local. • Legile fundamentale sunt precise. Legile sunt precise și nu admit excepții. Ca atare, pot fi formulate ca ecuații matematice.

Aceste principii generale ne permit să descriem felul în care funcționează de fapt lumea fizică.

Acționând împreună, cele patru principii ne oferă o strategie pentru a face descoperiri. 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.

În continuare, mă voi referi la proprietățile primare ale materiei: masa, sarcina și spinul.

2. Masa ca proprietate În teoria lui Newton există două feluri de masă. Masa joacă un rol în două aspecte ale comportamentului particulei, determinându-i deopotrivă inerția și gravitația. Inerția unui corp măsoară rezistența la schimbări în mișcarea sa. Astfel, un corp cu inerție mare va tinde să continue să se miște cu viteza din prezent, dacă nu este supus unor forțe. Gravitația unei particule este o atracție universală pe care o exercită asupra altor particule. Cu cât este mai mare masa unei particule, cu atât gravitația ei este mai mare. În structura logică a teoriei lui Newton nu există nimic care să impună ca masa inerțială și masa gravitațională să fie proporționale. Teoria ar funcționa perfect și dacă cele două n-ar fi proporționale. Ne putem închipui, de pildă, că raportul dintre masa inerțială și masa gravitațională ar putea depinde de compoziția chimică a corpului. În teoria lui Newton, proporționalitatea constantă dintre masa inerțială și cea gravitațională (sau caracterul universal al accelerației gravitaționale) rămâne o coincidență neexplicată.

Un paradox care îi tulbură adesea pe cei care încearcă să înțeleagă fizica este că fotonii au energie și, prin urmare, au inerție și exercită gravitație, deși au masa zero. Voi explica în continuare pe scurt acest paradox. Poate, de asemenea, părea paradoxal că masa protonilor și a neutronilor este mult mai mare decât masa totală a componentelor lor. Aici se ascunde o altă înfăptuire măreață în cunoașterea Naturii: înțelegerea faptului că masa noastră își are originea în energie. Voi explica în continuare pe scurt și acest paradox.

Fiecare tip de particulă elementară are o valoare bine definită a masei ei. Unele dintre cele mai importante particule, între care fotonii, gluonii și gravitonii, au masa nulă. Asta nu înseamnă că ele n-au inerție sau că nu există gravitație. Masa contribuie la inerție și gravitație, dar nu este singurul factor. În particular, o particulă aflată în mișcare are mai multă inerție și exercită mai multă gravitație decât o particulă în repaus. De fapt, teoria relativității ne spune că energia, nu masa, controlează inerția și gravitația. Pentru corpurile în repaus, energia și masa sunt proporționale, conform formulei lui Einstein E=mc², deci, în acest caz, putem exprima inerția și gravitația folosind oricare dintre ele. Când corpurile se mișcă încet în raport cu viteza luminii, relația E=mc² rămâne valabilă într-o bună aproximare. În acest caz, nu greșim prea mult dacă spunem că inerția și gravitația sunt proporționale cu masa.

Pentru corpurile a căror viteză se apropie de viteza luminii, formula E=mc² nu mai funcționează ca atare. Trebuie folosită o versiune mai generală și mai complicată a formulei, concepută tot de Einstein. Formula mai generală arată că fotonii au energie, prin urmare au inerție și exercită gravitație, deși au masa zero.

La fel ca fotonii, gluonii au masa zero. În cazul cuarcilor, lucrul cel mai important de reținut este că, deși masa lor este mare în comparație cu cea a electronilor, este foarte mică în comparație cu masa protonilor sau a neutronilor. Cuarcii se mișcă însă foarte repede în interiorul protonilor, astfel încât au energie. Toată această energie se însumează. Când energia acumulată este încapsulată într-un obiect aflat în repaus, cum este protonul în ansamblul lui, atunci obiectul are masa m=E/c². Aceasta explică aproape întreaga masă a protonilor și neutronilor ca produs al energiei pure.

Ceva din modul de construcție al atomilor îi face să se unească în cele mai bizare combinații, până la macromoleculele vieții, ADN, ARN, sute de proteine și, în final, ființele vii. Proprietatea electronilor de valență de a sări dintr-o poziție în alta sau de a fi puși în comun de atomi este ceea ce le conferă atomilor caracteristicile lor uimitoare de a forma molecule și macromolecule.

Forțele electromagnetică și tare joacă rolul dominant în înțelegerea materiei terestre. Forța electromagnetică menține integritatea atomilor și le determină structura. Ea descrie, de asemenea, felul în care interacționează ei cu lumina. Forța tare menține integritatea nucleelor atomice și le determină structura.

Fizica cuantică ne cere însă să înțelegem că particulele sunt manifestări ale unei realități și mai profunde. Particulele sunt avataruri ale câmpurilor. La un nivel mai profund, particulele sunt înlocuite de câmpuri. Câmpurile, umplând spațiul, s-au impus în fizica modernă ca un nou tip de ingredient în descrierea fundamentală a lumii. Câmpurile domnesc. Lumea nu este alcătuită din câmpuri și particule, ci dintr-un singur tip de entitate: câmpurile cuantice. Aceleași câmpuri care produc particule produc și cele patru forțe cunoscute: forța electromagnetică, forța tare, forța slabă și gravitația. Ajungem astfel să înțelegem că substanța și forța sunt două aspecte ale unei realități fundamentale comune: câmpurile cuantice.

Câmpurile sunt proprietăți invizibile ale spațiului, care influențează obiectele ce se mișcă prin el. Spațiul poate fi umplut cu o mare varietate de influențe invizibile care au tot soiul de efecte asupra materiei. Dintre toate câmpurile noi care au fost descoperite, cel de la care aflăm cel mai mult despre univers este câmpul Higgs și particula Higgs asociată lui. Câmpul Higgs seamănă foarte mult cu câmpul magnetic, exceptând faptul că este un scalar și că este mult mai greu de manipulat. Este nevoie de cantități uriașe de energie pentru a schimba oricât de puțin câmpul Higgs. Dacă l-am putea schimba, masa fiecărei particule elementare (cu excepția fotonului) s-ar modifica. Teoria fizică fără câmpul Higgs este coerentă matematic, dar numai dacă toate particulele se mișcă cu viteza luminii. 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”. Masele reale ale particulelor, cum sunt electronii, cuarcii, bozonii W, bozonii Z, se datorează mișcărilor prin fluidul particulelor Higgs. La marele accelerator de la CERN, Geneva, numit Large Hadron Collider (LHC), a fost găsită, cu puțin timp în urmă, particula Higgs, numită de unii fizicieni și „Particula lui Dumnezeu”. Văzând particula Higgs, noi, oamenii, ne-am extins percepția. Am întrezărit un comportament pe care Natura îl dezvăluie doar rareori, pentru foarte scurt timp și numai după multă insistență. Pentru mintea umană iscoditoare, spațiul gol nu va fi niciodată gol!

3. Sarcina ca proprietate

Sarcina electrică a unei particule determină intensitatea cu care ea participă la forța electromagnetică. Două proprietăți ale sarcinii electrice ne ajută să operăm ușor cu ea. În primul rând, sarcina electrică este aditivă – adică poți calcula sarcina electrică totală a unui ansamblu de obiecte însumând pur și simplu sarcinile electrice ale părților componente. În al doilea rând, sarcina electrică se conservă. Asta înseamnă că sarcina electrică totală dintr-o regiune izolată din spațiu va rămâne aceeași, indiferent ce se întâmplă în acea regiune. Sarcina se poate schimba dacă aduci sau iei lucruri, dar nu și dacă le rearanjezi sau le lovești unele de altele.

Cantitățile care sunt aditive și se conservă întruchipează noțiunea intuitivă de „substanță”. Ele se însumează și nu se pierd.

Multe particule elementare au sarcină electrică zero, iar toate sarcinile electrice nenule sunt multipli întregi ai unității comune (adică sarcina electronului). Unele sunt pozitive, altele negative.

După cum am spus, sarcina electrică a unui corp determină intensitatea răspunsului acestuia la câmpurile electric și magnetic. Există alte două tipuri de sarcină, analoage în multe privințe sarcinii electrice, care joacă un rol similar în celelalte interacțiuni fundamentale. Se numesc sarcină de culoare și sarcină slabă.

Sarcina de culoare a unui corp determină intensitatea răspunsului la câmpuri gluonice. Forțele tari, care sunt controlate de sarcina de culoare, sunt mult mai puternice decât forțele electromagnetice, care sunt controlate de sarcina electrică. De aceea, nucleele atomice, care sunt legate strâns de forța tare, sunt mult mai mici decât atomii.

Există trei feluri de sarcină de culoare și opt feluri de gluoni care răspund la ele, față de un singur fel de sarcină electrică și un singur foton. În timp ce electronii se resping întotdeauna unii pe alții, cuarcii resimt forțe mai complexe, care pot fi de atracție. Această posibilitate permite cuarcilor, spre deosebire de electroni, să se lege unii de alții.

În timp ce fotonii sunt neutri electric – au sarcină electrică zero –, analoagele lor purtătoare ale forței tari, gluonii colorați, nu au sarcină de culoare zero. Gluonii resimt forța tare la fel de mult ca cuarcii. Purtătorii forței se află și ei sub influența forței. Este un alt motiv pentru care protonii și neutronii sunt mai omogeni decât atomii.

Sarcina slabă este de două feluri, iar unitatea lor este puțin mai mare decât unitatea de sarcină electrică. Forța slabă este mediată de bosoni W și Z (asemenea gluonilor și fotonilor, dar care au masă nenulă, spre deosebire de fotoni și gluoni, care au masă zero), care schimbă două noi tipuri de sarcină. Forța slabă, și numai ea, poate transforma un tip de sarcină într-un alt tip de sarcină. Cum particulele sunt definite prin proprietățile lor, aceste transformări ale sarcinii slabe schimbă un tip de particulă în altul. Aceasta este natura puterii de transformare a forței slabe. Ea face ca unele particule, altminteri stabile, să se dezintegreze, așa cum se întâmplă în anumite forme de radioactivitate.

4. Spinul ca proprietate

 În 1925, fizicienii olandezi George Uhlenbeck și Samuel Goudsmit și-au dat seama că un mare număr de date experimentale deconcertante privind proprietățile luminii absorbite și emise de atomi puteau fi explicate dacă presupunem că atomul are anumite proprietăți magnetice. Cu câteva sute de ani în urmă, francezul André-Marie Ampère demonstrase că magnetismul apare din mișcarea sarcinii electrice. Uhlenbeck și Goudsmit au continuat pe același drum și au descoperit că doar un anume tip al mișcării electronului poate da naștere proprietăților magnetice sugerate de datele experimentale: mișcarea de rotație în jurul propriei axe – adică spinul. Conform cercetărilor și articolelor publicate apoi de ei, orice electron din univers, dintotdeauna și pentru totdeauna, are o rotație proprie într-un ritm fix, neschimbător. Rotația unui electron nu este o stare de mișcare tranzitorie, ca în cazul obiectelor obișnuite, care se rotesc dintr-un motiv sau altul. Rotația unui electron este o proprietate intrinsecă, asemenea masei sau sarcinii sale electrice. Dacă electronul nu s-ar roti, atunci nu ar mai fi un electron. Ideea de bază a spinului este că particulele elementare sunt giroscoape ideale, fără frecare, inepuizabile. Un giroscop care se învârte rapid se opune încercărilor de a-i schimba axa de rotație. Spunem că giroscopul are inerție de orientare. Acest efect este folosit la ghidarea avioanelor și navelor spațiale, care au la bord giroscoape pentru a-și menține orientarea. Cu cât un giroscop se învârte mai repede, cu atât se opune mai puternic încercărilor de a-i schimba orientarea. Comparând forța cu răspunsul, se poate defini o cantitate care măsoară inerția de orientare. Ea se numește moment cinetic. Particulele elementare sunt niște giroscoape minuscule. Momentul lor cinetic este foarte mic. Când momentul cinetic este atât de mic, intrăm pe teritoriul fizicii cuantice. Mecanica cuantică arată că acele cantități despre care ne închipuim că variază continuu sunt de fapt compuse din mici unități discrete numite cuante. Potrivit mecanicii cuantice, există o cantitate minimă de moment cinetic pe care orice obiect o poate avea. Toate momentele cinetice posibile sunt multipli de numere întregi ai acelei unități minime.

Deși primele experimente s-au concentrat asupra electronului, fizicienii au arătat apoi că ideea de spin se aplică la toate particulele de materie. Se dovedește că electronii, cuarcii și alte câteva tipuri de particule elementare (adică toate particulele de materie și, de asemenea, partenerii lor de antimaterie) au exact unitatea minimă teoretică de moment cinetic, adică sunt particule cu spinul egal cu cel al electronului. În limbaj de specialitate, fizicienii spun că particulele de materie au „spin 1/2“, unde valoarea 1/2 reprezintă, grosso modo, o măsură cuantică a vitezei de rotație proprie a particulelor. În plus, fizicienii au demonstrat că particulele care transmit forțele negravitaționale – fotonii, bosonii de etalonare slabi și gluonii – au o rotație proprie caracteristică de două ori mai mare decât aceea a particulelor de materie. Ei au cu toții „spin 1“. Ce putem spune însă despre gravitație? Fizicienii au putut determina spinul ipoteticului graviton, particula care ar transmite forța gravitațională. Răspunsul a fost: de două ori valoarea spinului fotonilor, bosonilor de etalonare slabi și gluonilor – adică „spin 2“.

Înțelegerea spinului particulelor elementare a deschis calea către o revoluție în fizica modernă. Spinul, această proprietate intrinsecă a particulelor, nu este doar o caracteristică abstractă, ci joacă un rol crucial în felul în care particulele interacționează între ele și cu câmpurile fundamentale. De exemplu, fermionii, cum sunt electronii și cuarcii, au spin semiântreg (1/2), ceea ce îi face să respecte principiul de excluziune al lui Pauli. Acest principiu afirmă că doi fermioni nu pot ocupa simultan aceeași stare cuantică, ceea ce explică de ce materia obișnuită are volum și structură. Fără acest principiu, electronii dintr-un atom s-ar prăbuși toți în starea de energie cea mai joasă, iar structura atomilor, așa cum o cunoaștem, nu ar exista.

Pe de altă parte, particulele purtătoare de forțe, cum sunt fotonii, gluonii și bosonii W și Z, au spin întreg (1), ceea ce le conferă proprietăți distincte. Aceste particule, numite bosoni, nu sunt supuse principiului de excluziune, ceea ce permite, de exemplu, unui număr mare de fotoni să ocupe aceeași stare cuantică, așa cum se întâmplă în razele laser. Această diferență fundamentală între fermioni și bosoni stă la baza structurii universului: fermionii construiesc materia, în timp ce bosonii mediază interacțiunile dintre ea.

Un alt aspect fascinant al fizicii particulelor este legat de câmpul Higgs, descoperit experimental la CERN în 2012. Particula Higgs, asociată acestui câmp, este unică prin faptul că interacțiunea sa cu alte particule le conferă acestora masă. Fără câmpul Higgs, particulele elementare, precum electronii sau cuarcii, ar fi lipsite de masă și s-ar mișca toate cu viteza luminii, ceea ce ar face imposibilă formarea atomilor și, implicit, a materiei așa cum o cunoaștem. Descoperirea particulei Higgs a fost un triumf al modelului standard al fizicii particulelor, confirmând predicțiile teoretice făcute cu decenii în urmă.

Totuși, modelul standard, deși extrem de precis, nu este complet. El nu explică, de exemplu, natura materiei întunecate, care reprezintă aproximativ 27% din masa-energia universului, nici energia întunecată, care contribuie cu circa 68% la expansiunea accelerată a universului. De asemenea, modelul standard nu include gravitația într-un mod coerent cu mecanica cuantică. Aceste lacune sugerează că există o fizică dincolo de modelul standard, care așteaptă să fie descoperită. Experimentele viitoare, la acceleratoare mai puternice sau prin observații cosmologice, ar putea dezvălui noi particule sau forțe care să completeze această imagine.