Cel mai frumos lucru pe care il putem trai este misteriosul. El este izvorul artei si al stiintei autentice. Cel care nu cunoaste emotia, care nu se mai poate opri pentru a se minuna si a ramane invaluit in uimire, e ca si mort- ochii lui sunt inchisi (ALBERT EINSTEIN)

           

Inca din timpul liceului am simtit o atractie pentru fizica. Am realizat ca fizica este o stiinta fundamentala prin excelenta care imi ofera speranta de a intelege ce se intampla in jurul meu. Ea arata cat este de saraca perceptia noastra naturala in comparatie cu intregul continut al realitatii fizice. Fizica ne poate ajuta sa ne depasim neajunsurile. In fizica s-au infaptuit multe lucruri, dar mai sunt inca mult mai multe de facut.

Scopul fizicii la nivelul ei cel mai profund nefiind doar acela de a descrie lumea in care traim, ci si de a explica de ce aceasta lume, aceasta planeta si acest univers este asa cum este. Iar daca e sa inventam un rost pentru vietile noastre, rostul vietii ar putea fi acela de a incerca sa intelegem lumea in care traim si FIZICA cu siguranta ne ajuta sa facem acest lucru. In fizica s-au infaptuit multe lucruri, dar mai sunt inca mult mai multe de facut.

Poate ca am reusit intr-o mica masura sa gasesc raspunsuri la multe din problemele ce m-au framantat, dar mai sunt inca atat de multe lucruri pe care vreau sa le stiu. Desi activitatea mea de cercetare s-a rezumat in principal la dezvoltarea combustibilului nuclear destinat reactoarelor nucleare de mare putere, mi-a placut dintotdeauna sa discut probleme de fizica cu prieteni si oameni curiosi si, mai ales, cu tineri elevi si studenti. Asa am ajuns sa scriu aceste pagini privind fizica si frumusetea ei, asa cum o vad eu. Am incercat sa fiu pe cat de clar mi-a stat in putinta si totusi pe cat de concis posibil, trecand peste toate detaliile care nu sunt necesare pentru a intra in miezul problemelor de fizica. Am scris aceste pagini mai ales pentru cineva care nu cunoaste fizica dar doreste sa inteleaga, pe cat se poate, ce anume este si ce implica ea.

Din intreaga mea cariera stiintifica, pastrez inca vii in minte intalnirile anuale, organizate de IAEA (International Atomic Energy Agency) primavara tarziu, sau la inceput de toamna, unde fizicieni din intreaga lume se strangeau pentru a analiza probleme de mare interes, legate de cele mai recente cercetari din domeniul lor de activitate.

Japonezi, americani, europeni, chinezi, indieni, latinoamericani, crestini, musulmani, hindusi, ne intalneam cu totii ca sa ne ascultam reciproc ultimile idei in domeniu, prezentam si ascultam prelegeri asupra unor subiecte arzatoare din domeniul nostru de cercetare. Cativa dintre cei prezenti la aceste intalniri imi erau vechi prieteni cu care in cursul anului schimbam frecvent mesaje e-mail.

Cum noi, oamenii, traim din emotii si ganduri, imi face o deosebita placere sa-mi aminesc de intalnirile si discutiile avute cu Tony Turnbull si John Killen din Anglia, Steve Palleck si Ki-Seob Sim din Canada, Suzuki Motoe si Yoshiaki Makihara din Japonia, Alicia Denis si Armando Marino din Argentina, Klaus Lassmann si Nina Mueler Hoeppe din Germania, Frantisek Pazdera din Cehia, Pierre Chantoin din Franta, Zhang Yingchao din China, conducatori ai unor importante grupuri de cercetare din tarile lor. Se organiza si un banchet in una din seri, unde se glumea si se rosteau toasturi. In fizica sunt o multime de lucruri interesante si captivante. Cercetarea stiintifica da roade atat de bogate si gustoase, incat cine gusta din Pomul Cunoasterii ei isi pierde apetitul pentru alta hrana.

Am incercat sa prezint in aceasta expunere principlalele teorii ale fizicii intr-un mod cat mai simplu. Am scris-o avandu-i in minte pe tinerii mei prietenii curiosi sa afle ce are de spus fizica despre lumea in care traim. Spre final, aduc in discutie si cateva din ideile esentiale ce stau la baza cercetarilor actuale de la frontierele fizicii, de la frontierele cunoasterii. Desigur mi-ar place nespus de mult ca tinerii mei prieteni, tovarasi de calatorie in asta lume, sa indrageasca fizica si unele aspectele prezentate de mine sa fie pentru ei un bun indemn pentru a studia fizica.

Poate ca mesajul cel mai important al acestei expuneri este ca noi oamenii am ajuns intr-adevar sa intelegem in profunzime multe aspecte ale lumii fizice.

Intr-o zi din vara lui 2016, cu ocazia unei croaziere in marea Mediterana, am avut placuta surpriza sa vad ruinele orasului antic Abdera din Grecia. Aici, cu doua mii sase sute de ani in urma, Leucip si Democrit au intemeiat scoala atomista (450i.Cr la Abdera). Cei doi mari intelepti au avut o idee geniala. Fara sa aibe nevoie de fizica moderna de astazi, Leucip si Democrit au adus argumente bazate pe observatie si logica, aratand ca materia nu poate fi un intreg continuu care sa poata fi divizat la infinit.Singura posibilitate-conchide Democrit-este ca orice frantura de materie sa fie alcatuita dintr-un numar finit de mici bucati discrete, indivizibile, dar avand fiecare o dimensiune finita: atomii.

Dovada definitiva a asa-numitei “ipoteze atomiste”, potrivit careia materia este alcatuita din atomi, a trebuit sa astepte pana in 1905. Aceasta dovada definitiva a ioptezei atomiste a lui Leucip si Democrit a fost gasita de un tanar rebel de douazeci si cinci de ani, care studiase fizica si lucra la Biroul de Brevete din Berna. Numele tanarului de douazeci si cinci de ani este, evident, Albert Einstein.

Richard Feynman, cel mai mare fizician din a doaua jumatate a secolului XX, scrie la inceputul minunatelor sale lectii de fizica:“Daca intr-un cataclism, intreaga cunoastere stiintifica ar fi distrusa si ar fi transmisa generatiilor urmatoare numai o fraza, ce enunt ar contine cea mai multa informatie in cat mai putine cuvinte ? Cred ca aceasta este ipoteza atomista (sau faptul atomic, ori cum vreti sa-i spuneti) conform careia toate lucrurile sun alcatuite din atomi, mici particule care se misca continuu, atragandu-se una pe alta cand sunt la mica distanta, respingandu-se cand sunt inghesuite una intr-alta”. Veti vedea ca in aceasta unica fraza exista o cantitate enorma de informatie despre lumea in care traim, daca folosim doar putina imaginatie de gandire.

Astazi stim ca atomul traditional din chimie nu este “atom” in sensul celei mai mici caramizi ale materiei. Atomul este alcatuit din electroni care inconjoara un nucleu atomic. Nucleul e mai departe alcatuit din proptoni si neutroni, iar povestea nu se sfarseste aici, protonii si neutronii sunt formati din cuarci si gluoni.

Principiile fizicii reprezinta o componenta pretioasa a cvilizatiei de pe planeta noastra  si pare  o mare tragedie faptul ca atat de multi oameni, altminteni instruiti, sunt rupti de acesata parte a culturii noastre din cauza lipsei cunostitelor stiintifice de baza. Dar aceasta lacuna in instructie nu trebuie sa ne surprinda.Noi fizicienii suntem un grup ciudat, care facem cu mare placere calcule si experimente de fizica. Nu e rezonabil sa ne asteptam ca toti oamenii sa simta la fel. Dupa parerea mea cel mai important lucru In munca – atat In cercetare, cat si In orice alt domeniu, e sa-ti placa ceea ce faci. Doar atunci poti lucra bine si avea rezultate bune. Dupa propria mea experienta, aproape tot ce stiu din fizica si matematica am invatat cu placere atunci cand a trebuit sa invat ceva pentru a avansa in propriile mele activitati de cercetare, in dezvoltarea modelelor de calcul sau in interpretarea rezultatelor experimentale, si cu siguranta fizica mi-a oferit cel mai minunat material imaginabil.
       Fizica este o stiinta privilegiata – se refera la legile de baza ale naturii, la cele mai profunde legi ale naturii. Teoriile fizicii imbratisaza un urias domeniu de fenomene, de la galaxii si stele la atomi si particule elementare.Toate celelalte stiinte se folosesc de rezultatele produse de fizica. Faptul ca fizica se ocupa de legile de baza ale naturii o face extrem de fascinanta – o adevarata aventura a spiritului uman. Reusitele fizicii de pana acum sunt extraordinare. Trebuie doar sa privim in jurul nostru pentru a ne da seama de puterea exceptionala pe care intelegerea naturii ne-a permis s-o obtinem. Tehnologia din lumea moderna s-a dezvoltat in mare masura din enorma experienta acumulata in cecetare si fizica este cea care se afla la baza tehnologiei dezvoltate de civilizatia planetei noastre. Teoriile fizicii de care dispunem azi au o precizie remarcabila. Dar nu numai precizia este cea care le-a dat forta pe care o au azi, ci si faptul cu totul remarcabil ca au putut fi tratate matematic in detaliu. Fizica si matematica impreuna ne-au dat o stiinta cu o putere cu adevarat impresionanta. In secolul nostru, stiintele naturii, fizica in mod special, au devenit o componenta fundamentala a civilizatiei noastre, iar numarul de oameni care doresc sa inteleaga cate ceva in acest domeniu a crescut vertiginous. Fizica deschide o fereasta prin care putem privi in departare.

Exista un consens unanim de a considera fizica drept stiinta cea mai avansata. Aceasta apreciere nu ete justificata numai de faptul ca teoriile fizicii imbratisaza un urias domeniu de fenomene, de la galaxii, nebuloase si stele la atomi si particule elementare. Fizica a ramas, prin urmare, mai mult ca oricand, un model pentru orice stiinta. Si ar fi greu de negat ca acest aspect are motivele sale bine intemeiate. Stiinta, si in particular fizica este o activitate de creatie. Stiinta este sistemul de cunoastere creat de fiintele omenesti, un sistem in permanenta “deschis” schimbarilor. Caracterul deschis si liber al stiintei face din ea modul cel mai avansat de gandire pe care omenirea l-a dezvoltat vreodata.

Cei doi mari”stalpi” ai stiintei de pe planeta noastra  sunt mecanica cuantica, cruciala in lumea microscopica, si teoria gravitatiei a lui Einstein. Ei reprezinta marile realizari intelectuale ale secolui trecut. Marele fizician Albert Einstein a savarsit una din cele mai mari ispravi intelectuale din toate timpurile aratandu-ne ca spatiul si timpul sunt influentate de starea de miscare a observatorului si se pot curba ca raspuns la prezenta materiei si a energiei. La fel cum relativitatea speciala si relativitatea generala ne-au impus schimbari drastice in conceptia noastra asupra lumii, mecanica cuantica, fizica lumii noastre reale, ne cere sa renuntam si la calitatile de “bun simt” pentru a intelege frenezia haotica a universului microscopic. Mecanica cuantica ne-a transformat insusi limbajul pe care il folosim pentru a descrie natura: in loc de particule cu pozitii si viteze bine definite, am inceput sa vorbim despre functii de unda si probabilitati. Din fuziunea relativitatii cu mecanica cuantica s-a dezvoltat o noua perspectiva asupra lumii, in care materia si-a pierdut rolul central. Acest rol a fost preluat in present de pricipiile de simetrie, unele dintre ele fiind ascunse vederii noastre. In prezent gravitatia cuantica zguduie atat de puternic fundamentele fizicii moderne, incat pana si banalul   numar de trei dimensiuni spatiale ale universului, un lucru atat de elementar, incat l-am putea considera dincolo de orice indoiala, este in mod spectaculos si convingator modificat. Probabil in viitorul apropiat acel principiu holografic din gravitatia cuantica la care se refera in lucarile lor, profesorul Gerad’t Hoolf, laureat premiul Nobel in fizica si alti renumiti fizicieni, va fi o idee formidabila care va marca profund civilizatia planetei noastre. Acestea sunt realizari cu adevarat monumentale.

Este incredibil cum noi oamenii, niste fiinte izolate pe o mica planeta ce se invarte in jurul unei stele oarecare, dintr-un colt indepartat al unei galaxii obisnuite, prin gandire si experiment am putut percepe si intelege cele mai misterioase caracteristici ale universului fizic. Fizicienii, prin natura lor, nu vor fi multumiti pana cand nu vor sti ca cel mai profund si elementar adevar al universului a fost descoperit.

Cu totii admiram progresul tenace acolo unde aparent nu erau sorti de isbanda. Intr-un fel sau altul, cu totii ne dorim sa descifram lumea din jurul nostru. Ei bine, toate aceste elemente se afla in insasi esenta fizicii moderne. Este intr-adevar un mare noroc ca noi oamenii avem astfel de teorii si ca putem intelege lumea in care traim intr-un mod atat de remarcabil si de complet. Consider ca exceptionale pentru aceste teorii, atat domeniul lor de aplicare cat si exactitatea cu care se aplica. Eu nu cunosc sa existe vreo teorie fundamentala in oricare alta stiinta care ar putea sa intre in aceasta categorie de exceptional pentru domeniul de aplicare si exactitatea cu care se aplica, asa cum este teoria relativitatii generale a lui Einstein. Poate ca teoria selectiei naturale, propusa de Darwin si Wallance, ar fi potrivita, dar se situeaza totusi la o distanta apreciabila.

Exista capodopere care ne emotioneaza intens, Recviemul lui Mozard, Capela Sixtina, Regele Lear. Pentru a ajunge sa le apreciezi splendoarea e nevoie de o lunga ucenicie. Dar rasplata este darul frumusetii pure. O noua versiune asupra lumii.Relativitatea generala a lui Einstein este una dintre aceste capodopere. E nevoie de o perioada de invatare pentru a intelege matematica lui Riemann si a stapani tehnica prin care putem citi in integralitatea sa ecuatia lui Einstein. Marea fizica e aidoma marii muzici: vorbeste direct sufletului si ne deschide ochii catre frumusete.

Cand am predat fizica tinerilor studenti am simtit ca principala mea sarcina (si fara indoiala cea mai dificila) era ca pe baza experientei mele din cercetare, sa incerc sa explic puterea pe care ti-o da capacitatea de a calcula ce se intampla cu un sistem fizic in diferite conditii si cat de util este sa-ti validezi modelul de calcul cu rezultatele unui experiment bine gandit. In activitatea de cercetare incepem prin a studia ce se intampla in situatii simple, precis definite, pe care le putem reproduce in mod repetat. Odata ce le stapanim pe acestea, puem incerca sa deducem ce se intampla in situatii mai complicate. In acest fel tinerii studenti puteau intelege ce inseamna cu adevarat principiile fizicii. Am petrecut ceva timp cautand sa le explic  lucruri dificile in termeni elementari. Ingredientele de baza ale realitatii fizice sunt cateva principii si propietati. Aceste principii si propietati sunt exprimate prin ceea ce numim particule elementare. Dar “particulele elementare” sunt cu totul diferite de orice obiecte ale experientei obisnuite, iar pentru a le intelege correct trebuie sa incepem cu principiile si propietatile.
Am incercat sa-i fac sa inteleaga ca particulele elementare apar in teoriile din fizica moderna ca mici aglomerari de energie ale unor campuri. Campurile, si nu particulele, sunt componentele fundamentate ale materiei in fizica moderna.
Materia obisnuita, adica acea materia din care suntem alcatuiti noi si lumea in care traim, este materia pe care o putem construi din electroni, fotoni, doua tipuri de cuarci, numiti “up” si “down”, si gluoni. Cele mai bune modele ale lumii, de care dispunem astazi, arata ca putem construi materia pe care o intalnim in viata de zi cu zi, cea din care sunt alcatuite corpurile noastre si lumea in care traim, folosind drept ingrediente fundamentale exact cele cinci feluri de particule elementare, fiecare definite prin cateva propietati clare: masa, sarcina, spin. Mesajul fundamental din fizica moderna e limpede: lumea fizica e construita din foarte putine tipuri de ingrediente. Mai mult, aceste ingrediente sunt ideal de simple, in sensul ca au doar cateva propietati, propietatile primare ale materiei, din care deriva toate celelalte propietati, sunt: masa, sarcina, spinul. Pentru orice particula elementara, odata precizata valoarea acestora trei propietati primare, impreuna cu pozitia si viteza ei, particula a fost complet descrisa.
In fizica moderna campurile trebuiesc privite nu doar ca simple artificii matematice care ne ajuta sa calculam fortele dintre particule, ci ca entitati fizice de sine statatoare, locuitori ai universului nostru ce pot fi in realitate “mai fundamentali” decat particulele elementare.

Explicatia stiintifica e o sursa de placere, la fel ca dragostea si arta. Cea mai buna cale de a intelege natura explicatiei stiintifice este sa traiesti acel fior pe care il simti atunci cand cineva (de preferinta tu insuti) a reusit sa inteleaga si explice un anumit lucru.

Desigur este foarte greu sa definesti frumusetea fizicii, dar ea e la fel de reala ca toate celelalte feluri de frumusete. La fel ca dragostea sau teama aceste lucruri nu se definesc;le cunoastem atunci cand le simtim. Simtul estetic il ajuta pe fizician sa selecteze ideile care ii permit sa explice natura intr-un mod cat mai simplu. Simplitatea ideilor e o parte din ceea ce se intelege prin frumusete in fizica. Teoria lui Einstein e mai frumoasa decat decat teoria lui Newton datorita ideii sale privind echivalenta dintre gravitatie si inertie. In afara simplitatii putem considera ca sentimentul de inevitabil reprezinta o alta calitate care face ca o teorie fizica sa fie frumoasa. Odata ce cunosti principiile fizice generale adoptate de Einstein, intelegi ca el nu putea fi condus spre o alta teorie a gravitatiei semnificativ diferita de cea la care a ajuns.

Fizica nu se ocupa doar cu a face previziuni. Exista o diferenta intre a face previziuni si a le intelege. Frumusetea fizicii, ratiunea ei de a fi este ca ofera informatii privind motivele pentru care lucrurile din univers se comporta asa cum o fac. Abilitatea de a prezice comportamente este o mare parte din puterea fizicii, dar esenta acesteia s-ar pierde dac nu ne-ar oferi si o cunoastere profunda a realitatii ascunse aflate la baza a ceea ce observam.

Isaac Newton, acum cateva secole, a deschis larg usa stiintei. El a descoperit cum cateva ecuatii matematice pot descrie modul in care se deplaseaza obiectele, atat aici pe Pamant, cat si in spatiu.Date fiind forta si simplitatea rezultatelor sale, ne-am fi putut usor imagina ca ecuatiile lui Newton ar reflecta adevaruri eterne sapate adanc la temelia cosmosului. Continuand explorarile lui Newton, oamenii de stiinta s-au aventurat in zone ce depasesc cu mult raza de actiune a ecuatiilor sale. In ultimile decenii am ajuns sa intelegem tot mai bine universul fizic. Mijloacele teoretice ale mecanicii cuantice si relativitatii generale ne permit sa facem predictii testabile in legatura cu evenimentele fizice care au loc de la dimensiuni atomice si subatomice, la galaxii, roiuri de galaxii si chiar pana la structura universului insusi.

Fizica este o stiinta fundamenta si atotcuprinzatoare si a avut un efect profund asupra intregii dezvoltari a stiintei in general. E suficient sa amintim ca intreaga colectie de reguli din chimia organica, care ne spun ce substante se combina cu care si in ce fel, pot fi explicate numai de mecanica cuantica si in acest fel chimia teoretica este de fapt fizica. Ceva din modul de constructie al atomilor ii face sa se uneasca in cele mai bizare combinatii: giganticele molecule fantastice ale vietii, ADN, ARN, sute de proteine si tot restul. Chimia este intr-adevar o ramura a fizicii: fizica electronilor de valenta, adica a acelor electroni care se rotesc in jurul nucleului pe orbitele exterioare ale atomului. Propietatea electronilor de valenta de a sari dintr-o pozitie in alta sau de a fi pusi in comun de atomi este ceea ce le confera atomilor caracteristicile lor uimitoare si acest lucru e explicat numai de mecanica cuantica dezvoltata de celebrii fizicieni: Heisenberg, De Broglie, Schrodinger, Dirac, Born.

Daca aplicam regulile mecanicii cuantice atomilor din care e compusa creta (carbonatul de calciu, CaCO3 ) se dovedeste ca atomii de calciu si carbon cedeaza usor doi si respectiv patru electroni, iar atomii de oxigen accepta usor doi electroni.Astfel cei trei atomi de oxigen din fiecare molecula de carbonat de calciu pot accepta cei sase electroni oferiti de un atom de calciu si un atom de carbon: este exact numarul de electroni necesar pentru schimb. Forta electrica produsa prin acest transfer de electroni este cea care mentine atomii in molecula de carbonat de calciu si legile mecanicii cuantice explica formarea si propietatile carbonatului de calciu.Desigur exista cateva concepte ale chimiei care risca sa fie pierdute daca se incearca sa fie reduse la fizica , cum ar fi: valenta, structura legaturilor, orbitalii localizati, aciditatea, culoarea , mirosul.Dar faptul ca aceste cateva concepte nu pot fi reduse la fizica nu arunca nici o indoiala asupra adevarului ca toate aceste notiuni ale chimiei functioneaza in acest mod datorita mecanicii cuantice. Dupa cum a remarcat marele chimist Linus Pauling,” nu exista nici o parte a chimiei care sa nu depinda, in fundamentele ei teoretice, de principiile mecanicii cuantice”.

Succesul mecanicii cuantice in calculul propietatilor moleculelor mai simple (molecula de hidrogen de exemplu) a aratat limpede ca legile chimiei sunt determinate de legi ale fizicii. Desigur, in realitate nimeni nu rezolva ecuatiile mecanicii cuantice pentru a deduce in detaliu functia de unda sau energia exacta a moleculelor cu adevarat complicate cum sunt proteinele. Cu toate acestea nu avem nici o indoiala ca regulile mecanicii cuantice explica propietatile unor asemenea molecule. In principiu, folosind un calculator suficient de mare, am putea explica propietatile chiar si a unei molecule destul de complexe cum este  molecula de AND, folosind ecuatiile mecanicii cuantice – ecuatii destul de complicate pentru astfel de molecule complexe.

Desigur chimia ramane disciplina care descrie si explica frumusetea si diversitatea lumii naturale. O floare, pana la urma este o colectie de elemente chimice care sufera reactii chimice si intelegerea acestor procese le sporeste valoarea estetica. Totusi chimia e plina de retete ad-hoc fara valabilitate universala. Primele linii ale tabelului periodic sunt destul de simple, dar, pe masura ce avansam in tabel, trebuie sa adaugam din ce in ce mai multe presupuneri. Regulile pentru legaturile moleculare sant aproximative si au numeroase exceptii. Referitor la acest subiect, pastrez inca in minte multe discutii interesante pe care le-am avut cu bunul meu prieten Nistor Perescu, plecat cam prea din vreme din asta lume, un foarte bun chimist care avea reputatia de a intelege lucrurile cu mult inaintea altora, si care, in activitatea sa de cercetare in domeniul nuclear la ICN Pitesti-Mioveni s-a remarcat prin curajul de a aborda probleme cu adevarat dificile.

Dintre stiintele ingineresti foarte multe, daca nu chiar toate,  transpun in practica descoperirile de actualitate ale fizicii. Biologia si  medicina se bazeaza din ce in ce mai mult pe studiul aspectelor fizice ale functionarii sistemelor biologice, precum si pe aparatura de inalta performanta bazata pe fenomene fizice de mare profunzime descoperite de fizicieni, cum ar fi de exemplu Rezonanta Magnetica Nucleara, pentru care au fost acordate de-a lungul anilor 8 premii Nobel in Fizica.

Daca privim mai indeaproape procesele biologiei fiintelor vii, vedem multe fenomene fizice (circulatia sangelui, procese electrice la nivelul nervilor, modul in care functioneaza gandirea, modul in care functioneaza ochiul, vederea, etc.). Fizica este de mare importanta in biologie si in alte stiinte pentru inca un motiv, legat de tehnicile esperimentale. De fapt, fara puternica dezvoltare a fizicii experimentale, toate schemele biochimice nu ar fi cunoscute astazi. Structura moleculei ADN a fost studiata intens cu raze X spre ai determina structura spatiala. Rezultatul a fost acea descoperire remarcabila ca molecula de ADN este formata dintr-o pereche de lanturi, rasucite unul in jurul altuia.

Am ramas placut surprins, atunci cand, cu mult timp in urma, am vizitat laboratoarele Argonne din Cicago. Aici am vazut aici biologi si medici care lucrau alaturi de fizicieni, folosind instrumentele si metodele avansate de cercetare dezvoltate aici de fizicieni.

Fizica ajuta enorm astronomia. Astronomia este mai veche decat fizica.De fapt, ea a dat nastere fizicii aratand frumoasa simplitate a miscarii stelelor, planetelor, iar intelegerea acestei miscari a fost inceputul fizicii. Dar dintre toate descoperirile astronomiei cea mai remarcabila este aceea ca stelele sunt alcatuite din atomi de acelasi fel cu cei de pe Pamant. Se stie ca atomii emit lumina care are anumite frecvente, specifice fiecarui tip de atom. Din studiul culorilor luminii pe care o emit atomii putem obtine informatii bogate si detaliate despre felul in care funtioneaza acestia. Iata cum stau lucrurile : un atom poate exista in stari cu energie totala diferita. Datorita conditiei cuantice, energiile permise alcatuiesc un tipar de valori discrete. Stari cu energie mai inalta pot trece in stari cu energie mai joasa, fiind emis un foton. Energia fotonului reprezinta diferenta de energie intre starile atomice initiala si finala. Asa cum ne-au invatat Planck si Einstein, energia unui foton e legata de frecventa lui-altfel spus de culoarea lui.Iar asta se poate masura usor. Ansamblul culorilor emise de un atom se numeste spectru. Studiul spectrelor se numeste spectroscopie. Spectroscopia este unul dintre cele mai puternice instrumente prin care putem comunica cu Natura.

Complexitatea ordonata a spectrelor atomice e un mare dar pentru cunoasterea umana. De vreme ce fiecare tip distinct de atom emite un tipar de lumina distinct, spectrele atomice formeaza un fel de semnatura sau amprenta. Asfel, doar analizand culorile din spectrul de lumina putem discerne identitatea atomilor aflati la mare distanta de noi in spatiu si timp. Spectroscopia ne permite sa testam fundamentele lumii fizice. Si din moment ce astrofizicienii au vazut aceleasi spectre atomice pretutindeni si mereu in univers, deducem ca aceleasi legi actioneaza asupra acelorasi materiale elementare pretutindeni in univers si in tot cursul istoriei lui. Astfel, cu un spectroscop putem analiza frecventele undelor de lumina si in acest mod putem vedea din ce atomi sunt alcatuite stelele. Oricat de ciudat ar parea, intelegem distributia materiei din interiorul Soarelui cu mult mai bine decat intelegem interiorul Pamantului. Cercetand proportiile izotopilor din corpul nostru, putem spune cum arata cuptorul unde sa foarmat materialul, atomii din care suntem alcatuiti. Acest cuptor a fost in miezul fierbinte al stelelor si astfel e foarte probabil ca elementele noastre au fost fabricate in stele si expulzate prin explozii pe care le numim nove si supernove.

Astazi adevaratele mistere ale naturii si universului trebuiesc cautate in astrofizica si fizica particulelor elementare. Cea mai mare speranta a noastra pe termen scurt de a obtine noi informatii revelatoare despre legile fizicii ramane fizica experimentala a energiilor inalte (a particulelor elementare). Cel mai mare accelerator din lume este marele accelerator de hadroni (Large Hadron Collinder, prescurtat LHD) de la CERN din Geneva. Acceleratorul se afla intr-un tunel sbteran circular cu circumferinta de aprox 27 de Km sub o zona rurala de la granita dintre Franta si Elvetia. Fasciculele se intersecteaza in patru puncte si rezulta un milliard de ciocniri pe secunda. Detectorul ATLAS este de peste doua ori mai mare decat Partenonul si inregistreaza energiile, sarcinile electrice,etc. si transmite toate aceste informatii la o retea internationala care leaga intre ele mii de supercomputere. Conceput initial pentru a studia bozonul Higgs, el este de asemenea dispozitivul ideal pentru a descoperii partenerii supersimetrici ai particulelor elementare.

In ultimii ani rublicile de stiinta ale revistelor au relatat despre doua uimitoare descoperiri care ii deruteaza pe fizicieni. Prima e ca 90% din materia universului este alcatuita dintr-o subsatnat necunoscuta, misterioasa, numita materie intunecata. Cealalta e ca 70% din energia universului e compusa dintr-o structura si mai misterioasa, numita energie intunecata.

In prezent mai multe grupuri de cercetatori din Marea Britanie, Germania, Italia (la Gran Sasso) si Statele Unite construiesc detectori subterani si incearca sa descopere acele particule elementare care alcatuiesc materia intunecata.In urmatorii cativa ani speram sa obtinem rezultate spectaculoase din acest gen de experimente. Aceste detectoare, ca dealtfel si marele accelerator de la Geneva, promit sa dezvaluie lucruri remarcabile despre univers, pe cai nebanuite inca. Materia intunecata aflata in universul nostru constituie inca un mare, foarte mare mister pentru astrofizicieni. Marile roiuri de galaxii care constituie materia ce emite lumina in universul nostru, pot fi doar o picatura in oceanul materiei din univers. Masa materiei intunecate poate fi suficient de mare pentru a curba spatiul pana la inchiderea lui. Aceasta materie intunecata s-ar putea afla intr-o forma care sa nu semene cu nimic din ce am detectat pana acum in acceleratoarele noastre de particule. Aceasta ar fi ultima rasturnare copernicana a statutului nostru in universul material.

Laserul de la Bucuresti-Magurele concentreaza intr-un fascicul o intensitate luminoasa iesita din comun :10 milioane de miliarde de wati! Fizicienii presupun ca exista asa ceva in univers si ca lumina, forta generata de lumina, este cauza unor efecte care apar In univers. Ideea este de a cerceta fenomenele noi care apar cand materia este supusa unor conditii extreme. Probabil ca aici la Magurele vor fi descoperite legi noi care vor trebui intelese si clarificate.
  “Frumusetea fizicii se afla in masura in care fenomenele aparent complexe si independente pot fi explicate printr-un set de legi uimitoare in simplitatea lor” spunea candva  fizicianul Melvin Schwartz laureat al  Premiului Nobel in Fizica. Felul in care opereaza legile fundamentale ale lumii fizice se deosebeste mult de felul in care opereaza legile oamenilor. Oamenii au multe legi, iar ele difera de la un loc la altul si se schimba in timp. Legile fizicii sun putine si sunt aceleasi pretutindeni si intotdeauna. Legile fizicii descriu pur si simplu ce se va intampla. Ele sunt exprimate ca ecuatii matematice in care apar cantitati precis definite, fara ambiguitati sau neantelegeri printre specialisti. Deducerea consecintelor lor e doar o chestiune de calcul. Poti programa un computer sa-l efectueze.

Combinatia de eleganta, unicitate si capacitatea de a raspunde la toate intrebarile la care se poate raspunde e ceea ce face ca o teorie a fizicii sa fie frumoasa. Fizicienii se numara printre savantii cei mai responsabili, care imping frontierele cunoasterii umane spre orizonturi greu predictibile dar fermecatoare si pline de promisiuni.

Legile fizicii, modelul standard, o lista de particule, o lista de mase si de constante de cuplaj, constituie un instrument extrem de puternic pentru a explica universul in care ne aflam. Ele guverneaza aproape orice aspect al fizicii, chimiei si, in final al biologiei. Nu avem insa o teorie care sa ne spuna de ce modelul standard este cel corect si nu altul. Ar putea legile fizicii sa fie diferite in momente de timp si locuri foarte indepartate? Ar putea lista particulelor elementare, masele si constantele de cuplaj sa sa fie diferite in alte parti ale universului pe care nu le putem oberva in prezent? Daca e asa, ce guverneaza modul in care se schimba ele? Exista legi mai profunde care sa ne spuna care legi sunt posibile si care nu? Acestea sunt intrebarile cu care fizicienii se lupta acum la inceput de secol XXI.

Fizicienii spera sa gaseasca un sistem unic si coerent de legi fizice, o teorie finala, in care orice constanta a naturii, inclusiv constanta cosmologica, sa poata fi prezisa pe baza unui principiu matematic elegant. Ei cred ca la baza tuturor lucrurilor se afla o teorie frumoasa, un set unic, puternic si convingator de ecuatii, care descriu toate fenomenele, cel putin in principiu, chiar daca ecuatiile sunt prea greu de rezolvat. Aceste ecuatii trebuie sa fie simple si simetrice. Dar, inainte de toate, ecuatiile trebuie sa prezica in mod unic legile fizicii care au fost descoperite in ultimile cateva secole, inclusiv modelul standard al fizicii particulelor: lista particulelor elementare, masele lor, constantele de cuplaj si fortele dintre ele. Ce ciudat ar fi sa asistam la descoperirea unei teorii finale! Descoperirea legilor ultime ale naturii  va marca cu siguranta o ruptura in istoria stiintei moderne.Poate ca experimentele efectuate cu superacceleratorul de la Geneva vor oferi informatii lamuritoare.Am inaintat deja destul de mult spre o asemenea teorie. Asa cum am spus, cele mai profunde principii fizice pe care le cunoastem in prezent sunt regulile mecanicii cuantice care stau la baza a tot ce cunoastem despre materie si interactiile ei. Dar mecanica cuantica nu este o teorie fizica completa. Ea nu spune nimic despre particulele si fortele ce pot exista. Atunci cand va exista o teorie cuantica a gravitatiei, ea va da cu siguranta noi raspunsuri la intrebarile despre spatiu si timp. In plus, teoria cuantica a gravitatiei va fi de asemenea o teorie a materiei. Va trebui sa includa cunostintele dobandite in ultimul secol asupra particulelor elementare si asupra fortelor care le guverneaza. Va fi de asemenea o teorie cosmologica.Va raspunde la ceea ce acum par intrebari foarte misterioase despre originea universului, de pilda: Marea Explozie (big bang-ul) a fost primul moment, sau doar o tranzitie de la o alta lume diferita care a existat mai inainte? Ar putea chiar sa ne ajute sa raspundem la intrebarea daca universul a fost sortit sa contina viata, sau daca propria nostra existenta, pe aceasta planeta numita Terra, este doar consecinta unui accident norocos.

Am putea gasi un candidat pentru teoria finala printre actualele teorii ale corzilor. Exita si o posibilitate care pare destul de probabila si mult mai tulburatoare. Poate ca exista o teorie finala, un set simplu de principii din care decurg toate sagetile explicative, dar nu o vom cunoaste in prea curand. S-ar putea ca ca noi oamenii, pur si simplu, sa nu fim suficient de inteligenti pentru a descoperii sau intelege legile fundamentale. Pana acum, din fericire, se pare ca nu am ajuns la capatul resurselor noastre intelectuale.In fizica cel putin, am vazut ca fiecare noua generatie de studenti pare mai inteligenta decat precedenta. Poate ca generatia urmatoare de fizicieni va atinge acest mult cautat nivel de cunoastere, sau poate ca nu. Poate ca vor mai trece multe generatii pana atunci. Singurul lucru cert este ca nu vom sti daca nu vom incerca.

Cautarea legilor fundamentale ale universului este o drama profund umana care ne imbogateste mintea si spiritul. Cu totii cautam fiecare in felul lui adevarul si cu totii tanjim sa aflam de ce suntem aici pe aceasta planeta numita Terra. Pe masura ce urcam impreuna muntele explicatiilor, fiecare generatie sprijinindu-se pe umerii inaintasilor, nazuim cu temeritate sa ajungem la varf de unde sa contemplam cu claritate vastul univers. Cel mai intemeiat motiv de speranta ca specia noastra e in stare sa progreseze intelectual si in viitor e minunata capacitate de a stabili prin limbaj o comunicare intre creierele noastre, dar s-ar putea ca acest lucru sa nu fie suficient. Fizicienii vor putea fi intr-o buna zi in stare sa scrie ecuatiile fundamentale care guverneaza realitatea fizica. Dar fizica nu va putea explica niciodata ce anume “sufla foc” peste ecuatii si le da viata intr-n univers real.

Desigur in fizica mai exista insa multe lucruri pe care as dori sa le vad implinite inainte de a pleca din aceasta lume. Spre exemplu, mi-ar place sa traiesc sa vad realizat visul fizicienilor de a lamuri natura materiei intunecate si al energiei intunecate care predomina universul cat si pe acela de a dezvolta o teorie cuantica a gravitatiei care va trebui in final sa explice de ce traim intr-o lume pe care o putem cerceta in fel si chip, teorie care mai mult ca sigur ne va da noi raspunsuri la intrebarile fundamentale privind spatiul si timpul, de unde venim noi oamenii si incotro ne indreptam.

Principiul holografic este o idee noua care daca va fi acceptata, va face practic imposibila revenirea la oricare din teoriile anterioare care o ignora. Pricipiul de incertitudine al teoriei cuantice si principiul echivalentei al lui Einstein au fost idei de acest tip. Ele au contrazis principiile teoriilor mai vechi si, la inceput, cu greu se putea admite ca ele au sens. Ca si ele, principiul holografic este acel gen de idee de care avem nevoie cand patrundem intr-un nou univers. Principiul holografic, care este o consecinta a celei de-a doua lege a termodinamicii aplicata gaurilor negre, ne spune  realitatea tridimensionala in care traim este o proiectie holografica a acelor procese fizice ce au loc pe o suprafata la granita Universului(vezi detalii la gravitatia cuantica).

Fizica a jucat un rol de vehicul si de unificator, oferind o imagine limpede a realitatii; un spatiu intins prin care alearga particule, impinse si atrase de forte. Faraday si Maxwell au adaugat campul electromagnetic, entitate raspandita in spatiu, prin mijlocirea careia corpuri alfate la distanta exercita anumite forte unul asupra altuia. Einstein a completat tabloul, aratand ca si gravitatia e purtata de un camp: un camp constituit din insesi geometria spatiului si timpui. Apoi, claritatea conceputa a fizicii clasice a fost tulburata de cuante. Realitatea nu este asa cum o descrie fizica clasica. Lumea pe care o cunoastem, cea care ne interesaza, cea pe care o numim “realitate”, e o vasta retea de entitati in interactiune, care se manifesta una fata de alta interactionand, si din care facem parte. Propietatile fiecarui lucru nu sunt altceva decat felul in care acel lucru le influenteaza pe celelte. Exista numai in interactiunea cu alte lucruri. Nu exista propietati in afara interactiunilor. Lumea cuantica e alcatuita numai din interactiuni, intamplari si evenimente discontinue. Orice interactiune e un eveniment. Proprietatile lucrurilor sunt in raport cu alte lucruri si apar din interactiune. Fenomenul in care se manifesta in cel mai mare grad acesata interdependenta a lucrurilor este “corelatia cuantica” (entanglement, in engleza). E fenomenul cel mai straniu care pune in evidenta aspectele cele mai ametitoare ale realitatii dezvaluite de teoria cuantelor. Acesta e fenomenul prin care doua obiecte aflate la distanta unul de altul, de exemplu doua particule care s-au intalnit in trecut, doi fotoni corelati cuantic, pastreaza un fel de legatura ciudata, ca si cum ar putea sa stea in continuare de vorba. Fenomenul e confirmat fara gres in laborator.

Teoria cuantica e teoria felului in care se influenteaza lucrurile, iar aceasta e cea mai buna descriere a naturii de care dispunem astazi, baza tehnologiei moderne, o teorie in care, fara nici un dubiu, putem avea incredere. Textura fina a lucrurilor formeaza acesta lume stranie in care traim, in care variabilele sunt relative, iar viitorul nu este influentat de prezent. Aceasta lume fantasmatica a cuantelor e lumea noastra. In viata de zi cu zi nu ne dam seama de toate acestea. Lumea ni se pare determinata pentru ca fenomenele de interferenta cuantica se pierd in zarva lumii macroscopice. Reusim sa le punem in evidenta doar prin obeservatii delicate si izoland cat mai mult obiectele. A lua in serios mecanica cuantica, a cugeta la implicatiile ei e o experienta aproape uluitoare: impune renuntarea, intr-un fel s-au altul, la ceva ce ni se parea solid si inatacabil in modul nostru de a intelege lumea. Ne cere sa acceptam ca realitatea e profund diferita de cea pe care ne-o imaginam.

Trei sunt rezultatele experimentale importante pentru fizica fundamentala din ultimii ani. Primul este descoperirea bozonului Higgs la CERN, langa Geneva cu ajutorul acceleratorului de particule LHC ( Large Hadron Colider). Al doilea sunt masuratorile satelitului Planck, ale caror date au fost publicate in acelasi an. Al treilea este prima detectare a undelor gravitationale anuntata in primele luni din anul 2016. Cele trei rezultate au ceva in comun: absenta totala a oricarei surprise. Descoperirea bozonului Higgs reprezinta o solida confirmare a modelului standard al particulelor elementare, bazat pe mecanica cuantica. Masuratorile facute de satelitul Planck reprezinta o solida confirmare a modelului cosmologic standard, bazat pe relativitatea generala cu constanta cosmologica. Detectarea undelor gravitationale este o spectaculoasa confirmare a relativitatii generale, o teorie veche de mai mult de o suta de ani. Toate trei rezultatele, obtinute cu mari eforturi tehnologice, prin colaborarea a sute de oameni de stiinta, nu fac decat sa intareasca imaginea pe care o aveam despre evolutia universului, fara sa aduca o surpriza adevarata.

Dar insasi absenta surprizeor a surprins. La CERN se asteptau sa gaseasca dovezi pentru supersimetrie, nu bozonul Higgs. Pe de alta parte, multi se asteptau ca satelitul Planck sa masoare discrepante fata de modelul cosmologic standard, care sa sustina teorii cosmologice alternative la relativitatea generala. Dar surprize n-au fost. Ceea ce ne confirma natura, prin cele trei rezultate experimentale, e simplu: relativitatea generala, mecanica cuantica si, in cadrul mecanicii cuantice, modelul standard!

Cea mai cercetata teorie alterantiva la teoria gravitatiei cuantice cu bucle este teoria corzilor (string theory). Majoritatea fizicienilor adepti ai teoriei corzilor sau a unor teorii inrudite cu aceasta se asteptau ca la acceleratorul de particule de la CERN sa apara particule de un tip nou, prezise de teoria corzilor, dar neobservate pana in prezent: particule supersimetrice. Teoria corzilor are nevoie de aceste particule pentru a fi coerenta; de aceea le asteptau adeptii teoriei cu atata nerabdare.In schimb teoria gravitatiei cu bucle e bine definita si in absenta particulelor supersimetrice; de aceea adeptii ei se asteptau mai degraba ca aceste particule sa nu existe. Spre marea dezamagire a multora aceste particule nu au aparut.

Campurile sunt propietati invizibile ale spatiului, care inflenteaza obiectele ce se misca prin el. Spatiul poate fi umplut cu o mare varietate de influente invizibile care au tot soiul de efecte asupra materiei. Dintre toate campurile noi care au fost descoperite, cel de la care aflam cel mai mult despre univers este campul Higgs si particula Higgs asociata lui.  Vazand particular Higgs, noi oamenii, ne-am extins perceptia. Am intrezarit un comportament pe care Natura il dezvaluie doar rareori, pentru foarte scurt timp si numai dupa multa insistenta. Pentru mintea umana iscoditoare, spatiul gol nu va fi niciodata gol!

Desigur, mai exista Inca o multime de lucruri despre univers, despre lumea in care traim, pe care nu le stim sau pe care nu le Intelegem. Cu cat descoperim mai multe, cu atat ne dam seama totodata ca ceea ce nu stim inca reprezinta mai mult decat ce am inteles deja. Cu cat telescoapele noastre sunt mai puternice, cu atat vedem mai adanc in univers. Astazi vedem aproape pana la big bang, marea explozie din care acum 14 miliarde de ani au luat nastere toate galaxiile din univers; dar incepem deja sa intrezarim ca exista ceva dincolo de big bang. Am aflat deja ca spatiul se curbeaza, si incepem sa intrezarim ca acest spatiu e tesut din granule cuantice care vibreaza. Fizica deschide o fereastra prin care putem privi in departare. Imi place sa spun ca studiind cum este alcatuit si cum functioneaza universul, ajungem sa intelegem gandirea lui Dumnezeu. Einstein vorbea adesesa despre Dumnezeu ca in celebrul citat: “Lucrul cel mai greu de inteles despre univers este ca poate fi inteles. Domnul e subtil, dar in nici un caz rautacios”.

     In continuare, voi incerca prezint cateva din ideile cele mai directe si centrale din fizica. Voi incerca sa schitez modul in care descoperirile din fizica ne-au condus pe noi oamenii la largirea continua a conceptiilor noastre asupra legilor naturii si sa arat stadiul la care s-a ajuns acum. Toate teoriile fizice implica ecuatii si formule care fac aspectele tehnice (din fericire nu si ideile esentiale) opace pentru nespecialisti. Desi legile fizicii sunt descrise cel mai bine prin simbolismul subtil al matematicii abstracte, totusi cu putin efort din partea mea si ceva rabdare din partea cititorului, lucrurile cele mai importante pot fi traduse in limbajul comun fara a folosi ecuatii si formule. De fapt, adeseori mi-am dat seama ca prezentarea unor fenomene fizice pe cat posibil in termeni simpli, netehnici, mi-a permis sa le inteleg eu insumi cu mai multa claritate decat atunci cand le priveam numai in forma lor matematica. Poate uneori am sa ma repet atunci cand consider ca este necesar. Daca cumva la sfarsitul drumului cititorul nu va fi convins de argumentele mele, sper cel putin ca el sau ea sa fi luat ceea ce era cu adevarat interesant din aceasta prezentare. Poate ca mesajul cel mai important pe care am dorit sa-l transmit este ca noi oamenii am ajuns sa intr-adevar sa intelegem in profunzime multe aspecte ale lumii fizice in care traim.

Ar fi multe de spus despre frumusetea FIZICII. Scriind aceste note am ajuns sa reflectez si sa ma minunez, a nu stiu cata oara, de unele din cele mai importante izbanzi a generatii de oameni de stiinta de pretutindeni care au conlucrat de-a lungul timpului pentru infaptuirea lor.

Ce a reusit fizica clasica

Natura si legile ei stau ascunse in noapte.

Dumnezeu a spus “Sa fie Newton! “

Si s-a facut lumina! (Epitaf pentru Isaac Newton)

          O buna parte din teoriile fizicii nu sunt deosebit de recente. Teoria staticii (ce se refera la corpurile ce nu se afla In miscare) dezvoltata Intr-o stiinta foarte frumoasa de Arhimede face acum parte din mecanica newtoniana. Cel mai mare fizician si matematician al antichitatii a fost fara indoiala Arhimede (287-212 i.Ch.). El a calculat ariile si volumele multor forme geometrice diferite. Astazi noi folosim analiza matematica, dar el a realizat aceasta cu aproximativ nouasprezece secole inainte ca analiza matematica sa fie introdusa de Newton si Libnitz! Scrierile lui Arhimede au influentat profund pe Galilei si Newton. Arhimede a introdus teoria fizica a staticii (adica legile care guverneaza corpurile in echilibru, cum este legea parghilor si legea corpurilor care plutesc).
        Profundul pas inainte pe care secolul al saptesprezecelea l-a adus stiintei a fost intelegerea miscarii. Vechii greci au avut o intelegere extraordinara a lucrurilor, dar privite static, forme geometrice rigide, sau corpuri in echilibru (adica cu toate fortele in echilibru, astfel ca nu exista miscare). Ei nu au avut o conceptie corecta asupra legilor ce guverneaza modul in care corpurile se deplaseaza. Lor le-a lipsit o buna teorie asupra dinamicii, adica o teorie asupra modului extraordinar in care Natura controleaza modificarea locului in care se gaseste un corp de la un moment la altul. Aceasta absenta s-a datorat partial lipsei unor mijloace suficient de precise de masurare a timpului, adica a unui “ceas” suficient de bun. Un astfel de ceas era necesar pentru a fixa in timp cu precizie modificarile de pozitie, pentru a se putea determina corect viteza si acceleratia corpurilor. Astfel, observatia facuta de Galileo Galilei in 1583 ca pentru fixarea in timp poate fi folosit un pendul a avut urmari importante pentru el, (dar si pentru dezvoltarea Intregii stiinte) deoarece fixarea in timp a miscarii a putut fi astfel facuta cu precizie. Inainte de Galilei anticii il credeau pe Aristotel, care spunea ca starea naturala a unui corp era in repaus si ca el se misca numai actionat de o forta sau de un impuls. Rezulta ca un corp greu trebuie sa cada mai repede decat unul usor, deoarece ar fi fost atras mai mult  spre pamant. Deasemenea, Aristotel considera ca toate legile care guverneaza universul pot fi elaborate doar prin gandire pura si nu era necesar sa se verifice prin observatie. Galilei a demonstrat ca parerea lui Aristotel era falsa. Lasand sa cada corpuri de greutate diferita din turnul inclinat din Pisa, rezultatul a fost sensational:corpurile nu cad cu viteza constanta asa cum s-a crezut intotdeauna, viteza creste insa in mod constant in timpul caderii. Constanta nu e viteza ci acceleratia.Si nu numai atat, aceasta acceleratie e aceiasi pentru toate corpurile. Galilei o masoara si o gaseste egala cu 9,8m/s² , adica in fiecare secunda, viteza unui corp in cadere creste cu 9,8m/s. Este prima lege matematica pentru corpurile terestre; legea caderii corpurilor( x(t)=at²/2).Pana atunci se descoperisera legi matematice numai pentru miscarea planetelor pe cer( legile lui Kepler). Galilei a avut o intuitie geniala aratand ca, in absenta frecarii, toate corpurile cad in acelasi timp sub influenta gravitatiei. In experimentele lui Galilei, cu bile care se rostogoleau pe un plan inclinat, s-a aratat ca sub actiunea unei forte (in acest caz greutatea bilei) efectul real al fortei este intodeauna modificarea vitezei unui corp si nu acela de al pune in miscare, asa cum credea Aristotel. Forta care actioneaza asupra unui corp determina o acceleratie si nu o viteza, asa cum credeau anticii, precum Aristotel. Aceasta mai inseamna ca ori de cate ori asupra unui corp care se misca nu actioneaza o forta(se misca fara a fi atins de nimic si este complet neperturbat), el va continua sa se miste neancetat, deplasandu-se cu o viteza constanta in linie dreapta. De ce continua sa se deplaseze ? Nu stim, dar asa stau lucrurile. Aceasta idee a  fost preluata mai tarziu de Newton si e cunoscuta ca principiul inertiei (lex prima, prima lege a lui Newton ). Odata cu publicarea in 1638 a lucrarii “Discorsi” a lui Galileo Galilei, a fost inaugurat noul domeniu al fizicii –dinamica- si astfel a inceput trecerea de la vechiul misticism la stiinta moderna!

Dar rezultatul cel mai important abia acum urmeaza, si el se datoreaza marelui fizician Isaac Newton. Forta noii constructii intelectuale newtoniene a depasit orice speranta.Toata tehnologia secolului XIX si toata tehnologia moderna se sprijina in foarte mare masura pe formulele lui Newton. Au trecut de atunci trei secole, dar si astazi teoriile bazate pe ecuatiile lui Newton servesc la constructia podurilor, a trenurilor, a zgarie-norilor, a motoarelor si a sistemelor hidraulice, la pilotarea avioanelor, la previziunile meteo, la predictia unei planete inainte de a o vedea si la trimiterea navelor spatial pe Luna si pe Marte…Lumea moderna n-ar fi putut lua nastere fara a trece prin formulele lui Newton!

Newton este cel considerat in general parintele conceptului modern de lege stiintifica, prin cele trei legi ale miscarii si prin legea gravitatiei, care explica orbitele Pamantului, Lunii si planetelor, precum si fenomene cum sunt mareele. Cele cateva ecuatii ale sale, si cadrul matematic complex pe care l-am dedus din acestea, se invata si astazi si sunt folosite ori de cate ori un arhitect proiecteaza o cladire, un inginer proiecteaza o masina sau un fizician calculeaza traiectoria unei rachete destinate sa ajunga pe Marte.
       Newton studiaza in amanunt rezultatele lui Galilei si Kepler, iar comparandu-le descopera nestemata ascunsa in ele. Ideile profunde ale dinamicii (corpuri in miscare), introduse de Galilei in jurul anului 1600 au fost dezvoltate de Newton intr-o teorie eleganta si cuprinzatoare, in marea sa carte “Principiile matematice ale filozofiei naturale”. Publicarea in 1687 a lucrarii “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” a lui Isaac Newton a fost fara indoiala primul mare suces al fizicii. Aceasta lucrare deosebita a demonstrat, pornind de la cateva principii fizice de baza, cum poate fi inteles, si deseori prevazut cu mare precizie, comportamentul obiectelor fizice aflate in miscare. Marele merit este ca in aceasta lucrare Newton a dezvoltat si aparatul matematic necesar pentru analiza acestor miscari.

Sa ne inchipuim-scrie Newton- ca Pamantul are mai multe luni, la fel ca Jupiter. Pe langa luna adevarata, sa ne inchipuim deci ca exista si alte luni, in particular ca exista o “luna mica” ce orbiteaza in jurul Pamantului la o distanta minima, chiar deasupra varfurilor muntilor. Cu ce viteza s-ar roti aceasta luna mica? Una din legile lui Kepler leaga raza orbitei de perioada de revolutie. Cunoastem raza orbitei Lunii( masurata de Hipparchos in Antichitate);cunoastem perioada ei de rotatie(o luna);cunoastem raza orbitei lunii celei mici( raza Pamantului, masurata de Eratostene in Antchitate), deci putem calcula prin simpla proportionalitate perioada in care ar incheia rotatia luna cea mica. Rezultatul este o ora si jumatate: luna cea mica ar face o rotatie in jurul Pamantului intr-o ora si jumatate.

Acuma, un obiect care se misca pe o traiectorie curba nu se deplaseaza drept, ci isi schimba mereu directia vitezei, iar fiecare schimbare de viteza este o acceleratie. Luna cea mica are acceleratie catre centrul cercului pe care se misca. Aceasta acceleratie e usor de calculate cunoscand raza si viteza pe orbita (a=v²/r). Newton face calculul si obtine:9,8 metri pe secunda pe secunda!!Exact valoarea acceleratiei masurata de Galilei pentru corpurile care cad pe Pamant!!

Coincidenta?Nu se poate, rationeaza Newton. Daca efectul e acelasi- o acceleratie in jos de 9,8 metri pe secunda, cauza trebuie sa fie aceiasi. Asadar, cauza care face ca luna cea mica sa se roteasca pe orbita ei trebuie sa fie aceiasi care face corpurile sa cada pe Pamant.

Noi numim cauza caderii corpurilor “gravitatie”. Newton intelege ca aceiasi gravitatie face ca luna cea mica sa se roteasca in jurul Pamantului. Fara acesta gravitatie, luna cea mica are evada pe o traiectorie rectilinie. Dar atunci si Luna adevarata se roteste in jurul Pamantului din cauza gravitatiei. Lunile lui Jupiter sunt si ele atrase de Jupiter, ba chiar si planetele se rotesc in jurul Soarelui atrase de Soare!Fara aceasta atractie, fiecare corp ceresc s-ar deplasa pe o traiectorie rectilinie. Asadar, universul este un imens spatiu in care corpurile se misca pe traiectorii rectilinii si se atrag intre ele prin intermediul unor “forte”, existand o forta universala a gravitatiei cu care fiecare corp atrage alt corp.

O imensa viziune prinde astfel chip. Dintr-odata, dupa mii de ani, nu mai exista nici o separatie intre cer si Pamant, nu mai exista un “loc natural” pentru lucruri, asa cum credea Aristotel, lucrurile lasate liber nu se mai deplaseaza catre locul lor natal, ci se deplaseaza vesnic pe traiectorii rectilinii.

Legea a doua a lui Newton (lex secunda) explica ce se intampla cu un corp atunci cand asupra lui actioneaza o forta: corpul va capata o acceleratie proportionala cu forta. Una din ituitiile deosebite ale lui Newton a fost ca si-a dat seama de necesitatea unei a treia legi:forta pe care corpul A o exercita asupra corpului B este egala si de sens contrar cu forta pe care corpul B o exercita asupra corpului A( pentru fiecare actiune exista intotdeauna o reactiune opusa egala).

In plus fata de legile miscarii, Newton a descoperit o lege care descrie forta de gravitatie si care afirma ca fiecare corp atrage oricare alt corp cu o forta proportional atat cu masele corpurilor care se atrag cat si cu inversul patratului distantei dintre ele(F=GM₁M₂/r²). Devenea evident acum de ce toate corpurile indiferent de masa lor cad la fel (daca nu intampina o rezistenta mare din partea aerului). Conform acestei legi, Newton a aratat ca forta gravitationala determina Luna sa se miste pe o orbita eliptica in jurul Pamantului, iar Pamantul si planetele sa urmeze traiectorii eliptice in jurul Soarelui.

Faptul ca un corp poate actiona asupra altuia la mare distanta in vid, fara nemijlocirea a altceva prin care actiunea si forta sa poata fi transferate de la unul la altul, a fost, la timpul respectiv, chiar si pentru Newton, ceva de neinteles, o mare absurditate. Desi legea newtoniana a gravitatiei funtiona in practica extraordinar de bine, se putea spune ca neajunsul ei e de natura estetica sau poate de natura teologica. Parea sa reprezinte o scapare in bunul-gust, de obicei excelent, al lui Dumnezeu. Multe decenii dupa moartea lui Newton, fizicienii au lamurit acesta neintelegere, de care se plangea insusi Newton, aratand ca materialele care transmit forta sunt numite de noi campuri. Campurile si nu particulele, sunt componentele fundamentale ale materiei in fizica moderna.

Potrivit legilor de miscare ale lui Newton, forta exercitata asupra unui corp este egala cu masa corpului inmultita cu acceleratia pe care forta o induce. Pe de alta parte, potrivit legii newtoniene a gravitatiei, forta exercitata asupra unui corp este, de asemenea, proportionala cu masa acelui corp. Punand impreuna aceste doua legi, vedem ca masa corpului se simplifica. Cu alte cuvinte, gravitatia ofera o sursa universala de acceleratie, aceeasi pentru fiecare obiect asupra caruia actioneaza.

In teoria lui Newton exista doua feluri de masa. Intr-un context, masa inertiala determina reactia unui corp fata de forte in general. In alt context, masa gravitationala determina forta gravitationala pe care o resimte sau o exercita un corp. In structura logica a teoriei nu exista nimic care sa impuna ca masa inertiala si masa gravitationala sa fie proportionale. Teoria ar funtiona perfect si daca cele doua n-ar fi proprtionale. Ne putem inchipui, de pilda, ca raportul dintre masa inertiala si masa gravitationala ar putea depinde de compozitia chimica a corpului. In teoria lui Newton proportionalitatea constanta dintre masa inertiala si cea gravitationala(sau caracterul universal al acceleratiei gravitationale) ramane o coincidenta neexplicata.

Legea gravitatiei, descoperita de Newton, prezice cu cu mare precizie orbitele Pamantului, Lunii si planetelor. Newton a ajuns la ideea legii inversului patrat pentru a explica lucruri deja cunoscute despre sistemul solar, cum ar fi relatiile lui Kepler, dimensiunea orbitelor planetare si timpul in care planetele se rotesc in jurul Soarelui.Teoria lui Newton se aplica, cu foarte mici corectii, peste tot in sistemul nostru solar.

Un triumf pentru Isaac Newton si legea gravitatiei universale eleborata de el a fost descoperirea planetei Neptun de catre astronomul francez Urbain Le Verrier. Legea lui Newton nu doar a explicat ceea ce putem vedea, dar pe baza ei LeVerrier a prezis ceea ce nu putem vedea. Existenta planetei Neptun, pozitia si chiar aspectul sau au fost prezise de Le Verier, fara sa-si paraseasca biroul, fara sa vada cerul, prin calcul matematic, doar cu un condei si hartie. Cand Neptun a fost descoperita in 1846 pe cerul noptii, la un fir de par de locul unde calculele astronomului francez au aratat ca trebuie sa se afle, aceasta a starnit senzatie in intreaga lume, iar LeVerrier a devenit celebritate.

Dar probabil cel mai important lucru invizibil descoperit de legea newtoniana a gravitatiei este “materia intunecata”. Desi existenta ei a fost banuita prima oara in in anii 1930 a fost nevoie de cercetari intense pentru a-i confirma existenta. La finele anilor 1970 si in ani 1980, astronomii americani Vera Rubin si Kent Ford au descoperit ca stelele din regiunile exterioare ale galaxiilor spirale se rotesc mult prea repede in jurul centrelor galaxiilor. Astronomii au explicat aceasta anomalie sugerand ca in galaxiile spirale exista mult mai multa materie decat vedem sub forma de stele, si ca gravitatia suplimentara furnizata de aceasta materie invizibila este cea care retine stelele exterioare sa nu fie azvarlite din galaxie. Pe ansamblul universului, materia intunecata depaseste masa stelelor si galaxiilor vizibile aproximativ de sase ori. Nimeni nu stie din ce e alcatuita, dar cei mai plauzibili candidati sunt particule subatomice nedescoperite sau gauri negre cu masa de ordinal celei a lui Jupiter, ramase de la big bang.

Dar trebuie sa fim pregatiti pentru surprise atunci cand gravitatia e cu mult mai intensa. Iar astronomii au descoperit astfel de locuri: stelele neutronice de exemplu. La suprafata lor forta gravitational e de un million de milioane de ori mai intensa decat pe Pamant. Un proiectil trebuie sa atinga jumatate din viteza luminii pentru a scapa de gravitatia ei; invers, orice corp care cade liber pe o stea neutronica de la o inaltime mare are la impact mai mult de jumatate din viteza luminii. Teoria lui Newton nu se poate aplica atunci cand gravitatia e atat de intensa ca in apropierea stelelor neutronice;este necesara relativitatea generala a lui Einstein. Ceasurile din vecinatatea suprafetei merg de zece pana la douazeci de ori mai lent in comparative cu cele aflate la mare distanta de steaua neutronica. Lumina de la suprafata e puternic curbata, astfel incat, privind de la departare o stea neutronica, vedem nu numai o emisfera, ci si o parte a sferei opuse.

Newton a aratat ca cele trei legi ale lui Kepler, privind orbitele planetelor, decurg din teoria sa asupra miscarii corpurilor(cu o forta de atractie invers proportional cu patratul distantei). Marele astronom Johannes Kepler, un contemporan al lui Galilei, a observat ca orbitele planetelor sunt eliptice si nu circulare(cu Soarele intotdeauna intr-unul din focarele elipsei, nu in centru si a formulat trei legi legat de miscarea planetelor in jurul Soarelui. Totusi, Newton a fost cel care a descoperit motivul pentru care orbitele planetare sunt elipse si nu cercuri. Aceasta i-a permis sa unifice explicatia miscarii planetelor cu multe alte miscari observate, cum ar fi traiectoriile parabolice ale proiectilelor lansate de pe Pamant, puse in evidenta de Galileo Galilei.

Marea diferenta dintre ideile lui Aristotel si acelea ale lui Galilei si Newton este ca ca Aristotel credea intr-o stare preferentiala de repaus, pe care orice corp ar trebui sa o aiba daca asupra lui nu s-ar actiona cu o forta. In particular el credea ca Pamantul era in repaus. Din legile lui Newton rezulta ca nu exista un criteriu unic al repausului. O consecinta a legilor dinamicii dezvoltate de Galilei si Newton este ca miscarea rectilinie si uniforma este din punct de vedere fizic complet indiscernabila de starea de repaus(adica de absenta miscarii): nu exista nici o modalitate locala de a decela miscarea uniforma de starea de repaus. Galilei a fost deosebit de clar in aceasta problema( mai clar chiar decat Newton) si a dat o descriere foarte plastica recurgand la imaginea unei corabii pe mare. Acest fapt remarcabil, numit principiul relativitatii lui Galileo Galilei, este crucial pentru a intelege punctul de vedere dinamic al lui Copernic, care a propus interpretarea ca Pamantul se deplaseaza pe orbita in jurul Soarelui si nu invers.Teoria lui Newton se aplica atat aici pe Pamant, cat si la distante mari , la stele si galaxii – cu o aceeasi precizie.Ideea ca niste legi precise ale fizicii guverneaza atat lumea cereasca cat si  cea terestra i se datoreaza desigur lui Isaac Newton. Inainte de Newton nu exista conceptual de lege universala care sa se aplice si obiectelor astronomice precum planetele, si obiectelor obisnuite de pe Pamant cum sunt ploaia care cade sau sagetile in zbor. Legile miscarii ale lui Newton au fost primele exemple de asemenea legi universale. Dar chiar si pentru marele Sir Isaac Newton era prea mult sa presupuna ca aceleasi legi au dus la crearea fiintelor umane !!

Legea conservarii energiei este un principiu fizic foarte important. Nu este o cerinta fizica independenta, ci o consecinta a legilor dinamice ale lui Newton. Legea conservarii energiei impreuna cu principiul relativitatii lui Galilei permite formularea unor noi legi de conservare de o importanta considerabila: conservarea masei si a impulsului. O alta consecinta a legilor dinamicii este conservarea momentului cinetic care descrie conservarea rotatiei in jurul axei proprii a unui sistem. Rotatia Pamantului in jurul axei sale se mentine datorita conservarii momentului cinetic.
           Mecanica clasica, pe care elevii o invata inca din primul an de liceu, produce rezultate foarte precise pentru problemele intalnite in  viata de zi cu zi. Miscarea rachetelor, satelitilor, cometelor, planetelor, meteoritilor, eclipsele de Soare si de Luna poat fi usor si destul de precis descrise de mecanica clasica. Pentru corpuri care se misca cu viteze foarte mari aproape de viteza luminii ea este Inlocuita de mecanica relativista.

           Distantarea de conceptia de baza a dinamicii lui Newton s-a realizat ulterior cand a aparut si ideea de camp. Michael Faraday (1791-1867), fiul unui fierar sarac, geniul experimentator autodidact de origine modesta, si-a inchipuit ca obiectele active electric si magnetic isi extind influenta prin spatiu ca un fel de aura sau atmosfera. Numim astazi aceste activari ale spatiului, camp electric si camp magnetic. Faraday a folosit un limbaj mai viu numindu-le “linii de forta”.

Calauzit de ideile lui neconventionale, Faraday a descoperit un efect remarcabil care era greu pana si de formulat fara a te referii la campurile sale: legea inductiei, potrivit careia campurile magnetice care variaza in timp produc campuri electrice. Campurile erau deci reale. Ideile lui Faraday au dus la o revolutie in fizica. De vreme ce campurile electromagnetice care umplu spatiul au o existenta de sine statatoare, ele trebuie incluse printre ingredientele lumii. Cadrul Newtonian, bazat pe particule in spatiu nu mai era de ajuns. Astfel felul in care descriem lumea a fost profund imbogatit.

Michael Faraday a imaginat campul electromagnetic ca pe o perturbare slaba a spatiului, care afecteaza miscarile particulelor incarcate cu sarcina electrica, dar campul insusi nu era presupus a fi alcatuit din particule. Introducerea notiunii de camp electric a marcat o abatere de la ideea lui Newton despre forta ca fiind influenta pe care un corp o exercita asupra altui corp. In schimb, ne gandim la campul electric intr-un anumit punct ca fiind o conditie a spatiului in acel punct, care actioneaza direct asupra oricarui corp incarcat electric din acel punct. Descoperirile experimentale remarcabile ale lui Faraday (cu magneti si bobine in miscare) l-au facut sa creada ca aceste campuri electrice si magnetice sunt “obiecte” fizice reale si, chiar mai mult, campurile electrice si magnetice variabile s-ar putea sa se poata”propulsa” unele pe altele prin spatiul liber, pentru a crea un fel de unda desprinsa de corpurile care genereaza campul. Campurile umpland spatiul s-au impus ca un nou tip de ingredient in descrierea fundamentala a lumii. Campurile sunt propietati invizibile ale spatiului, care inflenteaza obiectele ce se misca prin el.

Campul electric este adesea reprezentat ca o retea de linii de forta ce inconjoara obiectul care genereaza campul. Ceea ce-l face sa fie un camp este faptul ca exista o linie de forta ce trece prin fiecare punct. Daca am aseza o particula incarcata in orice punct al campului, ea ar resimti o forta ce o impinge de-a lungul liniilor campului care trec prin fiecare punct.

Sa ne amintim de experimentul simplu pe care l-am facut in liceu, cu un magnet, o foaie de hartie si ceva pilitura de fier. Am putut vedea o serie de linii curbe ce porneau de la un pol al magnetului la altul. Pilitura se alinia intr-un mod surprinzator in lungul asa-numitelor “linii magnetice de forta”. Ne imaginam ca liniile de forta raman prezente chiar si atunci cand pilitura nu mai este prezenta. Ele formeaza ceea ce numim un camp magnetic.

Campul electric este ceva mai putin familiar in comparatie cu cel magnetic. El nu are efecte observabile asupra piliturii de fier, dar face ca mici bucatele de hartie sa se miste atunci cand contin electricitate statica. Campurile electrice nu sunt produse de curentul electric, ci de acumularile de sarcina electrica statica. De exemplu, atunci cand frecam un material de altul-talpile pantofilor de covor, sa zicem-are loc un transfer de electroni. Un material devine incarcat negativ, iar celalalt pozitiv. Obiectele incarcate creaza in jurul lor campuri electrice care, ca si campul magnetic au atat directie, cat si intensitate. Daca intr-o zi deosebit de uscata iti scoti puloverul de lana, auzi niste pocnituri slabe si chiar simti unul ori doua mici socuri, atunci esti martorul manifestarii linilor de forta generate de sarcinile electrice din fibrele puloverului tau.

Pentru Faraday, ca si pentru Maxwell care l-a urmat, lumea era compusa din particule si campuri. Dar, in 1905, Albert Einstein, pentru a explica formula lui Planck pentru radiatia caldurii, a propus o teorie bizara. Einstein a afirmat ca in realitate atat campul electric cat si cel magnetic este compus dintr-un numar foarte mare de particule invizibile, pe care le-a numit fotoni. In numar mic, fotonii  sau cu alte cuvinte  cuante de lumina, se comporta ca niste particule, dar atunci cand un numar mare de fotoni se misca intr-un mod coordonat, intreaga colectie se comporta ca un camp (un camp cuantic). Aceasta relatie intre particule si campuri este foarte generala. Pentru fiecare tip de particula din natura exista un camp, iar pentru fiecare tip de camp exista o particula. De aceea, campurile si particulele poarta adesea acelasi nume. Campul electromagnetic ar pute fi numit camp fotonic.

Celcarea inteles cum funtioneaza forta electromagnetica a fostmarele fizician scotianJames Clerk Maxwell. Maxwell intelege ca idea de “camp” este aur curat si traduce intuitia lui Farady, exprimata doar in cuvinte, intr-o pagina de ecuatii. Probabil aspectul cel mai important al teoriei electromagnetismului este conceptul de camp, inventat de Faraday, dar exprimat mathematic de Maxwell. Campul electromagnetic, si-a dat seama Fraday, este un nou tip de entitate, care se deosebeste de substanta si poate transmite efecte dintr-un loc in altul.

Teoria electromagnetismului a lui James Clerk Maxwell, dezvoltata la mijlocul secolului al nouasprezecelea cuprinde nu numai comportarea clasica a campului electric si magnetic, ci si a luminii. Teoria lui Maxwell a prezentat o importanta considerabila pentru dezvoltarea tehnologiei. Teoria electromagnetismului a lui Maxwell este valabila cu precizie intr-un domeniu extraordinar de larg, de la scara atomilor si al particulelor subatomice la aceea a galaxiilor, de aproximativ de milioane de milioane de milioane de milioane de milioane de milioane de ori mai mare! In domeniul dimensiunilor foarte mici, ecuatiile lui Maxwell trebuiesc combinate cu regulile mecanicii cuantice.

James Clerk Maxwell bazat pe rezultatele experimentale ale lui Fraday si Andre Marie Ampere si inspirat de presupozitia lui Fraday, a fost preocupat de forma matematica a ecuatiilor pentru campurile electrice si magnetice puse in evidenta prin aceste descoperiri experimentale. Dand forma matematica la ideile lui Fraday, Maxwell a descoperit ca pentru a obtine ecuatii coerente, trebuia sa adauge la legea inductiei lui Faraday o alta, in care rolurile campurilor electric si magnetic sunt inversate. Potrivit legii iductiei lui Maxwell, campurile electrice variabile in timp produc campuri magnetice. Cand a cuplat cele doua legi ale inductiei bazate pe camp, a lui Faraday si a sa, Maxwell a descoperit ca dadeau nastere unui nou efect spectaculos. Puteam avea o perturbatie autointretinuta permanenta a campurilor electric si magnetic, care se propaga.Maxwell a calculat ca aceste perturbatii trebuie sa se propage cu viteza luminii care fusese masurata independent. A dedus ca lumina este o perturbatie electromagnetica propagata prin camp conform legilor electromagnetice.

Teoria lui Maxwell consta dintr-un set de opt ecuatii ale caror solutii descriu miscarea ondulatorie a campului electromagnetic. Aceleasi ecuatii descriu si fortele obisnuite dintre magneti si dintre sarcinile electrice. Reprezinta cu adevarat o lovitura de maestru in fizica teoretica termenul µ0J din a patra ecuatie, dedus cu o intuitie surprinzatoare pe cale teoretica de James Clerk Maxwell.T oti ceilalti termeni din ecuatii erau, de fapt, cunoscuti direct din rezultatele experimentale ale lui Faraday si Andre Marie Ampere.

O consecinta a ecuatiilor lui Maxwell a fost aceea ca aceste campuri electrice si magnetice se propulseaza unele pe altele prin spatial liber sub forma de unde, ca undele   intr-un bazin cu apa. Un camp magnetic ce variaza va da nastere unui camp electric ce variaza(aceasta era concluzia lui Fraday), iar acest camp electric variabil va da nastere la randul lui,la un camp magnetic variabil(concluzia teoretica a lui Maxwell), iar acesta va da nastere din nou, unui camp electric si asa mai departe.

Ecuatiile lui Maxwell au prezis existenta undelor electromagnetice si faptul ca aceste unde pot fi produse de curenti electrici ce circula prin fire. Maxwell a aratat ca atunci cand campurile se propaga sub forma de unde electromagnetice, ele transporta cu ele cantitati bine determinate de energie. Acest fapt, cu totul remarcabil, ca energia poate fi transportata dintr-un loc in altul de catre aceste unde electromagnetice desprinse de corpuri a fost confirmat experimental de fizicianul Hertz prin detectia acestor unde.

Undele electromagnetice pot transporta efectiv energie! Iti poti imagina campul electromagnetic ca niste valuri de linii de forta electrica si magnetica care umplu spatiul pe care il strabat. Maxwell a reusit sa calculeze viteza cu care campul electromagnetic se deplaseaza prin spatiu si a gasit –intr-un mod surprinzator-ca perturbatiile electromagnetice se propaga cu o viteza fixa care nu se schimba niciodata si care se dovedeste a fie egala cu viteza luminii.De aici Maxwell a tras concluzia ca lumina vizibila nu e decat un anumit tip de unda electromagnetica , iar acum stim despre aceasta ca interactionand cu substantele chimice din  retina ochiului, da senzatia de vedere.

Mai mult, teoria lui Maxwell a aratat ca toate undele electromagnetice, inclusiv lumina vizibila, sunt intruparea calatorului neobosit: nu se opresc niciodata, nu incetinesc niciodata. Lumina se misca intotdeauna cu viteza luminii. Dupa aproape un secol de eforturi, fizicienii experimentatori au aratat ca pentru toti observatorii viteza luminii este de 299.792.458 m/sec(deci aprox 300000km/s), indiferent de sistemul de referinta ales pentru comparatie. Recunoasterea acestui fapt a necesitat o revolutie in modul nostru de a privi universul.

Faptul ca in teoria lui Maxwell viteza luminii apare ca o marime absoluta, fara vreo referire la miscarea sursei sale sau a celui care observa, l-a facut pe Albert Einstein sa propuna in 1905 ideea ca viteza luminii e stanca pe care e cladit universul, pe cand spatiul si timpul sunt doar nisipuri miscatoare.

Textul experimental decisiv al ecuatiilor lui Maxwell a venit la peste douazeci de ani de la formularea lor. Pentru a efectua acest test, Heinrich Hertz a proiectat si a construit primul transmitator si receptor radio. Scopul lui Hertz a fost sa transforme ideile frumoase ale lui Maxwell in realitati fizice.In 1887, la Kalsruhe in Germania, fizicianul Heinrich Hertz cu un emitator simplu format dintr-un circuit oscilant, o bobina alimentata cu 20000 de volti si un receptor la fel de simplu, format dintr-o spira verticala din sarma de cupru, care si ea continea un mic intrstitiu de aer unde se producea o scanteie, a confirmat predictia lui Maxwell, a detectat undele electromagnetice invizibile ale lui Maxwell. Ele aveau o lungime de unda de sase metri. De acum incolo, lumea nu va mai fi niciodata la fel. Importanta descoperirii lui Hertz a schimbat lumea. Radioul, televiziunea, wi-fi, cuptoarele cu microunde, radarul si lista tehnologiilor pe care le-a generat e nesfarsita.

Putem spune ca scotianul James Clerk Maxwell a fost poate cel mai mare fizician intre Newton si Einstein. A murit la patruzeci si sapte de ani de cancer la stomac, boala care o ucisese pe mama lui la aceiasi varsta, dupa o operatie atroce fara anestezie. Dar desi a murit tanar, n-a murit la fel de tanar ca Heinrich Hertz, care a murit, in pofida multor operatii, de septicemie pe 1 ianuarie 1894, la varsta de treizeci si sase de ani. In ultima lui scrisoare trimisa parintilor sai, pe 9 decembrie 1893, Hertz scria:” de mi se va intampla intr-adevar ceva, nu trebuie sa jeliti; mai curand sa fiti putin mandri si sa considerati ca ma numar printre cei alesi sa traiasca doar scurt timp, si totusi sa traiasca destul”. Hertz a generat si a detectat undele invizibile ale lui Maxwell. Maxwell nu avut satisfactia de a-si vedea predictia confirmata. Marea descoperirea lui Hertz a schimbat lumea irevocabil.

Cercetarile lui Faraday, Maxwell si Hertz s-au intins de-a lungul secolului XIX. Campurile umpland spatial s-au impus ca un nou tip de ingredient in descrierea fundamentala a lumii. Lumea s-a schimbat: nu mai e alcatuita din particule in spatiu, ci din particule si campuri in spatiu.

Astazi, ecuatiile lui Maxwell sunt utilizate zi de zi pentru a descrie toate fenomenele electrice si magnetice, pentru a proiecta o antenna, un apparat de radio, wi-fi, siteme de navigatie prin satelit, un motor electric. Ecuatiile lui Maxwell stau la baza tuturor calculelor facute de inginerii in telecomunicatii. Si nu numai atat: s-a descoperit ulterior ca aceleasi legi slujesc la explicarea modului in care funtioneaza atomii, care sunt tinuti laolalta de forte electrice, a funtionarii Soarelui si a unui numar uluitor de mare de fenomene.

Computerele pot lucra mult mai rapid decat creierul, pentru ca tranzistorii folosesc miscarea controlata electric a electronilor in locul proceselor mult mai lente de difuzie si modificare chimica pe care se bazeaza neuronii. Frecventa ceasului la unitatea centrala de procesare a unui laptop poate fi de 10 gigaherti, adica zece miliarde de operatii pe secunda, pe cand ritmul creierului nostru de procesare este de 40 pe secunda, aproape de un milliard de ori mai mic!

Faptul cu totul remarcabil, demonstrat de ecuatiile lui Maxwell, cum ca energia poate fi transportata dintr-un loc in altul de catre aceste unde electromagnetice desprinse de corpuri si ca aceste campuri electrice si magnetice se “Imping” unele pe altele prin spatiul liber cu viteza luminii, pare o adevararta minune. Acum, incredibil dar adevarat, NASA comunica cu sonda spatiala New Horizons, aflata in vecinatatea planetei Pluto la marginea sistemului solar si la 7 miliarde km departe de Terra, prin intermediul undelor electromagnetice de 4GHz.New Horizons ofera pe calea undelor mari surprize astofizicienilor de pe Terra, imagini de mare rezolutie ale planetei Pluto!!!

La inceput, campurile erau socotite un ingredient aditional in reteta lumii fizice, niste particule suplimentare. Dealungul secolului XX, campurile au preluat controlul. Intelegem acum particulele ca pe manifestari ale unei realitati mai profunde. Particulele sunt avataruri ale campurilor. Extinzandu-se continu in spatiu, campurile pareau sa nu semene deloc cu particulele. Era greu de imaginat ca lumina ar putea fi ambele, si particule numite fotoni sau cuante-lumina si perturbatie electromagnetica propagata prin camp conform, legilor electromagnetice, asa cum a dedus Farady si Maxwell.

Intorcandu-ne la originea notiunii de camp, Putem recunoaste in incercarile lui Faraday de a descrie influentele electrice si magnetice in spatiu un alt mod prin care campurile (campurile cuantice, vezi capitolul despre mecanica cuantica) unifica perspectiva noastra asupra lumii. Acelesi campuri cuantice electric si magnetic care produc fotoni, produc conform ideilor lui Faraday si ecuatiilor lui Maxwell fortele electrica si magnetica. Ajungem astfel sa intelegem ca subsanta si forta sunt doua aspecte ale unei realitati fundamentale commune, adica campul. Campurile si nu particulele, sunt componentele fundamentale ale materiei in fizica.

Campurile sunt componentele fundamentale din care este alcatuita lumea. Materia e compusa din atomi. Atomii sunt compusi din nuclee si atomi.Nucleele sunt compuse din protoni si neutroni. Protonii si neutronii sunt compusi din cuarci. Cuarcii si electronii sunt alcatuiti din campuri. Iar, din cate stim, campurile sunt treapta cea mai de jos pe scara naturii.

Un camp este pur si simplu ceva ce are o valoare in fiecare punct din spatiu-timp. Poate fi un numar, ca de pilda in cazul aerului- fiecare punct poseda un numar pentru a reprezenta presiunea. Sau poate fi un vector adica un numar cu o directie asociata, ca de pilda viteza unui vant sau cazul campului electromagnetic unde fiecare punct poseda un numar reprezentand marimea fortei si o sageata reprezentand directia. Fiecare particula fundamentala are asociat un camp. Exista un camp al electronului, un camp al fotonului, un camp al cuarcului si asa mai departe. Aceste campuri fluctueaza rapid, fiindca obiectele cuantice sunt in mod inerent agitate. Daca intr-un anumit camp e injectata suficienta energie, prin el se propaga o unda, iar aceasta este o particula. O imagine vizuala buna e o perturbatie produsa de vant care se propaga intr-un lan de grau. O unda in campul electronului e un electron, o unda in campul electromagnetic e un foton si asa mai departe.

In cadrul diviziunii traditionale a fizicii clasice, termodinamica este situata in acelasi rand cu mecanica, optica si electromagnetismul, fiind considerata la acelasi nivel cu acestea. Termodinamica este o teorie vasta care se ocupa mai degraba de sisteme si procese decat de particule si miscarile acestora, iar legilesale sunt si ele legi generale. Conservarea energiei, cresterea entropiei si inaccesibilitatea zero-ului absolut sunt principii care se aplica tuturor proceselor din natura. Masina lui Carnot, funtionand cu un gaz ideal, constituie modelul macroscopic al unui proces. Distributia statistica a particulelor in spatiul fazelor constituie modelul microscopic.

Caracteristica principala a tuturor proceselor o constituie ordinea, dar desfasurarea lor e ingradita de dezordinea crescanda, precum si de energia punctului zero. Termodinamica pune la dispozitie un punct de vedere deosebit: in loc de a privi toate procesele ca miscari in spatiu ale particulelor sau undelor, se ia in considerare ansamblul unui mare numar de asemenea entitati, adica un sistem, si modificarea lui in timp. Descrierea e mai abstracta, folosind concept ca sistem, stare, proces, care sunt preferate referirilor la obiecte identificabile cum ar fi particulele. Se ia in examinare mai degraba colectivul de particule decat particula individuala. Propietatile acestui colectiv sunt intr-o oarecare masura neobsevabile, de exemplu ordinea, si esentialmente statistice, cum este temperatura. In consecinta pentru teoria temodinamica este caracteristica folosirea unor parametrii deosebiti de cei uzuali; de exemplu, aici variabile sunt temperatura si entropia.

Conceptele de baza ale termodinamicii sunt sistemul si procesul. In principiu un sistem este format dintr-n volum de gaz sau fluid inchis intr-un recipient. Modelul curent este un cilindru prevazut cu un piston mobil. Ridicarea sau coborarea pistonului permite sa se efectueze lucru mecanic asupra gazului si in felul acesta sa se provoace o modificare a a starii sistemului.

Daca dorim ca descrierea procesului sa fie lipsita de ambiguitate suntem obligati sa impunem imediat trei conditii restrictive. Prima conditie cere ca sistemul sa fie izolat, peretii sai sa fie “adiabatici” si sistemul sa fie mecanic deformabil incat sa permita initierea unui proces in interior. Un proces adiabatic sau transformare adiabatica este o transformare a unui sistem termodinamic In care nu se produce un schimb de caldura cu exteriorul ?Q = 0)

A doua conditie cere sa fim in stare sa definim numeric inceputul (si sfarsitul) procesului pe care-l provocam. Aceasta impune pornirea de la o stare de echilibru in care asa-numitele variabile de stare cum sunt: presiunea, volumul, temperatura, energia si entropia au valori bine definite. Lucrul mecanic si caldura nu reprezinta astfel de variabile deoarece valorile lor depind de modul in care a fost efectuata modificarea sistemului. Ideea de sistem implica deci faptul ca acesta poate fi reprezentat ca un sir de stari de echilibru si ca un proces oarecare constituie pur si simplu o trecere de la o stare la alta.

In fine, si aceasta constituie cea de-a treia conditie, trecerea trebuie sa fie efectuata de o maniaera speciala, care sa permita evaluarea ei cu ajutorul modificarilor pe care le prezinta valorile variabilelor de stare. Procesul trebuie sa fie reversibil, adica valorile lui P,V,T etc. sa se modifice cu aceiasi cantitate (fie pozitiva,fie negativa) cand se trece de la starea de nivel mai jos la cea de nivel mai inalt si invers. Evident, orice proces real se desfasoara intr-un interval finit de timp si este ireversibil, deoarece in mod inevitabil au loc datorita frecarii pierderi incontrolabile de energie. Prin urmare, orice proces real -ireversibil si desfasurandu-se cu o anumita viteza finita- poate fi calculat numai daca este inlocuit cu un proces reversibil care sa se desfasoare intre aceleasi doua stari (initiala si finala). Trebuie deasemenea sa presupunem ca cele doua stari sunt stari de echilibru.

Mai departe, necesitatea de a idealiza se extinde si la “substanta de lucru” din interiorul recipientului. La o prima analiza ea e considerata a fi un gaz “ideal”, adica format din molecule ca niste sfere rigide care nu sufera nici o modificare in cursul ciocnirilor reciproce;ele isi schimba doar intre ele impulsurile. In felul acesta sabilim o ecuatie de sare pentru un gaz ideal-legea lui Boyle. O ecuatie de stare este necesara pentru a stabili relatia dupa care variabilele unei stari se transforma in variabilele altei stari. Se vorbeste de un gaz “real” atunci cand permitem fortelor intermoleculare sa joace un rol in comportarea gazului si se ajunge la ecuatia Van der Waals care constituie o versiune corectata a formulei lui Boyle.

Aceasta privire generala asupra ideilor de baza ale termodinamicii ne arata ca ea ne ofera o alta descriere a evenimentelor fizice, ca o alternativa la descrierea data de teoria particulelor sau de teoria ondulatorie. Sistem izolat, stare de echilibru, proces ireversibil, variabila de stare, toate aceste concepte extrem de vaste; caracterul atotcuprinzator al termodinamicii isi gaseste expresia si in legile ei.

Prima lege a termodinamicii este legea conservarii energiei, cum i se spune in formularea curenta. Astazi se accepta ca axiomatica idea ca orice schimbare trebuie sa corespunda exact cantitatii de energie sau de lucru mecanic care a provocat-o sau ca nici o masina nu poate funtiona fara o alimentare adecvata cu combustibil. Si totusi masina perpetum mobile (de speta intai) a fost un vis indragit al omenirii: acela de a dispune de un dispozitiv care sa produca lucru mecanic fara efort. In natura pot avea loc numai acele procese care nu depasesc domeniul energetic disponibil pentru ele. Asadar, legea conservarii fixeaza o limita superioara a proceselor posibile.

Principiul central al termodinamicii este legea doua, conform careia sistemele fizice poseda nu numai energie si o temperatura, dar si o anumita marime numita entropie, care pentru orice sistem inchis, creste mereu (nu scade niciodata) cu timpul si atinge valoarea maxima cand sistemul ajunge la echilibru.

Printre legile termodinamicii e si asa-numita lege zero, care spune ca latemperatura de zero absolut toate procesele se desfasoara fara variatii ale entropiei. In acest caz am atins asadar cel mai coborat nivel al scarii de temperatura, ajungand totodata la modul cel mai ordonat de aranjare de care este capabila materia; putem afirma asadar, ca la aceasta temperatura continutul in entropie al orcarei substante devine nul. Temperatura de zero absolut niciodata nu poate fi atinsa: ea este inaccesibila. Aceasta constituie o altaformulare pentru cea de-a treia lege a termodinamicii, o formulare prin intermediul unui proces anumit care nu poate fi realizat-in particular, de racire pana la zero absolut. Nu putem niciodata sa racim o substanta pana la zero absolut, sa extragem intreaga ei energie si sa actionam fara pierderi de energie disponibila. Am ajuns aici la o alta “limita a naturii”; cealalta limita o constituie viteza luminii ca semnalul cel mai rapid posibil. Viteza finita a luminii impune o limita superioara a schimburilor de energie care pot avea loc intr-un process natural, iar enegia punctului zero impune limita inferioara. Cele doua limite arata de fapt ca atat procesele care implica o cantitate infinita de energie, cat si procesele care nu cer deloc energie nu pot avea loc. Aceasta limitare a procesului natural, separarea asimtotica de idealul reprezentat de notiunile matematice de infinit si zero, da conditia realitatii fizice. Toate schimburile de energie sunt finite si orice schimb de energie, oricat de mic, implica pierderi. Nici un fel de ordine absoluta nu poate fi stabilita vreodata; in orice substanta ramane intotdeauna un miez de dezordine, rezultat al nedeterminarii fundamentale.

In timpul celei mai mari parti a secolului XIX, majoritatea fizicienilor nu credeau in atomi. Acesti cercetarori au dezvoltat legile termodinamicii intr-o forma care nu facea referire la atomi si la miscarile lor. Ei nu credeau in definitile temperaturii si entropiei asa cum le stim acum: temperatura este o masura a energiei miscarii dezordonate a atomilor si entropia o masura a informatiei. Ei intelegeau temperatura si entropia ca fiind propietati esentiale ale materiei: materia era doar un fluid sau o substanta continua, iar temperatura si entropia erau propietatile ei de baza.

Cea de-a doua lege, afirmand ca entropia creste in viitor,  introduce o asimetrie in timp. Conform acestei legi, viitorul este diferit de trecut, deoarece viitorul este directia in care creste entropia universului.

Ideile ca temperatura este o masura a energiei atomilor in miscarea haotica si ca entropia e o masura a informatiei reprezinta fundamentul a ceea ce se numesteformularea statistica a termodinamicii. Conform acesteia materia obisnuita este alcatuita dintr-un numar imens de atomi. Prin urmare, comportamentul materiei obisnuite trebuie inteles in termenii statisticii. In mecanica statistica, energia termica a unui gaz e doar energia cinetica a particulelor sale; entropia e o masura a dezordinii sistemului; iar legea a doua  a  termodinamicii exprima tendinta sistemelor izolate de a devein mai dezordonate.

Fondatorii mecanicii statistice, asa cum a fost numita, au sustinut ca paradoxul aparent legat de directia timpului se poate explica deducand legile termodinamicii din legile lui Newton. Paradoxul se poate rezolva intelegand ca legile termodinamicii nu sunt absolute;ele descriu ceea ce este cel mai probabil sa se intample, dar va exista intotdeauna o mica probabilitate ca legile sa fie violate. In particular legile afirma ca in majoritatea timpului un ansamblu mare de atomi va evolua astfel incat sa atinga o stare cat mai haotica-altfel spus, cat mai dezordonata. Aceasta pur si simplu pentru ca aleatorul interactiunilor tinde sa stearga orice urma de organizare si ordine care ar fi prezenta initial. E cel mai probabil ca lucrurile sa se petreaca astfel, dar nu e absolute necesar. Daca sistemul este preparat cu grije sau daca incorporeaza structuri care pastreaza memoria a ceea ce s-a intamplat cu el-precum intr-o molecula de AND-atunci sistemul poate evolua de la o stare mai putin ordonata catre una mai ordonata.

Rationamentul invocat aici e subtil si a fost nevoie de cateva decenii pentru ca majoritatea fizicienilor sa fie convinsi. Cel care a avut ideea de a lega entropia de informatie si probabilitate a fost Ludwig Boltzmann. Ceea ce a descoperit Boltzmann era ca legile termodinamicii ar fi riguros respectate pentru sisteme cu un numar infinit de atomi. Numarul atomilor dintr-un sistem dat, sa zicem apa dintr-un pahar, este desigur foarte mare, dar nu infinit. Einstein a inteles ca pentru sisteme ce contin un numar finit de atomi legile termodinamicii ar putea fi din cand in cand incalcate. Incercarea de a gasi semnificatia temperturii si entropiei a dus la descoperirea atomilor. Incercarea de a gasi semnificatia temperaturii si entropiei radiatiei la condus pe Einstein la descoperirea ‘atomului de lumina” sau cuanta. Fiecare cuanta transporta o unitate de energie legata de frecventa luminii. Exact in acelasi mod, incercarea de a gasi semnificatia temperaturii si entropiei unei gauri negre, a condus pe fizicieni catre structura atomica a spatiului si timpului.

Termodinamica constituie un mod de abordare complet diferit si independent al cunoasterii noastre privitoare la universal fizic. Teoria termodinamica este atat de cuprinzatoare si a inregistrat atatea succese in descrierea realitatii tocmai datorita faptului ca postuleaza acele limite ale idealizarii in interiorul carora trebuie sa ramana orice proces natural. In pofida limitelor ce-i sunt inerente, termodinamica constituie o teorie generala a modificarii si, ca urmare poate fi considerata si ca o teorie care descrie procesul de comunicare. Prin transmiterea informatiei un sistem se poate modifica trecand dintr-o stare in alta. Caracterul cuprinzator al termodinamicii este pus in evidenta prin interpretarea terodinamicii ca o teorie a informatiei. Sau, cu alte cuvinte termdinamica este cea mai cuprinzatoare teorie a fizicii, deoarece descrie procesul fundamental de informare. Iata motivul pentru care teoria cuantica s-a nascut din ea; intelegem totodata de ce ideile clasice cat si cele cuantice pot fi formulate in termeni termodinamici. Informatie inseamna ordine; a comunica inseamna a crea ordine din dezordine, sau cel putin a mari gradul de ordine care exista inainte ca mesajul sa fi fost receptionat. Universul in care traim nu mai este un univers mecanic (Newton) si nici macar un univers de lumina (Einstein) ci un univers de comunicare.

Teoria speciala a relativitatii

Totul trebuie facut pe cat de simplu posibil, dar nu mai simplu (Albert

Einstein)

                  Teoria speciala a relativitatii (numita si teoria relativitatii restranse) elaborata de Albert Einstein da o descriere minunat de corecta fenomenelor in care viteza obiectelor se apropie de cea a luminii – viteza la care descrierile date de Newton incep in sfarsit sa nu mai fie valabile. Principalul scop al teoriei speciale a relativitatii este intelegrea corecta a modului in care lumea apare unor persoane – numite in general „observatori” – care sunt in miscare relativa una fata de alta.
          Relativitatea restransa e o teorie subtila si dificila din punct de vedere conceptual. Teoria arata pentru prima oara, ca in viziunea newtoniana asupra lumii nu doar lipseste ceva, ci ca, daca vrem sa intalegem lumea, mai exista ceva ce trebuie modificat radical, intr-un fel care contrazice simtul comun. E primul salt adevarat in modificarea conceptiilor noastre intuitive.

Paradoxul care il nelinistise pe Einstein timp de un deceniu era legat de faptul ca teoria lui Maxwell a aratat – intr-un mod surprinzator – ca perturbatiile electromagnetice se propaga cu o viteza fixa care nu se schimba niciodata si care se dovedeste a fi egala cu viteza luminii. De aici Maxwell a tras concluzia ca lumina vizibila nu e decat un anumit tip de unda electromagnetica. Mai mult, teoria lui Maxwell a aratat ca toate undele electromagnetice, inclusiv lumina vizibila, sunt intruparea calatorului neobosit: nu se opresc niciodata; nu incetinesc niciodata. Lumina se misca intotdeauna cu viteza luminii indiferent de sistemul de referinta ales pentru comparatie.
            Toate bune si frumoase pana ne intrebam, asa cum s-a intrebat Einstein la saisprezece ani, ce se intampla daca alergam dupa o raza de lumina cu viteza luminii? O judecata intuitiva, bazata pe legile miscarii enuntate de Newton, ne spune ca vom ajunge din urma raza de lumina, care ne va parea atunci stationara; lumina va ramane nemiscata.  Dar, conform teoriei lui Maxwell si a tuturor observatiilor relevante stiintific, nu exista lumina stationara; nimeni nu a tinut vreodata o bucata de lumina in palma. De aici s-a ivit contradictia. Din fericire,Einstein nu stia ca multi dintre fizicienii de marca ai lumii se luptau cu aceasta problema(si urmau multe piste gresite), asa ca a putut sa rumege singur si pe indelete paradoxul creat de Maxwell si Newton si a rezolvat conflictul prin teoria speciala a relativitatii, schimband tot odata conceptia noastra despre spatiu si timp.
            Exista doua structuri simple si totusi profunde ce formeaza baza teoriei speciale a relativitatii. Asa cum am mentionat, una se referala proprietatile luminii (viteza luminii). Cealalta e mai abstracta. Ea nu se refera la o lege fizica anume, ci la toate legile fizicii si e cunoscuta sub numele de principiul relativitatii. Principiul relativitatii presupune ca legile fizicii – oricare ar fi ele – trebuie sa fie absolute identice pentru toti observatorii aflati in miscare rectilinie uniforma (cu viteza constanta). Inca din anul 1632 Galileo Galilei a formulat destul de clar( chiar mai clar decat Newton) principiul relativitatii atunci cand s-a referit la fenomenele mecanice dintr-o cabina inchisa a unei corabii. Einstein a formulat aceasta idee enuntata de fapt pentru prima oara de Galilei – afirmand ca este imposibil pentru tine sau pentru orice alt calator sa faca vreun experiment in acel compartiment inchis prin care sa determine daca corabia se misca sau nu.  Esenta principiului relativitatii: conceptual de miscare cu viteza constanta este relativ. Putem vorbi despre miscarea unui obiect cu viteza constanta, insa numai relativ la, sau in comparatie, cu altul. Este imposibil sa faci vreo precizare asupra starii tale de miscare fara sa faci referire, direct sau indirect, la obiecte „exterioare”. Pur si simplu nu exista notiunea de miscare „absoluta” cu viteza constanta; doar comparatiile pot avea un sens fizic. De fapt, Einstein a inteles ca principiul relativitatii presupune ceva si mai important: legile fizicii – oricare ar fi ele – trebuie sa fie absolut identice pentru toti observatorii aflati in miscare cu viteza constanta. Vom vedea in curand efectul profund al acestui principiu.
      Al doilea ingredient-cheie in relativitatea speciala este legat de lumina si de proprietatile miscarii ei. S-a demonstrat, dupa aproape un secol de eforturi din partea fizicienilor experimentatori, ca pentru toti observatorii viteza luminii este de 300.000 de km pe secunda, indiferent de sistemul de referinta ales pentru comparatie. Cu toate ca tu fugi, viteza cu care fotonii vin dupa tine, asa cum o masori tu, este tot de 300.000 de km pe secunda, nici o fractiune mai putin. Desi la inceput acest lucru pare complet ridicol, si spre deosebire de ceea ce se intampla cand fugi de o minge, sau de o avalansa, viteza cu care se apropie fotonii este intotdeauna de 300.000 de km pe secunda Acelasi lucru se intampla si daca fugi catre fotonii care vin spre tine, si daca ii urmaresti pe cei care se indeparteaza- viteza cu care ei se apropie sau se indeparteaza ramane neschimbata; ei calatoresc tot cu 300.000 de km pe secunda. Indiferent de miscarea relativa dintre sursa de fotoni si observator, viteza luminii este intotdeauna aceeasi. Indiferent cat de tare alergi dupa o raza de lumina, ea fuge de tine cu viteza luminii. Nu poti schimba viteza aparenta de 300.000 de km pe secunda a luminii, sa nu mai vorbim ca e imposibil s-o incetinesti pana se opreste. Acest triumf asupra paradoxului a fost o victorie clara. Einstein a inteles ca o valoare constanta a vitezei luminii implica detronarea fizicii newtoniene. Viteza este masura a distantei pe care un obiect o parcurge intr-un timp dat. Daca suntem intr-o masina care merge cu 65 de km pe ora, asta inseamna ca vom parcurge 65 de km daca ne vom pastra aceasta stare de miscare timp de o ora. Definita astfel, viteza pare sa fie un concept simplu. Sa nu uitam insa ca distanta este o notiune legata de spatiu – in particular ea masoara cat spatiu este intre doua puncte. De asemenea, sa observam ca durata este o notiune legata de timp – cat timp se scurge intre doua evenimente. Prin urmare, viteza este intim legatade notiunile de spatiu si timp. Cu aceasta formulare, observam ca orice rezultat experimental care sfideaza conceptia noastra obisnuita despre viteza, asa cum este de exemplu valoarea constanta a vitezei luminii, sfideaza insesi conceptiile noastre generale despre spatiu si timp. Din acest motiv, ciudata constanta a vitezei luminii a meritat o cercetare mai atenta-cercetare intreprinsa de Einstein si care l-a condus la concluzii remarcabile.
             Daca principiul relativitatii era adevarat pentru legile miscarii ale lui Newton, acum ideea a fost dezvoltata pentru a include teoria lui Maxwell si viteza luminii. Toti observatorii trebuie sa masoare aceiasi viteza a luminii indiferent cat de repede se misca ei. Indiferent de miscarea relativa dintre sursa de fotoni si observator,viteza luminii este intotdeauna aceeasi. Aceasta idee simpla are consecinte remarcabile. Cele mai cunoscute sunt echivalenta masei si energiei, exprimata de faimoasa ecuatia lui Einstein: E=mc² (unde E este energia, m este masa si c este viteza luminii) si legea ca nici un corp nu se poate deplsa cu o viteza mai mare  decat viteza luminii. Celebra ecuatie a lui Einstein E=mc² ne spune ca masa este legata de energie prin intermediul vitezei luminii. Viteza luminii are deci o semnificatie fundamental. Ea fixeaza factorul de conversie: ne spune cata energie “valoreaza” fiecare kilogram de substanta. Datorita echivalentei dintre masa si energie, energia pe care o are un corp datorita vitezei cu care se misca se va adouga masei sale. Cu alte cuvinte va creste masa si va fi mai greu sa i se mareasca viteza. De fapt, el nu poate atinge viteza luminii, deoarece masa lui ar deveni infinta si, prin echivalenta energiei si masei, ar trebui o cantitate infinita de energie pentru a realiza aceasta. Numai fotonii, care nu au masa, se pot deplasa cu viteza luminii.

La fel ca spatiul si timpul, sau campul electric si magnetic, in noua mecanica funtioneaza si conceptele de energie si masa. Inainte de1905, doua principii aveau valabilitate certa;conservarea masei si conservarea energiei. Primul fusese verificat de chimisti:in nici o reactie chimica masa nu se modifica. Al doilea, conservarea energiei decurgea direct din ecuatiile lui Newton, fiind socotit una din legile cele mai generale si necontroversate. Dar Einstein isi da seama ca energia si masa sunt doar doua fatete ale aceleiasi entitati, asa cum campul electric si campul magnetic sunt doua fatete ale aceluiasi camp, iar spatiul si timpul sunt doua aspecte ale aceluiasi, unic spatiu-timp. Asta inseamnaa ca masa ca atare nu se conserva, iar energia, asa cum era conceputa atunci, nu se conserva nici ea in mod independent. Una se poate transforma in cealalta:exista o singura lege de conservare, nu doua. Ceea ce se conserva este o insumare a masei si energiei, nu fiecare luate separate. Cu ale cuvinte:trebuie trebuie sa existe procese care transforma energia in masa sau masa in energie.

Un calcul rapid ne permite sa intelegem cata energie se obtie transformand un gram de masa. Rezultatul, dat de celebra formula E=mc² , ne arata ca energia in care se transforma un gram de materie este enorma, o energie egala cu cea a milioane de bombe expoadand odata, suficienta pentru a alimenta iluminarea oraselor si industria unei tari vreme de luni de zile.

Pe de alta parte, relativitatea restransa ne spune ceva foarte profund despre realitatea fizica, legat de natura timpului si perceptia noastra asupra “curgerii timpului “. Teoria relativitatii pune capat ideii timpului absolut. Rezulta ca fiecare observator  are propia masura a timpului, inregistrata de un ceas care il poarta cu el si ca ceasuri identice purtate de observatori diferiti nu vor fi, in mod necesar, in acord. Teoria afirma ca observatorii aflati in miscare relativa vor avea perceptii diferite asupra spatiului si timpului. Aceasta inseamna ca ceasuri identice, purtate de doi indivizi care se misca unul fata de celalalt, vor ticai cu frecvente diferite si deci vor arata durate de timp diferite intre aceleasi evenimente. Teoria speciala a relativitatii demonstreaza ca prin aceasta afirmatie nu contestam precizia ceasurilor folosite in experiment, ci facem de fapt o afirmatie despre timpul insusi. Pentru a intelege mai usor modul in care miscarea  influenteaza trecerea timpului, Einstein a descris si un experiment imaginar simplu si intuitiv, folosind asa zisul “ceas cu lumina”(un foton ce se misca intre doua oglinzi). Experimentul, prezent  in  toate cartile de popularizare a relativitatii speciale, folosind argumente simple ,arata ca valoarea constanta  a vitezei luminii implica  faptul ca un ceas cu lumina  aflat in miscare ticaie mai rar decat un ceas cu lumina stationar. Si,conform principiului relativitatii acest lucru este valabil nu numai pentru ceasurile cu lumina,  ci pentru orice ceas-este valabil pentru timpul insusi. Timpul trece mai incet pentru un individ aflat in miscare decat pentru unul in repaus. Fizicienii au oferit o demonstratie directa si spectaculoasa a efectului miscarii asupra scurgerii timpului bazata pe particule microscopice numite” miuoni “ si care se dezintegreaza printr-un proces asemanator cu dezintegrarea radioactiva. Cand se afla in repaus in laborator miuonii se dezintegreaza in aproximativ doua milionimi de secunda transformandu-se in electroni si neutrini. Daca insa acesti miuoni nu sunt in repaus, ci calatoresc intr-un aparat cunoscut sub numele de accelerator de particule care ii acceleraeza pana la viteze foarte apropiate de viteza luminii, durata lor de viata, masurata de fizicieni in laborator, creste spectaculos. La viteze de 99,5% din viteza luminii durata de viata a miuonului creste cam cu un factor de zece. Daca oamenii s-ar misca cu viteze egale cu cele ale acestor miuoni, durata lor de viata ar creste cu acelasi factor. In loc sa traiasca  80 de ani , oamenii ar trai 800 de ani !
         Referitor la spatiu, teoria speciala a relativitatii afirma ca observatori aflati in miscare unul fata de altul, avand cu ei rigle identice, nu vor cadea niciodata de acord asupra distantelor masurate. Observatorii percep ca un obiect in miscare e scurtat de-a lungul directiei de miscare. De exemplu, ecuatiile teoriei speciale a relativitatii arata ca daca un obiect se misca cu o viteza de aproximativ 98% din viteza luminii, atunci pentru un observator stationar va aparea cu 80% mai scurt deca daca ar fi in repaus. Din nou, aceasta nu se datoreaza lipsei de acuratete a instrumentelor de masurat sau erorilor de masurare. Cele mai precise mijloace de masurare din lume confirma faptul ca spatiul si timpul – masurate prin distanta si durata – nu sunt percepute in mod identic de toata lumea. Teoria speciala a relativitatii rezolva contradictia dintre perceptia noastra asupra miscarii si proprietatile luminii, dar acest lucru se face platind un pret: observatiile asupra spatiului si timpului, facute de persoane aflate in miscare una fata de alta, nu vor coincide.
     Valoarea constanta a vitezei luminii a condus la inlocuirea modului traditional de a privi obiective cu o noua conceptie in care acestea sunt in mod intim determinate de miscarea relativa dintre observator si observat. Am putea incheia discutia aici, stiind ca obiectele in miscare evolueaza incetinit si sunt scurtate in directia de miscare. Teoria relativitatii speciale ne ofera insa o perspectiva mai profund unificata asupra acestor fenomene. Einstein a descoperit ca exact aceasta idee – impartirea miscarii intre mai multe dimensiuni – sta la baza fizicii remarcabile a teoriei speciale a relativitatii atunci cand intelegem ca miscarea unui obiect nu se imparte numai dupa dimensiunile spatiale, ci insusi timpul ia parte la impartire. De fapt, in majoritatea cazurilor, cea mai mare parte a miscarii unui obiect are loc in timp, nu in spatiu. Sa vedem ce inseamna asta. Miscarea prin spatiu este o idee despre care aflam in primii ani de viata. Desi in general nu judecam lucrurile in asemenea termeni, aflam de asemenea ca noi, prietenii nostri, lucrurile noastre s.a.m.d., toate se misca si prin timp. Daca ne uitam la un ceas chiar si atunci cand privim nemiscati la televizor, afisajul ceasului se schimba constant, se „misca mereu inainte prin timp”. Noi – si totul din jurul nostru imbatranim, trecand inevitabil de la un moment de timp la urmatorul. De fapt, matematicianul Hermann Minkowski si chiar Einstein insusi au pledat in favoarea interpretarii timpului ca o alta dimensiune a universului- a patra dimensiune – intr-un fel similara cu cele trei dimensiuni spatiale in care suntem cu totii scufundati. Desi pare abstracta, notiunea de timp perceput ca dimensiune este de fapt concreta. Cand vrem sa ne intalnim cu cineva, ii spunem unde „in spatiu” vrem sa ne intalnim – de exemplu, la etajul 4 al cladirii de la intersectia strazii 24 cu bulevardul 7. Informatia aceasta contine trei date (etajul 4, strada 24 si bulevardul 7) care specifica o anumita localizare in cele trei dimensiuni spatiale ale universului. La fel de importanta este insa si precizarea timpului cand ne asteptam sa ne intalnim – de exemplu la 5 dupa-amiaza. Aceasta informatie ne precizeaza unde in timp va avea loc intalnirea. Evenimentele sunt deci specificate prin patru date, trei referindu-se la spatiu si una la timp. Spunem ca aceste date localizeaza evenimentul in spatiu si timp, sau, pe scurt, in spatiu-timp. In acest sens, timpul este o alta dimensiune. Din moment ce aceasta perspectiva afirma ca spatiul si timpul nu sunt decat diferite exemple de dimensiuni, putem oare vorbi despre viteza unui obiect prin timp intr-o maniera asemanatoare ideii de viteza prin spatiu? Intr-adevar, putem. Cand un obiect are o miscare relativa prin  spatiu fata de noi, ceasul lui merge mai incet in comparatie cu al nostru. Deci, viteza miscarii lui prin timp e incetinita. Aici se produce saltul: Einstein sustine ca toate obiectele din univers calatoresc intotdeauna prin spatiu-timp cu o viteza data-viteza luminii. E o idee ciudata; noi suntem obisnuiti cu ideea ca obiectele calatoresc cu viteze mult mai mici decat viteza luminii. Acesta este motivul pentru care efectele relativiste sunt atat de putin familiare in viata de zi cu zi. Toate acestea sunt adevarate. Acum insa vorbim despre viteza combinata a unui obiect prin toate cele patru dimensiuni – trei spatiale si una termporala-, iar viteza obiectului in acest sens generalizat este egala cu viteza Luminii. Daca un obiect e in repaus (in raport cu noi) si in consecinta nu se misca deloc prin spatiu, atunci toata miscarea obiectului este folosita pentru deplasarea intr-o singura dimensiune – in acest caz, dimensiunea temporala. Mai mult, toate obiectele aflate in repaus in raport cu noi si intre ele se misca prin timp – imbatranesc – cu acelasi ritm sau viteza. Daca insa un obiect se misca si prin spatiu, aceasta inseamna ca o parte din miscarea pe care o avea prin timp trebuie deviata la miscarea prin spatiu. Aceasta impartire a miscarii face ca obiectul sa se deplaseze mai incet prin timp decat partenerii sai stationari, pentru ca o parte din miscarea lui e folosita acum pentru a se deplasa prin spatiu. Adica, ceasul atasat lui va ticai mai incet daca se misca prin spatiu. Este exact ce am descoperit mai devreme. Observam acum ca scurgerea timpului e incetinita pentru un obiect care se misca in raport cu noi fiindca o parte din miscarea lui prin timp este transformata in miscare prin spatiu. Deci viteza unui obiect prin spatiu arata cat din miscarea lui prin timp a fost deviata in miscare prin spatiu. Vedem de asemenea ca aceasta perspectiva incorporeaza automat faptul ca exista o limita a vitezei spatiale a unui obiect: viteza maxima prin spatiu este atinsa atunci cand toata miscarea unui obiect prin timp este transformata in miscare prin spatiu. Aceasta se intampla cand toata miscarea initiala cu viteza luminii prin timp este transformata in miscare cu viteza luminii prin spatiu. Dar din moment ce si-a folosit toata miscarea prin timp, aceasta este viteza cea mai mare prin spatiu pe care un obiect – orice obiect – o poate atinge. Un obiect care se deplaseaza cu viteza luminii prin spatiu nu va mai avea viteza pentru miscarea prin timp. De aceea lumina nu imbatraneste; un foton care a rezultat din big bang are astazi aceeasi varsta pe care o avea si atunci. Nu exista scurgere a timpului la viteza luminii.
            A trecut aproape un secol de cand Einstein a facut cunoscute lumii descoperirile sale, si totusi cei mai multi dintre noi vedem spatiul si timpul in termeni absoluti. Teoria restransa(speciala) a relativitatii nu ne-a intrat in sange- nu o simtim. Implicatiile ei nu sunt usor de intuit pentru noi. Motivul e foarte simplu: efectele relativitatii speciale depind de cat de repede ne miscam, iar la vitezele masinilor, avioanelor sau chiar ale navelor spatiale aceste efecte sunt minuscule. Exista diferente in perceptia spatiului si timpului intre persoanele ramase in repaus fata de Pamant si cele calatorind in masini sau avioane, dar ele trec intotdeauna neobservate. Insa, daca cineva ar putea calatori intr-un vehicul futuristic la o viteza comparabila cu viteza luminii, efectele relativiste ar deveni evidente. Bineinteles, acest lucru este deocamdata de domeniul stiintifico-fantasticului. Experimente ingenioase efectuate de fizicieni in conditii deosebite au permis observarea clara si precisa a proprietatilor relative ale spatiului si timpului prezise de teoria lui Einstein.

Teoria generala a relativitatii

Spatiul-timp spune materiei cum sa se miste.

Materia spune spatiului-timp cum sa se curbeze.

(John Wheeler)

Prin relativitatea speciala celebrul fizicianAlbertEinstein a rezolvat conflictul dintre „intuitia veche de cand lumea” privind miscarea, pe de o parte, si viteza constanta a luminii, pe de alta parte. Pe scurt, solutia este aceea ca intuitia noastra e gresita – ea s-a format pornind de la faptul ca miscarea e in general extrem de lenta in comparatie cu viteza luminii, iar aceste viteze mici ascund adevaratul caracter al spatiului si timpului. Einstein si-a dat seama destul de curand ca intre numeroasele consecinte ale teoriei speciale a relativitatii una era deosebit de profunda: postulatul ca nimic nu poate depasi lumina era incompatibil cu venerata teorie a gravitatiei universale, elaborata de Newton in cea de-a doua jumatate a secolului al XVII-iea.  In teoria newtoniana a gravitatiei, un corp exercita o atractie gravitationala asupra altuia cu o forta determinata doar de masele corpurilor si de marimea distantei dintre ele. Forta nu are nimic de-a face cu timpul cat cele doua obiecte s-au aflat unul in prezenta celuilalt. Asta inseamna ca, daca masele sau distanta dintre corpuri s-ar modifica, conform lui Newton, obiectele ar simti imediat o schimbare in atractia gravitationala reciproca. De exemplu, teoria newtoniana a gravitatiei sustine ca daca Soarele ar exploda brusc, Pamantul – aflat la vreo de 150 de milioane de km departare – si-ar schimba instantaneu traiectoria, incepand sa se departeze de la orbita lui eliptica obisnuita. Cu toate ca luminii generate de explozie i-ar trebui 8 minute pentru a ajunge de la Soare la Pamant, in teoria lui Newton informatia ca Soarele a explodat ar fi transmisa instantaneu pe Pamant printr-o schimbare brusca a fortei gravitationale care ii guverneaza miscarea. Aceasta concluzie este in contradictie directa cu relativitatea speciala, care ne asigura ca nici o informatie nu poate fi transmisa mai repede decat viteza luminii – transmiterea instantanee ar fi cea mai flagranta violare a acestui concept.Prin urmare, la inceputul secolului XX, Einstein si-a dat seama ca mult pretuita teorie newtoniana a gravitatiei era in conflict cu propria lui teorie speciala a relativitatii. Avand incredere in veridicitatea teoriei relativitatii speciale si fara a putea combate muntele de dovezi experimentale ce sustineau teoria lui Newton, Einstein a cautat o noua teorie a gravitatiei compatibila cu teoria speciala a relativitatii. Pana la urma aceasta l-a condus la descoperirea teoriei generale a relativitatii, in care caracterul spatiului si timpului urmau sa sufere din nou o transformare remarcabila. Chiar si inainte de descoperirea relativitatii speciale, teoria newtoniana a gravitatiei avea o lacuna  importanta. Desi poate fi folosita pentru a face previziuni de o mare acuratete asupra modului in care se vor misca obiectele sub influenta gravitatiei, ea nu spune ce este gravitatia. Cum e posibil ca doua corpuri care sunt fizic separate unul de altul, uneori la sute de milioane de kilometri sau mai mult, sa-si influenteze totusi reciproc miscarea? Prin ce mijloace executa gravitatia aceasta misiune? Aceasta era o problema de care insusi Newton era constient. Cu alte cuvinte, Newton a acceptat existenta gravitatiei si a elaborate ecuatiile ce descriu cu precizie efectele ei, dar nu a oferit niciodata vreo explicatie privind felul in care functioneaza ea.

Newton a dat lumii „manualul utilizatorului” pentru gravitatie, care descria modul de intrebuintare al acesteia – instructiuni pe care fizicienii, astronomii si inginerii le-au exploatat cu succes pentru a pregati drumul rachetelor spre Luna, Marte si alte planete ale sistemului solar; pentru a prezice eclipsele de Soare si de Luna; pentru a prezice miscarea cometelor si asa mai departe. Dar el a lasat substratul acestor actiuni – continutul „cutiei negre” a gravitatiei – intr-un mister total. Pentru Newton a ramas un mister motivul pentru care toate corpurile cad cu aceiasi viteza si urmeaza traiectorii identice. De ce forta de gravitatie si inertia se afla in acelasi raport pentru toate substantele (in contrast cu fortele electrice unde “sarcina” si “masa” nu sunt proportionale)? Einstein a aratat ca aceasta e o consecinta naturala a faptului ca toate corpurile urmeaza acelasi ‘cel mai scurt drum” intr-un spatiu-timp curbat din cauza masei si a energiei. Einstein a inteles ca, in pofida sutelor de ani de confirmari experimentale, teoria speciala a relativitatii conducea la concluzia ca exista un „defect” subtil al teoriei lui Newton si ca „repararea” ei presupunea dezvaluirea intregii si adevaratei naturi a gravitatiei, lucru pe care l-a facut in teoria relativitatii generale.

Einstein in elaborarea teoriei generale a relativitatii avea o problema bine definita-cum sa puna in acord teoria gravitatiei cu noua viziune asupra spatiului si timpului din teoria speciala a relativitatii, pe care o propusese in 1905. El a avut cateva indicii pretioase, in special remarcabilul fapt descoperit de Galilei ca miscarea corpurilor mici in camp gravitational e independenta de natura corpurilor. Aceasta i-a sugerat lui Einstein ca gravitatia ar putea fi o propietatea a spatiu-timp. Einstein a avut deasemenea  la dispozitie o teorie matematica bine inchegata a spatiilor curbe, elaborate de Riemann si alti matematicieni. In teoria lui Newton, forta gravitationala de atractie dintre Soare si o planeta depinde de distanta dintre pozitiile ocupate de cele doua corpuri in acelasi timp, dar in relativitatea speciala simultaneitatea nu are o semnificatie absoluta–observatori diferiti, in functie de starea lor de miscare, nu vor cadea de acord daca un eveniment are loc inaintea, dupa sau in acelasi timp cu un alt eveniment. Indiciul care i-a aratat lui Einstein in 1907 calea spre relativitatea generala a fost propietatea bine cunoscuta si distinctiva a gravitatiei:forta gravitationala este proportionala cu masa corpului asupra caruia actioneaza. Einstein s-a gandit ca aceasta seamana cu asa-numitele forte de inertie pe care le resimtim cand ne miscam cu o viteza neuniforma(miscare accelerata) sau cand schimbam directia de miscare. Forta de inertie este cea care ne impinge in scaun atunci cand acceleram brusc automobilul. Forta centrifuga care impiedica Pamantul sa cada spre Soare este deasemenea o forta de inertie. Toate aceste forte de inertie sunt la fel ca forta gravitationala proportionale cu masa corpului asupra caruia actioneaza. Pe Pamant nu resimtim nici campul gravitational al Soarelui, nici forta centifuga provocata de miscarea Pamantului in jurul Soarelui, fiindca cele doua forte se echilibreaza reciproc, dar echilibrul ar fi rupt daca una din forte ar fi proportionala cu masa obiectelor asupra carora actioneaza iar cealalta nu; in acest caz unele obiecte ar putea cadea de pe Pamant pe Soare, iar altele ar putea fi azvarlite de pe Pamant in spatiul interstelar.

In general, faptul ca gravitatia si fortele de inertie sunt ambele proportionale cu masa corpului asupra caruia actioneaza si nu depend de nici o alta propietate a acestuia, face posibila identificarea in orice punct dintr-un camp gravitational a unui”sistem de referinta in cadere libera”, in care nici gravitatia, nici fortele de inertie nu sunt resimtite deoarece ele se afla intr-un echilibru perfect pentru toate corpurile. Daca resimtim fortele gravitationale sau de inertie, aceasta se datoreaza faptului ca nu ne aflam intr-un sistem in cadere libera. De exemplu, la suprafata Pamantului, corpurile in cadere libera sunt accelerate spre central Pamantului cu 10 metri pe secunda si resimtim forta gravitationala, cu exceptia cazului in care se intampla sa fim accelerati in jos in acelasi ritm (ex. cand coboram cu liftul).

Ideile lui Einstein au fost motivate de acest aspect elementar al gravitatiei, pe care orice copil il poate intelege: forta gravitatiei este resimtita la fel ca forta datorita acceleratiei. Einstein a facut un salt logic si a presupus ca fortele gravitationale si fortele inertiale sunt acelasi lucru, fapt numit de el principiul echivalentei intre gravitatie si inertie, sau, pe scurt principiul echivalentei. Conform acestui principiu orice camp gravitational este complet descris atunci cand cunoastem sistemul de referinta care se afla in cadere libera pentru fiecare punct din spatiu si timp.
            Aceasta legatura profunda intre gravitatie si miscarea accelerata este, fara indoiala, o realizare remarcabila, insa de ce oare l-a bucurat atat de mult pe Einstein? Motivul, simplu spus, este ca gravitatia e misterioasa. Ea e marea forta omniprezenta in viata cosmosului, dar in acelasi timp e insesizabila si eterica. Pe de alta parte, miscarea accelerata, desi ceva mai complicata decat miscarea uniforma, este concreta si tangibila. Prin descoperirea legaturii fundamentale dintre cele doua, Einstein si-a dat seama ca putea folosi felul sau de a intelege miscarea accelerata pentru a ajunge la o intelegere similara a gravitatiei. Punerea in practica a acestei strategii nu a fost o sarcina usoara nici macar pentru geniul lui Einstein, dar pana la urma aceasta abordare a dat roade sub forma relativitatii generale. Pentru a ajunge la acest obiectiv, Einstein a trebuit sa gaseasca o a doua legatura in lantul ce unifica gravitatia si miscarea accelerata: curbarea spatiului si timpului. Aceste observatii l-au condus pe Einstein spre pasul decisiv. Cum el aratase deja ca gravitatia si miscarea accelerata nu pot fi efectiv deosebite, iar apoi demonstrase ca miscare accelerata este asociata cu deformarea spatiului si timpului, a facut urmatoarea presupunere cu privire la continutul „cutiei negre” a gravitatiei – mecanismul prin care aceasta actioneaza. Gravitatia, dupa Einstein, este deformarea spatiului si timpului.
             Dupa 1907, Einstein a cautat vreme de aproape un deceniu cadrul matematic potrivit acestei idei. In cele din urma a gasit exact ce-i trebuia printr-o analogie profunda intre rolul gravitatiei in fizica si cel al curburii in geometrie. Pornind de la aceasta analogie intre gravitatie si curbura, Einstein a ajuns la concluzia ca gravitatia nu e nici mai mult nici mai putin decat un efect al curbarii spatiului si timpului. Pentru a preciza aceasta idee, el avea nevoie de o teorie matematica a spatiilor curbe. Einstein a fost cel mai mare fizician care a aparut dupa Newton, stapanea matematica pe care o cunosteau cei mai multi fizicieni din vremea lui, dar nu a fost un matematician. Prietenul sau Marcel Grossmann, a fost acela care i-a sugerat lui Einstein sa studieze geometria neeuclideana pentru a construi o teorie veridica a spatiului si timpului.In cele din urma cu ajutorul lui Grossman, Einstein a gasit exct ce ii trebuia in teoria spatiilor curbe elaborate de Riemann , Lobacevscki si Bolyai (Bolyai cel nascut in Transilvania ! !).

Einstein invata cu efort matematica lui Riemann si scrie in 1915 o ecuatie in care curbura R_ab a spatiului-timp e proportionala cu energia materiei. In cuvinte, spatiul-timp se curbeaza mai tare acolo unde exista mai multa materie. Ecuatia e analoga ecuatiilor lui Maxwell, insa pentru gravitatie, nu pentru electricitate.

Daca nu insistam asupra detaliilor matematice si evident aici n-o vom face, putem rezuma logica superba a relativitati generale in cativa pasi:

1. “Coincidenta” ca gravitatia va imprima aceiasi acceleratie oricarui corp care ocupa o pozitie data la un moment dat, indifferent de propietatile corpului, trebuie sa fie punctul de pornire.
2. Prin urmare, acceleratia gravitationala trebuie sa reflecte o propietate a spatiului-timp.
3. O propietate pe care o poate avea spatiul-timp este curbura.
4. Curbura spatiul-timp influenteaza miscarea corpurilor in spatiu-timp. Corpurile care se deplaseaza “pe cat de drept posibil” ar putea totusi sa nu reusasca sa se deplaseze in linie dreapta.
5. In spatiu-timp, miscarea in linie dreapta reprezinta miscarea cu o viteza constanta.Abaterea de la miscarea in linie dreapta reprezinta asadar acceleratia.
6. Combinand punctele 4 si 5 gasim o modalitate de a infptui punctul 2: gravitatia reflecta curbura spatiului-timp.
7. De vreme ce curbura poate varia de la un punct la altul, precum si in timp, ea defineste un camp.
8. Pentru a avea o teorie a gravitatiei, ne trebuie o ecuatie care leaga campul de curbura al spatiului-timp de influenta materiei. Intr-adevar asa cum ne-a invatat Newton, materia poate exercita gravitatie.
9. Legea newtoniana a gravitatiei sugereaza ca propietatea esentiala a materiei in exercitatrea gravitatiei este masa. Mai precis, curbura spatiului-timp, care codifica gravitatia, trebuie sa fie proportionala cu masa. Aceasta sugestie trebuie clarificata pentru a obtine o ecuatie precisa, dar clarificarea necesara, odata ce ai relativitatea speciala, devine o chestiune tehnica. Principala clarificare este recunoasterea faptului ca toate formele de energie, nu numai energia-masa, exercita gravitatie.

Fizicianul John Wheller a rezumat astfel: “Spatiul-timp ii spune materiei cum sa se miste; materia ii spune spatiului-timp cum sa se cubeze”.

Teoria gravitatiei (relativitatea generala) explica intr-un mod uimitor si pe deplin satisfacator coincidenta lui Newton. Implineste deasemenea, aspiratia lui Newton de a avea o teorie a gravitatiei bazata pe actiune locala, aducand gravitatia in acelasi cadru bazat pe campuri ca si electromagnetismul. Pentru a intelege mai bine aceasta noua perspectiva asupra gravitatiei, sa consideram situatia tipica a unei planete, cum ar fi Pamantul, care se roteste in jurul unei stele, cum ar fi Soarele. Conform gravitatiei newtoniene, Soarele mentine Pamantul pe orbita cu ajutorul une „funii” gravitationale neidentificate care ajunge instantaneu, strabatand mari distante prin spatiu pana la Pamant si il „agata” (iar, in mod asemanator, Pamantul „agata” Soarele). Einstein a oferit o noua explicatie pentru ceea ce se intampla. Dar ce se intampla cu spatiul daca este prezent un obiect masiv precum Soarele? Inainte de Einstein raspunsul era nimic; se credea ca spatiul (si timpul) ofera doar un fundal inert – scena pe care se jucau evenimentele universului. Rationamentele lui Einstein conduc insa la o concluzie diferita. Un corp masiv cum e Soarele, si de fapt orice corp, exercita o forta gravitationala asupra celorlalte obiecte. Aceste legaturi dintre gravitatie, miscarea accelerata si spatiul curbat l-au condus pe Einstein la concluzia remarcabila ca prezenta unei mase, asa cum e Soarele, face ca textura spatiului din jurul ei sa se deformeze. Aceasta deformare, la randul ei, afecteaza obiectele ce se misca in vecinatatea Soarelui, ele trebuind sa traverseze acum textura spatiala din vecinatatea Soarelui. Diferenta acum este aceea ca, spre deosebire de Newton, Einstein a identificat mecanismul prin care se transmite gravitatia: deformarea spatiului. Din punctul de vedere al lui Einstein, „funia” gravitationala care mentine Pamantul pe orbita nu este vreo actiune instantanee si misterioasa a Soarelui; ea este, de fapt, deformarea texturii spatiale datorata prezentei Soarelui. Pamantul este mentinut pe orbita in jurul Soarelui pentru ca se rostogoleste de-a lungul unei vai din textura spatiului deformat. Intr-un limbaj mai precis, urmeaza „traiectoria de minima rezistenta” in regiunea deformata din jurul Soarelui. In mod asemanator, Pamantul, fiind la randul lui un corp masiv, deformeaza textura spatiului, chiar daca mult mai putin decat Soarele. In limbajul relativitatii generale, aceasta e modalitatea prin care Pamantul mentine Luna pe orbita si, de asemenea, ne tine pe fiecare dintre noi la suprafata sa. Cand un parasutist plonjeaza spre Pamant, el va aluneca de-a lungul unei depresiuni din textura spatiului produsa de masa Pamantului. In plus, fiecare dintre noi – ca orice alt obiect masiv – deformeaza textura spatiului din imediata vecinatate, dar masa relativ mica a unui corp uman face ca aceasta deformare sa fie infima. Deci, in esenta, Einstein a fost in acord cu afirmatia lui Newton ca „gravitatia trebuie sa fie produsa de un agent” si a acceptat provocarea acestuia care lasa stabilirea identitatii agentului „la latitudinea cititorilor”. In conformitate cu cele demonstrate de Einstein, agentul gravitatiei este textura cosmosului. In cazul Soarelui nu exista nici un alt obiect care „sa-l atraga”. In schimb, Einstein ne-a invatat ca deformarea spatiului este gravitatie. Simpla prezenta a unui obiect masiv face ca spatiul sa reactioneze deformandu-se. Einstein ne-a demonstrat ca obiectele se misca prin spatiu (prin spatiu-timp, mai precis) de-a lungul celor mai scurte traiectorii posibile – traiectoriile „cele mai usoare” sau traiectoriile „de minima rezistenta”. Daca spatiul este deformat, asemenea traiectorii vor fi curbate. Cand nu este prezenta nici o masa, spatiul e plat si un obiect mic poate sta linistit in repaus sau se poate deplasa cu viteza constanta. Daca o masa mare intra in scena, spatiul se va deforma dar, distorsiunea nu va fi instantanee. Ea se va transmite de la corpul masiv in toate directiile, ajungand in final la o forma distorsionata fixa ce va comunica atractia gravitationala a noului corp. In cadrul real al relativitatii generale, Einstein a putut calcula viteza cu care se deplaseaza perturbatiile in textura universului si a gasit ca aceasta viteza este exact viteza luminii. Cand un obiect isi schimba pozitia sau cand explodeaza, el produce o schimbare in deformarea texturii spatiului care se transmite in toate directiile cu viteza luminii, ramanand astfel in acord cu limita de viteza din relativitatea speciala. Prin urmare, noi, cei de pe Pamant, am percepe vizual distrugerea Soarelui in acelasi moment in care am simti si consecintele gravitationale ale distrugerii sale – asta s-ar intampla cam la 8 minute de la explozie. Formularea lui Einstein rezolva deci conflictul; perturbatiile gravitationale tin pasul cu fotonii, dar nu ii depasesc. In timp ce relativitatea restransa se manifesta mai pregnant in cazul obiectelor care se misca cu viteze mari, relativitatea generala capata o importanta critica atunci cand obiectele sunt foarte masive si deci deformarile spatiului si timpului sunt mari.

Teoria generala a relativitatii descrie forta de gravitatie si structura la scara mare a universului, adica structura la scara de la numai cativa kilometri la milioane de milioane de milioane de milioane (unu cu douazeci si patru de zerouri dupa el) de kilometri, dimensiunea universului observabil. Teoria relativitatii generale e o teorie a campurilor. Campul implicat se numeste camp gravitational. Este mult mai complicat decat campul electric si e reprezentat printr-un set mult mai complicat de linii de camp. Este nevoie de trei seturi de linii de camp in cazul campului gravitational. Spatiul poate fi umplut cu o mare varietate de influente invizibile care au tot soiul de efecte asupra materiei. Teoria relativitatii generale ne spune ca spatiul-timp este de fapt curb in prezenta unui camp gravitational (adica nu este exact euclidian). Relativitatea generala este o teorie a spatiului si timpului, elaborata de Albert Einstein. Einstein traia si gandea mult inaintea timpului sau.P utini au inteles si au acceptat teoria relativitatii la vremea respectiva, fapt pentru care premiul Nobel i-a fost acordat lui Einstein pentru efectul fotoelectric si nu si pentru teoria relativitatii! La acea vreme se considera firesc ca timpul sa fi curs permanent, indiferent de ceea ce se intampla, dar teoria relativitatii a combinat spatiul cu timpul si a afirmat ca amandoua pot fi rasucite sau distorsionate de materia si energia din univers. In acest fel, modul nostru de a percepe natura timpului s-a schimbat de la independenta acestuia pana la fasonarea lui de catre materia din univers.

Potrivit relativitatii generale a lui Einstein, putem accepta ca spatial-timp nu e fundamental deosebit de materie, spatiul este un fel de material. Este o entitate dinamica, se poate curba si deplasa. Daca asa stau lucrurile, atunci el va fi alcatuit din numere imense de unitati identice-“particule de spatiu”-fiecare dintre ele aflandu-se in contact cu cativa vecini, schimband mesaje, unindu-se si sepaarandu-se, dand nastere altora si murind. Potrivit principiilor mecanicii cuaantice, orice se poate misca se misca spontan. Ca urmare distanta dintre doua puncte fluctueaza. Combinand relativitatea generala cu mecanica cuantica, calculam ca spatiul este un fel de gelatina in permanenta miscare.

Dupa Einstein, gravitatia este o distorsiune in textura spatiu-timp, produsa de masa si energia pe care acesta o contine. Obiecte ca proiectilele si planetele incearca sa se miste in linie dreapta in spatiu-timp, dar, deoarece spatiul-timp e curbat si rasucit si nu plat, traiectoriile lor par sa fie curbate. John Wheeler, unul dintre marii specialisti in relativitatea generala a rezumat astfel teoria relativitatii:” spatiul-timp spune materiei cum sa se miste;materia spune spatiului-timp cum sa se curbeze”. Desigur, formularea lui Wheeler e atragatoare, dar inselatoare sau cel putin incomplete fara acest adaos important: Si spatiul timp e o forma de materie. Mai exact este gresit sa credem ca curbura spatiului-timp e in intregime dictate de altceva-adica de “materie”. Curbarea spatiului-timp presupune energie, iar energia face ca spatiul-timp sa se curbeze. Astfel, curbura participa la propria ei creatie. Pe scurt, spatiul-timp are o viata proprie. Cum vine asta”o viata proprie’? Incununarea triumfului notiunii de camp a lui Faraday si mai exact a ecuatilor lui Maxwell, care exprima notiunea in termeni matematici, a fost descoperirea undelor electromagnetice. In aceste unde campul electromagnetic capata o viata proprie. Campuri electrice variabile creeaza campuri magnetice variabile, care creeaza campuri electrice variabile, si asa mai departe, la nesfarsit. O perturbatie autointretinuta a campurilor se propaga prin spatiu. Daca perturbatia se repeta la o lungime de unda corespunzatoare, o vom vedea ca lumina. Am invatat deasemenea sa “vedem” si ale lungimi de unda, folosind detector specializati cum ar fi spre exemplu receptorii radio. In mod asemanator, campul de curbura al lui Einstein, care codifica gravitatia, poate si el sustine perturbatii autointretinute. Acestea se numesc unde gravitationale. La undele gravitationale, curbarea spatiului-timp in anumite directii determina curbarea in alte directii. Ecuatiile pentru undele gravitationale seamana foarte mult cu cele pentru undele electromagnetice, cu interpretari diferite ale simbolurilor, desigur. Sursele care declansaza undele sunt diferite: sarcinile electrice in miscare radiaza unde electromagnetice, in vreme ce masele in miscare radiaza unde gravitationale. In ciuda asemanarii calitative, exista o mare diferenta cantitativa intre undele electromagnetice si cele gravitationale. Aceasta diferenta cantitativa apare pentru ca, potrivit relativitatii generale, spatiul-timp e extrem de rigid. Din pricina acestei rigiditati, chiar si miscari rapide care implica mase mari produc doar ondulari minuscule in spatiul-timp. Atunci cand detectam unde graviationale ele contin mesaje de la unele dintre cele mai violente si mai interesante evenimente din univers. Observatorul Undelor Graviationale cu Interferometru Laser (LIGO-laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) a detectat asfel de unde generate atunci cand stele neutronice sau doua gauri negre se contopesc. LIGO a detectat zeci de asemene evenimente, fapt ce dovedeste ca in ultimii ani sa imbogatit mult perceptia noastra asupra unor evenimente stranii si indepatate din univers.

Solutiea exacta a relativitatii generale

Karl Schwarzschild (fizician si astronom german, 9 October 1873 – 11 May 1916), aflat in iarna lui 1916 pe frontul de Est, bolnav si sub bubuitul tunurilor, fosind o solutie exacta pentru ecuatiile lui Einstein, a confirmat ca teoria lui Einstein explica miscarea anormala a planetei Mercur. Schwarzschild era familiarizat cu geometria “riemanniana”, matematica spatiului curb. A inceput prin a face cateva ipoteze de baza. In primul rand Soarele-si de fapt orice stea-este perfect sferic.In al doilea rand, curbura spatiului timp din jurul sau nu se modifica in timp. Si in al treilea rand curbura spatiului -timp nu depinde de directie, ci doar de distanta “radiala” fata de Soare. Aceste intuitii i-au permis lui Schwarzschild sa simplifice enorm ecuatiile lui Einstein, reducandu-le de la zece la una singura. A folosit apoi un mic truc mathematic si – minunea minunilor-a descoperit ca ecuatia avea o solutie unica.In locul unei expresii aproximative pentru curbura spatiului -timp din jurul Soarelui, el a gasit o descriere exacta-prima solutie exacata a teoriei einsteiniene. Desi Einstein isi prezentase teoria gravitatiei la Academia Prusaca de Stiinte cu doar ceva mai mult de o luna in urma, iar Schwarzschild nu numai ca reusise s-o stapaneasca, dar o facuse sa avanseze intr-un teritoriu nou, a gasit prima solutie exacta a relativitatii generale, ceva ce Einstein insusi credea ca e imposibil. Pentru a explica miscarea anormala a lui Mercur, Einstein recursese la o expresie aproximativa pentru spatiu-timp curbat in jurul Soarelu, in timp ce Schwarzschild a folosit o solutie exacta.Schwarzschild a realizat imposibilul: la intrecut pe Einstein pe propiul sau teren.

Daca in teoria lui Newton o singura ecuatie e suficienta pentru a descrie gravitatia, ceea a lui Einstein are nevoie de zece. Prin urmare, a gasi forma spatiu-timp pentru o distributie data a materiei-sau, in termeni tehnici, e dificila o solutie a ecuatiilor Einstein ale campului gravitational. Einstein insusi crezuse ca e imposibil, de aceea, pentru a explica miscarea anormala a lui Mercur, recursese la o expresie aproximativa pentru spatiu-timp curbat in jurul Soarelui.

Dar Schwarzschild, zacand pe un pat de spital, inca nu terminase cu teoria lui Einstein. Examinand cazul unei stele idealizate-o masa sferica-el gasise o descriere exacat a curburii spatiului-timp in exterior, dar ce se intampla in interior? Acesta a fost subiectul celui de al doilea articol trimis lui Einstein. Examinand cu atentie miraculoasa lui ecuatie, a descoperit ceva incredibil. Daca un corp ceresc va putea fi vreodata comprimat sub o anumita raza critica, spatiul-timp va fi curbat atat de mult incat steaua va fi separata totdeauna de univers si va aparea ca o gaura in spatiu ( numita mai tarziu “gaura neagra”). Raza limita “Schwarzschild” este ridicol de mica. Pentru Soare(cu un diametru de un milion de kilometrii) este de 1,47 kilometri, iar pentru Pamant de numai cinci milimetrii.Schwarzschild a murit pe 11 Mai 1916.Avea doar patruzeci si doi de ani. Dar un lucru n-a murit odata cu el: solutia ecuatiilor lui Einstein pentru o gaura neagra.

Astronomii au obtinut prima imagine a gaurii negre supermasive (Sagittarius A*) aflate in centrul Galaxiei Noastre (vezi imaginea atasata, sursa: https://eventhorizontelescope.org/ )

” Am vazut portile iadului la insusi capatul spatiului si al timpului” a exclamat profesorul de astrofizica Heino Falcke, membru in echipa EHT, cea care a obtinut imagianea gaurii negre.

Folosind o retea de telescoape interconectate raspandite pe tot globul, numita”Telescopul Orizontului Evenimentelor”(EHT, Event Horizont Telescope) astronomii au incercat sa vizualizeze orizontul evenimentelor a doua gauri negre supermasive, relativ apropiate de Pamant. Cea din centrul Caii Lactee, numita Sagittarius A*, are de 4,3 milioane de ori masa Soarelui si cea din centrul galaxiei M87 care este de o mie de ori mai mare decat Sagittarius A*.

Semnalele radio inregistrate de fiecare telescop EHT au fost combinate pe un calculator la Observatorul Haystack (aflat la 45 km nod-vest de Boston) pentru a simula o antena gigantica de dimensiunea Pamantului. EHT foloseste o lungime de unda de 1,3 milimetri.Cu cat antena este mai mare si lungimea de unda mai scurta cu atat se pot distinge detalii mai mici.

Principalul motiv pentru care gaurile negre sunt considerate enormitati ciudate este ca, atunci cand o stea sufera o contractie necontrolata pentru a forma o gaura neagra, sfarseste prin a fi comprimata intr-un punct infinitesimal a carui densitate creste vertiginous spre infinit. Mai precis, o gaura neagra pune o cantitate enorma de masa intr-un volum zero. O astfel de singularitate semnaleaza colapsul spatiului si timpului, un indiciu important pentru fizicieni ca legile fizicii, pe care la consideram sacre si imuabile, nu sunt nicidecum astfel.

Fizicianul American John Wheeler s-a exprimat mai poetic:”Gaura neagra ne invata ca spatiul poate fi mototolit ca o bucata de hartie intr-un punct infinitesimal, ca timpul poate fi stins ca o flacara, iar legile fizicii pe care la consideram “sacre” si imuabile nu sunt nicidecum astfel “.

Pentru a intelege ce ce se intampla cu adevarat cu spatiul si timpul in centrul unei gauri negre va fi necesara gasirea unei TEORII MAI PROFUNDE A GRAVITATIEI. Si pentru asta, aviz celor interesati, la Stockholm asteapta sa fie inmanat un Premiu Nobel.

Este de asteptat ca teoria einsteiniana a gravitatiei sa fie o aproximatie a acestei teorii mai profunde, la fel cum teoria gravitatiei elaborate de Newton s-a dovedit a fi o aproximatie a teoriei lui Einstein.

De ce trebuie sa existe o gaura neagra supermasiva in fiecare galaxie, ramane pantru astrofizicieni unul dintre MARILE MISTERE.

Universul cauzal

Descrierea Universului data de relativitatea generala este cea a unui univers cauzal, datorita afirmatiei ca nimic nu se poate delasa mai repede ca lumina. Deoarece nimic nu se misca mai repede decat lumina, drumurile razelor de lumina ce parasesc un eveniment definesc limitele exterioare ale viitorului cauzal al respectivului eveniment. Ele formeaza ce in fizica numim conul de lumina viitor al unui eveniment. Putem deci vedea ca structura relatilor cauzale din jurul unui eveniment poate fi gandita in termeni de conuri de lumina, trecut si viitor. Il numim con deoarece, daca facem desenul pe un plan cu numai doua dimensiuni, va arata ca un con (vezi fig.). Astfel, in universul nostru, specificand traiectoriile tuturor razelor de lumina in jurul oricarui eveniment, descriem structura tuturor relatiilor cauzale posibile.

Impreuna, aceste relatii contin ceea ce numim structura cauzala a unui univers. Nu numai ca traim intr-un univers cauzal, dar cea mai mare parte din povestea universului nostru este povestea relatiilor cauzale dintre evenimentele sale. Metafora in care spatial si timpul au impreuna o geometrie, numita geometria spatiu-timp se bazeaza pe o coincidenta matematica si nu ne este prea folositoare atunci cand incercam sa intelegem sensul fizic al teoriei relativitatii generale. Ideea fundamentala in relativitatea generala este ca structura cauzala a evenimentelor poate fi ea insasi influentata de aceste evenimente. Structura cauzala nu este fixata odata pentru totdeauna. Ea este dinamica: evolueaza conform legilor. Legile care determina evolutia in timp a structurii cauzale a universului se numesc ecuatiile Einstein. Sunt foarte complicate, dar atunci cand e vorba de cantitati mari de materie ce se misca incet, precum stelele si planetele, devin mult mai simple. In esenta in aceste situatii conurile de lumina se inclina catre materie(vezi fig.).Fenomenul este adesea numit curbura sau distorsiunea geometriei spatiului si timpului. Ca rezultat, materia tinde sa cada pe obiectele masive. Acesta este, fireste, alt mod de a vorbi despre forta gravitationala. Daca materia se misca in jur, atunci undele se propaga prin structura cauzala si conurile de lumina oscileaza inainte si inapoi. Acestea sunt undele gravitationale. Astfel, teoria gravitatiei a lui Einstein este o teorie a structurii cauzale. Ne spune ca esenta spatiului si timpului este structura cauzala si ca miscarea materiei este o consecinta a modificarilor in reteaua relatiilor cauzale.

Verificarea experimentala a relativitatii generale

Relativitatea generala a fost verificata experimental in diferite moduri. Lasand la o parte estetica, testul suprem al unei teorii fizice este capacitatea ei de a explica si de a prezice cu exactitate fenomene fizice. Inca de la aparitia ei, la sfarsitul anilor 1916, si pana la Inceputul acestui secol, teoria gravitatiei newtoniene a trecut acest test cu brio. Fie ca a fost aplicata mingilor aruncate In sus prin aer, obiectelor lasate sa cada din turnuri, cometelor care se misca In jurul Soarelui sau planetelor care se rotesc pe orbitele lor, teoria lui Newton ofera explicatii extrem de precise asupra tuturor observatiilor, precum si previziuni ce au fost verificate de nenumarate ori Intr-o mare diversitate de situatii. Asa cum am subliniat, motivul pentru care a fost pusa la Indoiala aceasta teorie care a repurtat atatea succese In fata experimentelor a fost proprietatea ei de a transmite instantaneu forta gravitationala, In contradictie cu teoria relativitatii speciale. Desi sunt esentiale pentru o Intelegere fundamentala a spatiului, timpului si miscarii, efectele relativitatii speciale sunt extrem de slabe In aceasta lume a vitezelor mici In care traim. In mod asemanator, diferentele dintre relativitatea generala a lui Einstein – o teorie a gravitatiei compatibila cu relativitatea speciala – si teoria gravitatiei newtoniene sunt de asemenea extrem de mici In majoritatea situatiilor Intalnite. E un lucru bun, dar si un lucru rau. Este bine pentru ca orice teorie care intentioneaza sa Inlocuiasca teoria gravitatiei newtoniene ar trebui sa fie In concordanta cu ea cand o aplicam acelor situatii In care teoria lui Newton a fost verificata experimental. Este rau pentru ca din punct de vedere experimental e foarte greu sa transam In favoarea uneia din ele. Pentru a distinge Intre teoria lui Newton si cea a lui Einstein sunt necesare masuratori extrem de precise In experimente foarte sensibile la diferentele dintre cele doua teorii. Daca aruncati o minge de tenis, puteti prezice locul unde ea va cadea folosind atat gravitatia newtoniana, cat si teoria a lui Einstein, iar raspunsurile vor fi diferite, dar diferentele vor fi atat de mici, Incat nu pot fi masurate experimental. Era nevoie de un experiment mai ingenios, iar Einstein a gasit unul. Noi vedem stelele noaptea, dar bineInteles ca ele se afla acolo si pe timpul zilei. Nu le vedem pentru ca lumina lor Indepartata si punctiforma este covarsita de lumina emisa de Soare. In timpul unei eclipse solare Insa, Luna obtureaza temporar lumina solara, iar stelele Indepartate redevin vizibile. Dar prezenta Soarelui mai are Inca un efect. Lumina provenind de la unele stele Indepartate trebuie sa treaca prin apropierea Soarelui In drumul ei spre Pamant. Relativitatea generala a lui Einstein prezice ca Soarele face ca spatiul si timpul din jurul sau sa se curbeze, iar o asemenea distorsiune va influenta drumul razei de lumina. La urma urmei, fotonii care vin din regiuni Indepartate calatoresc de-a lungul texturii universului; daca textura este deformata, atunci si miscarea fotonilor va fi afectata la fel ca In cazul unui corp material. Devierea drumului luminii este maxima pentru acele raze luminoase care trec chiar pe langa Soare In drumul lor spre Pamant. O eclipsa solara face cu putinta vizualizarea unor asemenea raze de lumina stelara care „sterg” In trecere Soarele, nelasand ca ele sa fie complet ascunse de lumina Soarelui. Unghiul cu care este deviata raza de lumina se poate masura printr-o modalitate simpla. Devierea razei de lumina a stelei duce la schimbarea pozitiei aparente a stelei. Aceasta schimbare poate fi masurata cu precizie prin compararea pozitiei aparente cu pozitia adevarata a stelei, cunoscuta din observatiile facute asupra ei In timpul noptii (In absenta influentei deformatoare a Soarelui), cand Pamantul se afla Intr-o pozitie propice, aproximativ sase luni mai devreme sau mai tarziu. In noiembrie 1915, Einstein a folosit noua teorie a gravitatiei pentru a calcula unghiul sub care vor fi deviate semnalele luminoase ale stelelor care ating Soarele In drumul spre Pamant, iar rezultatul obtinut a fost de 0,00049 dintr-un grad (1,75 secunde de arc; o secunda de arc este 1/3600 dintr-un grad). Acest unghi minuscul este egal cu acela subantins de o moneda plasata vertical si privita de la aproximativ doua mile departare. Detectarea unui unghi atat de mic era Insa accesibila tehnologiei acelor vremuri. La Indemnurile lui Sir Frank Dyson, directorul observatorului din Greenwich, Sir Arthur Eddington, astronom de renume si secretar al Societatii Regale de Astronomie din Anglia, a organizat o expeditie In insula Principe, pe coasta de vest a Africii, pentru a testa predictiile lui Einstein In timpul eclipsei solare din 29 mai 1 9 1 9. Pe 6 noiembrie 1919, dupa aproximativ cinci luni de analize ale fotografiilor facute In timpul eclipsei solare In insula Principe (si ale altor fotografii ale eclipsei obtinute de o alta echipa britanica condusa de Charles Davidson si Andrew Crommelin In localitatea Sobral din Brazilia), Intr-o conferinta comuna a Societatii Regale si a Societatii Regale de Astronomie s-a anuntat ca predictiile lui Einstein, bazate pe teoria generala a relativitatii, au fost confirmate. Curand, vestea despre acest succes – o schimbare radicala a conceptiilor anterioare asupra spatiului si timpului – a depasit granitele comunitatii stiintifice, facand din Einstein o celebritate mondiala.

Frumusetea teoriei lui Einstein

Principala forta de atractie a teoriei lui Einstein e simplitatea ei, coerenta logica si desigur sentimentul de inevitabil pe care ni-l da teoria. Atat teoria lui Einstein, cat si cea a lui Newton despre gravitatie implica ecuatii care descriu fortele gravitationale produse de orice cantitate data de materie. In teoria lui Newton exista trei asemenea ecuatii(corespunzand celor trei dimensiuni ale spatiului), in teoria lui Einstein sunt paisprezece. Acest fapt in sine nu poate fi considerat un avantaj estetic al teoriei lui Newton fata de cea a lui Einstein. Teoria lui Einstein e mai frumoasa decat teoria lui Newton datorita simplitatii ideii centrale privind echivalenta dintre gravitatie si acceleratie: forta de gravitatie este resimtita la fel ca forta datorita acceleratiei. Einstein a transformat aceasta observatie banala, pe care orice copil de scoala o poate intelege, intr-unul din cele mai importante principii ale fizicii:principiul echivalentei dintre gravitatie si acceleratie, sau mai simplu:principiul echivalentei. Din acesta el a dedus legile care guverneaza toate fenomenele dintr-un camp gravitational, ca si ecuatiile pentru geometria neeuclidiana a spatiu-timp. Totul este cuprins in cateva ecuatii, ecuatiile lui Einstein, cu o valabilitate universala. Cu ecuatiile sale elegante, un element de unicitate si capacitatea de a descrie multe fenomene, teoria generala a relativitatii este cea mai frumoasa teorie fizica conceputa pana acum. Dar, dupa cum am vazut, nu doar continutul unei teorii-ce spune ea despre lume-o face frumoasa, ci si forma in care sunt scrise ecuatiile, ba chiar si rationamentul care a dus la descoperirea ei. Ascultand o piesa muzicala sau privind o pictura simtim o placere estetica intensa data de senzatia ca nimic din lucrare nu poate fi schimbat,fiecare nota din partitura sau fiecare culoare din pictura se afla la locul potrivit. Acelasi lucru e adevarat despre relativitatea generala. Odata ce cunosti principiile fizice generale adoptate de Einstein, intelegi ca el nu putea fi condus spre o alta teorie a gravitatiei semnificativ diferita. Recunoasterea faptului ca gravitatia si miscarea accelerata sunt profund legate este ideea-cheie pe care a avut-o Einstein in acea zi fericita, in biroul de brevete si inventii din Berna. Ce a descoperit Einstein a fost ca, aflandu-ne in interiorul unui compartiment de tren, nu vom fi in stare sa deosebim aceste miscari acelerate de cele in care nu exista acceleratie, dar exista gravitatie. Cand marimile lor sunt reglate corespunzator, forta pe care o simti provocata de un camp gravitational si cea provocata de o miscare accelerata sunt imposibil de distins.Asa cum am spus, Einstein a numit aceasta indiscemabilitate dintre miscarea accelerata si gravitatie principiul echivalentei. El joaca un rol central in teoria generala a relativitatii. Relativitatea generala desavarseste demersul relativitatii speciale. In teoria speciala a relativitatii, principiul relativitatii proclama democratia in randul punctelor de vedere: legile fizicii apar identice tuturor observatorilor aflati in miscare cu viteza constanta. Dar aceasta e o democratie limitata, pentru ca exclude un numar enorm de alte puncte de vedere – cele ale indivizilor accelerati. Ideea lui Einstein din 1907 ne arata cum putem imbratisa toate punctele de vedere – miscare uniforma si miscare accelerata – intr-un cadru egalitar. Atat timp cat nu exista nici o diferenta intre punctual de vedere al unui observator accelerat, fara camp gravitational, si un punct de vedere al unui observator fara acceleratie, dar cu camp gravitational, putem adopta ultima perspectiva si declara ca toti observatorii, indiferent de starea lor de miscare, pot sustine ca sunt stationari si ca „restul lumii se misca pe langa ei “, atat timp cat includ un camp gravitational corespunzator in descrierea mediului care ii inconjoara. In sensul acesta, prin includerea gravitatiei, relativitatea generala ne asigura ca toate punctele de vedere posibile se afla pe picior de egalitate.

In forma sa finala, teoria relativitatii generale era doar o reinterpretare a matematicii deja existente a spatiilor curbe in termenii gravitatiei, impreuna cu o ecuatie de camp care preciza curbura produsa de orice cantitate de materie si energie. Manualele de fizica sustin ca odata ce ai ineles tensorul de curbura esti foarte aproape de teoria gravitatiei a lui Einstein.

E foarte straniu ca matematicienii sunt calauziti de simtul lor estetic spre elaborarea unor structuri formale pe care fizicienii abia mai tarziu le gasesc utile, chia daca matematicienii nu s-au gandit  vreodata la un asemenea scop. Ma refer acum la teoria spatiilor curbe elaborate de Riemann, dar acelasi lucru se poate spune si de teoria grupurilor ( grupurile Lie, etc…..)cu ajutorul carora pot fi catalogate toate simetriile legilor naturii .Cum poate un matematician, condus de simtul sau estetic, sa ajunga la structuri care se dovedesc valoroase pentru fizicieni abia decenii sau secole mai tarziu, chiar daca matematicianul s-ar putea sa nu fi fost deloc interest aplicatiile din fizica? Intr-un bine cunoscut eseu, fizicianul Eugene Wigner numeste acest fenomen “Eficacitatea Irationala a Matematicii “. In general fizicienii considera absolut bizara capacitatea matematicienilor de a anticipa matematica necesara teoriilor fizice.

Saltul facut de Einstein e inegalabil, o lovitura de geniu, aratand ca spatiul-timp e un camp. Lumea e alcatuita din campuri si particule, spatiul si timpul nu este ceva separate de ele, diferit de restul naturii, sunt pur si simplu un camp printre celelelte. Spatiul-timp si campul gravitational reprezinta unu si acelasi lucru. Este o simplificare impresionanta a lumii. Spatiul nu mai este ceva diferit de materie. E una din componentele “materiale” ale lumii, inrudita cu campul electromagnetic. Este o entitate reala care se onduleaza, se pliaza , se curbeaza, se rasuceste. Noi nu suntem continuti intr-un esafodaj rigid, ci scufundati intr-o imensa molusca flexibila (metafora lui Einstein).

Teoria relativitatii generale este o teorie frumoasa si eleganta deoarece prezice atat de mult plecand de la foarte putin. Si fizicienilor le place ca axiomele lor sa fie simple si in numar mic. Ce nu e absolut necesar este neelegant. O teorie eleganta trebuie sa fie exprimata printr-un numar mic de ecuatii, fiecare dintre ele fiind simplu de scris. Ecuatiile lungi, cu prea multe simboluri, sunt un semn al unei teorii neelegante, sau poate al unei teorii exprimate stangaci.

Exista capodopere care ne emotioneaza intens, Recviemul lui Mozard, Capela Sixtina, Regele Lear. Pentru a ajunge sa le apreciezi splendoarea e nevoie de o lunga ucenicie. Dar rasplata este darul frumusetii pure. O noua versiune asupra lumii. Relativitatea generala a lui Einstein este una dintre aceste capodopere. E nevoie de o perioada de invatare pentru a intelege matematica lui Riemann si a stapani tehnica prin care putem citi in integralitatea sa ecuatia lui Einstein. Marea fizica e aidoma marii muzici: vorbeste direct sufletului si ne deschide ochii catre frumusete.

Teoria generala a relativitatii este cea mai frumoasa teorie din fizica. Este o teorie cu adevarat superba! Eu nu cunosc sa existe vreo teorie fundamentala in oricare alta stiinta care ar putea sa intre in aceasta categoria de teorie superba. Poate ca teoria selectiei naturale, propusa de Darwin (mutatia intamplatoare si competitia), ar fi potrivita acestei categorii, dar se situeaza totusi la o distanta apreciabila. Nu sunt biolog dar as indrasni sa formulez o opinie referitoare la aceasta teorie. Darwin si Wallance, ca nimeni alti inaintea lor, au fost primii savanti care au furnizat despre existenta noastra explicatii care eliminau complet agentii supranaturali. Doua legi naturale stau la baza evolutiei darwiniene. Prima e ca reproducerea informatiei nu este niciodata perfecta. Chiar si cele mai bune mecanisme de reproducere fac din cand in cand mici erori. Replicarea AND-ului nu face exceptie. Desi a trebuit sa treaca inca un secol pana cand Crick si Watson sa descopere spirala dubla, Darwin a inteles intuitiv ca mutatile intamplatoare acumulate constituie motorul care pune in miscare evolutia. Majoritatea mutatiilor sunt nefaste, dar din cand in cand, din pura intamplare, se produce o mutatie benefica. Al doilea pilon al teoriei intuitive a lui Darwin afost pricipiul competitiei: invingatorul reuseste sa se imulteasca. Genele mai bune prospera;genele inferioare dispar. Aceste doua idei simple au explicat cum s-a putut forma viata complexa si chiar inteligenta fara nici o interventie supranaturala. Odata idepartata magia din originea fiintelor vii, calea catre o explicatie stiintifica a creatiei a fost deschisa. Stim acum, cel putin in linii mari, sa descriem istoria si intamplarile neprevazute care au dus la aparitia noastra aici. Darwin si Wallance au stabilit un cadru nu numai pentru stiintele vietii, ci si pentru cosmologie. Legile care guverneaza nasterea si evolutia universului trebuie sa fie aceleasi cu legile care guverneaza caderea pietrelor, chimia si fizica nucleara a elementelor si fizica particulelor elementare. Ele ne-au eliberat de supranatural, aratand ca viata complexa si chiar viata inteligenta ar putea aparea din intamplare, prin competitie si cauze naturale.

       Einstein si-a dat seama de modul prin care sunt legate Intre ele masa, gravitatia si energia. Din pacate, el nu a avut sansa sa afle raspunsul la Intrebarea: de ce este masa o proprietate intrinseca a corpurilor. Fizica moderna a particulelor elementare este cea care ne-a dat raspunsul la aceasta Intrebare In anul 2012 atunci cand bosonul Higgs a fost, In cele din urma, descoperit. Particulele care se misca cu viteza luminii nu pot avea masa, de aceea fizicienii spun ca un camp Higgs este necesar pentru “a le da masa particulelor elementare”.

Sistemul de pozitionare GPS pe care il accesam de pe smartphone sau din automobil comunica cu satelitii ale caror dispozitive interne de sincronizare iau in mod curent cunostiinta de curbura spatiu-timp (si de ecuatiile relativitatii) pe care o inregistreaza satelitii pe orbita lor de deasupra Pamantului. Daca satelitii n-ar face acest lucru, indicatiile referitoare la pozitie pe care le genereaza ar deveni rapid incorecte. Geometria lui Euclid predata elevilor timp de doua milenii se aplica cu success numai datorita faptului ca la suprafata Pamantului campul gravitational e destul de slab, asa incat spatiul in care traim nu are o curbura observabila. Euclid folosind experienta unei vieti traite in campul gravitational slab al Alexandriei elenistice a creat o teorie a spatiului necurbat. A trebuit sa vina Einstein sa ne arate ca la scara universului spatiul este curbat si gemetria lui Euclid trebuie inlocuita cu geometria neeuclidiana a lui Lobacevscki, Rieman si Bolyai.

Atomul si particulele subatomice

La un nivel mai prfund, particulele sunt inlocuite de campuri. Campurile

cuantice produc particule. Campurile domnesc.

       Cand la Abdera, nu departe de tarmul Marii Egee, Leucip si Democrit faceau speculatii asupra existentei atomilor, acesti filozofi presocratici nu puteau banui ca vor trece 2300 de ani pana la punerea directa in evidenta a existentei atomilor.

Argumentele cruciale care i-au facut pe oameni sa accepte existenta atomilor au fost formulate la inceputul secolului trecut pentru a rezolva paradoxurile si contradictiile ce decurgeau din presupunerea ca materia si radiatia ar fi continue. Aceste argumente cruciale care dovedesc existenta atomilor tin de intelegerea legilor care guverneaza caldura, temperatura si entropia, parte a fizicii numita termodinamica.Pana in 1905 multi dintre fizicieni gandeau ca materia este continua sau ca intrebarea despre existenta atomilor nu tine de domeniul stiintei, deoarece, chiar daca ar exista, atomii ar ramane pentru totdeauna neobservabili. Acesti cercetatori au dezvoltat legile termodinamicii intr-o forma care nu facea referire la atomi si la miscarile lor. Ei nu credeau in definitile temperaturii si entropiei asa cum le stim acum: temperatura este o masura a energiei miscarii dezordonate a atomilor si entropia o masura a informatiei. Ei intelegeau temperatura si entropia ca fiind propietati esentiale ale materiei:materia era doar un fluid sau o substanta continua, iar temperatura si entropia erau propietatile ei de baza. E drept, chimistii descoperisera ca diferite subsatante se combina in proportii fixate, ceea ce ar fi trebuit sa sugereze existenta atomilor. Cum am putea intelege mai bine dizolvarea unei bucati de sare intr-un pahar cu apa decat presupunand ca atomii din care e compusa sarea se imprastie in spatiile goale dintre atomii apei?

Dovada definitive a asa-numitei “ipoteze atomiste”, potrivit careia materia e alcatuita din atomi a trebuit sa astepte pana in 1905. Aceasta dovada definitiva a ipotezei atomiste a lui Leucip si Democrit a fost gasita de un tanar de douazeci si cinci de ani, care studiase fizica, dar nu reusise sa gaseasca de lucru ca fizician, traind in consecinta din modestul salariu de functionar al Biroului de Brevete din Berna. Numele tanarului este, evident, Albert Einstein. La douzeci si cinci de ani, Einstein scrie si expediaza trei articole la cea mai prestigioasa revista de fizica a vremii, Annalen der Physik. Fiecare dintre ele ar fi meritat un premiu Nobel, ba chiar mai mult. Fiecare reprezinta un pilon al felului in care intelegem astazi lumea. Primul dintre ele cuprindea dovada definitive ca atomii exista si le calcula dimensiunea, rezolvand definitiv problema ridicata de Leucip si Democrit cu doua mii trei sute de ani inainte. Cum a procedat Einstein? Ideea este incredibil de simpla. E vorba de miscarea in zigzag a particulelor foarte mici, cum ar fi un firicel de praf sau un graunte de polen, suspendate in aer sau intr-un lichid. E ca si cum particulele ar primii lovituri la intamplare din toate partile. Ele oscileaza fiindca sunt izbite de moleculele individuale ale aerului sau ale lichidului, care lovesc particulele cand din stanga, cand din dreapta. Pornind de la observarea miscarii grauntelor in fluide, de la masurarea deplasarii lor, adica a miscarii lor dintr-o anumita pozitie, Einstein a calculat dimensiunea atomilor lui Democrit, a grautelor elementare din care e alcatuita materia, oferind dovada definitiva a corectitudinii principalei intuitii a lui Democrit: materia este granulara, materia este alcatuita din atomi.

Al doilea aricol, scris si trimis de Einstein la Annalen der Physik, este cel care i-a facut faima: e articolul prin care introduce teoria speciala a relativitatii (numita si “teoria relativitatii restranse”), iar despre teoria speciala relativitatii am vorbit in capitolul precedent. Relativitatea restransa este o clarificare importanta a structurii spatiului si timpului. Dar cea mai insemnata teorie a lui Einstein este relativitatea generala.

Al treilea articol, scris si trimis de Einstein in 1905 la Annalen der Physik, reprezinta adevarata nastere a mecanicii cuantice. Albert Einstein a inteles ca “pachetele de energie”, introduce de Max Planck in 1900, pentru a calcula campul electric aflat in echilibru in interiorul unei cutii inchise, sunt reale. In articol Einstein arata ca lumina este intr-adevar alcatuita din granule, din particule de lumina. O face plecand de la un fenomen ciudat observant cu putin timp in urma: efectul fotoelectric. Initial ideea lui Einstein e socotita de colegi o trasnaie de tinerete. Toti in lauda pentru teoria relativitatii, dar considera notiunea de foton o fantasmagorie. Oamenii de stiinta abia se convinsesera ca lumina e o unda a campului electromagnetic, cum putea fi alcatuita din granule? La scurt timp, aceiasi colegi ii vor decerna Premilul Nobel tocmai pentru intelegerea faptului ca fotonii exista. La sacara mica, lumina cade pe o suprafata ca o ploie usoara de particule.

La sfarsitul secolului al XIX-lea ideea de atom a devenit familiara pentru cea mai mare parte a oamenilor de stiinta-familiara, dar nu inca universal acceptata. Totul s-a schimbat in primele decenii ale secolului XX prin descoperirea constituentilor atomului, electronul si nucleul atomic-descoperiri care au infirmat vechea idee ca atomii ar fi indivizibili.

Electronul este prima din particulele elementare care a fost identificata in mod clar. Este deasemenea de departe cea mai usoara particula elementara(in afara catorva tipuri de particule neutre din punct de vedere electric, care au masa mai mica sau nu au masa deloc) si una din putinele particule care nu se pot dezintegra in alte particule. Ca o consecinta a masei mici, a sarcinii si a stabilitatii, electronul are o importanta unica in fizica, chimie si biologie. Curentul electric printr-un fir conductor nu e altceva decat un flux de electroni. Descoperirea electronului este atribuita fizicianului englez Sir Joseph Jon Thomson care a primit premilul Nobel in 1906 si acum isi are locul de veci la Westmister Abbey, nu departe de Newton si Rutherford. Ca sa afle ceva cantitativ despre natura misterioaselor particule incarcate negativ ale razelor catodice,Thomson a masurat cu cat erau deviate aceste raze de forte electrice si magnetice. Thomson a folosit legea doua a lui Newton pentru a obtine o formula generala care sa-i permita sa interpreteze masuratorile privind devierea razelor catodice, produsa in experimentul sau de diverse forte electrice si magnetice. Atomii sunt neutri din punct de vedere electric,dar electronii descoperiti de Thomson au sarcina electrica negativa. Prin urmare, daca atomii contin electroni , ei trebuie sa contina si un alt material cu sarcina electrica pozitiva, pentru a compensa sarcina negativa a electronilor. Marea problema dupa descoperirea electronilor a fost identificarea materialului cu sarcina pozitiva si descrierea modului in care acesta si electronii sunt aranjati in atom.

Nucleul atomic a fost descoperit in experimentele efectuate la Universitatea din Manchester in 1910-1911 sub conducerea fizicianului Ernest Rutherford. In aceste experimente un fascicul de particule cu energie mare (particule alfa emise de radiu, nu existau mari acceleratoare ca astazi) a fost dirijat asupra unei foite subtiri de aur si s-a dedus distributia sarcinii electrice in atomii foitei din probabilitatea ca particulele sa fie imprastiate la diferite unghiuri de catre aceasta. Astfel Rutherford a reusit sa rezolve problema dispunerii sarcinii electrice in interiorul atomului:sarcina pozitiva este concentrata intr-un nucleu de dimensiuni mici, in jurul caruia se invart electronii.

Rezultatele lui Rutherford au ridicat insa intrebari la fel de grele ca si cele la care deja raspunsese. Ce anume determina dimensiunile si energiile orbitelor electronilor din atomi? De ce electronii care se rotesc pe orbite nu emit unde electromagnetice? Ce anume determina dimensiunile si energiile orbitelor electronilor din atomi? De ce electronii care se rotesc pe orbite nu emit unde electromagnetice?

Acestor intrebari nu li se putea da un raspuns in contextul fizicii teoretice de la acel moment, dar un prim pas a fost facut de tanarul fizician danez Niels Hendrik David Bohr, care l-a vizitat pe Rutherford la Manchester in 1912. Bohr a emis ipoteza ca atomii si moleculele pot exista doar in anumite stari, configuratii stabile avand energii bine definite. Desi atomii sunt deseori asemuiti unor mici sisteme solare, exista o diferenta fundamental. In sistemul solar, orcarei planete i s-ar putea creste ori scadea putin energia, mutand-o ceva mai aproape sau mai departe de Soare, dar starile unui atom sunt discrete-nu putem modifica energiile atomilor decat cu cantitati bine definite. In mod normal un atom sau o molecula se afla in starea cu energia cea mai joasa. Cand absoarbe lumina, atomul sau molecula sare dintr-o stare de energie mai joasa intr-una de energie mai inalta(si invers cand emite lumina). Einstein a inteles pentru prima data ca o raza de lumina este un flux alcatuit dintr-un numar imens de particule numite fotoni. Fotonii nu au masa sau sarcina electrica, dar fiecare are o anumita energie, invers proportional cu lungimea de unda a luminii. Considerate impreuna aceste idei ale lui Bohr si Einstein ne arata ca lumina poate fi absorbita de un atom sau o molecula numai daca lungimea de unda a luminii are anumite valori.

De ce atomii si moleculele se afla in stari discrete, fiecare cu o energie bine definite? De ce anumite stari ale atomilor si moleculelor sunt extrem de usor de atins prin absorbtia fotonilor? Nu a fost posibil un raspuns la aceste intrebari decat dupa dezvoltarea mecanicii cuantice. Astfel lucrarile lui Bohr au condus in mod direct la dezvoltarea mecanicii cuantice din anii 1920. Particulele dintr-un atom sau molecula sunt descrise in mecanica cuantica prin asa-numita functie de unda. Functia de unda se comporta asemanator undei luminoase sau sonore, dar amplitudinea ei (de fapt patratul amplitudinii) corespunde probabilitatii de a gasi particulele  intr-o pozitie data. Cand ecuatiile mecanicii cuantice sunt aplicate atomului de cupru (spre exemplu) se dovedeste ca unul din electronii de pe o orbita exterioara de energie inalta a atomului e slab legat si poate sari usor prin absorbtia luminii vizibile pe urmatoarea orbita. Calculele mecanicii cuantice arata ca diferenta dintre energiile atomului de cupru in cele doua stari este de 2 volti, exact energia unui foton corespunzand  luminii rosii-portocalii.

Din studiul culorilor luminii pe care o emit atomii putem obtine informatii bogate si detaliate despre felul in care funtioneaza acestia. Iata cum stau lucrurile: un atom poate exista in stari cu energie totala diferita. Datorita conditiei cuantice, energiile permise alcatuiesc un tipar de valori discrete. Stari cu energie mai inalta se pot dezintegra in stari cu energie mai joasa, fiind emis un foton. Energia fotonului reprezinta diferenta de energie intre starile atomice initia la si finala. Asa cum ne-au invatat Planck si Einstein, energia unui foton e legata de frecventa lui-altfel spus de culoarea lui. Iar asta se poate masura usor. Ansamblul culorilor emise de un atom se numeste spectru. Studiul spectrelor se numeste spectroscopie. Spectroscopia este unul dintre cele mai puternice instrumente prin care putem comunica cu Natura.

Complexitatea ordonata a spectrelor atomice e un dar pentru cunoasterea umana. De vreme ce fiecare tip distinct de atom emite un tipar de lumina distinct, spectrele atomice formeaza un fel de semnatura sau amprenta. Asfel, doar analizan culorile din spectrul de lumina putem discerne identitatea atomilor aflati la mare distanta de noi in spatiu si timp. Spectroscopia ne permite sa testam fundamentele lumii fizice. Si din moment ce astrofizicienii au vazut aceleasi spectre atomice pretutindeni si mereu in univers, deducem ca aceleasi legi actioneaza asupra acelorasi materiale elementaare pretutindeni in univers si in tot cursul istoriei lui.

           O vreme, multi fizicieni au crezut ca protonii, electronii si neutronii sunt cele mai mici particule. Dar, In 1968, experimentatorii de la Centrul Acceleratorului Liniar de la Stanford, folosindu-se de capacitatea sporita a tehnologiei de a sonda adancimile microscopice ale materiei, au descoperit ca nici protonii si nici neutronii nu sunt fundamentali. Ei au aratat ca fiecare dintre acestia constau din cate trei particule mai mici numite cuarci. Experimentatorii au confirmat ca exista doua tipuri de cuarci, numiti cu mult mai putina fantezie „up” (sus) si „down” (jos). Cuarcii au sarcini egale cu 1/3 si 3/4 din sarcina electronului. Verificarea experimentala la aceleratorul de la Stanford s-a facut prin ciocnirea electronilor cu protoni. Astfel s-a descoperit ca electronii se imprstie ca si cum fiecare proton ar fi alcatuit din trei “sarcini punctiforme” care poarta o fractiune de 2/3, 2/3, si respectiv -1/3 din sarcina totala. Un proton este constituit din doi cuarci up si un cuarc down, iar un neutron, din doi cuarci down si un cuarc up. Tot ce se vede pe Pamant si pe cerul de deasupra noastra pare sa fie alcatuit din combinatii de electroni, cuarci up si cuarci down. Nu exista nici o dovada experimentala ca aceste particule ar fi compuse din ceva mai mic.

Pe de alta parte, exista o multime de dovezi ca universul contine mai multe tipuri de particule. Frederick Reines si Clyde Cowan au obtinut dovezi experimentale concludente privind existenta unei a patra particule fundamentale, numita neutrin – o particula a carei existenta fusese prezisa Inca de la Inceputul anilor 1930 de Wolfgang Pauli. Experimentatorii au observant ca particulele alfa si razele gamma erau emise cu energii precise, ceea ce era perfect logic daca acele energii erau egale cu diferenta de energie dintre starile initiala si finala a nucleului. Surpriza era in cazul particulelor beta care, spre deosebire de verii lor, ele nu erau emise cu o energie precisa, ci cu un spectru continuu de energii. Pauli, in lucrarea sa despre dezintegrarea beta, arata ca, chiar daca intr-o dezintegrare beta e disponibila o cantitate fixa de energie, faptul ca electronul emis din nucleu nu are o cantitate fixa de energie poate fi explicat daca el o imparte cu o particula necunoscuta pana atunci si care mai apoi a fost numita neutrin. Pauli a aratat nu doar ca neutrinul nu are sarcina electrica, are o masa extrem de mica si interactioneaza foarte rar cu materia obisnuita, el a postulat de asemenea ca are spinul ½.Niciodata pana atunci in istoria fizicii nu prezisese cineva existenta unei noi entitati, care sa rezolve atatea probleme simultan si ale carei caracteristici-spin, sarcina electrica, masa si capacitate de a penetra- sa poata fi determinate experimental cu atata precizie.

Neutrinii s-au dovedit a fi foarte greu de gasit, deoarece sunt particule fantomatice care interactioneaza foarte rar cu alta materie: un neutrin de energie medie poate trece cu usurinta prin multe milioane de milioane de kilometrii de plumb, fara sa-i fie afectata In vreun fel miscarea. Chiar daca oxigenul, carbonul si celelalte elemente s-au format in interiorul stelelor, a trebuit ca ele sa iasa de acolo pentru  a oferi materia pentru plante si viata. In mod evident nu putem trai in miezul fierbinte al stelelor. Cum a reusit sa iasa aceasta materie din interiorul stelelor? Raspunsul e ca aceasta materie a fost expulzata violent in exploziile devastatoare ale supernovelor. Pentru asta supernovele au nevoie de neutrin.

Exploziile supernovelor sunt ele insele fenomene remarcabile. Cand o stea masiva ajunge la capatul vietii, ea isi epuizeaza combustibilul care genereaza caldura interna necesara pentru a se opune gravitatiei care incearca sa o striveasca. In timp ce miezul se contracta catastrofal, incalzindu-se la o temperatura feroce, elementele sintetizate prin reactii nucleare de-a lungul vietii stelei se dezagrega in protoni, neutroni si electroni. Electronii sunt presati in protoni pentru a crea o sfera supradensa numita “miez neutronic”, proces care elibereaza un tsunami de neutrino. In afara de protoni, neutroni, electroni, fotoni si gravitatie, supernovele au nevoie si de o alta particula-fantomaticul neutrin.Atunci cand evadeaza din steaua care se contracta, neutrinii creeaza o presiune care impinge elementele din fata lor. Neutrinii sunt cei care transforma implozia miezului intr-o explozie de supernova, explzand in spatiul invelisul exterior al stelei. Fara neutrini, elementele esentiale ale vietii ar ramane zavorate in interiorul stelelor. Si, din fericire, lista particulelor elementare se intampla sa includa neutrinul cu propietatile potrivite!

Enrico Fermi, care s-a dovedit a fi cel mai mare om de stiinta italian de la Galilei incoace, a foast captivat de ideea lui Pauli, nu doar fiinca rezolva problema spectrului energiei particulelor beta, dar fiinca lamurea si problema spinului. Fizicienii descoperisera ca particulele subatomice se comporta ca si cum s-ar rotii in jurul axei lor, desi nu e cazul. La fel ca toate celelelte lucruri din taramul cuantic, si spinul exista in farame indivizibile, sau “cuante”. Deoarece o sarcina in rotatie actioneaza ca un minuscul magnet, spinul unei particule poate fi dedus din modul in care ea e deviata intr-un camp magnetic. Protonul, electronul si neutronul se dovedesc a avea cu totii spinul ½. Ca semn distinctiv al comportamentului particulelor cu “spin semiantreg”, idee lamurita in principal de Fermi, ele au fost numite “fermioni”.

La publicarea ei in 1934, teoria dezintegrarii beta a lui Fermi a fost un mare trimf. Ea necestita existenta unei a treia forte fundamentale din natura, pe langa binecunoscutele forte gravitationala si electromagnetica. Noua interactiune pe care Fermi a botezat-o “forta slaba”, actioneaza doar pe distante foarte scurte in interiorul nucleului atomic. Ea actioneaza transformand un neutron din nucleu in proton, cu crearea simultana a unui electron si a unui antineutrin. Teoria lui Fermi permite si procesul invers, in care un proton capteaza un neutrin si se transforma in neutron, cu emisia unui poazitron. Fermi a numit noua interactiune forta slaba. Ea este de aproximativ zece bilioane(10¹³)de ori mai slaba decat forta electromagnetica, cea care mentine laolalta atomii din corpurile noastre. In teoria cuantica, fortele fundamentale sunt create de schimbul particulelor purtatoare de forta. O forta slaba este prin urmare una in care schimbul de particule purtatoare de forta se produce foarte rar, iar o forta tare e una in care schimbul se produce frecvent. De aceea neutrinii, care sunt supusi fortei slabe, interactioneaza atat de rar cu alte particule.

Razele cosmice sunt nuclee de mare energie, in majoritate protoni, create in exploziile stelare si in alte evenimente cosmice violente. In straturile superioare ale atmosferei ele se ciocnesc cu nuclee atomice si creeaza particule “secundare”, care se revarsa apoi pin atmosfera ca o ploaie fina. Razele cosmice de energie mai scazuta provin din Soare, pe cand cele cu energie inalta provin probabil din supernove. Originea razelor cosmice de energie ultrainalta, particule cu energii de milioane de ori mai mari decat tot ce putem produce in present pe Pamant, este una din marile enigma nerezolvate ale astronomiei.

La sfarsitul anilor 1930, fizicienii care studiau razele cosmice (jeturi de particule venite din spatiu si care bombardeaza Pamantul) au descoperit particula numita miuon – identica cu electronul, dar avand o masa de 200 de ori mai mare. Folosind tehnologii din ce In ce mai avansate, fizicienii au continuat sa izbeasca una de alta bucati de materie, la energii din ce In ce mai Inalte, recreand pentru scurt timp conditii nemaiIntalnite de la marea explozie. Au cautat apoi printre schije noi ingredienti fundamentali, pentru a-i adauga la lista particulelor aflata In continua crestere. Iata ce au descoperit: Inca patru cuarci – charm (farmec), strange (straniu), bottom (baza) si top (varf) – si o alta ruda, si mai grea, a electronului, numita tau, Impreuna cu alte doua particule cu proprietati similare neutrinului (numite neutrinul miuonic si neutrinul taonic, pentru a le deosebi de neutrinul initial care acum se numeste neutrinul electronic). Aceste particule sunt produse prin ciocniri la energie Inalta, iar existenta lor este efemera; ele nu sunt printre constituentii tipici ai unui unui element Intalnit In mod obisnuit in univers. Dar nici acesta nu e sfarsitul povestii. Fiecare dintre aceste particule are un partener antiparticula o particula de masa identica, dar avand unele proprietati opuse, de exemplu sarcina electrica (sau sarcinile corespunzatoare altor tipuri de forte, prezentate mai jos). De exemplu antiparticula unui electron se numeste pozitron- are exact aceeasi masa ca electronul, Insa sarcina lui ectrica este + 1, In timp ce sarcina electrica a electronului este-1. Atunci cand vin In contact, materia si antimateria se pot anihila reciproc, producand energie pura – de aceea In lumea Inconjuratoare antiimateria apare extrem de rar. Fizicienii au identificat o schema careia i se supun aceste particule de materie Incadrandu-le cu precizie In trei grupari, numite: familii. Fiecare familie contine doi dintre cuarci, un electron sau o ruda a lui si una din speciile de neutrini. Tipurile de particule corespunzatoare fiecareia dintre cele trei familii au proprietati identice, cu exceptia masei, care creste de la o familie la alta. Rezultatul este ca acum fizicienii au sondat structura materiei pana la scari de ordinul unei miliardimi dintr-o miliardime de metru si au aratat ca tot ce s-a Intalnit pana acum – indiferent daca exista In mod natural sau este produs artificial cu ajutorul gigantelor acceleratoare de particule – consta dintr-o combinatie a particulelor din aceste trei familii si din partenerii lor antimaterie.

Lucrurile se complica si mai tare atunci cand luam In considerare si fortele din natura. Lumea din jurul nostru este plina de modalitati de exercitare a influentelor: mingile pot fi lovite cu bate, magnetii pot sustine trenuri foarte rapide suspendate deasupra sinelor metalice, contoarele Geiger pot ticai ca raspuns la prezenta unui material radioactiv, etc. Avem capacitatea de a influenta obiectele Impingandu-le, tragandu-le sau scuturandu-le; aruncand sau tragand In ele cu alte obiecte; Intinzandu-le, rasucindu-le sau strivindu-le; ori Inghetandu-le, Incalzindu-le sau arzandu-le. In cursul ultimei sute de ani, fizicienii au adunat dovezi peste dovezi ca toate aceste interactii dintre diverse obiecte si materiale, precum si alte milioane si milioane de alte interactii posibile Intalnite zilnic pot fi reduse la o combinatie de patru forte fundamentale. Una dintre ele este forta gravitationala. Celelalte trei sunt forta electromagnetica, forta slaba si forta tare.
       Gravitatia este cea mai familiara dintre forte, fiind raspunzatoare de pastrarea Pamantului pe orbita In jurul Soarelui si de mentinerea noastra cu picioarele ferm lipite de Pamant. Masa unui obiect masoara forta gravitationala pe care acesta o poate simti si exercita. Actionand intre particulele elementare, gravitatia este neglijabila. Dar cand sunt implicate multe particule, influenta ei se acumuleaza si ajunge sa domine interactiile dintre corpurile mari.

Forta electromagnetica (QED) este a doua dintre fortele cu care suntem obisnuiti. Ea este cea care ne aduce toate Inlesnirile vietii modeme – lumina, calculatorul, televizorul, telefoanele -, ea se afla In spatele puterii uluitoare a fulgerului si te face sa simti o usoara atingere de mana. Din punct de vedere microscopic, sarcina electrica a unei particule joaca acelasi rol pentru forta electromagnetica ca si masa pentru forta gravitationala: pentru ca determina capacitatea particulelor de a exercita sau de a raspunde la interactia electromagnetica. Forta electromagnetica mentine integritateaa atomilor si le determina structura. Ea descrie descrie deasemenea felul in care interactioneaza ei cu lumina.
      Fortele slabe si cele tari ne sunt mai putin familiare, pentru ca taria lor scade rapid cand este depasita scara subatomica; ele sunt fortele nucleare. Acesta este motivul pentru care aceste forte au fost doar de curand descoperite. Forta tare mentine integritatea nucleelor atomice si le determina structura. Forta tare (QCD) este cea care tine cuarcii strans „lipiti” In interiorul protonilor si neutronilor si mentine protonii si neutronii „Inghesuiti” In interiorul nucleelor atomice.

Forta slaba este In general cunoscuta ca fiind responsabila pentru descompunerea radioactiva a unor substante, cum ar fi uraniul si cobaltul. Forta nucleara slaba guverneaza procesele de transformare. Ea face ca anumite particule, altminteni stabile, sa se dezintegreze, asa cum se intampla in anumite forme de radioactivitate. Forta nucleara slaba face ca un neutron din nucleu sa se transforme in proton, in acelasi timp aparand un electron si o alta particula, numita azi antineutin, care sunt expulzate din nucleu. Acest lucru ( sa schimbi identitatea unor particule) nu e permis nici unui alt tip de forta.

Forta slaba nu leaga nici nu dezleaga lucrurile. Importanta ei consta in puterea de a transforma. Puterea ei transformatoare, generata tocmai de slabiciunea ei, ii confera un rol unic, esential in evolutia universului. Forta slaba reprezinta un fel de baterie cosmica de stocare, facand posibila eliberarea lenta a energiei cosmice. Ea mediaza interactiunile cu emisie de energie care fac sa straluceasca stelele, inclusive Soarele nostru.

Pentru a ne familiariza cu forta slaba, un bun punct de pornire e procesul de dezintegrare a neutronilor. Este unul dintre cele mai simple procese implicand forta slaba, dar si unul dintre cele mai importante. Neutronii izolati se dezintegraza cu un timp de injumatatire ceva mai mare de zece minute, aproape intotdeauna intr-un proton, un electron si un antineutrin. Dezintegraarea neutronilor o putem concepe ca pe transformare a neutronilor in protoni, cu eliberare de energie. Procesul care sta la baza dezinterarii neutronului e transformarea unui cuarc “down” intr-un cuarc “up”( plus un electron si un antineutrin).

Deci, forta slaba poate face lucruri pe care alte forte nu le pot face. Nici forta tare, nici forta electromagnetica, nici gravitatia nu pot scimba un tip de cuarc in alt tip de cuarc. Cum forta slaba poate transforma neutronii in protoni, dupa transformare, nou nucleu are un proton in plus si un neutron in minus fata de vechiul nucleu. De vreme ce numarul protonilor din nucleu determina caracterul electric al atomului, deci chimia lui, acest proces transforma atomul unui element chimic in atomul altui element chimic, cu eliberare de energie.

Soarele foloseste combustibil nuclear. Este un gigantic reactor de fuziune. Procesul nuclear de ardere care intretine Soarele e conversia hidrogenului in heliu. Un atom de hidrogen contine un proton si un electron. Un atom de heliu contine doi protoni, doi neutroni si doi electroni. In Soare un lant de reactii duce la conversia a patru atomi de hidrogen intr-un atom de heliu plus doi neutrini, eliberand energie. Intr-un nucleu de heliu exista o atractie puternica intre protoni si neutroni, datorita fortei tari. Prin unirea acestor piese separate se obtine multa energie. Astfel, protonii se pot transforma in neutroni legati, cu un surplus de energie. Forta tare furnizeaza atractiile care fac posibila arderea nucleara. Transformarile dintre protoni si neutroni, in ambele sensuri, au nevoie de forta slaba, ceea ce face ca dezintegrarea neutronilor in protoni sa fie un proces lent, la standarele fizicii particulelor. Forta slaba face cu putinta transformarile care permit arderea nucleara lenta. In ardrea nucleara din Soare, lentoarea fortei slabe e mult amplificata, dureaza in medie miliarde de ani pana cand protonii din Soare sunt convertiti in neutroni(legati). Asadar, din fericire rezerva de combustibil a Soarelui se va epuiza peste cateva miliarde de ani. Pe de alta parte, rezerva de hidrogen din Soare este atat de mare, incat chiar si aceasta ardere lenta e suficienta pentru ai mentine stralucirea.

In ultima suta de ani, fizicienii au descoperit doua caracteristici comune tuturor acestor forte. In primul rand la nivel microscopic, tuturor acestor forte li se asociaza cate o particula, pe care o putem considera ca fiind cel mai mic pachet de forta. Deci fortele dintre particule pot lua nastere doar prin schimbul altor particule. Mai mult, toate aceste particule sunt pachete de energie, sau cuante, ale diferitelor tipuri de campuri. Un camp cum este cel electric sau magnetic este un fel de tensiune in spatiu, asemanatoare diferitelor tipuri de tensiuni ce pot aparea intr-un carp solid, dar campul este o tensiune in spatiul insusi. Exista un anume tip de camp pentru fiecare specie de particula elementara. Exista un camp electronic ale carui cuante sunt electronii; exista un camp electromagnetic (constand din campurile electric si magnetic) ale carui cuante sunt fotonii. Neutrinii sunt pachete de energie ale campului neutrinic si asa mai departe. In teoria cuantica a campului toate particulele elementare sunt pachete de energie in diferite campuri.

Ecuatiile unei teorii a campului cum este modelul standard nu opereaza cu particule, ci cu campuri;particulele apar ca manifestari ale acestor campuri. De ce lumea e alcatuita exact din aceste campuri; campurile   electronului, cuarcilor, fotonului si asa mai departe? De ce natura asculta de principiile relativitatii si mecanicii cuantice? Imi pare rau aceste intrebari sunt inca fara raspuns. Daca trageti cu o raza laser – un „pistol cu raze electromagnetice”-, atunci declansati un suvoi de fotoni, care sunt cele mai mici pachete de forta electromagnetica. In mod similar, cei mai mici constituenti ai campurilor de forte slaba si tare sunt particulele numite bosonii de etalonare slaba si gluonii. Pana In 1984, experimentatorii stabilisera definitiv existenta si proprietatile detaliate ale acestor trei tipuri de particule de forta. Fizicienii considera ca si forta gravitationala are o particular asociata, gravitonul, Insa existenta lui nu a fost confirmata experimental pana acum. A doua caracteristica comuna celor patru tipuri de forte este aceea ca, asa cum masa unei particule determina modul In care ea este afectata de gravitatie si cum sarcina ei electrica determina cat de mult interactioneaza electromagnetic, particulele sunt Inzestrate cu anumite cantitati de „sarcina tare” sau de „sarcina slaba,” care determina modul In care sunt afectate de fortele tari si slabe. Dar, ca si In cazul maselor particulelor, dincolo de faptul ca experimentatorii au masurat cu atentie aceste proprietati, nimeni nu a putut explica de ce universul nostru este compus anume din aceste particule, cu aceste valori ale maselor si sarcinilor de forta.

In ciuda caracteristicilor comune, o examinare a fortelor fundamentale serveste doar la formularea Intrebarilor. De ce, de exemplu, exista patru forte fundamentale? De ce nu cinci, nu trei sau poate chiar numai una? De ce fortele au proprietati atat de diferite? De ce fortele tari si slabe sunt constranse sa actioneze doar la scara microscopica, In timp ce gravitatia si forta electromagnetica au o raza nelimitata de influenta? Si de ce exista asemenea diferente enorme Intre tariile intrinseci ale acestor forte? Pentru a Intelege semnificatia acestei ultime Intrebari, imaginati-va ca tineti un electron In mana stanga si un alt electron In mana dreapta si ca apropiati aceste doua particule identice Incarcate electric pana la o distanta foarte mica. Atractia gravitationala reciproca va apropia particulele, In timp ce respingerea electromagnetica va Incerca sa le Indeparteze. Care este mai puternica? Nu se compara: respingerea electromagnetica este de aproximativ un milion de miliard de miliard de miliard de miliard de ori (10⁴²) mai puternica! Singurul motiv pentru care forta electromagnetica nu copleseste total gravitatia In lumea din jurul nostru este ca majoritatea obiectelor sunt compuse din cantitati egale de sarcina electrica pozitiva si negativa, iar fortele acestora se anuleaza reciproc. Pe de alta parte, cum gravitatia este Intotdeauna atractiva, nu exista anulari analoge – mai multa materie Inseamna o forta gravitationala mai mare. Insa, din punct de vedere fundamental, gravitatia este o forta extrem de slaba. Acesta este motivul pentru care e atat de greu de confirmat experimental existenta gravitonului. Cautarea celui mai mic pachet al fortei celei mai slabe este o provocare uriasa pentru fizicieni . Experimentele au mai aratat ca forta tare este cam de o suta de ori mai puternica decat forta electromagnetica si de o suta de mii de ori mai puternica decat forta slaba. Dar care este ratiunea – asa-numita raison d ‘etre – pentru care universul nostru are aceste caracteristici? Universul ar fi cu totul diferit daca proprietatile particulelor de materie si de forta ar fi doar usor modificate. De exemplu, existenta nucleelor stabile care alcatuiesc cele o suta si ceva de elemente ale tabelului periodic depind critic de raportul dintre puterea fortei tari si cea a fortei electromagnetice. Protonii Inghesuiti In nucleele atomice se resping electromagnetic unul pe altul; din fericire, forta tare care actioneaza asupra cuarcilor constituenti anihileaza aceasta respingere si mentine protonii strans legati. Dar o schimbare relativ de mica In taria relativa a acestor doua forte ar perturba echilibrul existent si ar face ca majoritatea nucleelor atomice sa se dezintegreze. Mai mult, daca masa lor ar fi doar de cateva ori mai mare decat este In realitate, electronii si protonii s-ar combina formand neutroni, devorand nucleele de hidrogen (cel mai simplu element din cosmos, al carui nucleu consta dintr-un singur proton) si Impiedicand astfel formarea elementelor mai complexe. Stelele se bazeaza pe fuziunea nucleelor stabile, asa ca ele nu s-ar mai putea forma In cazul unor asemenea modificari In fizica fundamentala. Taria fortei gravitationale joaca si ea un rol. Zdrobitoarea densitate a materiei din miezul unei stele alimenteaza furnalul nuclear al acesteia si da nastere orbitoarei lumini stelare. Daca taria fortei gravitationale ar creste, bulgarele stelar s-ar strange mai mult, producand o crestere semnificativa a ratei reactiilor nucleare. Dar, la fel cum o flacara stralucitoare Isi epuizeaza combustibilul mai rapid decat o lumanare care arde Incet, o crestere a ratei reactiilor nucleare ar face ca stele precum Soarele sa arda mult mai rapid, iar acest lucru ar avea un efect devastator asupra aparitiei vietii, asa cum o cunoastem noi. Pe de alta parte, daca taria fortei gravitationale ar scadea semnificativ, materia nu s-ar mai lega, iar formarea stelelor, planetelor si galaxiilor nu ar mai putea avea loc. Am putea continua, dar ideea e clara: universul este asa cum este pentru ca particulele de materie si de forta au proprietatile pe care le au. Dar oare se poate explica stiintific de ce au ele aceste proprietati?

Fara indoiala, lista particulelor elementare nu este limitata la cele care formeaza atomii obisnuiti: electronul, protonul si neutronul. Cea de-a doua jumatate a secolului XX a fost martorul descoperirii multor noi tipuri de particule elementare. Aceste descoperiri nu numai ca au sporit catalogul particulelor,dar au produs si o revolutie in ce priveste insusi conceptul de particula elementara. Adevaratul scop spre care se indreapata studiile experimentale si teoretice asupra particulelor elementare nu este acela de a face o lista a particulelor si a propietatilor lor, ci acela de a intelege principiile fundamentale care fac ca natura-particulele, nucleele, atomii, pietrele si stelele-sa fie asa cum e. Studiul particulelor elementare este cea mai buna si poate singura cale spre legile fundamentale ale naturii.

Asadar, ingredientele noastre elementare nu sunt corpuri solide. Desi e convenabil sa le numim “particule elementare”, ele nu sunt de fapt particule. Au putine in comun cu ceeace numim particule. Ingredientele noastre fundamentale nu au dimensiune sau forma intrinsece. Daca vrem neaparat sa le vizualizam, trebuie sa ne inchipuim niste puncte fara structura in care sunt concentrate masa, sarcina si spinul.

Potrivit nivelului atins in present de cunoasterea stiintifica, propietatile primare ale materiei, din care deriva toate celelalte propietati, sunt urmatoarele: masa, sarcina, spinul. Asta e tot.

In lista particulelor de constructive trebuie sa adaugam si gravitonul. Gravitonul este particula din care sunt alcatuite campurile gravitationale. Fotonii mentin laolalta atomii si moleculele; gluonii mentin laolalta cuarcii, protonii si nucleele atomice; gravitonii mentin laaolalta planetele, stelele, galaxiile si, in general corpurile mari.

In cazul cuarcilor lucrul cel mai important de retinutc e ca, desi masa lor e mare in comparatie cu cea a electronilor, e foarte mica in compratie cu masa protonilor sau a neutronilor. Poate parea paradoxal ca masa protonilor e mult mai mare decat masa componentelor lor. Aici se ascunde o infaptuire mareata in cunoasterea Naturii: intelegerea faptului ca masa noastra isi are origine in energie. Cuarcii au mase foarte mici, iar gluonii au mase zero. Dar ei se misca foarte repede in interiorul protonilor, astfel incat au energie.Toata aceasta energie se insumeaza. Cand energia acumulata e incapsulata intr-un obiect aflat in repaus, cum este protonul in ansamblul lui, atunci obiectul are masa m=E/mc². Asta explica aproape intreaga masa a protonilor si neutronilor, ca produs ale energiei pure. La randul ei, aproape toata masa oamenilor e data de insumarea maselor protonilor si neutronilor pe care ii contine, deci produsul energiei pure.

Una din cele mai mari descoperiri ce au inaugurat fizica secolului XX a fost descoperirea radioactivitatii. Cercetarile lui Rutherford, Antoine Henri Becquerel si ale sotilor Marie si Piere Curie au aratat ca anumite elemente ca uranium, toriu, radiu (numite elemente radioactive) emit doua feluri de radiatii pe care le-au numit raze alfa si raze beta. Becquerel, folosind metoda lui Thomson, a constatat ca razele beta sunt deviate de campul magnetic in acelasi sens ca si razele catodice si masurand raportul masa/sarcina a gasit o valoare apropiata de cea gasita de Thomson pentru electroni. Era clar ca razele beta erau defapt electroni, insa electroni cu viteze mult mai mari decat cei din razele catodice. Identificarea razelor alfa cu ionii de heliu (de fapt, nuclee de heliu) a fost sugerata lui Rutherford de faptul ca heliul era asociat cu materialele radioactive. Pe atunci Rutherford nu stia, dar motivul pentru care particulele alfa sunt in mod obisnuit emise de atomii radioactivi este acelasi cu motivul pentru care heliul e un element frecvent in universul nostru:nucleul de heliu este de departe cel mai strans legat dintre nucleele atomice usoare. Cel de al treilea tip de radioactivitate era reprezentat de raze foarte penetrante (ca si razele beta si razele X), dar care (ca si razele alfa si razele X) nu pot fi deviate usor de un camp magnetic. Rutherford le-a numit raze gama si a demonstrate ca acestea ca si razele X, sunt lumina (fotoni) cu lungime de unda foarte mica. Asadar, razele alfa sunt nuclee de heliu, razele beta sunt electroni, iar razele gama sunt fotoni. Dar ce anume face ca atomii sa emita aceste raze? In doua lucrari publicate in 1903, Rutherford si Soddy explicau ca radioactivitatea este de fapt transformarea(dezintegrare radioactiva) unui element chimic in altul, transformare provocata de emiterea unor particule incarcate alfa sau beta. Aceasta era o afirmatie indrasneata-imuabilitatea elementelor chimice fiind o axioma a chimiei. Energia degajata in dezintegrarea radioactiva este cam de 10⁵ ori mai mare decat cea degajata in procesele chimice obisnuite. Pentru comparatie, energia degajata prin arderea unui combustibil obisnuit, cum este gazul natural, este de ordinal a 5×10⁷ jouli pe kilogram. Energia  degajata de un kilogram de radiu cand toti atomii de radiu s-au transformat intr-un alt element prin emisia unei particule alfa este de aproximativ 5×10¹² jouli pe kilogram. Astfel, pe aceste consideratii, Rutherford si Soddy au ajuns la concluzia ca energia latenta dintr-un atom trebuie sa fie enorma in comparatie cu cea care se elibereaza in transformarile chimice obisnuite. Satelitii de comunicatii si vehiculele spatiale(Apollo, Pioneer, Viking, Voyager) folosec generatoare termoelectrice cu radioizotopi pentru producerea energiei electrice necesare. In aceste generatoare, caldura  produsa de radiatia alfa a unui  radioizotop, cum ar fi Pu-238 , este transformata in energie electrica cu ajutorul unor termocuple de inalata performanta.
            Ne putem intoarce acum la intrebarea  cum a intrat initial in nuclee energia care se elibereaza prin radioactivitate. Se crede ca universul a inceput printr-un “big-bang”, o mare explozie, dupa care gazul primordial fierbinte format din protoni si neutroni s-a racit foarte repede si la sfarsitul primelor trei minute s-a format hidrogenul si heliul. Nucleele de hidrogen au energia per particula nucleara mult mai mare decat cea a nucleelor de heliu, iar nucleele de heliu au energia per particula nucleara mult mai mare decat cea a atomilor de masa atomica medie. Cand s-au format stelele, nucleele de hidrogen au fuzionat in nuclee de heliu, iar nucleele de heliu au fuzionat in nuclee de masa atomica medie, degajand suficienta energie pentru a permite stelelor sa staluceasca miliarde de ani. In cele din urma, in furnalul stelelor, materia stelara evolueaza spre elemente din apropierea fierului, ale caror nuclee au cea mai mica energie per particula nucleara. Nu mai exista degajare de energie, iar steaua incepe sa se raceasca. Deseori steaua se stinge ca o lumanare si devine o pitica neagra. Uneori devine instabila, incepe sa colapseze sub actiunea gravitatiei si apoi poate exploada formand cea ce astronomii numesc o supernova. In timpul acestei explozii din interiorul stelei se elibereaza un flux imens de neutroni. Neutronii care lovesc nucleele de masa atomica medie aflate in straturile exterioare ale stelei formeaza tot felul de elemente mai grele, pana la uraniu. Steaua care exploadeaza isi arunca in spatiu straturile exterioare ce vor forma o parte a materiei interstelare din care se va forma in cele din urma o alta generatie de stele asa cum s-a format si Soarele noastru. Conform acestui scenariu, energia elementelor radioactive naturale, ca toriu si uraniu, a fost pusa in ele de neutronii degajati in exploziile stelelor si se datoreaza in cele din urma fortei de atractie gravitationale care a furnizat energia exploziilor stelare. Poate parea contrar intuitiei ca un intreg univers, cu dimensiunea de paisprezece miliarde de ani lumina, a putut aparea dintr-un germene infinitesimal. Acest lucru e posibil deoarece, oricat de mare a fost dilatarea universului, energia neta a universului poate sa ramana zero. Orice corp are energia mc², conform celebrei relatii a lui Einstein. Dar orice corp are deasemenea o energie negativa datorita gravitatiei. Avem nevoie de energie pentru a iesi din atractia gravitational a Pamantului (arderea unei cantitati suficiente de combustibil intr-o racheta pentru a atinge o viteza de 11,2km pe secunda). La suprafata Pamantului avem deci un deficit de energie in comparatie cu un astronaut din spatiu. Dar deficitul (numit in termini de specialitate “energie potential gravitationala”) datorat tuturor corpurilor din univers luate impreuna, ar putea fi de minus mc². Cu alte cuvinte, universul constituie pentru el un “put gravitational” atat de adanc, incat orice corp din el are o energie gravitational negatia care ii compenseaza exact energia de repaus. Astfel costul total al umflarii universului nostru ar putea fi in realitate zero.
     In anii din urma, neutronul a capatat o semnificatie amenintatoare din punct de vedere practic. Neutronii nu au sarcina electrica, astfel ca nu sunt afectati de campurile electrice intense din apropierea unui nucleu, care resping perticulele alfa si alte particule. Ca urmare, asa cum a aratat Rutherford in conferinta Baker din 1920, ei sunt capabili sa patrunda in nuclee mai grele si sa produca o dezintegrare nucleara. In 1938 Otto Hahn si Fritz Strassmann au descoperit ca neutronii pot face ca nucleele grele sa sufere o fisiune. Fiecare fisiune poate produce mai mult de un neutron, astfel incat devine posibila o reactie nucleara in lant.

La Hirosima lumea a inteles puterea distructiva devastatoare rezultata din conversia in energia a mai puin de 1% din 50 de grame de uraniu. Inca nu e clar daca noi oamenii vom invata sa stapanim pe depin aceasta mare descoperire. Totusi, aici in Romania, un grup de fizicieni, sus pe culmea unui deal din Mioveni-Arges, a reusit sa dezvolte cu succes combustibilul nuclear destinat reactorilor nucleari de la Cernavoda!

Dati-mi voie, in incheiere, sa subliniez din nou ca lucrul cel mai important si mai remarcabil e ca “materia obisnuita”, adica acea materia din care suntem alcatuiti noi si lumea in care traim e construita din electroni, fotoni, doua tipuri de cuarci, numiti “up” si “down”, si gluoni. Cele mai bune modele ale lumii, de care dispunem astazi, arata ca putem construi materia pe care o intalnim in viata de zi cu zi, cea din care sunt alcatuite corpurile noastre si lumea in care traim, folosind drept ingrediente fundamentale exact cele cinci feluri de particule elementare, fiecare definite prin cateva propietati clare: masa, sarcina, spin.

Mesajul fundamental din fizica moderna e limpede: lumea fizica e construita din foarte putine tipuri de ingrediente. Mai mult, aceste ingrediente sunt ideal de simple, in sensul ca au doar cateva propietati, propietatile primare ale materiei, din care deriva toate celelalte propietati, sunt: masa, sarcina, spinul. Pentru orice particula elementara, odata precizata valoarea acestora trei, impreuna cu pozitia si viteza ei, particula a fost complet descrisa.

Poate deasemenea parea paradoxal ca masa protonilor si a neutronilor e mult mai mare decat masa totala a componentelor lor. Aici se ascunde o alta infaptuire mareata in cunoasterea Naturii: intelegerea faptului ca masa noastra isi are origine in energie ( vezi in ANEXA)

Fizica cuantica

Lucrurile sunt lesne de inteles dupa ce, mai inainte, au fost intelese de altul. Greu e sa le intelegi prima oara.

La nivel fundamental, lumea fizica arata altfel decat ne spun simturile si intuitiile cu ajutorul carora ne descurcam In viata de zi cu zi. Campurile cuantice si nu particulele, sunt componentele fundamentale ale materiei in fizica moderna. Campurile produc particule. Campurile domnesc!

Pentru Isaac Newton si cei care au venit dupa el, lumea fizica era un mecanism determinist precis, al carui trecut ii determina viitorul. Pentru Newton si pentru fizicienii care i-au urmat, teoriile fizice erau menite sa furnizeze un aparat matematic care le-ar fi permis sa calculeze pozitiile si vitezele particulelor oricarui sistem la orice moment ulterior prin cunoasterea completa a valorilor acestora la orice moment dat. Pentru ei legile fizicii erau reguli(ecuatii) care exprimau acest determinism intr-un limbaj matematic precis. De exemplu, se putea determina cum se misca obiectele pe traiectorii precise, date fiind pozitiile lor initiale (incluzand si vitezele initiale). Marele fizician si matematician francez din secolul XVIII Pierre-Simon de Laplace spunea ca daca, la un anumit moment, noi (niste minti superluminate) am cunoaste pozitia si viteza fiecarei particule din univers, atunci am putea sa calculam viitorul exact al lumii in care traim.

La prima vedere universul pare guvenat de legi inradacinate in concepte clasice: de pilda, o particula sau un corp avand pozitia si viteza bine determinate la orice moment de timp. Dar dupa o cercetare amanuntita la nivel microscopic ne dam seama ca aceste idei clasice familiare noua trebuiesc modificate. Universul este guvernat cu o precizie extrema de fizica cuantica. Fizicienii au inteles ca legile fizicii sunt de fapt legi cuantice.

Mecanica cuantica, cea mai puternica si eficienta teorie stiintifica produsa vreodata de omenire, e inca si acum un mare mister. Deocamdata, mecanica cuantica are intotdeauna dreptate si ne dovedeste ca realitatea nu e asa cum o descrie fizica clasica. Majoritatea fizicienilor, inclusiv umilul vostru prieten care scrie aceste randuri, ar paria ca teoria cuantica va continua o lunga vreme sa aiba dreptate.

Eficacitatea teoriei cuantice s-a dovedit a fi extraordinara. Daca astazi fabricam computere, avem o chimie si o biologie moleculara avansate, dispunem de GPS, iPhone, lasere si semiconductori, toate acestea se datoreaza mecanicii cuantice.Timp de cateva secole fizicienii au trait o sarbatoare perpetua: la fiecare noua problema, raspunsul venea imediat din ecuatiile mecanicii cuantice, si era intotdeauna correct.

Teoria cuantica a dus la intelegerea unor parti importante din natura, de exempu tabelul periodic al elementelor, la aplicatii medicale (RMN, CT, etc.) care au salvat milioane de vieti omenesti, la noi dispositive, la noi tehnologii, la calculatoare.Teoria a prezis fenomene noi, niciodata obsevate sau macar banuite pana atunci: corelatii cuantice la distanta de miloane de kilometrii, calculatoare cuantice, teletransort, toate predictii care s-au dovedit corecte. Seria triumfurilor dureaza neantrerupt deja de un secol, si continua. Mecanica cuantica e cea mai buna teorie stiintifica gasita pana acum de omenire, baza tehnologiei moderne, o teorie in care, fara nici un dubiu, putem avea deplina incredere. Ingineri, astrofizicieni, chimisti, si biologi folosec mecanica cuantica in fiecare zi. N-a dat gres niciodata. inima pulsand a stiintei de astazi. Ramane totusi profund misterioasa. Oricine isi ia ragazul sa se intrebe ce ne spune teoria cuantelor despre lumea reala ramane perplex. Dar asta e stiinta: explorarea unor noi moduri de a intelege lumea.

Constructia teoriei cuantice a fost premiata cu o ploaie de Premii Nobel, fara egal in istoria stiintei. Einstein primeste premiul in 1921 pentru explicarea efectului fotoelectric prin introducerea cuantelor de lumina. Bohr, in 1922, pentru regulile privind structura atomului. De Broglie, in 1929, pentru ideea undelor de materie. Heisenberg, in 1932, pentru “crearea mecanicii cuantice”. Schrodinger si Dirac, in 1933, pentru “noi descoperiri” inteoria atomica. Pauli, in 1945, pentru contributii tehnice la teorie. Born, in 1954, pentru a fi inteles rolul probabilitatilor (a facut mult mai mult decat atat).

Eficacitatea teoriei cuantice se dovedeste rapid a fi extraordinara. E de ajuns aici un singur exemplu. Mendeleev in celebrul “tabel periodic”, care e atarnat pe perete in atatea clase din atatea scoli, a pus in ordine (dupa greutate) elementele din care e alcatuita lumea, nu doar pe Pamant, ci in toate galaxiile. Cum se explica structura periodica a tabelului? De ce fiecare element are anumite propietati, si altele nu? De ce, de pilda, anumite elemente se combina cu usurinta, iar altele nu? Care e secretul ciudatei structuri a tabelului lui Mendeleev?

Sa luam in considerare ecuatia mecanicii cuantice care determina forma orbitalilor electronilor. Aceasta ecuatie are un numar de solutii, iar aceste solutii corespund exact hidrogenului, heliului, oxigenului si celorlante elemente. Tabelul periodic al lui Mendeleev e structurat exact ca multimea acestor solutii. Propietatile elementelor si tot restul rezulta din solutiile acestor ecuatii. Mecanica cuantica descifreaza perfect secretul structurii tabelului periodic al elementelor. Infinita complexitate a chimiei e explicata de solutiile unei singure ecuatii. Succesul mecanicii cuantice in calculul propietatilor moleculelor foarte simple a aratat limpede ca legile chimiei sunt determinate de legile fizicii. Iar asta nu-i decat una din numeroasele aplicatii ale mecanicii cuantice.

Daca aplicam regulile mecanicii cuantice atomilor din care e  compusa creta (carbonatul de calciu, CaCO₃ )se dovedeste ca atomii de calciu si carbon cedeaza usor doi si respectiv patru electroni, iar atomii de oxigen accepta usor doi electroni. Astfel cei trei atomi de oxigen din fiecare molecula de carbonat de calciu pot accepta cei sase electroni oferiti de un atom de calciu si un atom de carbon: este exact numarul de electroni necesar pentru schimb. Forta electrica produsa prin acest transfer de electroni este cea care mentine atomii in molecula de carbonat de calciu si legile mecanicii cuantice explica formarea si propietatile carbonatului de calciu. Desigur exista cateva concepte ale chimiei care risca sa fie pierdute daca se incearca sa fie reduse la fizica, cum ar fi: valenta, structura legaturilor, orbitalii localizati, aciditatea, culoarea, mirosul. Dar faptul ca aceste cateva concepte nu pot fi reduse la fizica nu arunca nici o indoiala asupra adevarului ca toate aceste notiuni ale chimiei functioneaza in acest mod datorita mecanicii cuantice. Dupa cum a remarcat marele chimist Linus Pauling,” nu exista nici o parte a chimiei care sa nu depinda, in fundamentele ei teoretice, de principiile mecanicii cuantice”.

Mecanica cuantica ofera astazi o surprinzator de buna descriere a naturii. Lumea nu e alcatuita din campuri si particule, ci dintr-un singur tip de entitate, campul cuantic. Nu mai e vorba de particule care se misca in spatiu in cursul timpului, ci de campuri cuantice ale caror evenimente elementare au loc in spatiul-timp. Mecanica cuantica ne invata sa concepem lumea nu in termeni de “lucruri” aflate intr-o stare sau alta, ci in termini de “procese”. Un proces este trecerea de la o interactiune la alta. Propietatile “lucrurilor” se manifesta granular numai in momentul interactiunii, adica la capetele proceselor, si sunt astfel numai in relatie cu alte lucruri. Ele nu pot fi prezise univoc, ci doar probabilistic. Lumea e stranie, dar e simpla! Marile sperante ale minusculelor finite muritoare care suntem nu sunt decat vise trecatoare. Claritatea conceptuala a fizicii clasice a fost tulburata de cuante. Realitatea nu e asa cum o descrie fizica calsica. Solida continuitate a lumii cu care suntem obisnuiti in viata de zi cu zi nu reflecta textura realitatii: e rezultatul perspectivei noastre macroscopice. Textura fina a lucrurilor formeaza acesta stranie lume usoara, in care variabilele sunt relative, iar viitorul nu e determinat de przent. Aceasta lume fantasmatica a cuantelor e lumea noastra.

Mecanica cuantica trateaza fenomene la scara extrem de mica, cum ar fi o milionime dintr-o milionime de centimetru. Mecanica cuantica a fost inventata pentru a explica de ce atomii sunt stabili si nu se dezintegreaza instantaneu, cum ar fi fost cazul in orice incercare de a descrie structura atomilor folosind fizica newtoniana. Electronii sunt atrasi de protoni. De ce nu cad electronii In nucleul atomului? Conform teoriei electromagnetismului, creata de fizicianul scotian James Clerk Maxwell, o sarcina electrica, precum electronul, deplasandu-se pe o traiectorie care nu e o linie dreapta va pierde pierde energie sub forma de unde electromagnetice. O consecinta a acestei pierderi de energie este imposibilitatea de a se mai opune atractiei electrice si caderea electronului In nucleu. Procesul ar fi extrem de rapid, practic Intr-o fractiune de secunda electronul si-ar pierde Intreaga energie, iar atomii de hidrogen nu ar putea exista si nici lumea in care trim. Salvarea situatiei vine de la mecanica cuantica.

Mecanica cuantica a fost cel mai mare soc din fizica. La nivel cuantic, lumea e un loc agitat, fluctuant cu probabilitati si incertitudini. Mecanica cuantica nu e o teorie care prezice viitorul pornind de la trecut asa cum face mecanica newtoniana, ci determina  in schimb probabilitati pentru posibilele rezultate alternative privind viitorul unei particule.

Problema cu teoria cuantica este ca nimic din experienta noastra de zi cu zi nu se intampla in modul descris de teorie. Toata lumea e de acord privind modul in care trebuie folosite ecuatiile mecanicii cuantice pentru a face predictii  extrem de precise, dar nu exista inca un consens privind sensul real al undelor de probabilitate sau despre modul cum isi “alege” o particula unul din numeroasele viitoruri posibile sau cum se despica pentru a trai ramificat toate viitorurile posibile intr-o arena de universuri paralele. Mecanica cuantica ne arata ca universul se bazeaza pe principii care din punctul de vedere al experientei noastre cotidiene sunt stranii. Ce sa intelegem din toate acestea? Inseamna oare ca la nivel microscopic universul functioneaza intr-un mod atat de obscur si neobisnuit, incat mintea umana care a evoluat de-a lungul epocilor pentru a face fata fenomenelor la scara vietii cotidiene este incapabila sa sesizeze “ce se petrece cu adevarat”? Sau poate ca, printr-un accident istoric, fizicienii au construit o formulare extrem de alambicata a mecanicii cuantice care, desi corecta din punct de vedere cantitativ, ascunde adevarata natura a realitatii? Nimeni nu stie. Poate ca in viitor un om inteligent va gasi o noua formulare a mecanicii cuantice care va lamuri complet ce-urile si de ce-urile mecanicii cuantice.

Matematica teoriei cuantice, cu numeroasele ei aspecte stranii, e o incercare de a descrie Natura, nu un adevar revelat. La nivel fundamental, lumea fizica arata altfel decat ne spun simturile si intuitiile cu ajutorul carora ne descurcam In viata de zi cu zi. De fapt, multi dintre pionerii mecanicii cuantice, inclusiv Einstein, au devenit sceptici in privinta formei ei matematice mature. Einstein spune: ”Mecanica cuantica e impresionanta. Dar o voce launtrica imi spune ca nu reprezinta de fapt realitatea.Teoria ofera o multime de lucruri, insa nu ne aduce mai aproape de secretul Batranului. In orice caz, sunt convins ca EL nu da cu zarul (“Albert Einstein, scrisoare catre Max Born). La care Bohr ii raspunde: ”Ia nu-i mai spune tu lui Dumnezeu ce sa faca”. Einstein la provocat pe Bohr cu o serie de experimente mintale care vizau intelegerea mecanicii cuantice. Raspunzand la fiecare provocare, Bohr a identificat greseli subtile in analiza lui Einstein si a confirmat corectitudinea si coerenta fizica a teoriei cuantice. Einstein nu voia sa cedeze in privinta unui punct pe care el il considera esential: anume ca exista o realitate obiectiva, independent de ce interactioneaza cu ce. El refuza sa accepte aspectul relational al teoriei, faptul ca lucrurile se manifesta numai in interactiuni. In cele din urma Einstein a acceptat ca teoria reprezinta un urias pas inainte in intelegerea lumii si ca e coerenta. Dar a ramas convins ca lucrurile nu pot fi atat de stranii si ca “in spatele” teoriei trebuie sa existe o explicatie mai rationala.

Cu multi ani in urma, in timpul studentiei, am petrecut ceva timp intrebandu-ma ce este real in aceasta lume cuantica. Sincer sa fiu si acum, dupa ce au trecut atatia ani de cand am invatat mecanica cuantica nutresc un sentiment de neancredere. A lua in serios mecanica cuantica, a cugeta la implicatiile ei e o experienta aproape uluitoare: impune renuntarea, intr-un fel s-au altul, la ceva ce ni se parea solid si inatacabil in modul nostru de a intelege lumea. Ne cere sa acceptam ca realitatea e profund diferita de cea pe care ne-o imaginam. Perceptia naturala umana nu se potriveste cu mecanica cuantica. In lumea cuantica, multe aranjamente si comportamente posibile coexista. Daca privesti, vezi doar unul dintre ele-si nu poti sa anticipezi pe care anume. Dimpotriva, incununarea perceptiei umane naturale este ca ne ofera o reprezentare a lumii in termeni de obiecte cu propieteti mai mult sau mai putin predictibile, ocupand pozitii mai mult sau mai putin definite in spatiul tridimensional. Este o informatie foarte utila pentru viata de zi cu zi, si o capatam fara efort. Dar intelegerea fundamentala ne dezvaluie ca sunt mult mai multe de vazut, iar mecanica cuantica o aduce la alt nivel. Din fericire, se pare ca exista unele modalitati, deocamdata inca foarte putin explorate de fizicieni, prin care putem adapta lumea cuantica la perceptia umana. Cu toate aceste recunoasteri, teoria cuantica ramane inca un hau intunecat. Teoria nu ne spune unde anume se afla o anumita particular de materie cand nu o privim. Ne spune doar care e probabilitatea s-o gasim intr-un punct daca o observam. Cea mai puternica si eficienta teorie stiintifica produsa vreodata de omenire e un mister. Deocamdata, teoria cuantica are intotdeauna dreptate.

Dar mecanica cuantica nu e o teorie fizica completa. Ea nu spune nimic despre particulele si fortele ce pot exista ci doar ne invata cum sa aplicam principiile mecanici cuantice la particule si forte ipotetice. Si totusi fizicienii n-au gasit nici o cale de a modifica putin regulile mecanicii cuantice fara sa produca dezastre logice, cum ar fi probabilitati negative. Daca mecanica cuantica pare bizara sau chiar abusurda ar trebui sa retinem doua lucruri care ne fac sa credem in mecanica cuantica. In primul rand este o teorie coerenta din punct matematic. In al doilea rand furnizeaza predictii care au fost verificate cu o precizie uimitoare si fara de care nu am fi iregistrat astazi progresele uluitoare din electronica, calculatoare, aparatura medicala, tehnologii spatiale etc. Mecanica cuantica sta la baza tuturor proceselor fizice, de la fuziunea atomilor din soare pana la curentii neurali care genereaza in creier gandurile noastre. Timp de cateva decenii fizicienii au trait o sarbatoare perpetua: la fiecare noua problema, raspunsul venea imediat din ecuatiile mecanicii cuantice, si era intotdeuna corect.

Mecanica cuantica

Despre mecanica cuantica se spune ca s-a nascut in anul 1900, atunci cand fizicianul german Max Planck a calculat campul electric aflat in echilibru in interiorul unei cutii inchise. Pentru a obtine o formula care sa reproduca rezultatele experimentale, s-a vazut silit sa folosesca un truc care pare absurd; si-a imaginat ca energia campului electric este distribuita in “cuante”, mici pachete, caramizi de energie. A presupus ca dimensiunea pachetelor depinde de frecventa( adica de culoarea) undelor electromagnetice. Pentru unde de frecventa ?, Planck a presupus ca fiecare unda, adica fiecare pachet, are energia proportionala cu frecventa: E=h?. Aceasta e prima formula a mecanicii cuantice; h este o noua constanta, numita acum “constanta lui Planck”. Este constanta care spune cata energie se afla in fiecare ”pachet” de energie pentru lumina de frecventa (culoare) ?. Constanta h determina scara tuturor fenomenelor cuantice.

Ideea ca energia e alcatuita din pachete finite contrazicea tot ce se stia la acea vreme: energia era socotita ca ceva care poate varia continuu, si nu exista motive sa fie tratata drept ceva format din granule.

Cel care, cinci ani mai tarziu, a inteles ca pachetele de energie ale lui Planck sunt reale a fost Albert Einstein-iarasi EINSTEIN! Intr-un articol trimis la Analen der Physik in 1905, Einstein arata ca lumina este intr-adevar alcatuita din granule, din particule de lumina. O face plecand de la un fenomen ciudat obsevat cu putin timp in urma: efectul fotoelectric. Exista substante care, atunci cand sunt lovite de lumina, genereaza curent electric, adica emit electroni. S-a observant insa ca fenomenul are loc, sau nu are loc, in functie de culoarea luminii (frecventa), iar nu de intensitatea luminii (energia). Fenomenul are loc numai daca frecventa luminii e inalta, si nu are loc daca frecventa e joasa. Un lucru ciudat: rational ar fi ca, daca daca energia luminii e mica, adica daca lumina e slaba, sa ne asteptam ca fenomenul sa nu aiba loc, dar sa aiba loc daca energia e suficienta, adica lumina e intensa. In fizica clasica acest fenomen nu poate fi explicat. Einstein reia idea lui Planck cu ‘pachetele de energie”, a caror dimensiune depinde tocmai de frecventa, si intelege ca daca aceste pachete sunt reale, fenomenul se explica. Daca ne inchipuim ca lumina vine in granule de energie, atunci, un electron lovit de un graunte va fi saltat afara din atom daca grauntele care-l loveste are multa energie, ceea ce conteaza este energia fiecarui graunte, si nu numarul lor. Daca lumina e foarte intensa, adica exista multe pechete de lumina, electronii nu vor fi extrasi din atomii lor daca dimensiune fiecarei particule de lumina e prea mica, adica daca frecventa luminii e prea joasa. Aceasta explica de ce culoarea si nu intensitatea luminii determina daca are loc sau nu fenomenul fotoelectric. Pentru acest simplu rationament Einstein a primit Premiul Nobel.

Celebrul fizician Albert Einstein a facut un pas inainte si a schimbat totul. Desi Einstein e celebru mai ales pentru teoria relativitatii, mutatia sa cea mai indrasneata si mai radicala priveste lumea stranie a mecanicii cuantice. Evolutia fizicii ne-a facut sa trecem de la cadrul clasic la unul modificat de perspectiva cuantica. Daca Planck este tatal biologic al teoriei cuantice, Einstein este cel care i-a dat nastere si a crescut-o. Dar cum se intampla adesea cu odrasele, teoria s-a dezvoltat apoi pe cont propriu, iar Einstein n-a mai reccunoscut-o. Cel care i-a calauzit pasii a fost danezul Niels Bohr.

Niels Bohr, un faimos om de stiinta, a studiat structura atomilor, despre care despre care, in primii ani ai secolului trecut, se stia cate ceva. Experimentele aratasera ca atomul e ca un mic sistem solar: masa lui e concentrata intr-un nucleu central in jurul caruia se rotesc electronii usori. Ideea nu explica insa un fapt simplu: de ce materia e colorata, de ce sarea e alba si piperul e negru. Studiind in detaliu lumina emisa de atomi, rezulta ca substantele elementare au culori specifice. Intrucat culoarea e data de frecventa luminii, lumina e emisa de substante doar cu anumite frecvente. Ansamblul frecventelor caracterizand o substanta se numeste “spectrul” acelei substante. Un spectru e un set de linii fine in care se descompune(de pilda cu ajutorul unei prisme) lumina emisa de o anumita substanta. Dar nimeni nu putea explica de ce fiecare substanta avea un spectru caracteristic ei.

Niels Bohr a scris formule simple care preziceau propietatile elementelor chimice inainte de a fi masurate, ca de exemplu, frecventa luminii emise de elementele incalzite: culoarea pe care o capata. Dar formulele erau incomplete: nu permiteau calculul intensitatii luminii. Aceste formule aveau si ceva absurd: presupuneau, fara nici un motiv, ca electronii din atom se invarteau in jurul nucleului doar pe anumite orbite precise, aflate la anumite distante precise de nucleu, cu anumite energii precise; pentru ca apoi sa “salte” ca prin farmec de pe o orbita pe alta. Bohr reuseste sa calculeze spectrele tuturor atomilor, si chiar sa prezica corect spectre inca neobservate. Succesul experimental al acestui model simplu elaborat de Bohr e uimitor. Evident, trebuie sa fie ceva adevarat in aceste presupuneri, desi contrazic toate ideile despre materie si dinamica ei. De ce tocmai acele orbite ? Ce anume sunt acele salturi misterioase de pe o orbita pe alta? Ce forta necunoscuta poate impinge un electron la un comportament atat de bizar? Salvarea situatiei vine de la mecanica cuantica, dar Intalegerea exacta a fenomenului este destul de contraintuitiv.

Putem spune ca nasterea, cu adevarat, a mecanicii cuantice s-a produs in 1925 cand tanarul fizician Werner Heisenberg s-a hotarat sa  sa resolve problema ridicata de Niels Bohr privind teoria atomului: de ce  ocupa electronii in atomi numai anumite orbite permise, cu anumite energii bine definite? Heisenbergs-aadancit in rezolvarea problemei. Nu parea sa existe nici o forta rationala care sa dirijeze electronii pe acele orbitele stranii si sa-i oblige sa efectueze salturile ciudate ale lui Bohr. Si totusi, acele orbite si acele salturi duceu la prdictii bune ale fenomenelor atomice. Descurajarea il face pe Heisenberg sa recurga la remedii exteme si idei radicale, asa cum a procedat si Einstein cu douazeci de ani in urma. Ideea i-a venit cand se afla pe insula Sfanta din Marea Nordului, numita Helgoland, o idee sortita sa zguduie intreaga fizica, intreaga stiinta, intreaga noastra conceptie despre lume. Ideepe careomenirea inca nu a digerat-o indeajuns. Probabil cea mai mare revolutie stiintifica din toate timpurile.

Saltul lui Heisenberg e pe atat de nesabuit pe cat e de simplu. Nu reusa nimeni sa gaseasca forta care calauzeste electronuii in comportamentul lor ciudat? Bine, si-a zis Heisenberg, atunci sa nu mai cautam o forta noua. S-o folosim mai de degraba pe cea cunoscuta: forta electrica, cea care atrage electronul catre nucleu. Nu gasim legi noi care sa justifice orbitele si salturile lui Bohr? Foarte bine, sa ramanem la legile miscarii pe care le cunoastem deja, fara sa le mai schimbam. Dar sa schimbam modul in care concepem electronul. Sa descriem numai cea ce observam din afara: intensitatea si frecventa luminii emise de electron. Safundamentam totul numai pe cantitati care sunt observabile. Asta e ideea geniala a lui Heisenberg.

Din moment ce nimeni nu putea observa vreodata direct orbita electronului in atom, Heisenberg s-a hotarat sa opereze numai cu marimi ce pot fi masurate, si anume cu energiile starilor cuantice in care toti electronii atomului ocupa doar orbite permise si cu ratele la care un atom ar putea efectua o tranzitie spontana dintr-o stare cuantica in alta, prin emisia unei particule de lumina (foton). Articolul scris de Heisenberg in 1925, la intoarcerea sa din insula Helgoland, care contine tabele (matrici) pentru fiecare marime fizica cum ar fi pozitia, viteza sau patratul vitezei unui electron, este apoape de neanteles.Teoria lui Heisenberg e derutanta: o descriere fundamentala a miscarii particulelor, in care acestea nu sunt descries prin pozitia lor la orice moment, ci prin pozitia in anumite momente, cele in care interactioneaza cu ceva. Aceasta reprezinta cea de a doua piatra de temelie a mecanicii cuantice: aspectul relational al tuturor lucrurilor. Prima piatra de temelie a teoriei cuantice find granularitatea materiei si a luminii, adica granularitatea fundamentala a naturii. Constanta lui Plank h stabileste scara elementara a acestei granularitati. Nu stim cu certitudine unde va fi electronul dar putem calcula probabilitatea ca le sa apara intr-un loc sau altul. Mecanica cuantica aduce probabilitatea in centrul evolutiei lucrurilor. Este o schimbare radicala fata de teoria lui Newton, in care e posibil sa prezici viitorul cu certitudine. Aceasta nedeterminare este a treia piatra de temelie a mecanicii cuantice.

Electronii nu exista intotdeauna. Ei exista numai cand interactioneaza. Se materializeaza intr-un loc atunci cand se ciocnesc cu alceva. Salturile de pe o orbita pe alta e singurul lor mod de a fi reali: un electron e un ansamblu de salturi de la o interactiune la alta. Cand nimic nu-l perturba electronul nu exista nicaeri. In loc sa scrie pozitia si viteza electronului, Heisenberg scrie tabele de numere(matrici). Inmulteste si imparte tabele de numere reprezentand posibile interactiuni ale electronului. Si ca din bagheta unui magician rezultatele se potrivesc perfect cu observatiile. Sunt primele ecuatii fundamentale ale mecanicii cuantice. De atunci incoace, aceste ecuatii au functionat perfect. In acest prim articol privind mecanica cuantica, Heisenberg a dat o lovitura de adevarat magician. Motivatiile lui Heisenberg pentru pasii matematici din acest articolul par incalcite si  greu de inteles chiar si pentru un fizician care pretinde ca a inteles mecanica cuantica. In acest sens articolul lui Hisenberg reprezinta magie pura, un adevarat calcul vrajitoresc.

Lumea mecanicii cuantice, deschisa pentru noi de calatoria unui tanar fizician pe Insula Sfanta din marea Nordului, mi se pare extraordinar de fumoasa. Cine stie, poate aici, pe o insula indepartata din Marea Nordului, Dumnezeu i-a vorbit lui Heisenberg, ajutandu-l sa risipeasca pacla care ne incetosa ochii, sa ridice valul care statea intre noi si adevar.

Versiunea mecanicii cuantice dezvoltate de Schrodinger si Dirac

Mecanica cuantica predata acum in facultati si folosita de fizicieni si chimisti nu e de fapt mecanica matriciala a lui Hisenberg, ci un formalism matematic echivalent-mult mai comod insa-dezvoltat ceva mai tarziu de Erwin Schrodinger si completata mai apoi de Paul Adrien Maurice Dirac, cel care isi da seama ca teoria poate fi aplicata direct campurilor, cum e cel electromagnetic, si poate fi pusa in acord cu relativitatea restransa.

In versiunea mecanicii cuantice dezvoltate de Schrodinger, fiecare stare fizica posibila a unui sistem e descrisa printr-o cantitate numita functia de unda a sistemului, oarecum asemanator modului in care lumina e descrisa ca o unda a campurilor electric si magnetic. De fapt abordarea mecanicii cuantice prin functii de unda aparuse inainte de lucrarile lui Heisenberg si ale lui Schrodinger, atunci cand De Broglie, in teza sa de doctorat, a intuit ca electronul poate fi privit ca un fel de unda avand o lungime de unda legata de impulsul sau, la fel cum lungimile se unda ale luminii sunt legate de impulsul fotonilor, conform teoriei lui Einstein. De Broglie sugereaza ca putem sa ne imaginam electronul ca pe o unda care se propaga, ca valurile marii sau ca undele electromagnetice. De Broglie nu a banuit insa semnificatia fizica a undei si nu a inventat nici o ecuatie dinamica de unda. Schrodinger e captivat de idea ca traiectoriile particulelor elementare sunt si ele numai aproximatii ale comportamentului unei unde subiacente. Schrodinger a fost acela care a transformat ideea lui De Broglie privind unda electronului intr-un formalism matematic precis si coerent aplicabil electronilor sau altor particule din orice fel din atom sau molecula. Splendidul calcul al lui Schrodinger pare sa arate ca lumea microscopica nu e constituita din particule, ci din unde. In jurul nucleelor atomilor nu se rotesc punctisoare de materie; acolo sunt ondulatii continue ale undelor Schrodinger, ca micile valuri ca reincretesc suprafata unui lac batut de vant.

In central abordarii lui Schrodinger se afla o ecuatie dinamica (cunoscuta de atunci ca ecuatia lui Schrodinger) care dicteaza modul in care unda oricarei particule date se modifica in timp. Ecuatia lui Schrodinger este din punct de vedere matematic acelasi tip de ecuatie( ecuatie diferentiala cu derivate partiale) care a fost folosita in secolul XIX pentru a studia undele sonore sau luminoase. Folosind ecuatia Schrodinger, fizicienii au putut calcula energiile si alte propietati pentru tot felul de atomi si molecule. A fost o epoca de aur pentru fizica. In ciuda acestui succes, nici De Brogle nici Schrodinger si nici vreun alt fizician nu au stiut la inceput ce fel de cantitate fizica oscila intr-o unda a electronului. Orice unda e descrisa in fiecare moment printr-o lista de numere, cate un numar pentru fiecare punct din spatiu prin care trece unda. De exemplu, intr-o unda sonora, numerele dau presiunea aerului in fiecare punct din aer. Intr-o unda luminoasa (electromagnetica), numerele dau intensitatile si directiile campului electric si campului magnetic in fiecare punct din spatiu prin care calatoreste lumina sau unda radio. Unda electronului putea fi si ea descrisa in orice moment printr-o lista de numere, cate un numar pentru  fiecare punct din spatial din interiorul si din jurul atomului. Aceasta lista poarta numele de functie de unda, iar numerele individuale sunt valorile functiei de unda. Dar desi la inceput se putea spune despre functia de unda ca e o solutie a ecuatiei Schrodinger, nimeni nu stia ce marime fizica e descrisa de aceste numere.

A venit Max Born si a propus interpretarea functiei de unda in termeni de probabilitati. E natural sa descrii electronul calatorind prin spatiul gol ca un pachet de unde. Ecuatia lui Schrodinger arata ca atunci cand un asemenea pachet de unde loveste un atom, el se destrama; undele se imprastie in toate directiile, la fel ca stropii de apa atunci cand jetul unui furtun loveste o piatra. E un lucru straniu;electronii care lovesc atomii zboara intr-o directie sau alta fara sa se rupa, ei raman electroni. Electronul nu se rupe dar poate fi imprastiat in orice directie, iar probabilitatea ca elecronul sa fie imprastiat intr-o anumita directie este mai mare acolo unde valorile functiei de unda sunt mai mari. Cu alte cuvinte, undele electronului sunt unde care reprezinta ceva; semnificatia lor este ca valoarea functiei de unda in orice punct ne da probabilitatea ca electronul sa se afle in acel punct sau in apropierea lui. Max Born intelege ca valoarea funtiei de unda a lui Schrodinger intr-un punct din spatiu determina probabilitatea observarii electronului in acel punct. Daca un atom emite un electron si e inconjurat de contoare Geiger, valoarea functiei de unda Schrodinger in punctul unde se afla un contor determina probabilitatea ca acel contor, si nu altul, sa inregistreze electronul. Functia de unda Schrodinger nu este deci reprezentarea unei entitati reale: e un instrument de calcul care ne spune care e probabilitatea producerii unui anumit eveniment real.

La nivel cuantic, lumea e un loc agitat, fluctuant cu probabilitati si incertitudini. Mecanica cuantica nu e o teorie care prezice viitorul pornind de la trecut asa cum face mecanica newtoniana, ci determina in schimb probabilitati pentru posibilele rezultate alternative privind viitorul unei particule. Aceste probabilitati sunt cuprinse in obiectul matematic fundamental al mecanicii cuantice-functia de unda, a carei forma si evolutie in timp este data de ecuatia lui Schrodinger.

Fizica lui Newton ne-a dat un aparat matematic cu care putem calcula pozitiile si vitezele particulelor oricarui sistem la orice moment ulterior de timp prin cunoasterea completa (evident,imposibil de atins in practica) a valorilor acestora la orice moment dat. Dar mecanica cuantica a introdus un mod nou de a vorbi despre starea unui sistem. In mecanica cuantica vorbim despre constructii matematice numite functii de unda, care ne dau informatii despre probabilitatile diferitelor pozitii si viteze posibile. In mecanica cuantica, cea mai simpla descriere a unui obiect este functia lui de unda. Functia de unda a unui obiect e un soi de materie prima, pe care o putem prelucara pentru a obtine predictii despre comportamentul obiectului. Putem prelucara functia de unda in diferite moduri pentru a raspunde la diferite intrebari. Daca vrem sa prezicem unde se afla obiectul, trebuie sa-i prelucram functia de unda intr-un anumit fel. Daca vrem sa prezicem cat de repede se va deplasa, trbuie s-o facem in alt fel. Nu putem efectua aceste doua forme de prelucrare simultan. Ele interfereaza una cu alta. Daca vrei sa obtii informatii despre pozitie, trebuie sa prelucrezi functia de unda intr-un mod care distruge informatia despre viteza, si invers. Daca ne referim la experimente, omologul teoriei cuantice de a prezice pozitia si viteza simultan trebuie sa fie incapacitatea noastra de a masura acele propietati simultan in experimente. Heisenberg si-a dat sema de acesta consecinta matematica- pozitia si viteza nu pot fi masurate simultan, si a formulat ‘principiul de incertitudine “.

Principiul de incertitudine spune ca exista limite ale capacitatii noastre de a masura simultan anumiti paramerii, cum sunt pozita si viteza unei particule. Conform principiului de incertitudine, de pilda, daca inmultim imprecizia privind pozitia unei particule cu imprecizia privind impulsul(masa imultita cu viteza) ei, rezultatul nu va putea fi niciodata mai mic decat o cantitate fixa, numita constanta lui Planck. Pare complicat, dar in esenta e simplu:cu cat masori mai precis viteza, cu atat poti masura mai putin pecis pozitai, si viceversa.

Conform fizicii cuantice, indiferent cata informatie obtinem sau cata putere de calcul avem la dispozitie, rezultatele proceselor fizice nu pot fi prezise cu certitudine, deoarece acestea nu sunt determinate cu certitudine. Data fiind starea initiala a unui sistem, natura ii determina starea viitoare printr-un process fundamental capricios. Cu alte cuvinte, natura nu dicteaza rezultatul orcarui proces sau experiment, nici macar in cea mai simpla dintre situatii, ci permite un numar de posibilitati diferite, fiecare cu o anumita probabilitate de realizare.

In inima structurii mecanicii cuantice, alaturi de principiul de incertitudine, se afla principiul de superpozitie. Principiul de superpozitie nu e usor de inteles deoarece e formulat in termeni aparent abstracti. Principiul de superpozitie spune ca daca un sistem cuantic se poate gasi  intr-una din starile A sau B , cu propietati diferite, atunci el se poate gasi si intr-o combinatie a acestor stari, aA +bB, unde a si b sunt numere oarecare. Fiecare astfel de combinatie se numeste o superpozitie si fiecare reprezinta o stare fizica diferita. Pe de alta parte, conform principiului de incertitudine, nici o particula nu poate sta absolut nemiscata fara a contrazice acest principiu. O particula in repaos are o pozitie precisa, pentru ca nu se misca. Dar pentru acelasi motiv are si un impuls precis si anume zero. Aceasta contrazice principiul de icertitudine:nu putem cunoaste simultan cu o prcizie anume atat pozitia cat si impulsul unei particule. Principiul ne spune ca, daca cunoastem pozitia unei particule cu precizie absoluta, atunci suntem complet ignoranti cu privire la valoarea impulsului, si viceversa. Asadar legile mecanicii cuantice au un element aleator intrinsic, care nu poate fi eliminate niciodata.

De ce nu putem prezice viitorul din cunoasterea pozitiilor si vitezelor initiale? Raspunsul este faimosul principiu de incertitudine al lui Heisenberg. Pozitia si viteza nu sunt singurele marimi care se supun principiului de incertitudine. Exista multe marimi de asa-numite marimi conjugate care nu pot fi determinate simultan: cu cat este una mai bine fixata, cu atat mai mult fluctueaza cealalta. Un exemplu foare important este principiul de incertitudine energie-timp: este imposibil sa determinam atat timpul exact la care are loc un eveniment, cat si energia exacta a obiectelor implicate. Principiul de incertitudine energie -timp limiteaza precizia cu care se poate controla energia a doua particule care se cicocnesc si deasemenea si momentul de timp la care se ciocnesc ele. Principiul se aplica deasemenea campurilor care strabat spatial, precum campul electric si magnetic ce transporta fortele produse de magneti si curenti electrici. Datorita principiului de incertitudine al lui Heisenberg, e imposibil sa prezicem exact rezultatul unui experiment-imposibil in principiu. Ecuatiile fundamentale ale mecanicii cuantice determina o functie de unda si nimic mai mult, din care se calculeaza apoi probabilitatea unui rezultat.

Conform mecanicii cuantice universul evolueaza supunandu-se unui formalism matematic riguros, dar acest cadru determina doar probabilitatea de avea un anumit viitor, nu si care va fi acel viitor. Mecanica cuantica a spart tiparul folosit de mecanica clasica, stabilind ca previzunile stiintei sunt in mod necesar probabilistice.

Ecuatia lui Schrodinger are insa o problema: nu este compatibila cu teoria relativitatii restranse a lui Einstein. Ecuatia lui Schrodinger e perfect adevarata pentru descrierea atomului de hidrogen, in care un electron se roteste in jurul protonului solitar din nucleu cu mai putin de un procent din viteza luminii. Totusi forta electrica ce leaga electronii de nucleul atomic e cu atat mai mare cu cat sunt mai multi protoni in nucleu. In atomii cei mai grei, precum cei de uraniu, aceasta forta poate face ca electronii sa se rotesca cu viteze apropiate de cea a luminii. Ecuatia lui Schrodinger e inadecvata pentru descrierea unor asemenea particule, e nevoie de o ecuatie compatibila cu relativitatea restransa, iar asta a cautat fizicianul Paul Adrien Maurice Dirac.

Sarcina lui Dirac era sa generalizeze ecatia lu Schrodinger pentru electron, sa gaseasca o formula cuprinzatoare din care ecuatia lui Schrodiger sa rezulte ca un caz particular atunci cand viteza e mult mai mica decat cea a luminii. Dirac a descoperit ca electronii pot satisfice teoria relativitatii restranse a lui Einstein numai daca au spin (intr-un anumit sens spus: daca electronul se poate roti), cea ce a fost un mare triumf in fizica; dar el a decoperit si ca teoria putea fi satisfacuta numai daca electronilor li se permitea sa aibe energie atat pozitiva, cat si negativa, ceea ce parea un dezastru. Dirac a iesit din impas, a prezis existenta unui nou tip de particula, avand aceiasi masa ca electronul si sarcina opusa, pe care a numit-o “antielectron”. Fizicienii au fost uimiti de frumusetea ecuatiei lui Dirac si frapati de puterea ei de a face predictii despre lumea reala, dar pe multi i-a nelinistit predictia electronilor cu energie negativa.

Dirac a prezis nu doar un partener cu sarcina pozitiva al electronului, mai mult, a aratat ca, la fel cum descrierea relativista a electronului implica existenta antielectronului, o descriere relativista a protonului implica existenta unui antiproton. Natura trebuie sa-si fi duplicat toate particulele fundamentale, si exista o lume in oglinda alcatuita din electroni pozitivi si protoni negativi, un univers din “antimaterie”.

Una din pietrele unghiulare ale fizicii e faptul ca energia nu poate fi nici creata, nici distrusa, ci doar convertita dintr-o forma in alta. Intr-o lume supusa relativitatii restranse, in care masa insasi e o forma de energie, aceasta lege a “conservarii energiei” are o consecinta inevitabila. Energia de miscare a fotonilor poate fi convertita in energia masei particulelor subatomice si astfel creand materie, iar energia masei a particulelor subatomice poate fi convertita in energia de miscare a fotonilor adica, distrugand materie.

Dar teoria cuntica impune o restrictie esentiala procesului de creare si distrugere: sarcina electrica la fel ca energia nu poate fi creata sau distrusa. ”Legea conservarii sarcinii electrice” inseamna ca, la crearea materiei, un foton, care nu are sarcina electrica, nu se poate transforma intr-o particula subatomica avand sarcina electrica. Totusi un foton se poate transforma in doua particule subatomice identice, dar avand sarcini electrice opuse, asa incat sarcina lor neta e zero. Similar la distrugerea materiei, o particular incarcata electric nu se poate transforma intr-un foton. Pentru asta e nevoie de doua particule identice cu sarcini opuse. Suntem astfel condusi la ideea ca crearea materiei trebuie sa implice producerea unei particule si a unei antiparticule de catre un foton, adica generarea de perechi, iar distrugerea materiei trebuie sa implice producerea unui foton prin anihilarea unei particule si a unei antiparticule. O alta restrictie, “legea de conservare a impulsului”, impune ca din anihilarea materiei si antimateriei sa rezulte fotoni identici, indreptati in sensuri opuse.

Dirac si-a asumat un mare risc scriind o ecuatie, motivat doar de dorinta de a face teoria cuanica si relativitatea restransa compatibile matematic, teorie care prezice multe lucruri pe care mai tarziu fizicienii le-au observant in lume, cum ar fi spinul cuantic si particulele de antimaterie, gasite de fizicieni in jeturile de razele cosmice. Nu doar frumusetea ecuatiei e de admirat, de admirat e si curajul intelectual al lui Dirac in formularea ei. Dirac e asezat in randul fizicienilor magicieni. Ecutaia lui e inscriptionata pe o placa patrata comemorandu-l pe fizician, pe pardoseala de la Westminster Abbey, in Londra.

Pe Dirac l-a frapat faptul ca matematica descrie desavarsit natura.”Pare sa fie una din trasaturile fundamentale ale naturii faptul ca legile fundamentale ale fizicii sunt descrise in termenii unei teorii matematice de o frumusete si forta, pentru a carei intelegere e nevoie de un standard matematic foarte inalt”, spunea el. Dirac a continuat sa speculeze:”Am putea eventual descrie situatia spunand ca Dumnezeu e un matematician de foarte mare clasa, si ca El a folosit o matematica avansata in construirea universului “.

Fara indoiala, cea mai puternica demonstratie a legaturii profunde intre matematica si universul fizic este ecuatia lui Dirac. Desi descrierea sa a electronului, compatibila atat cu teoria cuantica, cat si cu relativitatea restransa, a fost nascocita exclusiv pe temeiul coerentei matematice, ea a prezis nu doar existenta spinului cuantic, ci si a universului nebanuit pana atunci al antimateriei.

Pozitronii nu sunt atat de rari pe cat s-ar crede, ei sunt emisi in mod natural de nucleele atomice insabile. Nucleele emitatoare de pozitroni s-au dovedit foarte importante in imagistica medicala. In tomografia cu emisie de pozitroni, in corp e injectate o substanta care contine nuclee emitatoare de pozitroni. Cand pozitronii intalnesc electroni, ei creaza perechi de fotoni indreptati in sensuri opuse, care pot fi detectati. Si intrucat indica pozitia fiecarei anihilari, ei pot fi folositi de softul unui calculator pentru a crea o imagine tridimensionala a unui organ din corpul omenesc.

Antimateria ar putea fi combustibilul perfect pentru rachete, deoarece la intalnirea materiei cu antimaterial, energia masei e convertita in proportie de 100% in alte forme de energie. Daca antimateria va putea fi folosita vreodata pentru propulsarea unei nave spatiale e o problema minora. Intrebarea de ce traim intr-un univers format din materie e un mister profund, fiinca toate procesele cunoscute de creare de particule, cum ar fi generarea de perechi, produc cantitati egale de materie si antimaterie.

In 1930, Dirac scrie o carte in care elucideaza splendid structura formala a noii teorii. Inca si azi e cel mai bun manual de mecanica cuantica. Mecanica cuantica a lui Dirac este teoria folosita astazi de orice inginer chemist sau de orice specialist in biologie moleculara. In ea fiecare obiect e definit de un spatiu abstract (un spatiu Hilbert), si nu are nici o propietate in sine, in afara celor care nu se schimba niciodata, precum masa. Pozitia si viteza lui, momentul lui cinetic si potentialul lui electric etc. capata realitate numai cand obiectul se ciocneste-“interactioneaza” cu alt obiect. Nu doar pozitia lui e nedeterminata, cum intelesese Heisenberg, dar nici o variabila a obiectului nu e definite in rastimpul dintre o interactiune si urmatoarea. Aspectul relational al teoriei devine universal.

Cand apare brusc, in cursul unei interactiuni cu alt obiect, o variabila fizica (viteza, energia, impulsul, momentul cinetic…) nu ia orice valoare. Ea poate lua doar anumite valori. Dirac da reteta generala de calcul pentru multimea valorilor pe care le poate lua o variabila fizica. Aceste valori sunt analogul spectrelor luminii emise de atomi.

Mecanica cuantica a lui Dirac ne permite asadar sa facem doua lucruri. Primul este sa calculam ce valori poate lua o variabila fizica. Asta se numeste “calculul spectrului unei variabile” si surprinde natura granulara a lucrurilor. Al doile lucru pe care mecanica cuantica a lui Dirac ni-l permite sa-l facem este sa calculam probabilitatea ca o valoare sau alta a unei variabile sa apara la urmatoarea interactie. Se numeste “ calculul amplitudinii de tranzitie”. Teoria nu ne spune ce se intampla intre o interactiune si urmatoarea-din perspectiva ei, nu exista asa ceva.

Probabilitatea de a gasi un electron sau orice alta particula intr-un punct sau in altul din spatiu poate fi imaginata ca un nor difuz, mai dens acolo unde probabilitaatea de a vedea particular e mai mare. Uneori e util sa vizualizezi norul a si cum ar fi un lucru real. De pilda, norul care reprezinta un electron in jurul nucleului ne spune unde e mai probabil ca electronul sa apara daca incercam sa-l vedem. Pesemne ca i-ati intalnit in scola- acestia sunt “orbitalii” atomici. ”Norul” care reprezinta punctele din spatiu unde e probabil sa se afle electronul, e descris de obiectul matematic numit “functie de unda”.. Fizicianul Erwin Schrodinger a gasit ecuatia care descrie evolutia ei in timp

Fizicianul Hugh Everett a inteles un lucru uluitor. Analiza lui, centrata pe o lacuna in jurul careia Niels Bohr, marele maestru al mecanicii cuantice, se invartise dar pe care nu reusise sa o umple, a aratat ca o cunoastere in adevaratul sens al cuvantului a teoriei cuantice ar  putea necesita o retea vasata de universuri paralele. Asa cum am mai spus, mecanica cuntica nu e o teorie care prezice viitorul pornind de la trecut, ci determina probabilitati pentru posibibilele rezultate alternative ale unei observatii. In abordarea lui Everett tot ce este posibil din punctul de vedere al mecanicii cuantice (adica toate rezultatele carora mecanica cuantica le atribuie probabilitate diferita de zero) se realizeaza in propia sa lume separata. Daca dintr-un calcul de mecanica cuantica rezulta ca o particula poate fi aici sau poate fi acolo, atunci intr-un univers este aici, iar in altul este acolo. Si in fiecare astfel de univers exista o copie a dumneavoastra martor la un rezultat sau altul, considerand -incorect-ca realitatea dumneavoastra este singura realitate. Aceasta este abordarea multe lumi a mecanicii cuantice, sau interpretarea lumilor multiple in denumirea lui Hugh Everett. Teoria lui Everett spune ca la fiecare rascruce a istoriei lumea se desparte in istorii alternative. Desi suna ca o speculatie extrema, unii fizicieni moderni condusi de ciudatenile mecanicii cuantice, au imbratisat ideile lui Everett-printre acestia fiind si Richard Feynman si Stephen Hawking. Contributia lui Everett a fost una din primele contributii motivate matematic care sugera ca am putea face parte dintr-un multiunivers. In fond daca spatiul se intinde la infinit-afirmatie care este in concordanta cu toate obsevatiile si care face parte din modelul cosmologic sustinut de multi fizicieni si astronomi, atunci undeva (probabil foarte departe) trebuie sa existe zone in care copii ale mele si ale dumneavoastra si a tot ce ne inconjoara traiesc versiuni alternative ale realitatii de aici. Interpretarea ortodoxa a scolii de la Copenhaga a mecanicii cuantice impune existent unei lumi macroscopice de observatori si aparate de masura, care la randul ei se explica prin mecanica cuantica. Acesta poate fi inca un exemplu privind neajunsurile scolii de la Copenhaga si a felului cum trateaza ea fenomenele cuantice si observatorii care le studiaza. In abordarea realista a mecanicii cuantice a lui Hungh Everett si a altora, exista o singura functie de unda ce descrie toate fenomenele, inclusiv experimentele si observatorii, iar legile fundamentale sunt cele care descriu evolutia acestei functii de unda.

Probabilitatile din mecanica cuantica

Mecanica cuantica ar parea ca submineaza ideea ca natura e guvernata de legi, dar nu e cazul. Dimpotriva ea ne conduce la o noua forma de determinism. Data fiind starea sistemului la un moment dat, legile naturii determina probabilitatile diferitelor viitoruri si trecuturi, in loc sa determine viitorul si trecutul cu certitudine. Desi unora nu le e pe plac, oamenii de stiinta trebuie sa accepte teorii care sunt in acord cu experimentele, iar nu cu ideile lor preconcepute.

Cee a ce pretinde stiinta de la o teorie e sa fie testabila. In ciuda naturii probabilistice a predictiilor lor, teoriile cuantice pot fi testate.

Este important sa intelegem ca probabilitatile din mecanica cuantica nu sunt la fel ca probabilitatile din fizica newtoniana sau ca acelea din viata de zi cu zi. Putem vedea asta comparand tiparele generate in experimental cu doua fante de un flux de molecule cu tiparul rezultat cand un jucator trage cu sageti la tinta. Sansele ca o sageata sa nimereasca aproape de centru sunt cele mai mari, iar ele scad pentru zone mai indepartate de centru. In cazul moleculelor, orice sageata poate cadea oriunde, si cu timpul apare o figura care reflecta probabilitatile aflate in spatele fenomenului. In viata de toate zilele putem ilustra aceasta situatie spunand ca o sageata are o anumita probabilitate de a ateriza intr-un anumit loc; dar spre deosebire de cazul moleculelor, spunem asta pentru ca nu cunoastem perfect conditiile de lansare a sagetilor. Daca am cunoaste exact felul in care fiecare jucator isi lanseaza sageata-unghiul sub care e lansata, viteza ei, directia vanului, etc., atunci, in principiu, am putea prezice cu o precizie oricat de mare locul unde va ateziza sageata. Folosirea termenilor probabilistici cand vorbim despre rezultatul unor evenimente din viata de zi cu zi nu reflecta deci natura intriseca a procesului, ci doar ignoranta noastra in privinta anumitor aspecte ale lui.

Probabiltatile din teoria cuantica sunt diferite. Ele reflecta caracterul fundamental aleator al naturii. Modelul cuantic al naturii contine principii care contrazic nu doar experienta cotidiana, dar si notiunea noastra intuitiva de realitate. De fapt Faynman scria odata: “Cred ca pot spune cu certitudine ca nimeni nu intelege mecanica cuantica”. Dar mecanica cuantica este in perfect acord cu observatiile. Nu a cazut la nici un test, si a fost testata mai mult decat orice alta teorie din stiinta.

Un alt principiu-cheie din mecanica cuantica ne spune ca, observand un sistem, ii modificam evolutia ulterioara. Mecanica cuantica ne dezvaluie ca nu poti privi un lucru fara sa-l modifici. Mecanica cuantica recunoaste ca pentru a face o observatie, trebuie sa interactionam cu obiectul observat. De pilda, pentru a vedea un obiect in sens traditional, il iluminam. Daca iluminam un obiect mare, fireste ca efectul luminii asupra lui va fi foarte mic. Dar daca iluminam chiar si foarte slab o minuscula particula cuantica, bombardand-o deci cu fotoni, efectul poate fi considerabil, iar experimentele ne arata ca rezultatele se modifica exact dupa cum prevede mecanica cuantica.

Din moment ce Feynman a explicat figura de interferenta din experimental cu doua fante spunand ca drumurile printr-o fanta interfera cu drumurile prin cealalta fanta, daca aprindem lumina pentru a determina prin care fanta trec particulele vom face astfel ca figura de interferenta sa dispara. Putem efectua experimental folosind o lumina foarte slaba, asa incat nu toate particulele sa interactioneze cu lumina. In acest caz vom putea obtine informatia “care din drumuri” ( prin ce fanta trec) doar pentru o submultime de particule. Daca impartim apoi datele privind sosirea particulelor dupa cum obtinem sau nu informatia “care din drumuri”, vom gasi ca datele corespunzand submultimii pentru care nu avem informatia formeaza figura de interferenta, iar submultimea datelor corespunzand particulelor pentru care avem informatia nu prezinta interferenta.

Aceasta are consecinte importante asupra ideii noastre de “trecut”. In teoria newtoniana se presupune ca trecutul exista ca o serie precisa de evenimente. Avand date complete despre present, legile lui Newton ne permit sa calculam o imagine completa a trecutului. Acest fapt e in acord cu intelegerea noastra intuitaiva, ca lumea area un trecut bine definit. Despre particula cuantica nu se poate spune insa ca a urmat o traiectorie precisa de la sursa la ecran. Putem determina pozitia unei particule observand-o, dar intre obsevatiile noastre ea urmeaza toate traiectorile posibile. Mecanica cuantica ne spune ca oricat de amanuntite ar fi obsevatiile noastre asupra prezentului, trecutul(neobsevat), la fel ca viitorul, e nedefinit si exista doar ca un spectru de posibilitati.

Faptul ca trecutul nu ia o forma precisa inseamna ca obsevatiile pe care le facem asupra unui sistem in prezent ii influenteaza trecutul. Acest fapt e pus spectaculos in evidenta de un experiment conceput de fizicianul John Wheeler si numit experiment cu alegere intarziata. In linii mari acest experiment seamana cu experimental cu doua fate, prezentat mai sus, in care ai obtiunea de a obseva traiectoria particulelor, doar ca amani hotararea de a obseva sau nu traiectoria pana exact inainte de momentul in care particula loveste ecranul detector. In acest caz, drumul urmat de fiecare particula, adica trecutul ei, e determinat dupa ce a trecut prin fante si dupa ce se presupune ca a avut “de hotarat” daca sa treaca printr-o singura fanta, ceea ce nu produce interferenta, sau sa treaca prin ambele, cea ce produce interferenta.

Experimentul cu doua fante

Richard Feynman, fizician specialist in mecanica cuantica, ii placea sa spuna ca toata mecanica cuantica ar putea fi rezumata analizand atent implicatiile experimentului cu doua fante. Experimentul cu doua fante (prezentat si in unele manual de fizica din liceu) contine intreg misterul mecanicii cuantice, asa ca merita discutat cu prioritate in continuare. Acest experiment pune in evidenta un fenomen imposibil, absolut imposibil de explicat in orice fel de fizica clasica si poarta in sine esenta mecanicii cuantice. Aratand cum functioneaza acest experiment, vorbim despre particularitatile de baza ale mecanicii cuantice.

In 1999, o echipa de fizicieni austrieci a focalizat un fascicul de molecule in forma de sfera, numite “fulerene” (fiecare molecula fiind alcatuita din saizeci de atomi de carbon) spre o suprafata subtire, solida, in care sunt decupate doua fante. Moleculele care trec prin cele doua fante ajung pe un ecran fotografic aflat in spatele celor doua fante. Experimentul consta in compararea imaginii care se formeaza pe ecran cand e deschisa fie o fanta, fie cealalta, cu imaginea care se formeaza pe ecran cand ambele fante sunt deschise simultan. In acest experiment, deschiderea celei de-a doua fante sporeste intr-adevar numarul de molecule ce ajung de partea cealalta in anumite puncte de pe ecran, dar scade numarul lor in alte puncte. Imaginea apare sub forma unor benzi luminoase si intunecate, ultimile fiind in regiunile unde nu ajunge nici o molecula (vezi fig…). De fapt, sunt locuri in care nu va ateriza nici o molecula atunci cand ambele fante sunt deschise, dar vor ajunge acolo molecule atunci cand doar una din fante e deschisa. Pare foarte ciudat.Cum se poate ca, prin deschiderea unei a doua fante, mai putine molecule sa ajunga in anumite puncte ?

Zonele unde nu ajung molecule corespund regiunilor in care undele emise de fante ajung defazate si creeaza o interferenta distructiva; zonele unde ajung multe molecule corespund regiunilor in care undele ajung in faza si creeaza o interferenta constructiva.

Experimentul cu doua fante a fost efectuat pentru prima dat in 1927 de Clinton Davisson si Lester Germer, fizicieni experimentatori la laboratoarele Bell, unde studiau interactia unui fascicul de electroni cu un cristal de nichel. Faptul ca particule de materie precum electronii se comporta ca undele de pe suprafata apei a fost genul de dovada uimitoare care a stimulat mecanica cuantica. Dat find ca acest comportament nu se observa la scara macroscopica, oamenii de stiinta s-au intrebat cat cat de mare si complex poate fi un obiect care isi pastreaza totusi propietatile ondulatorii. Oamenii de stiinta spera sa refaca intr-o buna zi experimental cu molecule folosind un virus, care nu numai ca e mult mai mare, dar e considerat o fiinta vie.

Peocupat de aparitia figurilor de interferenta in experimental cu doua fante, Richard Feynman a avut o intuitie uimitoare legata de diferenta dintre lumea newtoniana si cea cuantica. Figura care apare pe ecran atunci cand lansam particulele catre cele doua fante deschise nu e suma figurilor pe care le obtinem cand efectuam experimental cu o fanta deschisa si cealalta inchisa, iar apoi invers. Daca ambele fante sunt deschise, obtinem o serie de benzi luminoase si intunecate, ultimile fiind in regiunile unde nu ajunge nici o particula. Asta inseamna ca particulele care ar fi aterizat in zona intunecata daca ar fi fost deschisa doar o fanta nu mai aterizeaza acolo atunci cand si cealalta fanta e deschisa. Este ca si cum undeva pe drumul de la sursa la ecran particula a obtinut o informatie privind cele doua fante. Este un comportament cu totul diferit de cee a ce se intampla in viata cotidiana. Conform fizicii newtoniene-si modului in care ar decurge experimental daca in locul moleculelor am folosi mingi de tenis-fiecare particula urmeaza un singur drum bine definit de la sursa la ecran. In aceasta reprezentare nu intra in discutie vreun ocol pe care l-ar face particula pentru a vizita vecinatatile fiecarei fante insa, conform modelului cuantic, particula nu are o pozitie bine definita in timpul deplasari din punctul de pornire in punctul de sosire. Feynman a inteles ca nu trebuie sa interpretam aceasta ca si cum particulele n-ar avea o traiectorie intre sursa si ecran, ci ca ele pot urma toate traiectoriile posibilecare leaga cele doua puncte.Aceasta, sustine Feynman este ceea ce deosebeste mecanica cuantica de cea newtoniana. Situatia la cele doua fante conteaza fiinca, in loc sa aiba o singura traiectorie, particulele urmeaza toate traiectoriile posibile, si o fac simultan. Suna cam SF, dar nu este. Feynman a elaborat o expresie matematica-suma dupa istorii– care ilustreaza aceasta idee si reproduce toate legile fizicii cuantice. Teoria lui Feynman ne permite sa prezicem rezultatul probabil al unui “sistem”, care poate fi o particula, un ansamblu de particule sau chiar intregul univers. Intre starea initiala a sistemului si masuratorile ultreioare ale propietatilor sale, acele propietati evolueaza cumva, intr-un fel pe care fizicienii il numesc istoria sistemului. In experimental cu doua fante, de pilda, istoria particulei e pur si simplu traiectoria ei. La fel cum in experimental cu doua fante probabilitatea ca o particula sa ajunga intr-un punct depinde de toate drumurile posibile pana acolo, Feynman a aratat, ca pentru un sistem general, probabilitatea orcarei observatii se construieste din toate istoriile posibile care puteau conduce la acea obsevatie. Din aceasta cauza metoda lui se numeste “suma dupa istorii” sau formularea “istoriilor alternative” a fizicii cuantice.

In modelul lui Feynman, o particula care se deplaseaza dintr-un punc A in punctul B incearca fiecare dintre drumurile care leaga A de B, iar fiecarui drum ii corespunde un numar numit faza si reprezentat printr-o sageata(vector). Aceasta faza reprezinta pozitia in ciclu a unei unde, adica ne spune daca unda a ajuns in creasta, in vale sau intr-o anume pozitie intermediara. Pentru a efectua, dupa metoda lui Feynman, calculul “amplitudinii de probabilitate” ca particular sa ajunga din punctul A in punctul B, trebuie sa adunam fazele(vectori orientate in directii diferite ) asociate fiecarei traiectorii ce leaga A de B. Calculul e putin complicat, dar metoda functoineaza.

In experimental cu doua fante, ideea lui Feynman se traduce prin faptul ca particulele urmeaza drumuri care trec doar printr-una din fante sau doar prin cealalta;drumuri care trec prin prima fanta se intorc prin a doua fanta si apoi trec din nou prin prima fanta. Aceasta explica, din perspectiva lui Feynman, cum afla particula ce fanta e deschisa-iar, daca e vreuna deschisa particula trece prin ea. Atunci cand ambele fante sunt deschise drumurile pe care calatoreste particula tecand printr-o fanta pot interactiona cu drumurile care trec prin cealalta fanta, cea ce produce interferenta.

Teoria lui Feynman ne da o imagine foarte clara privind felul in care poate aparea reprezentarea newtoniana asupra lumi din mecanica cuantica, desi cele doua par atat de diferite. Conform teoriei lui Feynman, cand adunam contributiile traiectorilor apropiate pentru care fazele variaza puternic, ele tind sa dea o suma nula. Dar teoria ne spune si ca exista anumite drumuri ale caror faze au tendinta de a se alinia, deci acele traiectorii sunt favorizate; cu alte cuvinte ele aduc o contributie mai mare la comportamentul observat al particulei. Se dovedeste ca pentru obiecte mari, traiectorii foarte asemanatoare celor prezise de Newton au faze asemanatoare si se aduna pentru a da de departe cea mai mare contributie la suma, atfel incat singura destinatie care are o probabilitate semnificativa va fi destinatia prezisa de teoria lui Newton, iar aceasta destinatie are o probabilitate foarte aproape de unu. Prin urmare obiectele mari se vor misca exact asa cum prezice teoria lui Newton.

Teoriile cuantice pot fi formulate in mai multe moduri, dar probabil cea mai intuitiva descriere a fost data de Richard Feynman. Poate parea straniu, dar in cea mai mare parte a fizicii fundamentate formularea lui Faynman se dovedeste mai utila decat cea initiala data de Schrodinger si Dirac. In teoria lui Feynman, matematica si imaginea fizica difera de cele din formularea initiala a fizicii cuantice, dar predictiile sunt aceleasi.

Feynman descrie principiile mecanicii cuantice intr-un mod care sa nu ceara o cunoastere prealabila a teoriei ecuatilor cu derivate partiale. Cred ca incercarea de a prezenta mecanica cuantica in aceasta maniera neobisnuita prezinta ceva interesant chiar si pentru un fizician. Modul obisnuit de a preda mecanica cuantica studentilor care isi aleg fizica ca specialitate, folosind intregul aparat al ecuatiilor diferentiale, face teoria mai greu abordabila.

Teoria lui Feynman, la care ne-am referit mai sus, ne da o imagine foarte clara privind felul in care poate aparea reprezentarea newtoniana asupra lumi din mecanica cuantica, desi cele doua par atat de diferite.

Conform lui Feynman un sistem nu are o singura istorie, ci toate istoriile posibile. Pare o idee radicala chiar si pentru multi fizicieni.Intr-adevar, la fel ca multe alte notiuni din stiinta de astazi, si aceasta pare sa contrazica bunul simt.

Una din trasaturile-cheie ale fizicii cuantice este dualitatea unda/particula. Faptul ca o particula materiala se comporta ca o unda a surprins pe toata lumea. Comportamentul ondulatoriu al luminii ni se pare acum firesc. Fizicianul Thomas Young a efectuat experimental cu doua fante la inceputul secolului XIX, convingand lumea ca lumina e o unda si nu se compune din particule, asa cum credea Newton. Desi am putea crede ca Newton a gresit considerand ca lumina nu este o unda, el a avut dreptate cand a spus ca ea se comporta ca si cum ar fi alcatuita din particule. Astazi numim aceste particule fotoni.

In laborator se pot produce fascicule de lumina atat de slaba, incat consata dintr-un flux de fotoni individuali, care pot fi detectati separat, la fel cum putem detecta electronii individuali sau moleculele individuale. Putem repeta experimental lui Young folosind un fascicul atat de slab, incat fotonii sa ajunga la fante unul cate unul la interval de cateva secunde. Procedand astfel si adunand apoi toate impacturile individuale inregistrate pe ecran, vedem ca impreuna, ele formeaza aceiasi figura de interferenta pe care am gasi-o daca am efectua experimental cu electroni sau molecule. Pentru fizicieni a fost o revelatie: daca particulele individuale interfera cu ele insele, atunci natura ondulatorie a luminii nu este doar propietatea unui fascicul sau a unui ansamblu numeros de fotoni, ci chiar a particulelor individuale.

Corelatia cuantica

Fenomenul cuantic cel mai straniu, cel care ne indeparteaza cel mai mult de vechea noastra lume este numit “corelatia cuantica” (in engleza: entanglement). E un fenomen subtil care ne farmeca si care, asa cum a subliniat Schrodinger, reprezinta adevarata tasatura caracteristica a mecanicii cuantice.Aici apar aspectele cele mai ametitoare ale realitatii dezvaluite de teoria cuantelor.

In fizica cuantelor, se numeste corelatie cuantica fenomenul prin care doua obiecte aflate la mare distanta unul de altul, de exemplu doua particule care s-au intalnit in trecut, pastreaza un fel de legatura ciudata, ca si cum ar putea sa stea in continuare de vorba. Ca doi indragostiti, departe unul de celalt, care-si ghicesc unul altuia gandurile.Fenomenul e confirmat fara gres in laborator. Oamenii de stiinta au reusit sa tina in stare de corelatie cuantica doi fotoni aflati la distanta de mii de kilometric unul de altul.

Spunem ca doi fotoni corelati cuantic au caracteristici corelatecand: daca unul e rosu, si celalalt e rosu; daca unul e albastru si celalalt e albastru. Pana aici, nimic ciudat.

Ciudatenia apare daca perechea de fotoni expediati unul la Bucuresti-Magurele si celalalt la Paris se afla intr-o superpozitie cuantica. De exemplu, pot fi intr-o superpozitie a unei configuratii in care sunt ambii rosii cu una in care ambii sunt albastrii.Fiecare foton poate aparea fie rosu, fie albastru in momentul observatiei, dar daca se va arata rosu, atunci si celalalt-aflat la mare distanta- va fi la fel.

Ce ne lasa perplecsi e ca, desi ambi pot fi rosii, ori albastri, ei apar intotdeauna de aceiasi culoare. Cum de se intampla asa ceva?Teoria spune ca, pana in momentul cand ii privim, nici unul din cei doi fotoni nu e definitiv rosu sau definitiv albastru. Culoarea se stabileste aleatoriu in momentul in care privim. Dar daca e asa, cum se poate ca acea culoare care e determinate aleatoriu la Magurele sa fie mereu aceiasi cu culoarea determinata aleatoriu la Paris? Daca dau cu banul la Magurele si la Paris, rezultatele sunt independente, nu sunt corelate.

Corelatia cuantica ne arata ca realitatea e altfel decat ne-o imaginam. Doua obiecte au impreuna mai multe caracteristici decat cele doua obiecte luate separat. Mai precis, sunt situatii in care, chiar daca cunosc tot ce se poate prevedea in acea situatie despre fiecare din cele doua obiecte, exista totusi ceva ce nu pot sa prevad despre cele doua obiecte luate impreuna.Nimic din toate acestea nu e adevarat in lumea clasica.

Pare o enigma fara solutie. Cum se poate ca doua particule corelate cuantic sa ia aceiasi hotarare, fara a se fi pus in acord dinainte si fara

sa-si trimita mesaje la distanta?

Din perspectiva relationala a teoriei cuantice, solutia exista, dar arata cat de radicala e aceasta perspectiva. Masurarea culorii fotonului efectuata la Bucuresti determina culoarea in raport cu Bucuresti.Masurarea culorii fotonului efectuata la Paris determina culoarea in raport cu Paris. Nu exista nici un obiect fizic care sa vada simultan culorile ambilor fotoni in cele doua locatii. Deci nu are sens sa ne intebam daca rezultatele coincid sau nu. Doar Dumnezeu poate observa in doua locuri simultan, dar Dumnezeu nu ne spune ce observa.

Sa ne reamintim ca in teoria cuantica, perspectiva relationala arata ca propietatile unui obiect exista numai in momentul interactiunilor si numai in raport cu alt obiect. E un salt radical. Echivaleaza cu a spune ca e necesar sa admitem ca fiecare luru e numai felul in care actineaza asupra altora. Atunci cand electronul nu interactioneaza cu nimic altceva, el nu are propietati fizice. Nu are pozitie, nu are viteza. Obiectele sunt caracterizate de modul in care interactioneaza. Lumea pe care o observam si pe care o numim “realitate”, si din care facem parte, e o vasta retea de entitati in interactiune, care se manifesta unele fata de altele interactionand. Teoria cuantica e teoria felului in care se influenteaza lucrurile, iar aceasta e cea mai buna descriere a naturii de care dispunem astazi.

Teoria cuantica a campului

Paul Adrien Maurice Dirac este considerat de multi cel mai mare fizician al secolului XX dupa Einstein. La scurt timp dupa ce mecanica cuantica a capatat o formulare generala, Paul Adrien Maurice Dirac isi da seama ca teoria poate fi aplicata direct campurilor cum e cel electromagnetic, si poate fi pusa in acord cu reletivitatea restransa. Dirac ajunge astfel la o noua si profunda simplificare a descrierii naturii: convergenta dintre notiunea de particula folosita de Newton si cea a campului introdusa de Faraday.Norul de probabilitate care insoteste electronii intre o interactiune si alta seamana cu un camp.

Dar campurile lui Faraday si Maxwell sunt alcatuite din granule:fotonii. Nu numai ca particulele sunt intr-un anumit sens raspandite in spatiu ca niste campuri, dar si campurile interactioneaza cu particulele.Notiunile de camp si particula, tratate separat de Faraday si Maxwell, sfarsesc prin a se contopi in mecanica cuantica. Ecuatiile teoriei scrise de Dirac explica natura granulara a luminii pe care Planck si Einstein o intuisera.

Dirac, Heisenberg, Pauli, Fermi si alti fizicieni au dezvoltat o teorie matematica, compatibila cu relativitatea restransa, cunoscuta sub numele de teoria cuantica a campului, conform careia un camp este alcatuit din particule infnitezimale numite cuante ale campului si toate particulele pot fi considerate ca mici aglomerari de energie si impuls. Particulele sunt cuante ale campului. Pentru campul electromagnetic cuantele sunt fotonii.

Intr-o teorie cuantica relativista fortele dintre particule pot lua nastere doar prin schimbul altor particule. Mai mult, toate aceste particule sunt pachete de energie, sau cuante, ale diferitelor tipuri de campuri. Un camp, cum este cel electric sau magnetic, e un fel de tensiune in spatiu, asemanatoare diferitelor tensiuni ce pot aparea intr-un corp solid, dar campul este o tensiune in spatiul insusi. Exista un anumit tip de camp pentru fiecare specie de particula elementara. La inceput, campurile erau socotite un ingredient aditional in reteta lumii fizice, niste particule suplimentare. Dealungul secolului XX, campurile au preluat controlul. Intelegem acum particulele ca pe manifestari ale unei realitati mai profunde. Particulele sunt avataruri ale campurilor.

In cursul secolului XX, lista campurilor fundamentale a fost mereu adusa la zi, asa incat dispunem acum de o teorie, numita “modelul standard al particulelor elementare”, ce pare sa descrie tot ce vedem-exceptand gravitatia-in cadrul teoriei cuantice a campurilor. Exista vreo cinsprezece campuri ale caror cuante sunt particule elementare (electroni, cuarci, miuoni, neutrino, particula Higgs si alte cateva), plus cateva campuri asemanatoare campului electromagnetic, care descriu forta electromagnetica si alte forte actionand la scara nucleului, ale caror cuante sunt asemanatoare fotonului.

Cu campurile si particulele sale, mecanica cuantica ofera azi o surprinzator de buna decriere a naturii. Lumea nu e alcatuita din campuri si particule, ci dintr-un singur tip de entitate, campul cuantic. Nu mai e vorba de particule care se misca in spatiu in cursul timpului, ci de campuri cuantice ale caror evenimente elementare au loc in spatiul-timp. Lumea e stranie dar simpla.

Campurile cuantice sunt componentele fundamentale din care este alcatuita lumea. Materia e compusa din atomi.Atomii sunt compusi din nuclee si atomi. Nucleele sunt compuse din protoni si neutroni.Protonii si neutronii sunt compusi din cuarci. Cuarcii si electronii sunt alcatuiti din campuri. Iar,din cate stim, campurile cuantice sunt treapta cea mai de jos pe scara naturii. Campurile domnesc! Campurile cuantice produc particule-cuantele lor.

Un camp este pur si simplu ceva ce are o valoare in fiecare punct din spatiu-timp. Aceste campuri fluctueaza rapid, fiindca obiectele cuantice sunt in mod inerent agitate. Daca intr-un anumit camp e injectata suficienta energie, prin el se propaga o unda, iar aceasta este o particula.

Teoria campurilor unifica astfel cele doua propietati enigmatice si aparent contradictorii ale lumii subatomice: capacitatea atomilor si a constituientilor lor de a se comporta atat ca particule, cat si ca unde.

In descrierea cuantica o forta apare ca dintr-un fel de joc de tenis submicroscopic.Purtatorii fortei sunt trimis incoace si incolo de le o particula la alta, facandu-le sa se respinga intre ele.

Extinzandu-se continu in spatiu, campurile pareau sa nu semene deloc cu particulele. Era greu de imaginat ca lumina ar putea fi ambele, si particule numite fotoni sau cuante-lumina si perturbatie electromagnetica propagata prin camp conform legilor electromagnetice, asa cum a dedus Farady si Maxwell. Aspectele diferite ale luminii-camp si particula-au fost reconciliate in notiunea de camp cuantic. Campurile cuantice, asa cum o sugereaza numele, sunt tot campuri(medii care umplu spatiul). Exista versiuni cuantice ale campului electric si magnetic. Ele continua sa satisfaca aceleasi ecuatii-ecuatile lui Maxwell-propuse de fizicienii din secolul XIX pentru campurile electric si magnetic inainte de aparitia mecanicii cuantice. Dar versiunile cuantice ale campurilolor electric si magnetic satisfac si alte ecuatii. Ecuatiile suplimentare se numesc “relatiile de comutare “. Oricum le-am spune, aceste ecuatii supimentare exprima esenta teoriei cuantice in forma matematica. Existand mai multe ecuatii care trebuiesc satisfacute, sunt mai putine solutii.

Dupa cum spuneam lumina e un fel de excitatie autointretinuta, care se propaga intre campurile electric si magnetic. Nu toate solutiile sale satisfac insa conditiile cuantice. Solutiile permise trebuie sa satisfaca si o anumita relatie intre energia si frecventa lor (ritmul in care campurile oscileaza). Relatia spune ca energia excitatiei trebuie sa fie egala cu o constanta nenula, numita constnta lui Planck, imultita cu frecventa. Ca ecuatie, se scrie :E=h?, unde E este energia si ? este frecventa, iar h este constanta lui Plank. Nu intamplator, aceasta relatie este cea propusa de Plank in 1900 si preluata de Eistein in 1905, pentru a prezice existenta fotonilor.Se numeste formula Plank-Einstein. A trebuit sa treaca douazeci de ani pentru ca propunerea lor revolutionara sa fie acceptata, pe baza rezultatelor experimentale, iar fizicienii au ajuns apoi la interpretarea teoretica prezentata aici. Avem atat ecuatiile lui Maxwell, cat si unitati discrete de lumina. Prin analogie, suntem condusi sa introducem un camp-sa-l numim camp electronic-ale carui excitatii sunt electronii. Toti electronii au aceleasi propietati pentru ca fiecare dintre ei este o excitatie in acelasi camp universal.

Campurile e necesar sa aibe un caracter local, iar campurile cuantice produc particule.Urmand acest rationament, ajungem la o cunoastere mai profunda a motivului pentru care particulele exista si sunt intersanjabile. In fond, nu-i nevoie sa introducem doua tipuri diferite de ingredient fundamentale, campuri si particule. Campurile domnesc.E vorba de campurile cuantice.

Intorcandu-ne la originea notiunii de camp, putem recunoaste in incercarile lui Faraday de a descrie influentele electrice si magnetice in spatiu un alt mod prin care campurile cuantice unifica perspectiva noastra asupra lumii. Acelesi campuri cuantice electric si magnetic care produc fotoni, produc conform ideilor lui Faraday si ecuatiilor lui Maxwell, fortele electrica si magnetica. Ajungem astfel sa intelegem ca subsanta si forta sunt doua aspecte ale unei realitati fundamentale comune, adica campul.

Fizicienii si-au concentrat mai intai eforturile inovatoare spre impletirea relativitatii speciale cu conceptele cuantice in descriere a fortei elecromagnetice si a interactiei ei cu materia. Printr-o serie de descoperiri inspirate ei au creat electrodinamica cuantica.

Ecuatiile unei teorii a campului, cum este modelul standard, nu opereaza cu particule, ci cu campuri; particulele apar ca manifestari ale acestor campuri. Teoria acestei lumi simplificate formata din electroni, fotoni si nuclee este electrodinamica cuantica, iar versiunea sa data de Feyman a avut un suces incredibil. Electrodinamica cuantica este probabil cea mai precisa teorie a naturii creata pana acum. Din calcule efectuate cu ajutorul electrodinamicii cuantice rezulta predictii cu privire la propietatile electronilor, pozitronilor si fotonilor care au fost verificate experimental si intelese cu o precizie uluitoare. Nu exista niciun  rezultat obtinut in urma experimentelor care sa-i contrazica previziunile.In 1965, Feynman, Schwinger si fizicianul japonez Tomonaga au primit Premiul Nobel pentru lucrarile lor asupra electrodinamicii cuantice. Nimic interesant nu s-ar intampla vreodata daca am avea de-a face doar cu miscarea libera a electronilor si fotonilor. Dar aceste miscari au loc ambele intr-o actiune coordonata care e raspunzatoare pentru tot ce e interesant in natura. Sa ne gandim numai la ce se intampla cand electronii trec dintr-un nor in altul in timpul unui fulger luminos. Noaptea se transforma brusc in zi. Bubuitul tunetului se datoreaza undei de soc produse de ciocnirea electronilor rapid accelerati cu moleculele de aer care le stau in cale. De unde provine lumina care inunda spectaculos cerul pret de o secunda? Raspunsul ne duce iar la electronii individuali. Cand miscarea unui electron este brusc perturbata, el poate raspunde producand un foton. Acest proces, numit emisie fotonica, este evenimentul fundamental in electrodinamica cuantica. La fel cum toata materia e alcatuita din particule, toate procesele fizice constau din evenimentele elementare de emisie si absortie. Astfel electronul, in timp ce se misca prin spatiul-timp poate sa arunce brusc in afara o singura cuanta(sau foton) de lumina. In coditiile obisnuite, lumina vizibila este absorbita sau emisa atunci cand electronii dintr-un atom sunt excitati pe orbite de energie mai inalta sau, respective,revin pe orbite de energie mai joasa. Toata lumina pe care o vedem, la fel ca undele radio, radiatia infrarosie,razele X, e compusa din fotoni care au fost emisi de electronii din Soare sau din filamentul unui bec luminous,  dintr-o antenna radio sau dintr-o sursa de raze X.

Electrodinamica cuantica este mai mult decat teoria electronilor si fotonilor: este fundamentul pentru teoria intregii materii. Se stie ca electronii din atom determina propietatile chimice ale tuturor elementelor din tabelul periodic. Daca electronul este eroul electrodinamicii cuantice, fotonul este camaradul care face cu putinta ispravile electronului. Lumina emisa de un bec aprins se reduce la evenimente microscopice in care electroni individuali emit fotoni atunci cand sunt acelerati. Toata teoria electrodinamicii cuantice se invarte in jurul unui proces fundamental: emisia unui singur foton de catre un singur electron.

Fotonii joaca si ei un rol indispensbil in atom. Intr-un anume sens fotonii sunt funiile care leaga electronii de nucleu. Daca fotonii ar fi eliminati brusc de pe lista particulelor elementare, orice atom s-ar dezintegra instantaneu. Referitor la electrodinamica cuantica  trebuie totusi sa recunoastem ca nu o itelegem pe deplin. Cunoastem principiile fundamentale ale teoriei si putem deduce din ele ecuatiile de baza care definesc teoria. Totusi, nu putem de fapt sa rezolvam aceste ecuatii,sau macar sa dovedim ca ele sunt consistente din punct de vedere matematic. Ca totul sa aiba sens recurgem la un subterfugiu. Facem cateva presupuneri privind natura solutiilor-care dupa mai mult de saptezeci de ani sunt inca nedemonstrate-iar aceasta ne conduce la un procedeu de calcul aproximativ a ceea ce se intampla la interactiunea fotonilor cu electronii. Procedeul se numeste teoria perturbatiilor. Este foarte util pentru ca ne conduce la raspunsuri care sunt in foarte bun acord cu experienta. Totusi, inca nu stim de fapt daca procedeul este consistent sau nu,ori cat de precis reflecta ce ar prezice o solutie exacta a teoriei. Teoria perturbatiilor este destul de usor de descries cu ajutorul diagramelor Feynman.

Sucesul electrodinamicii cuantice a indemnat alti fizicieni, in anii 1960 si 1970, sa aplice aceileasi metode pentru a descrie forta slaba si forta tare.Prin analogie cu electrodinamica cuantica fizicienii au construit o teorie cuantica de camp pentru fortele tari numita cromodinamica cuantica si una pentru fortele slabe numita teoria cuantica electro-slaba. Cromodinamica cuantica este versiunea moderna a fizicii nucleare. Fizica nucleara conventionala a inceput cu protonii si neutronii(nucleonii), dar cromodinamica cuantica merge mai in profunzime. Acum se stie ca nucleonii nu sunt particule elementare. Atat protonul cat si neutronul sunt fiecare format din trei cuarci legati intre ei printr-o inlantuire de particule numite gluoni. Teoria cuarcilor si a glonilor-cromodinamica cuantica- este mai complicata decat electrodinamica cuantica si imposibil de explicat in cateva propozitii.

Una din cele mai surprinzatoare aplicatii ale cromodinamicii cuantice este ca poate explica originea aproape a intregii mase.

Celebra formula a lui Einstein: E=mc² , exprima energia latenta dintr-un obiect in repaus, datorita masei sale. energia se conserva, putem folosi aceasta formula pentru a calcula cata energie e eliberata cand o particula se sparge sau se dezintegreaza in particule cu masa mai mica. Formula e folosita in acest sens cand determinam felul in care energia rezultata din radioactivitatea Pamantului deplaseaza, de pilda, continentele (tectonica placilor) sau felul in care reactiile nucleare alimenteaza stelele cu energie.

Frumos este ca logica formulei poate fi citita si in sens invers, pentru a produce masa din energie pura: m=E/c². De fap de aici rezulta cea mai mare parte a masei protonilor si neutronilor si astfel, a masei corpurilor umane si a obiectelor din viata de zi cu zi.

In interiorul protonilor avem cuarci si gluoni. Cuarcii au mase foarte mici, iar gluonii au mase zero. Dar ei se misca foarte repede in interiorul protonilor, astfel incat au energie.Toata aceasta energie se insumeaza. Cand energia acumulata e incapsulata intr-un obiect aflat in repaus, cum este protonul in ansamblul lui, atunci obiectul are masa m=E/c². Asta explica aproape intreaga masa a protonilor si neutronilor, ca produs ale energiei pure. La randul ei, aproape toata masa oamenilor e data de insumarea maselor protonilor si neutronilor pe care ii contine, deci produsul energiei pure.

Ca si cromodinamica cuantica si in electrodinamica cuantica  interactiile slabe joaca un rol important in explicarea propriei noastre existente. Forta nucleara slaba si-a facut pentru prima data simtita prezenta atunci cand, in 1896 Henri Becquerel a descoperit radioactivitatea. Radioactivitatea este de trei feluri, numite alfa, beta si gama. Ele corespund unor fenomene foarte diferite. Astazi stim ca razele beta care proveneau din esantionul de uranium al lui Becquerel erau de fapt electroni emisi de neutronii din nucleul de uraniu. Atunci cand emite un electron, neutronul se transforma imediat in proton. Forta nuclear slaba face ca un neutron din nucleu sa se transforme in proton, in acelasi timp aparand un electron si o alta particular, numita azi antineutin, care sunt expulzate din nucleu. Acest lucru (sa schimbi identitatea unor particule)nu e permis nici unui alt tip de forta. Nimic din cromodinamica cuantica sau din electrodinamica cuantica nu explica felul in care un neutron poate sa emita un electron si sa se transforme in proton. Ceea ce Becquerel nu stia este ca o alta particular era emisa atunci cand neutronul se dezintegra, si anume antiparticula fantomaticului neutrin. Neutrinul este asemanator electronului dar el nu are sarcina electrica si are o masa infima.Atat despre interactiile slabe.

Legile pentru cele patru forte fundamentale, luate impreuna, constituie ceea ce numim uneori Modelul Standard. Avem motive sa credem ca Modelul Standard-legile fundamentaale pentru QED, QCD, gravitatie si forta slaba, luate impreuna-formeaza o baza adecvata pentru aplicatii practice, baza care va ramane valabila in viitorul previzibil. Un motiv este evident, legile au fost acum testate cu mult mai mare precizie si intr-un domeniu mult mai vast decat e nevoie pentru aplicatii practice de chimie, biologie, inginerie si chiar astofizica (cu exceptia cosmologiei universului timpuriu).

Teoria moderna cunoscuta sub numele de Modelul Standard, care include aceste teorii si care descrie corect toate particulele elementare cunoscute si fortele care actioneaza asupra lor (cu exceptia gravitatiei) este o teorie cuantica de camp. Asa numitul “Model Standard” formulat in anii 1970 a adus o ordine impresionanta in lumea microscopica. Fortele electromagnetice si cele ” slabe” au fost unificate; iar fortele tari sau nucleare au fost interpretate in functie de cuarci, mentinuti impreuna prin alt tip de particule, numite gluoni. Desigur modelul standard este un urias progres facut in fizica dar cu certitudine nu este raspunsul final. Dar nimeni nu considera acest model ca fiind ultimul cuvant : numarul particulelor elementare ramane suparator de mare, iar ecuatiile contin inca numere care trebuiesc determinate experimental si nu pot fi deduse doar din teorie. Desi forta nucleara tare este inclusa in modelul standard (cromodinamica cuantica), ea apare ca ceva diferit de fortele electromagnetica si nucleara slaba (teoria cuantica elecro-slaba), nu ca o parte dintr-o imagine unificata. Problemele modelului standard se leaga intr-un fel sau altul de fenomenul cunoscut sub numele de rupere spontana a simetriei. Descoperidea acestui fenomen a fost unul din marile progrese din stiinta secolului XX, mai intai in fizica starii condensate (cum ar fi inghetarea apei sau magnetizarea fierului), iar apoi in fizica particulelor  elementare. In fizica starii condensate, un magnet permanent obisnuit ofera un bun exemplu de rupere a simetriei. Ecuatiile care guverneaza atomii de fier si campul magnetic dintr-un magnet permanent sunt perfect simetrice in raport cu directiile din spatiu; nimic nu face distinctive intre nord si sud sau est sau intre sus si jos.Totusi, cand o bucata de fier este racita sub 770⁰C, in mod spontan apare un camp magnetic orientat intr-o anumita directie,rupand simetria intre diferitele directii. Asa cum magnetizarea unei bucati de fier poate fi anulata, iar simetria intre diferitele directii restaurata ridicand temperature fierului la peste 770⁰C, si simetria dintre fortele slabe  si electromagnetice ar putea fi restaurata daca am putea ridica temperatura laboratorului nostru la cateva milioane de miliarde de grade.

Conform cu cea mai simpla versiune a teoriei cosmologice general acceptate a big bang-ului, a existat un moment in urma cu 14 miliarde de ani cand temperatura universului era infinita. La aproximativ o zecime de miliardime de secunda dupa acest moment de inceput, temperatura universului scazuse la cateva milioane de miliarde de grade, iar in acest moment simetria dintre fortele slabe si electromagnetice a fost rupta.

In fine,in afara de problema unificarii celor patru forte, modelul standard are multe trasaturi care nu sunt dictate de pricipii fudamentale si care trebuie pur si simplu luate din experiment. Aceste trasaturi aparent arbitrare includ catalogul particulelor elementare si un numar de constante cum ar fi raporturile maselor particulelor elementare si chiar simetriile insesi. Nimeni nu stie de ce lista particulelor elementare este exact aceasta si de ce propietatile acestor particule (electroni, cuarci, gluoni, fotoni, etc) sunt exact asa cum sunt.Ne putem imagina cu usurinta ca oricare din aceste trasaturi ale modelului standard ar putea fi diferite.

Legile fundamentale au aceasta calitate, ele descriu schimbarea, ne spun ce se intampla. Totusi, legile Modelului Standaard trebuie sa contina informatii despre starea universului la un anumit timp, inainte de a incepe sa construiasca o lume. Ele nu au privirea lui Dumnezeu care vede spatiul-timp in ansamblul lui. Cosmologia big bang ne invataa ca la inceput universul a fost extrem de simplu. Acestea sunt indici pretioase ca ar trebui sa cautam legi mai cuprinzatoare, care sa priveasca lucrurile in ansamblul lor.

Evident modelul standard este un urias progres al fizicii dar cu certitudine nu este raspunsul final. Fizicienii cauta o teorie mai profunda decat Modelul Standard, in care interactiile tari, slabe si electromagnetice sa fie unificate de un singur mare grup de simetii rupte spontan. Aducerea gravitatiei in cadrul teoriei cuantice a campului intampina mari dificultati fiindca e foarte dificil sa descrii gravitatia in limbajul teoriei cuantice a campului. Putem aplica pur si simplu regulile mecanicii cuantice la ecuatiile de camp ale relativitatii generale, dar atunci ajungem la vechea problema a infinitilor( dam peste probabilitati infinite !). In efortul de a depasi aceste dificultati a aparut nu demult un candidat pentru teoria finala si anume teoria corzilor, in care chiar campurile cuantice sunt manifestari la energi joase ale unor neregularitati in spatiu-timp numite corzi.
            De teoria finala s-ar putea sa ne desparta secole si ea ar putea fi complet diferita de tot ce ne inchipuim acum. Partea din fizica actual care e probabil sa supravietuiasca nemodificata intr-o teorie finala e mecanica cuantica. Aceasta nu numai pentru ca mecanica cuantica sta la baza intregului nostru mod de a intelege materia si forta si a trecut teste experimentale extreme de severe; mai important e faptul ca nimeni nu putut agasi o cale de a modifica mecanica cuantica, asa incat sa-i pastreze succesele fara sa ajunga la absurditati logice. Actualul nostru model standard al fortelor slabe, electromagnetice si tari se bazeaza pe simetrii: simetriile spatio-temporale ale relativitatii speciale, care impun ca modelul standard sa fie formulat ca o teorie de camp,si simetriile interne care dicteaza existenta campului electromagnetic si a celorlalte campuri purtatoare de forte din modelul standard. Gravitatia, de asemenea, poate fi inteleasa pe baza unui principiu de simetrie, simetria din teoria relativitatii generale, care stabileste ca legile naturii trebuie sa fie invariante in raport cu toate schimbarile posibile ale felului in care descriem pozitiile in spatiu si timp. Pornind de la aceasta experienta se presupune ca o teorie finala  in general se va baza pe principi de simetrie. Ne asteptam ca aceste simetrii sa unifice gravitatia cu forta slaba, forta electromagnetica si forta tare din modelul standard.

Teoria cuantica a gravitatiei. Principiul holografic

Lucrurile-materia si radiatiile-ar trebui vazute ca secundare, ca purtatoare ale unei entitati fundamentale mai abstracte:Informatia(John Wheeler)

         Campurile cuantice deseneaza spatiul, timpul, materia si lumina, schimband informatie intre un eveniment si altul. Realitatea, lumea in care traim, este o reta de evenimente granulare si dinamica ce le leaga e probabilistica.Intre un eveniment si altul, spatiul, timpul materia si energia sunt topite intr-un nor de probabilitati. Aceasta lume stranie insi face astazi treptat aparitia din gravitatia cuantica. Cercetarile din fizica, aflate in curs, exploreaza si redeseneaza lumea oferindu-ne o imagine din ce in ce mai buna asupra ei si invatadu-ne sa o concepem in mod adecvat.

Domeniul obisnuit de aplicare a teoriei relativitatii generale este cel al distantelor mari, astronomice. Pentru astfel de distante, teoria lui Einstein spune ca absenta masei implica faptul ca spatiul e plat si neted chiar si la nivel microscopic.In incercarea de a combina relativitatea generala cu mecanica cuantica va trebui sa examinam mai atent propietatile microscopice ale spatiului. Desi spatiul obisnuit pare linistit si amorf, la fel ca suprafata oceanului vazuta de la mare inaltime, daca il privim indeaproape clocoteste de fluctuatii cuantice, asa incat se pot deschide “gauri de vierme” care leaga intre ele parti ale universului aflate la mare, foarte mare distanta in spatiu si timp. Potrivit mecanicii cuantice la nivel microscopic totul e supus fluctuatiilor cuantice  inerente principiului de incertitudine-chiar si campul gravitational. Notiunea de geometrie spatiala neteda, principiul central al teoriei generale a relativitatii, este distrusa de fluctuatiile violente ale lumii cuantice la scara distantelor mici. Principiul de incertitudine ne spune ca universul este involburat atunci cand este examinat la o scara dimensionala din ce in ce mai mica si la o scara de timp din ce in ce mai scurta. Chiar si intr-o regiune goala a spatiului, principiul de incertitudine ne spune ca din punct de vedere microscopic, se desfasoara o formidabila activitate, energia si impulsul fluctueaza intre extreme ce cresc odata cu micsorarea dimensiunii si a duratei de timp pe care se face obsevatia. Asta inca nu explica de unde provin aceste fluctuatii cuantice haotice. Ele au legatura cu un alt concept central din teoria cuantica, si anume acela ca exista corelatii nelocale intre sistemele cuantice. Aceste corelatii pot fi observate in anumite situatii speciale, ca de exemplu in experimentul Einstein-Podolski-Rosen. Asa deci, la scara microscopica trasatura centrala a mecanicii cuantice –principiul de icertitudine-este in conflic direct cu principiul de baza al teoriei relativitatii generale-modelul neted al spatiului -timp. Cu alte cuvinte, ecuatiile teoriei generale a relativitatii nu fac fata freneziei spumei cuantice care apare la nivel microscopic. Exista obstacole matematice formidabile in descrierea gravitatiei cu acelasi limbaj pe care il folosim in mecanica cuantica. Ori de cate ori ecuatiile relativitatii generale sunt combinate cu cele ale teoriei cuantice se obtin contradictii matematice cum ar fi probabilitati infinite. Prin definitie valoarea unei probabilitati trebuie sa fie intre 0 si 1. O probabilitate infinita este ceva fara sens.Fizicienii au pus esecul pe seama incertitudinii cuantice. Deoarece campul gravitational este impletit in chiar structura spatiu-timp, oscilatiile sale cuantice seamana cu un cutremur care clatina intreaga structura si metodele matematice dau gres. Alti fizicieni au ignorant aceasta problema pentru ca apare doar in conditii extreme. Gravitatia isi face simtita prezenta in cazul obiectelor foarte mari, mecanica cuantica in cazul celor foarte mici. Si rara este zona care sa fie si mare si mica, astfel incat sa trebuiasca sa folosim atat mecanica cuantica cat si relativitatea generala pentru a o descrie.T otusi exista si asemenea zone. Cand gravitatia si mecanica cuantica sunt indreptate impreuna fie asupra Big Bang-ului, fie asupra gaurilor negre, zone care chiar implica  o masa enorma comprimata intr-o dimensiune foarte mica, matematica da gres, lasandu-ne cu intrebari fara raspuns in privinta inceputului universului si a modului in care, in centrul distrugator al unei gauri negre, s-ar putea sfarsi universul. Cum mecanica cuantica nu este compatibila cu teoria generala a relativitatii, unul dintre eforturile majore ale fizicii de astazi este cautarea unei noi teorii care sa  incorporeze mecanica cuantica si teoria generala a relativitatii intr-o teorie cuantica a gravitatiei. Nu avem inca o teorie de acest fel si speram sa nu dureze prea mult pana sa avem una, dar cunoastem deja multe din proprietatile ei. Atunci cand va exista o teorie cuantica a gravitatiei, ea va da cu siguranta noi raspunsuri la intrebarile despre spatiu si timp. In plus, teoria cuantica a gravitatiei va fi de asemenea o teorie a materiei. Va trebui sa includa cunostintele dobandite in ultimul secol asupra particulelor elementare si asupra fortelor care le guverneaza. Va fi de asemenea o teorie cosmologica. Va raspunde la ceea ce acum par intrebari foarte misterioase despre originea universului, de pilda: Marea Explozie (Big Bang-ul) a fost primul moment, sau doar o tranzitie de la o alta lume diferita care a existat mai inainte? Ar putea chiar sa ne ajute sa raspundem la intrebarea daca universul a fost sortit sa contina viata, sau daca propria nostra existenta este doar consecinta unui accident norocos.

Gravitatia cuantica poate fi abordata pe trei cai: termodinamica gaurilor negre, gravitatia cuantica cu bucle si teoria corzilor.

In ecuatiile gravitatiei cuantice cu bucle nu exista variabila timp. Variabilele teoriei descriu campurile care alcatuiesc materia. Campurile se manifesta sub forma granulara: particule elementare, fotoni si cuante de gravitatie-sau mai curand “cuante de spatiu”. Aceste granule elementare nu sunt scufundate in spatiu, ci ele insele formeaza spatiul. Spatialitatea lumii consta in reteaua interactiunilor lor. Ele nu exista in timp, ci interactioneaza neancetat intre ele, si exista doar in termenii acestor interactiuni neancetate.I ar aceasta interactie este ceea ce se intampla in lume, este forma elementara minima a timpului care nu nici orientate dupa o directie, nici organizata linear, si nu are nici geometria curba si neteda studiata de Einstein. Cuantele se manifesta in aceasta interactiune reciproca in functie de cine interactioneaza cu cine. Dinamica acestor interactiuni e probabilistica. Probabilitatea ca ceva sa se intample poate fi in principiu calculate cu ajutorul ecuatiilor teoriei.(…pg.101 CR). Cuantele elementare ale campului gravitational exista la scra Planck. Acestea si interactiunile lor sunt cele care determina extinderea spatiului si durata timpului.

Relatiile de vecinatate spatiala leaga granulele de spatiu in retele numite “retele de spin”. Un inel din reteaua de spin se numeste bucla, iar acestea sunt buclele care dau numele “teoriei buclelor”.

Retelele, la randul lor, se transforma una intr-alta in salturi discrete discrete, descrise in teorie ca structure numite “spuma de spini”. Ocurenta acestor salturi determina tiparele care, la scara mare, ne apar ca structura neteda a spatiului-timp. La scara mica, teoria descrie un “spatiu -timp cuantic” fluctuant, probalistic si discret. La acesta scara nu exista decat agitatia frenetica a cuantelor care apar si dispar continuu. Asa trebuie sa intelegem lumea, realitatea in care traim.

Gravitatia cuantica cu bucle ne arata ca spatiul si timpul nu sunt fundamentale, nu sunt recipientele sau formele generale ale lumii. Ele sunt aproximatii ale unei dinamici cuantice, care in sine nu cunoaste nici spatiu, nici timp. Exista doar evenimente si relatii. Acesta e singurul mod coherent si complet de a concepe structura spatiului-timp fara a neglija propietatile lui cuantice.

Lumea e alcatuita din evenimente nu din lucruri. Diferenta dintre lucruri si evenimente este ca lucrurile dainuie in timp, iar evenimentele au o durata limitata. La o cercetare mai atenta, chiar si lucrurile care arata cel mai mult a “lucruri” nu sunt decat lungi siruri de evenimente. Cea mai dura piatra este in realitate o vibratie complexa a campurilor cuantice, o interactie momentane a fortelor, un process care pentru o clipa reuseste sa-si pastreze forma, si sa se mentina in echilibru, pentru ca apo isa se descompuna la loc in praf si pulbere.

Este deci posibil ca sa concepem lumea ca pe o retea de evenimente. Lumea fara o variabila timp nu e complicata, este o retea de evenimente interconectate, in care variabilele aflate in joc respectea reguli probabilistice pe care stim sa le scriem.

Cea mai cercetata teorie alterantiva la teoria gravitatiei cuantice cu bucle este teoria corzilor (string theory). Majoritatea fizicienilor adepti ai teoriei corzilor sau a unor teorii inrudite cu aceasta se asteptau ca la acceleratorul de particule de la CERN sa apara particule de un tip nou, prezise de teoria corzilor, dar neobservate pana in prezent: particule supersimetrice. Teoria corzilor are nevoie de aceste particule pentru a fi coerenta; de aceea le asteptau adeptii teoriei cu atata nerabdare. In schimb teoria gravitatiei cu bucle e bine definita si in absenta particulelor supersimetrice; de aceea adeptii ei se asteptau mai degraba ca aceste particule sa nu existe. Spre marea dezamagire a multora aceste particule nu au aparut.

Teoria corzilor ofera un cadru explicativ unic capabil sa cuprinda toate fortele si toata materia. In teoria corzilor campurile cuantice sunt doar manifestari la energii joase ale unor neregularitati din spatiu-timp,numite corzi.In continuare, potrivit mecanicii cuantice toate particulele sunt pachete de energie in diferite campuri. Astfel se ajunge la concluzia ca pentru alcatuirea lumii, lista ingredientilor nu mai contine particule ci doar cateva campuri generate de neregularitatile spatiu-timp. Ne putem inchipui aceste corzi ca niste incretituri unidimensionale in textura neteda a spatiului. Se presupune ca dimensiunile corzilor sunt foarte mici si ca o coarda apare ca o particula punctiforma. Deoarece o coarda apare in nenumarate moduri posibile de vibratie, ea apare ca o particular ce apartine orcarei specii de particule elementare cunoscute,specii corespunzand modului  specific in care vibreaza coarda. Teoria corzilor este o teorie in dezvoltare, a carei finalizare partiala a dus deja la dezvaluiri uluitoare despre natura spatiului, timpului si materiei. Potrivit acestei teorii textura microscopica a universului nostru este un labirint multidimensional  bogat intretesut, in care corzile se rasucesc si vibreaza  fara incetare batand tactul legilor cosmosului. Departe de a fi niste detalii accidentale, proprietatile fundamentale ale naturii sunt profund impletite in textura spatiului si a timpului. Faptul ca gravitatia este o consecinta a teoriei corzilor constituie una din marile descoperiri. Pentru ca teoria corzilor sa fie valabila universul trebuie sa aibe noua dimensiuni spatiale si una temporala (sau poate chiar doua), deci in total zece dimensiuni. Datorita faptului ca modurile de vibratie ale corzilor apar sub forma maselor sau sarcinilor particulelor elementare, tragem concluzia ca aceste proprietati fundamentale sunt determinate intr-o mare masura de forma geometrica si marimea dimensiunilor suplimentare. Aceasta este una din descoperirile cu bataie lunga ale toriei corzilor. Ecuatiile care rezulta din teorie restang intr-un mod foarte precis forma geometrica pe care o pot lua dimensiunile suplimentare la formele geometrice Calabi-Yau. Problema este ca deocamdata nimeni nu stie cum sa deduca din ecuatiile teoriei corzilor care dintre formele Calabi-Yau constituie dimensiunile suplimentare. Cadrul matematic al teoriei corzilor este atat de complicat,incat fizicienii nu pot face decat calcule aproximative folosind un formalism al teoriei perturbatiilor. Telul actualelor cercetari in teoria corzilor este de a elabora metode teoretice care sa depaseasca aceste abordari aproximative.

Asa cum am spus, gravitatia cuantica poate fi abordata pe trei cai: termodinamica gaurilor negre, gravitatia cuantica cu bucle si teoria corzilor. Desi au puncte de plecare diferite cele trei cai concorda asupra faptului ca la scara Planck spatiul si timpul nu poat fi continue. Totusi cele trei imagini ale spatiu-timp la care se ajunge par a fi destul de diferite. Astfel, ramane sa unim cele trei imagini spatiu-timp pentru a obtine una singura care o data inteleasa va deveni drumul final catre gravitatia cuantica. Daca cele trei abordari diferite vor fi unificate,atunci va trebui sa existe un principiu care sa exprime discontinuitatea geometriei cuantice intr-un mod consistent cu cele trei abordari. Un astfel de principiu odata gasit, va servi ca ghid in combinarea celor trei abordari. De fapt, un asfel de principiu a fost deja propus de profesorul Gerald’t Hoolf, laureat premiul Nobel in fizica in 1999. El se numeste principiul holografic. Principiul holografic, bazat pe lucrarile fizicienilor Stephen Hawking, Bekenstein, Maldacena, care este o consecinta a celei de-a doua lege a termodinamicii aplicata gaurilor negre, ne spune ca lumea in care traim este de fapt o holograma. Lumea tridimensionala pe care noi o experimentam-universul umplut cu galaxii, stele, planete, case si oameni- este de fapt o holograma, o imagine a unei realitati care are loc pe o suprafata bidimensionala(2D).

Realitatea tridimensionala pe care o cunoastem este o proiectie holografica a acelor procese fizice ce au loc pe o suprafata la granita Universului. Principiul holografic, din teoria cuantica a gravitatiei, stabileste ca entropia maxima a unei regiuni este proportionala cu raza la patrat a acestei regiuni si nu cu raza la cub asa cum era de asteptat, volumul fiind de fapt ceva iluzoriu. Si deci, universul in care ne aflam este in realitate o holograma cu izomorfism la informatia “inscrisa” pe suprafata de la hotarul sau. Informatia de pe aceasta suprafata contine toate datele necesare pentru a descrie universal nostru in intregime si ca in orice holograma, aceste date sunt proiectate sa apara in trei dimensiuni. Principiul holografic ne spune ca daca am putea intelege legile ce guverneaza fizica de pe acea suprafata indepartata si modul in care fenomenele de acolo se leaga de experientele de aici, am putea intelege tot ce trebuie sa stim despre realitatea din universul in care traim. „Tot ceea ce vedem si experimentam, ceea ce noi spunem ca reprezinta familiara noastra realitate tridimensionala, poate fi doar o proiectie de informatii stocate pe o suprafata bidimensionala aflata la mare distanta, similar modului In care informatia unei holograme este stocata pe o bucata subtire de plastic. Tind sa cred ca da, aceasta lume tridimensionala este un fel de iluzie si ca adevarata realitate ultima este realitatea bidimensionala de la suprafata Universului”(Brian Greene in “The Fabric of the Cosmos”).

Profesorul Juan Maldacena a facut o ampla si complicata demonstratie matematica in acest sens bazat pe teoria spatiului anti-deSitte. Consider ca aceste cercetari fac parte dintre cele mai incitante descoperiri din ultimile decenii. Ideile holografice bazate pe un edificiu teoretic coerent, consistent si atent construit au fost supuse multor teste matematice riguroase pe care le-au trecut fara probleme. Experimentele efectuate la Acceleratorul de Ioni Grei Relativisti(AIGR) din Brookhaven, New York urmarind vascozitatea de forfecare a plasmei quarc-gluon par sa confirme rezultatele lui Maldacena. Universurile holografice pot fi astfel mai mult decat o consecinta a legilor fundamentale, pot face parte chiar din definitia legilor fundamentale. Povestea gaurilor negre incepe a fi inteleasa, se intrevede deja o solutie pornind de la principiul holographic. Poate e prea mult sa spunem ca lumea tridimensionala este o iluzie completa. Aceasta este perspectiva holografica asupra naturii si care a rezultat din speculatiile teoretice asupra gaurilor negre.

Principiul holografic este o idee noua care daca va fi acceptata, va face practic imposibila revenirea la oricare din teoriile anterioare care o ignora. Pricipiul de incertitudine al teoriei cuantice si principiul echivalentei al lui Einstein au fost idei de acest tip. Ele au contrazis principiile teoriilor mai vechi si, la inceput, cu greu se putea admite ca ele au sens. Ca si ele, principiul holografic este acel gen de idee de care avem nevoie cand patrundem intr-un nou univers. Nimeni nu stie daca intr-un viitor apropiat vreun superaccelerator puternic ne va permite sa facem ultimul pas spre o teorie finala sa descoperim legile ultime ale naturii, gandirea lui Dumnezeu, important e ca noi locuitorii acestei planete numita Terra sa continuam traditia de a observa natura si de a ne intreba fara incetare de ce este asa cum este.

Informatia ar putea fi tema dominanta in fizica pe care o vor studia nepotii nostri in urmatoarele decenii !

In mod traditional fizica se axeaza pe lucruri ca planete, pietre, atomi, particule elementare,campuri si investigheaza fortele care le afecteaza comportamentul si le guverneaza interactiunile acestora. Profesorul John Wheeler sugera candva ca lucrurile-materia si radiatiile-ar trebui vazute ca secundare, ca purtatoare ale unei entitati fundamentale mai abstracte: informatia. Wheeler nu pretindea ca materia si radiatia ar fi cumva iluzorii, ci el argumentea ca ar trebui vazute ca manifestarile materiale a ceva mai important. El considera ca informatia-unde se afla o particula, daca se roteste intr-o directie sau alta, daca are sarcina pozitiva sau negativa si asa mai departe-formeaza un nucleu ireductibil care se afla la baza realitatii. E ca si cum desenele unui arhitect se concretizeaza intr-un zgarie-nori. fundamentala se afla insa in schite. Zgarie-norii sunt doar o realizare fizica a informatiilor continute in schitele arhitectului. In aceste conditii informatia ar putea fi tema dominanta in fizica pe care o vor studia nepotii nostri in urmatoarele decenii.

Pentru a invata si a gandi, schimbam tipare in conexiuni, secretii si impulsuri electrice in creier. Pentru a percepe lumea, transformam tiparele receptionate ale radiatiei electromagnetice(vazul), presiunii aerului(auzul), chimiei locale (gustul si mirosul) si ale altor cateva fluxuri de date in elementele commune cu care opereaza creierul. Percepem lumea prin intermediul simturilor care ne stimuleaza creierul in moduri pe care circuitele noastre neuronale au invatat de-a lungul evoluiei sa le interpreteze. Din moment ce toate experientele noastre sunt filtrate si analizate de creierele noastre, cat suntem de siguri ca experientele noastre reflecta realitatea ? Ce anume este acea voce pe care o auzim in minte, fluxul interior de vorbarie pe care il numim sinele nostru constient? Deriva el din procese pur fizice, sau constiinta se naste intr-o zona a realitatii care transcende fizicul? O presupunere ar fi ca gandirea constienta nu e suprapusa peste creier, ci este chiar senzatia generata de un anume tip de procesare a informatiei.
Vazul este principala noastra poarta catre lumea exterioara, avand in vedere cata informatie aduna si cat din creier (inte 20 si 50 la suta) este dedicat procesarii acelei informatii. Si in acest caz insa inregistram foarte putin din vastitatea lumii exterioare, doar radiatia dintr-un domeniu ingust de lungimi de unda (lumina vizibila adica 70 la 700 nanometri). Multi serpi si alte reptile vad in infrarosu. Tehnologia ne-a inzestrat insa cu supraputeri care par nelimitate.

Suntem obisnuiti sa ne inchipuim ca, atunci cand ne uitam in jurul nostru, vedem o lume tridimensionala. Oare chiar este adevarat? Daca tinem cont ca ceea ce vedem e rezultatul izbirii fotonilor de ochii nostrii si a imaginii procesate de creier, este posibil sa ne imaginam perspectiva noastra asupra lumii intr-un mod diferit. Privind imprejur am putea sa ne gandim ca vedem obiectele ca o consecinta a faptului ca fotonii care s-au reflectat pe obiecte au venit catre ochii nostrii, au trecut prin cristalin s-au focalizat pe retina si informatia primita este procesat in creier ca imagine. Cu cat obiectul e mai departe cu atat mai mult timp le-a luat fotonilor sa ajunga la noi. Prin urmare, atunci cand privim in jur nu vedem spatiul, ci mai curand privim in urma in istoria universului. Ceea ce vedem este o felie din istoria lumii. Tot ce vedem este o farama de informatie adusa la noi printr-un proces care este o mica parte a acestei istorii. Intreaga istorie a lumii nu este altceva decat istoria unui numar urias de astfel de procese, ale caror relatii sunt intr-o continua evolutie. Nu putem intelege lumea pe care o vedem in jur ca pe ceva static. Trebuie s-o vedem ca pe ceva creat, si intr-o continua re-creere, de catre un numar enorm de procese actionand impreuna. Lumea pe care o vedem e rezultatul colectiv al tuturor acestor procese. Nu exista asadar doua categorii de lucruri: obiecte si procese. Exista doar procese relativ rapide si procese relativ lente, procese care urmeaza unele dupa altele din necesitate cauzala.

ANEXA
Am adunat in aceasta anexa cateva prezentari legate de textul principal, dar care mi s-au parut prea tehnice sau usor tangentiale in raport cu subiectul principal.
Voi prezenta aici si cateva aspecte importante privind “materia obisnuita”, adica acea materia din care suntem alcatuiti noi si lumea in care traim. Mai precis aceasta este materia pe care o putem construi din electroni, fotoni, doua tipuri de cuarci, numiti “up” si “down”, si gluoni. Cele mai bune modele ale lumii, de care dispunem astazi, arata ca putem construi materia pe care o intalnim in viata de zi cu zi, cea din care sunt alcatuite corpurile noastre si lumea in care traim, folosind drept ingrediente fundamentale exact cele cinci feluri de particule elementare, fiecare definite prin cateva propietati clare: masa, sarcina, spin.

1. Principii generale privind legile fundamentale ale fizicii
   Felul in care opereaza legile fundamentale ale lumii fizice se deosebeste mult de felul in care opereaza legile oamenilor. Oamenii au multe legi, iar ele difera de la un loc la altul si se schimba in timp. Legile fizicii sunt foarte putine si sunt aceleasi pretutindeni si intotdeauna. Legile fizicii descriu pur si simplu ce se va intampla. Ele sunt exprimate ca ecuatii matematice in care apar cantitati precis definite, fara ambiguitati sau neantelegeri printre specialisti.Deducerea consecintelor lor e doar o chestiune de calcul. Poti programa un calculator sa-l efectueze.
   Prin legi “fundamentale” inteleg legi care nu pot fi deduse, nici macar in principiu, din alte legi. Exista legi care sunt extrem de importante pentru intelegerea naturii, dar nu sunt “fundamentale” in acest sens. Legea a doua a termodinamicii e un bun exemplu.
   Astazi, fizica moderna ne arata ca ingredientele de baza ale realitatii fizice din universul in care traim sunt cateva principii si propietati. Aceste principii si propietati sunt exprimate prin ceea ce numim particule elementare.
   Patru principii simple dar profunde, determina modul in care functioneaza lumea:
   • Legile fundamentale descriu schimbarea. E util sa separam descrierea lumii in doua parti: stari si legi. Starile descriu ”ce anume exista”, iar legile descriu “cum se schimba lucrurile”. Legile fudamentale nu descriu “de ce sunt lucrurile asa cum sunt?”. Ele descriu “ce urmeaza sa se intample cu lucrurile?” si gratie celui de-al doilea si de-al treilea principiu putem face experimente pentru a raspunde la aceasta intrebare.
   • Legile fundamentale sunt universale. Altfel spus, legile fundamentale sunt valabile pretutindeni si intotdeauna. Un aspect esential al acestui principiu este ca putem face experimente oriunde si oricand. Potrivit acestui principiu, universalitatea, vom descoperi intotdeauna aceleasi legi fundamentale.
   • Legile fundamentale sunt locale. Acest principiu ne spune ca pentru formularea legilor, nu e nevoie sa luam in considerare intregul univers sau intreaga istorie. Comportamentul unui obiect in viitorul imediat depinde numai de conditiile curente din imediata lui vecinatate. In limbaj stiintifica, asta se numeste caracter local.
   • Legile fundamentale sunt precise. Legile sunt precise si nu admit exceptii. Ca atare, pot fi formulate ca ecuatii matematice.

Aceste principii generale ne permit sa descriem felul in care functioneaza de fapt lumea fizica.
Actionand impreuna, cele patru principii ne ofera o strategie pentru a face descoperiri. Incepem prin a studia ce se intampla in situatii simple, precis definite, pe care le putem reproduce in mod repetat. Odata ce le stapanim pe acestea, putem incerca sa deducem ce se intampla in situatii mai complicate.
In continuare ma voi referi la propietatile primare ale materiei: masa, sarcina si spinul.

2. Masa ca propietate

In teoria lui Newton exista doua feluri de masa. Masa joaca un rol in doua aspecte ale comportamentului particulei, determinandu-i deopotriva inertia si gravitatia. Inertia unui corp masoara rezistenta la schimbari in miscarea sa. Astfel, un corp cu inertie mare va tinde sa continue sa se miste cu viteza din present, daca nu e supus unor forte. Gravitatia unei particule e o atractie universala pe care o exercita asupra altor particule. Cu cat e mai mare masa unei particule, cu atat gravitatia ei e mai mare. In structura logica a teoriei lui Newton nu exista nimic care sa impuna ca masa inertiala si masa gravitationala sa fie proportionale. Teoria ar funtiona perfect si daca cele doua n-ar fi proportionale. Ne putem inchipui, de pilda, ca raportul dintre masa inertiala si masa gravitationala ar putea depinde de compozitia chimica a corpului. In teoria lui Newton proportionalitatea constanta dintre masa inertiala si cea gravitationala (sau caracterul universal al acceleratiei gravitationale) ramane o coincidenta neexplicata.
Un paradox care ii tulbura adesea pe ce care incearca sa inteleaga fizica este ca fotonii au energie si, prin urmare, au inertie si exercita gravitatie, desi au masa zero. Voi explica in continuare pe scurt acest paradox. Poate deasemenea parea paradoxal ca masa protonilor si a neutronilor e mult mai mare decat masa totala a componentelor lor. Aici se ascunde o alta infaptuire mareata in cunoasterea Naturii: intelegerea faptului ca masa noastra isi are origine in energie. Voi explica in continuare pe scurt si acest paradox.
Fiecare tip de particula elementara are o valoare bine definita a masei ei. Unele dinte cele mai importante particule, intre care fotonii, gluonii si gravitonii, au masa nula. Asta nu inseamna ca ele n-au inertie sau ca nu exista gravitatie. Masa contribuie la inertie si gravitatie dar nu e singurul factor. In particular, o particula aflata in miscare are mai multa inertie si exercita mai multa gravitatie decat o particula in repaus. De fapt teoria relativitatii ne spune ca energia, nu masa, controleaza inertia si gravitatia. Pentru corpurile in repaus, energia si masa sunt proportionale, conform formulei lui Einstein E=mc2, deci in acest caz putem exprima inertia si gravitatia folosind oricare dintre ele. Cand corpurile se misca incet in raport cu viteza luminii, relatia E=mc2 ramane vaalabila intr-o buna aproximatie. In acest caz nu gresim prea mult daca spunem ca inertia si gravitatia sunt proportionale cu masa.
Pentru corpurile a caror viteza se apropie de viteza luminii, formula E=mc2 nu mai funtioneaza ca atare. Trebuie folosita o versiune mai generala si mai complicate a formulei, conceputa tot de Einstein. Formula mai generala arata ca fotonii au energie, prin urmare au inertie si exercita gravitatie, desi au masa zero.
La fel ca fotonii, gluonii au masa zero. In cazul cuarcilor, lucrul cel mai important de retinut este ca, desi masa lor e mare in comparatie cu cea a electronilor, e foarte mica in comparatie cu masa protonilor sau a neutronilor. Cuarcii se misca insa foarte repede in interiorul protonilor, astfel incat au energie. Toata aceasta energie se insumeaza. Cand energia acumulata e incapsulata intr-un obiect aflat in repaus, cum este protonul in ansamblul lui, atunci obiectul are masa m=E/c2. Aceasta explica aproape intrega masa a protonilor si neutronilor ca produs al energiei pure.
Ceva din modul de constructie al atomilor ii face sa se uneasca in cele mai bizare combinatii pana la macromoleculele vietii, ADN, ARN, sute de proteine si in final fiintele vii. Proprietatea electronilor de valenta de a sari dintr-o pozitie in alta sau de a fi pusi in comun de atomi este ceea ce le confera atomilor caracteristicile lor uimitoare de a forma molecule si macromolecule.
Fortele electromagnetica si tare joaca rolul dominant in intelegerea materiei terestre. Forta electromagnetica mentine integritatea atomilor si le determina structura. Ea descrie de asemenea felul in care interactioneaza ei cu lumina. Forta tare mentine integritatea nucleelor atomice si le determina structura.
Fizica cuantica ne cere insa sa intelegem ca particulele sunt manifestari ale unei realitati si mai profunde. Particulele sunt avataruri ale campurilor. La un nivel mai profund, particulele sunt inlocuite de campuri. Campurile umpland spatiul s-au impus in fizica moderna ca un nou tip de ingredient in descrierea fundamentala a lumii. Campurile domnesc. Lumea nu e alcatuita din campuri si particule, ci dintr-un singur tip de entitate: campurile cuantice. Aceleasi campuri care produc particule produc si cele patru forte cunoscute: forta electromagnetica, forta tare, forta slaba si gravitatia. Ajungem astfel sa intelegem ca substanta si forta sunt doua aspecte ale unei realitati fundamentale comune: campurile cuantice.

Campurile sunt propietati invizibile ale spatiului, care inflenteaza obiectele ce se misca prin el. Spatiul poate fi umplut cu o mare varietate de influente invizibile care au tot soiul de efecte asupra materiei. Dintre toate campurile noi care au fost descoperite, cel de la care aflam cel mai mult despre univers este campul Higgs si particula Higgs asociata lui. Campul Higgs seamana foarte mult cu campul magnetic, exceptand faptul ca e un scalar si ca e mult mai greu de manipulat. E nevoie de cantitati uriase de energie pentru a schimba oricat de putin campul Higgs. Daca l-am putea schimba, masa fiecarei particule elementare(cu exceptia fotonului )s-ar modifica. Teoria fizica fara campul Higgs este coerenta matematic, dar numai daca toate particulele se misca cu viteza luminii.Particulele care se misca cu viteza luminii nu pot avea masa, de aceea fizicienii spun ca un camp Higgs este necesar pentru “ a le da masa particulelor elementare”. Masele reale ale particulelor cum sunt electronii, cuarcii, bozonii W, bozonii Z se datoreaza miscariilor prin fluidul particulelor Higgs. La marele accelerator de la CERN Geneva, numit Large Hadron Colinder(LHC) a fost gasita, cu putin timp in urma, particula Higgs, numita de unii fizicieni si”Particula lui Dumnezeu”. Vazand particular Higgs, noi oamenii, ne-am extins perceptia. Am intrezarit un comportament pe care Natura il dezvaluie doar rareori, pentru foarte scurt timp si numai dupa multa insistenta. Pentru mintea umana iscoditoare, spatiul gol nu va fi niciodata gol !

3. Sarcina ca propietate

Sarcina electrica a unei particule determina intensitatea cu care ea participa la forta electromagnetica. Doua propieetati ale sarcinii electrice ne ajuta sa operam usor cu ea. In primul rand sarcina electrica e aditiva-adica poti calcula sarcina electrica totala a unui ansamblu de obiecte insumand pur si simplu sarcinile electrice ale partilor componente. In al doile rand sarcina electrica se conserva. Asta inseamna ca sarcina electrica totala dintr-o regiune izolata din spatiu va ramane aceiasi indifferent ce se intampla in aace regiune. Sarcina se poate schimba daca aduci sau iei lucruri, dar nu si daca le rearanjezi sau le lovesti unele de altele.
Cantitatile care sunt aditive si se conserva intruchipeaza notiunea intuitiva de “substanta”. Ele se insumeaza si nu se pierd.
Multe particule elementare au sarcina electrica zero, iar toate sarcinile electrice nenule sunt multipli intregi ai unitati comune (adica sarcina electronului). Unele sunt pozitive, altele negative.
Dupa cum am spus, sarcina electrica a unui corp determina intensitatea raspunsului acestuia la campurile electric si magnetic. Exista alt doua tipuri de sarcina, analoge in multe privinte sarcinii electrice, care joaca un rol similar in celelalte interactiuni fundamentale. Se numesc sarcina de culoare si sarcina slaba.
Sarcina de culoare a uni corp determina intensitatea raspunsului la campuri gluonice.
Fortele tari, care sunt controlate de sarcina de culoare, sunt mult mai puternice decat fortele electromagnetice, care sunt controlate de sarcina electrica. De aceea nucleele atomice, care sunt legate strans de forta tare, sunt mult mai mici decat atomii.
Exista trei feluri de sarcina de culoare si opt feluri de gluoni care raspund la ele, fata de un singur fel de sarcina electrica si un singur foton. In timp ce electronii se reping intotdeauna unii pe altii, cuarcii resimt forte mai complexe, care pot fi de atractie. Aceasta posibilitate permite cuarcilor, spre deosebire de electroni, sa se lege unii de altii.
In timp ce fotonii sunt neutri electric- au sarcina electrica zero-, analoagele lor purtatoare ale fortei tari, gluonii colorati, nu au sarcina de culoare zero. Guonii resimt forta tare la fel de mult ca cuarcii. Purtatorii fortei se afla si ei sub influenta fortei. E un alt motiv pentru care protonii si neutronii sunt mai omogeni decat atomii.

Sarcina slaba e de doua feluri, iar unitatea lor e putin mai mare decat unitatea de sarcina electrica. Forta slaba e mediata de bosoni W si Z (asemanatoare gluonilor si fotonilor dar care au masa nenula spre deosebire de fotoni si gluoni care au masa zero) care schimba doua noi tipuri de sarcina. Forta slaba, si numai ea poate transforma un tip de sarcina intr-un alt tip de sarcina. Cum particulele sunt definite prin propietatile lor, aceste transformari ale sarcinii slabe schimba un tip de particula in altul. Aceasta e natura puterii de transformare a fortei slabe. Ea face ca unele particule, altminteni stabile, sa se dezintegreze, asa cum se intampla in anumite forme de readioactivitate.

4. Spinul ca propietate
   În 1925, fizicienii olandezi George Uhlenbeck si Samuel Goudsmit si-au dat seama ca un mare numar de date experimentale deconcertante privind proprietatile luminii absorbite si emise de atomi puteau fi explicate daca presupunem ca atomul are anumite proprietati magnetice. Cu câteva sute de ani în urma, francezul Andre-Marie Ampere demonstrase ca magnetismul apare din miscarea sarcinii electrice. Uhlenbeck si Goudsmit au continuat pe acelasi drum si au descoperit ca doar un anume tip al miscarii electronului poate da nastere proprietatilor magnetice sugerate de datele experimentale: miscarea de rotatie în jurul propriei axe- adica spinul. Conform cercetarilor si articolelor publicate apoi de ei, orice electron din univers, dintotdeauna si pentru totdeauna are o rotatie proprie intr-un ritm fix, neschimbator. Rotatia unui electron nu este o stare de miscare tranzitorie, ca in cazul obiectelor obisnuite, care se rotesc dintr-un motiv sau altul. Rotatia unui electron este o proprietate intrinseca, asemeni masei sau sarcinii sale electrice. Daca electronul nu s-ar roti, atunci nu ar mai fi un electron. Ideea de baza a spinului este ca particulele elementare sunt giroscoape ideale, fara frecare, inepuizabile. Un giroscop care se invarte rapid se opune incercarilor de a-i schimba axa de rotatie. Spunem ca giroscopul are inertie de orientare. Acest efect este folosit la ghidarea avioanelor si navelor spatiale, care au la bord giroscoape pentru a-si mentine orientarea. Cu cat un giroscop se invarte mai repede, cu atat se opune mai puternic incercarilor de ai schimba orientarea. Comparand forta cu raspunsul, se poate define o cantitate care masoara inertia de orientare. Ea se numeste moment cinetic.Particulele elementare sunt niste giroscoape minuscule. Momentul lor cinetic e foarte mic. Cand momentul cinetic e atat de mic intram pe teritoriul fizicii cuantice. Mecanica cuantica arata ca acele cantitati despre care ne inchipuim ca variaza continu sunt de fapt compuse din mici unitati discrete numite cuante. Potrivit mecanicii cuantice exista o cantitate minima de moment cinetic pe care orice obiect o poate avea. Toate momentele cinetice posibile sunt multipli de numere intregi ai acelei unitati minime.Desi primele experimente s-au concentrat asupra electronului, fizicienii au aratat apoi ca ideea de spin se aplica la toate particulele de materie. Se dovedeste ca electronii, cuarcii si ale cateva tipuri de particule elemenare (adica, toate particulele de materie si de asemenea partenerii lor de antimaterie) au exact unitatea minima teoretica de moment cinetic, adica sunt particule cu spinul egal cu cel al electronului. In limbaj de specialitate, fizicienii spun ca particulele de materie au „spin 1/2 “, unde valoarea 1/2 reprezinta grosso modo o masura cuantica a vitezei de rotatie proprie a particulelor. In plus, fizicienii au demonstrat ca particulele care transmit fortele negravitationale – fotonii, bosonii de etalonare slabi si gluonii – au o rotatie proprie caracteristica de doua ori mai mare decât aceea a particulelor de materie. Ei au cu totii „spin 1″.Ce putem spune insa despre gravitatie? Fizicienii au putut determina spinul ipoteticului graviton, particula care ar transmite forta gravitationala. Raspunsul a fost: de doua ori valoarea spinului fotonilor, bosonilor de etalonare slabi si gluoni lor – adica, „spin 2”.