Gîndirea fizică și țesătura lumii

# Jim Al-Khalili, Ce ne spune fizica despre lume, traducere de Vlad Zografi, Editura Humanitas, 2022.

Fizica a început prin mirarea în fața Naturii, aceeași mirare care a condus către credință, frică și evlavie în religie, dar și către tot mai multe întrebări și raționamente în filosofie. Interacțiunea continuă între experiment, observație și teorie a transformat fizica, de-a lungul mileniilor, într-o disciplină aparte. O disciplină în care obiectele matematice trebuie să fie validate de Natură, dar și una în care tot mai mulți cercetători cred într-un dumnezeu matematician.

Calea și Adevărul se găsesc în metoda științifică, ce controlează interacțiunile dintre teorie, observație, măsurătoare, experiment și simulare. Teoria îi plasează pe fizicieni în rîndurile matematicienilor, însă nu ambele tabere ar fi de acord cu această afirmație. Fizica este, pînă la urmă, o matematică nu doar cenzurată, ci și informată de realitate. Astfel că fizicienii părăsesc adesea tărîmul rațiunii pure din care se construiesc teoriile și argumentele matematice pentru a postula, crea și adapta ecuații, variabile și constante potrivite observațiilor. Orice matematician care a înțeles utilizarea numerelor complexe și a distribuțiilor de probabilitate nu ar fi anticipat, de pildă, combinarea lor într-o teorie care să explice comportamentul subatomic. Și totuși, un fizician, Erwin Schrödinger, ne-a arătat că așa funcționează Natura.

Metoda științifică nu este, deci, un sistem de credințe, influențat cultural sau de convingeri ale cercetătorului. „Este modul în care învățăm despre natură prin încercări, greșeli, experimente, observații, prin a fi gata să înlocuim idei care se dovedesc greșite ori incomplete cu unele mai bune și prin observarea tiparelor din natură și frumusețe în ecuațiile matematice care le descriu“, scrie fizicianul Jim Al-Khalili, în cartea sa pe care o numește „o odă închinată fizicii“.

Activitatea de popularizare a științei a lui Al-Khalili este binecunoscută, iar cărțile și documentarele pe care le-a realizat alături de echipa BBC sînt exemple excelente în acest sens. Specializarea autorului este în fizica particulelor, iar multe din materialele sale – inclusiv cartea de față – tratează cu atenție deosebită fenomenele cuantice, în toată splendoarea lor contraintuitivă. Totuși, aleg să scriu în această cronică despre capitolele și ideile prin care Al-Khalili se adresează studenților sau celor care intenționează să urmeze o carieră în fizică. Sînt de părere că, dincolo de numeroasele cărți despre găuri negre, teorii cuantice, bombe atomice și călătorii în timp, puține tratează subiectele care fac studiul Naturii realmente special. Vă prezint, deci, cartea lui Al-Khalili ca pe una despre gîndirea fizică, în detrimentul rezultatelor și ramurilor fizicii înseși. Autorul însuși notează în chiar primul capitol că și-ar fi dorit ca, în loc de introducerea standard în fizică pe care o primesc toți elevii, să se pună accentul asupra unor noțiuni pe care mulți fizicieni le-au înțeles cu adevărat mult mai tîrziu.

Prima astfel de noțiune se referă la scară, la proporții. O gîndire de cercetător bine informat înțelege că fizica nu poate funcționa la fel indiferent de scara fenomenelor studiate. De aceea, există fizica clasică (sau newtoniană), care descrie și prezice comportamentul naturii la nivelul observabil, comparabil cu obiectele întîlnite zilnic, dar și cîteva lucruri despre fenomenele cerești. Însă una dintre marile descoperiri ale secolului trecut a fost că această fizică eșuează atunci cînd are de explicat fenomene subatomice – la cu totul altă scară –, descoperire datorată lui Max Planck și Albert Einstein. La fel au stat lucrurile și cînd, ceva mai tîrziu, Stephen Hawking, Roger Penrose și alții au arătat că nici nivelul cosmic nu respectă în întregime legile clasice.

Universalitatea, așadar, are limite, se rupe la extreme. Observația este cel puțin surprinzătoare dacă ne gîndim că modelele fizice sînt construite pe structuri matematice. Or matematica se caracterizează în primul rînd prin caracterul universal. Constatarea este, însă, în linie cu ideea că există interacțiuni multiple între fizică și matematică, dar nu o suprapunere.

Dacă universalitatea este un concept puternic, general, care ne surprinde prin faptul că nu se potrivește modelelor fizice în ansamblu, simetria apare invers. Este aproape imposibil sau, în orice caz, nenecesar să definim ce înseamnă simetria, întrucît majoritatea avem o înțelegere intuitivă a ei. Apărută conceptual în Grecia antică, așa cum arată etimologia, simetria se referea la „aceeași măsură“ a obiectelor (sym + metron). Ulterior, a fost aplicată în arte și științe, căpătînd multiplele înțelesuri și consecințe pe care le cunoaștem astăzi, calitativ și cantitativ. (Mai multe despre istoria, filosofia, matematica și fizica simetriei puteți afla din cursul personalizat alcătuit de platforma online Poligon Educațional.)

Una dintre trăsăturile simetriei cu relevanță în fizică, dar și în filosofia științei este caracterul ei normativ. Nu avem motive să credem că Natura favorizează anume direcții sau acțiuni, precum arată, de exemplu, principiul acțiunii și reacțiunii din fizica newtoniană. De aceea, este de așteptat ca anumite fenomene care se petrec într-o direcție spațială, de pildă, să aibă și perechi simetrice, în care singura diferență să fie direcția opusă.

Un exemplu din fizica subatomică este al perechilor particule-antiparticule, a căror existență, inițial teoretizată, a fost confirmată experimental și validează această căutare a simetriei. Atît de puternică este încrederea în simetrie, încît unii fizicieni au pornit în căutarea manifestărilor simetrice ale unor fenomene deja observate, convinși fiind că acestea trebuie să existe. Dar chiar și acest rol normativ al simetriei, care a fost de mare ajutor în diverse descoperiri, precum ale antiparticulelor sus-menționate, nu este universal. Cu mirare, dar fără loc de îndoială, fizicienii au fost nevoiți să admită existența fenomenelor de rupere a simetriei. Așadar, atît valoarea simetriei, cît și fragilitatea ei, într-un anume sens, sînt lecții esențiale pentru orice fizician.

Spațiul și timpul

Dintre noțiunile fundamentale de fizică mă mai opresc asupra celor două pe care se bazează nu doar cunoașterea științifică a naturii, ci și căutări filosofice: spațiul și timpul. Al-Khalili face o observație fină și încărcată de semnificații: nu ne putem avînta în studiul spațiului și timpului ca atare, ci mai întîi trebuie să ne îndreptăm atenția asupra entităților care le umplu: materia și energia. Ele ne conduc spre două ramuri ale fizicii care au oferit definiții și perspective proprii în această problemă.

Teoria restrînsă a relativității are drept concept fundamental energia; aceasta este esența celebrei ecuații a lui Einstein, care leagă energia (o noțiune fără definiție, ca atare) de masă, ca proprietate fundamentală a tuturor obiectelor, și de viteza luminii. Surpriza este că aceasta din urmă, strîns legată de țesătura fizică a Universului nostru, este și o noțiune matematică, inclusă în fibra geometrică a spațiului matematic în care Universul există. Ecuația einsteiniană, așadar, devine o expresie elegantă care combină nu doar mărimi fizice, ci și abstracțiuni matematice, dîndu-le, laolaltă, valențe concrete.

Tot teoria relativității arată și că spațiul și timpul nu sînt absolute. Spațiul este plasat în contextul sistemelor de referință, față de care se măsoară, de pildă, distanțe, iar timpul suportă și el diverse ajustări în lumea subatomică. Și la extrema cealaltă, a dimensiunii cosmice, timpul este alterabil. Teoria generală a relativității, formulată tot de Albert Einstein, cu metode geometrice dezvoltate de Hermann Minkowski și de alți matematicieni, arată că spațiul și timpul sînt inseparabile. Lumea în care trăim este, din punct de vedere matematic, un continuu spațio-temporal, adică un spațiu de dimensiune patru în care componenta de timp apare simultan cu cele trei informații spațiale.

Sîntem conduși, astfel, către un fel de „dezvrăjire“, prin care cele două noțiuni fundamentale – timpul și spațiul – devin obiecte supuse legilor fizicii, iar nu concepte abstracte, filosofice sau pur matematice.

Poate și mai surprinzător este punctul de vedere oferit de termodinamică asupra timpului. Conform austriacului Ludwig Boltzmann (1844-1906), Natura evoluează către o stare de dezordine, măsurabilă printr-o mărime fizică numită entropie. Boltzmann a dat și o ecuație care arată variația entropiei, iar concluzia teoriilor sale (extrem de controversate și acceptate după decenii, tardiv pentru psihicul fizicianului, care se sinucide în timpul unei vacanțe cu familia) este că dezordinea (entropia) crescîndă definește însuși sensul de curgere a timpului. Teoria entropiei a condus ulterior și la scenarii apocaliptice, sub titlul generic de „moartea termică a Universului“, cînd entropia depășește un prag critic, dar în anii ’50, fizicienii surprind din nou.

Așa-numita „grădină zoologică a particulelor subatomice“ (eng. Particle Zoo) creștea văzînd cu ochii, pe măsură ce se efectuau diverse experimente de ciocnire, dezintegrare și fuziune. Atît de inexplicabil era comportamentul unora, încît fizicianul american Richard P. Feynman (1918-1988), laureat Nobel în 1965, vine cu o metodă teoretică de a studia aceste interacțiuni. El face reprezentări grafice prin care figurează comportamentul particulelor, asemănătoare graficelor de funcții studiate în liceu (reprezentări numite astăzi diagrame Feynman). Axa temporală se desfășoară de la stînga la dreapta, precum axa absciselor în matematică.

Surpriza apare cînd Feynman desenează particule care evoluează invers temporal. Explicația tehnică ține de noțiuni avansate de fizică matematică, pe care Feynman le stăpînea exemplar, și care depășesc scopurile acestui articol. Însă concluzia formulată mai sus rămîne: fizica arată, chiar pe mai multe căi, că spațiul și timpul nu sînt entități abstracte, un fel de „dincolo“ care transcende înțelegerea umană. Ele devin obiecte de studiu și, se poate argumenta, nicăieri tratate mai potrivit decît cu metode ale fizicii.

Din aproape nici o discuție despre fizică nu lipsesc misterele și întrebările (încă) fără răspuns. De la „teoria totului“, această căutare iluzorie a unificării tuturor disciplinelor și legilor fundamentale ale fizicii, la teoria corzilor, care răspunde la cel mult același număr de întrebări cîte adaugă, toate sînt trecute în revistă de autor, cu scepticismul și prudența specifice unui cercetător implicat. Și pentru că am insistat aici asupra discuției despre spațiu și timp, nu pot să nu menționez secțiunea despre materie și energie întunecate. În spatele acestor denumiri de basm se ascunde, de fapt, un adevăr matematic: ceea ce vedem în jur mai degrabă nu este. Cu alte cuvinte, dacă vom calcula volumul total al atomilor care alcătuiesc orice obiect, vom afla că se obține doar o fracțiune infimă din volumul pe care îl atribuim obiectului. La fel stau lucrurile și în ce-i privește structura internă: atomii nu sînt împachetați dens, ci cu spații generoase între ei.

Ce se află în acele spații? Nu știm. Însă dacă folosim în continuare metafora pînzei care alcătuiește Universul, trebuie să acceptăm că aceasta este țesută rar, este mai curînd o plasă. Înșiși atomii din care sîntem făcuți fiecare dintre noi nu pot da socoteală decît pentru o mică parte a corpurilor noastre. Faptul că fizica încă nu știe ce este materia întunecată și totuși funcționează atît de bine precum o face rămîne, în continuare, un mister, dar și un subiect de cercetare.

În încheiere, cred că această carte, Ce ne spune fizica despre lume, se citește cel mai bine în combinație cu cealaltă lucrare a fizicianului, Bucuria științei (Humanitas, 2024), despre care de asemenea am scris în această pagină și care, de altfel, i-a și urmat cronologic, în bibliografia autorului. Fizica are foarte multe de spus despre lume, adică despre Natură, iar uneltele de lucru sînt expuse pe înțeles în ambele cărți ale lui Al-Khalili. Deschiderea către nou și mintea ascuțită, pregătită oricînd fie să argumenteze, fie să accepte contraargumente sînt valori fundamentale pentru toți cercetătorii. În plus, cînd obiectul cercetării este Natura însăși, sursele mirării nu încetează să apară.

Adrian Manea este matematician, fondator al poligon-edu.ro/simetrie, platformă educațională care prezintă știința pe mai multe laturi, îmbinînd-o cu istoria, filosofia și literatura. Scrie pe Substack-ul „Laturi ale științei“.