Munca neterminata a lui Einstein

Revista Time l-a desemnat Omul Secolului XX. Albert Einstein a avut trei mari teorii, dintre care numai doua sunt cunoscute la scara larga. Prima, Legea Speciala a Relativitatii, enuntata in 1905, ne-a dat formula E = mc2, care a condus la fabricarea bombei atomice si a dezlegat misterul stelelor. A doua mare teorie a savantului de geniu a venit sub forma Legii Generale a Relativitatii, din 1915, care a adus in discutie ideea plierii spatiului, Big Bang-ul si gaurile negre. Dar multi nu stiu ca poate cea mai mare dintre teoriile sale abia urma sa iasa la lumina si nu a fost niciodata definitivata: „o teorie a tuturor lucrurilor”, cunoscuta si ca „teoria intregului”. Realizarea de capatai a lui Einstein avea sa fie teoria campului unificat, o incercare de a „a intra in mintea lui Dumnezeu”.




inca din timpul vietii marelui geniu, comunitatea stiintifica impartaseste credinta ca fortele fundamentale, observabile in natura, au existat in primele momente ale Universului sub forma uneia singure, din care au evoluat, treptat, celelalte. Aceasta teorie ambitioasa, care a ramas, de peste o jumatate de secol, la stadiul de deziderat, ar vrea sa explice cum cele patru forte fundamentale pot fi exprimate ca manifestari diferite ale aceluiasi fenomen. James Maxwell este cel care a facut primul pas in sensul acestei unificari, descoperind formule matematice care indicau ca electricitatea si magnetismul sunt fatete - aparent diferite - ale unui singur fenomen. La un secol dupa acel moment, s-a dovedit si ca forta electromagnetica si cea nucleara slaba sunt, la randul lor, forme diferite ale aceleiasi manifestari mai complexe.




Cate forte guverneaza Universul?




Din nefericire - sau, cine stie? poate spre binele umanitatii -, cea de-a treia incercare a lui Einstein a esuat. El si-a petrecut ultimii 30 de ani din viata pe urmele unei ecuatii, probabil nu mai lunga de cativa centimetri, ce trebuia sa explice TOATE fenomenele fizice. Totul, de la Creatie, la supernove, la atomi si molecule, poate chiar ADN-ul, oamenii si dragostea ar fi urmat sa fie explicate de aceasta ecuatie. Daca ar fi fost descoperita, ar fi reprezentat realizarea suprema a peste 2.000 de ani de investigatii asupra naturii spatiului, inca din vremurile cand grecii se intrebau deja care este cea mai mica particula si cea mai mica unitate spatiala. Desi exista multe intrebari ramase fara raspuns, astazi, cea mai importanta si, pana la urma, singura candidata pentru pozitia de Teorie a intregului este teoria superstringurilor, definita in hiperspatiu decadimensional (in 10 dimensiuni). Aceasta teorie ar putea oferi, intr-o zi, raspuns unora dintre cele mai profunde intrebari despre Univers, ca de exemplu:



- Ce s-a intamplat inainte de Big Bang?
- Este posibila construirea Masinii Timpului?
- Putem gauri spatiul?



Puterea acestei teorii nu numai ca a cutremurat intreaga lume a Matematicii si pe cea a Fizicii, dar este si cea mai nebuneasca teorie propusa vreodata. Astazi, cunoastem ca intregul nostru univers este guvernat de patru forte fundamentale:



- forta gravitationala, care ne impiedica sa "cadem" de pe planeta in spatiul cosmic si care previne explozia stelelor, gigantice bombe cu hidrogen, impunandu-le sa faca implozie la sfarsitul vietii;
- forta electromagnetica, responsabila de transmiterea luminii si a celorlalte forme de radiatie din spectrul electromagnetic; permite iluminarea oraselor noastre si alimentarea laserelor si a computerelor de care ne folosim;
- forta nucleara slaba, responsabila pentru fenomenul de dezintegrare radioactiva, o forta resimtita atunci cand doua particule elementare se afla in contact sau la distanta foarte mica una de cealalta;
- forta nucleara tare, cea mai puternica dintre cele patru, care tine laolalta, in nucleul atomic, protonii, neutronii si alte particule subatomice.



Gravitatia poate fi descrisa prin teoria generala a relativitatii a lui Einstein. Materia curbeaza spatiul din jurul ei, creand, in acest fel "forta" gravitationala. Sa ne imaginam o furnica ce merge pe o bucata de hartie mototolita. Insecta ar putea crede ca exista o "forta" misterioasa care o trage cand spre stanga, cand spre dreapta. Dar noi stim ca acolo nu actioneaza nicio forta de natura sa traga furnica: este numai o bucata de hartie mototolita care o impinge dintr-o parte in cealalta. Nu este gravitatia cea care atrage, ci spatiul gol cel care impinge.



Celelalte trei forte pot fi descrise de mecanica cuantica, a carei istorie este una tumultoasa. Prin anii '50 ai secolului trecut, atunci cand primele semene ale particulelor "fundamentale" erau lansate din acceleratoarele de particule ale vremii, J. Robert Oppenheimer (parintele bombei atomice) era atat de exasperat de amploarea cercetarilor din domeniu, incat avea sa declare ca "Premiul Nobel pentru Fizica din acest an va fi castigat de fizicianul care NU va fi descoperit o noua particula." Atat de multe particule "esentiale" au fost descoperite in acea vreme, fiecare purtand ciudate nume grecesti, incat si Enrico Fermi (descoperitorul fisiunii nucleare) marturisea, ironic: "Daca as fi stiut ca exista atat de multe particule, m-as fi facut botanist si nu fizician."



Dar, dupa ani de incercari sterile si dupa cheltuirea a miliarde de dolari, fizicienii au unificat cele trei forte cuantice in ceea ce poarta astazi denumirea de Model Standard, bazat pe o multitudine de particule numite quarci, leptoni, bosoni Higgs, particule Yang-Mills, gluoni, bosoni W. Toate fenomenele fizice cunoscute pot, in principiu, sa fie descrise prin aceste doua mari teorii, relativitatea si mecanica cuantica. Totusi, desi ele reprezinta cei doi piloni pe care toata cunoasterea fizica se sprijina, difera una de cealalta in aproape toate aspectele, iar motivul pentru care acest lucru se intampla este un mister. Prima teorie se bazeaza pe curbarea suprafetelor line, ceea ce vizeaza lumea la scara uriasa. A doua este fundamentata pe mici "pachete" discrete de energie, numite cuante, si explica lumea la scara infima, lumea atomica.




O teorie nebuneasca - dar, oare, indeajuns de nebuneasca?



Din nefericire, orice incercare de a imbina cele doua mari reguli a esuat. Unele dintre cele mai luminate minti ale secolului au orbitat in jurul acestei probleme, doar pentru a da gres. Fizicianul Freeman Dayson a spus ca drumul catre teoria campului unificat este "pavat cu cadavre". Niels Bohr (cercetator care a adus contributii esentiale la cunoasterea structurii atomului) a participat, la un moment dat, la o intalnire in cadrul careia laureatul Nobel Wolfgang Pauli isi prezenta propria versiune a teoriei campului unificat. Atunci, Bohr s-a ridicat si a spus: "Domnule Pauli, noi, cei din spate, suntem cu totii de acord ca teoria dumneavoastra este nebuneasca. Dar nu reusim sa cadem de acord daca este suficient de nebuneasca pentru a avea vreo sansa sa fie corecta". Ne confruntam, probabil, cu cea mai mare provocare a tuturor timpurilor, unirea tuturor celor patru forte fundamentale intr-o imagine de ansamblu consistenta si coerenta. in prezent, singurul candidat viabil pentru a ocupa pozitia de teorie a intregului este teoria superstringurilor.



Teoria superstringurilor combina relativitatea si mecanica cuantica intr-un mod elegant si intuitiv. in primul rand, descrie milioanele de particule cuantice ale naturii ca reprezentand, fiecare, o "nota" pe o coarda (string) vibranta. Este suficient sa ne gandim la corzile unei viori. Nimeni nu sustine ca A sau B ar fi mai importante decat C. Ceea ce conteaza este coarda in sine. Conform teoriei superstringurilor, daca am avea un supermicroscop si ne-am uita la un electron, am putea vedea o coarda ce vibreaza intr-un anumit fel. Coarda este extrem de mica (10-33 centimetri), asa incat electronul pare doar ca un punct pentru noi. Daca agitam coarda, astfel incat sa vibreze intr-un mod diferit, atunci electronul s-ar putea transforma in altceva, ca de exemplu un quark, elementul fundamental al protonilor si neutronilor. O mai agitam o data si coarda ar putea vibra in modul caracteristic fotonilor (quante de lumina). inca o scuturare poate o va transforma intr-un graviton (quanta gravitatii).



in fapt, setul colectiv de vibratii corespunde intregului spectru de particule cunoscute. in loc sa se postuleze milioane de particule diferite, este suficienta postularea unui singur obiect, si anume superstringul. Particulele sub-atomice sunt note pe "supercoarda". Trupurile noastre insele sunt simfonii de stringuri, iar legile fizicii sunt legile armoniei superstringului. Teoria superstringurilor poate explica chiar si gravitatia. Atunci cand supercoarda se misca prin spatiu si timp, fragmentandu-se si reunindu-se in alte stringuri, forteaza continuumul spatiu-timp din jurul sau sa se curbeze, intocmai cum aveau sa prezica ecuatiile lui Einstein. Cu alte cuvinte, chiar daca Einstein nu ar fi visat macar la teoria relativitatii, am fi putut-o descoperi prin recenta premisa a superstringurilor.




Unii pentru, altii impotriva



Desigur, aceasta teorie are si detractori. Multi evidentiaza faptul ca ea sustine ideea conform careia Universul este definit printr-un hiperspatiu format din 10 dimensiuni, ceea ce suna mai degraba stiintifico-fantastic decat... fizic. Faptul ca Universul pe care noi il constientizam exista in patru dimensiuni (trei spatiale si una temporala ) este indiscutabil. Orice obiect din Univers, de la varful nasului oricaruia dintre noi pana la cea mai indepartata stea, poate fi localizat prin numai trei coordonate: lungime, latime si inaltime. De asemenea, daca ar fi sa facem si o incadrare temporala, atunci putem descrie orice eveniment din Univers in numai patru rubrici de numere.



Totusi, teoria superstringurilor descrie Universul in 10 dimensiuni si nu in patru. Pentru a explica unde sunt celelalte 6 dimensiuni nepercepute, fizicienii spun ca numai la origini Universul a fost decadimensional. in momentul consumarii Big Bang-ului, din ratiuni pe care nu le putem intelege, sase dimensiuni au colapsat, in timp ce restul de patru s-au extins. intr-un fel, Universul nostru, cel cunoscut, s-a expandat in detrimentul unui univers geaman, redus la dimensiuni microscopice.



Alti critici ai teoriei superstringurilor sustin ca un accelerator de particule suficient de puternic incat sa o testeze si sa o confirme ar trebui sa fie de dimensiunea galaxiei. Dar, in cea mai mare masura stiinta se face si se deduce in mod indirect, nu direct. Nimeni nu a fost vreodata pe Soare si nici nu a vazut o gaura neagra, si totusi stim din ce este facut cel dintai si am descoperit 20 dintre cele din urma. in mod similar, am putea fi capabili sa detectam ecouri ale celei de-a zecea dimensiuni cu ajutorul lui Large Hadron Collider. Exista si unele pareri cum ca problema va fi rezolvata pur matematic. Odata ce teoria va fi completata, ar trebui sa reflecte nu doar originea Universului, dar sa si incadreze perfect in peisaj masele de quarci, leptoni, particule Higgs si altele.




Pasager in Masina Timpului



Desi teoria cuantica are aplicatii practice imediate, exista si o ramura fizica a acestei regiuni devotata unei aplicatii mai degraba fantastice: calatoriile temporale. in mod surprinzator, ecuatiile lui Einstein admit posibilitatea acestui gen de miscare prin timp. Dar ar putea fi nevoie de intreaga putere a teoriei campului unificat pentru a calcula daca acest lucru este, intr-adevar, posibil sau nu. in 1949, colegul de la Institutul de Studii Avansate al lui Einstein, marele matematician Kurt Goedel, a demonstrat ca propriile ecuatii ale lui Einstein permiteau calatoria in timp. Daca Universul s-ar roti, iar un individ s-ar roti in jurul Universului, el ar putea sa ajunga inapoi inainte de momentul plecarii sale. Totusi, in memoriile lui, Einstein a mentionat ca solutia lui Goedel ar putea fi usor demontata pe temeiuri fizice. Universul nostru se extinde, nu se invarte. Dar aceasta mentiune nu face, la urma urmei, decat sa confirme ca, daca Universul nostru intr-adevar s-ar roti, calatoriile temporale ar fi un fenomen comun. De atunci, au fost descoperite in ecuatiile lui Einstein sute de solutii referitoare la acest fel de activitate. intre ele se numara:



- un cilindru rotitor infinit, care ar permite calatoria in timp daca cineva ar putea calatori in jurul cilindrului;
- corzile cosmice, care ar permite calatoria temporala daca s-ar ciocni intre ele;
- o gaura neagra invartindu-se, care ar deveni un inel rotitor, astfel incat oricine ar trece prin el sa cada printr-o gaura de vierme (podul Einstein-Rosen), care ar conecta doua regiuni diferite ale spatiului si timpului;
- materia negativa, care, gasita in cantitate suficienta, ar putea deschide o gaura de vierme suficient de mare incat o excursie inapoi in timp sa nu presupuna complicatii mai mari decat zborul cu un avion;
- energia negativa, care, in mod similar materiei de acelasi fel, intr-o concentratie mare, ar deschide o gaura de vierme. O versiune a "vitezei warp" s-ar putea obtine daca cineva ar putea largi spatiul dinaintea sa si l-ar comprima pe cel din spate prin acest tip de energie.



O teorie a intregului, a tuturor lucrurilor, ar putea sustine si explica paradoxurile intalnite in povestile despre calatorii in timp: ce se intampla atunci cand iti ucizi un stramos inainte ca tu sa te fi nascut? Pentru ca, teoretic si logic, daca cineva ar putea face acest lucru, ar insemna ca el nu se va mai fi nascut si nu ar avea, deci, cum sa comita crima. Este posibil ca Universul sa se rupa pur si simplu in doua atunci cand cineva modifica trecutul. "Raul timpului" se bifurca in doua cursuri diferite. Daca cineva s-ar intoarce in timp si l-ar salva pe presedintele Kennedy de la asasinare, spre exemplu, atunci il va fi salvat pe presedintele Kennedy al altcuiva, deoarece propriul sau trecut nu poate fi schimbat; in lumea din care vine, Kennedy va fi in continuare mort.



Dar nu e cazul sa ne facem prea multe procese de constiinta pe marginea problemei, deoarece nu va inventa nimeni foarte curand masina timpului. Materia negativa nu a fost vazuta niciodata (ea cade in sus, nu in jos) si este nevoie de o cantitate fantastica de energie atat pozitiva, cat si negativa, denumita energia Planck (de miliarde de ori mai mare decat energia LHC-ului) pentru a infaptui teoriile si, chiar daca am dispune de energia necesara unei calatorii in timp, tot nu am avea de unde sa stim daca masinaria creata ne-ar putea transporta in siguranta inainte si inapoi prin vremuri.



in prezent, teoria superstringurilor a evoluat de la stadiul de teorie de nisa a Fizicii la statutul de arie dominanta de cercetare, generatoare de zeci de mii de lucrari scrise. Edward Witten, de la Institutul de Studii Avansate, unul dintre principalii cercetatori ai teoriei stringurilor, a facut recent o alta descoperire, conform careia ar putea exista si o a 11-a dimensiune ascunsa. Dar astazi probabil ca nimeni nu are capacitatea de a stabili implacabil si definitiv teoria si de a formula raspunsuri - sau macar intrebari corecte -referitor atat la ceea ce a fost inainte de Big Bang, cat si la chestiunea calatoriei temporale - daca este un fenomen macar posibil, nu neaparat la indemana omului.