Un fragment în premieră din volumul Un univers misterios. Mecanică cuantică, relativitate şi cosmologie pentru toţi de M. Suhail Zubairy, recent apărut la Editura Humanitas, în colecția Știință, traducere de Walter Fotescu.
Prin apariția teoriei relativității și a mecanicii cuantice, reprezentările pe care oamenii și le-au construit secole de-a rândul despre lumea fizică au fost bulversate. Simțul comun nu mai era suficient pentru a o înțelege, ceea ce l-a făcut pe Werner Heisenberg să spună: „Universul nu e doar mai straniu decât ne închipuim, ci e mai straniu decât ne putem închipui.“ Pe de altă parte, limbajul matematic pune o barieră între fizicieni și publicul larg, care vrea să i se ofere o imagine intuitivă asupra relativității și mecanicii cuantice.
Cu atât mai spectaculoasă e performanța profesorului Suhail Zubairy: Un univers misterios (cartea pe care a publicat-o la Oxford University Press) reușește să explice în termeni simpli, fără să apeleze la matematică, nu doar ideile care stau la baza mecanicii cuantice, relativității și cosmologiei, dar și consecințele lor subtile, devenind un compendiu al cunoștințelor actuale din fizică. De un interes aparte, și de o tratare originală, se bucură domeniul criptografiei, comunicării și informaticii cuantice (în care Suhail Zubairy are contribuții notabile), însă poate că meritul cel mai important al cărții este că analizează problemele filozofice cu care se confruntă înțelegerea lumii.
„Un moment de răscruce va fi când oamenii de știință vor putea fabrica o copie identică a unui obiect viu inteligent – un om – atom cu atom. În momentul de față pare un vis nerealist, dar cândva în viitor ar trebui să fie posibilă construirea unei ființe umane. Întrebarea este dacă o asemenea ființă umană va fi vie, având trăsături precum liberul-arbitru, o minte gânditoare, simțul binelui și al răului și capacitatea de reproducere. Un astfel de obiect va avea emoții? Una din cele mai importante întrebări este dacă viața e ceva mai mult decât un anumit aranjament de atomi și molecule.“ — M. SUHAIL ZUBAIRY
M. SUHAIL ZUBAIRY (n. 1952) este profesor la Departamentul de Fizică și Astronomie al Universității din Texas. Autor a mai multe cărți și a peste 300 de articole de cercetare, a adus contribuții importante în domeniile calculului cuantic, fizicii laserelor și opticii cuantice. Între premiile primite pentru cariera sa științifică se numără Abdus Salam Award (1986), Humbold Research Award (2007) și Willis Lamb Award (2014).
Un univers misterios. Mecanică cuantică, relativitate şi cosmologie pentru toţi de M. Suhail Zubairy
(fragment în avanpremieră)
2. MECANICA NEWTONIANĂ ȘI LUMEA DETERMINISTĂ
Căutător al adevărului nu este acela care studiază
scrierile celor din vechime și, urmându-și pornirea
naturală, se încrede în ele, ci acela care-și pune la
îndoială credința în ele și se întreabă cu ce se alege din ele,
acela care se supune argumentului și demonstrației.
— Ibn al HaythamUlm este locul de naștere al lui Albert Einstein. Reperul cel mai proeminent în oraș este o catedrală numită Ulmer Munster, cu una dintre cele mai mari și mai maiestuoase turle din lume. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial catedrala a fost grav avariată. Asemenea altor locuri însă, germanii au reconstruit-o așa încât un vizitator nu-și dă seama cât de grav a fost avariată până nu vede fotografiile făcute imediat după război. În timpul reconstrucției ei au înlocuit vitraliile care fuseseră distruse. Unul dintre ele e deosebit de interesant: îi reprezintă pe Copernic, Kepler, Galilei, Newton și Einstein. E neobișnuit să vezi imagini ale unor oameni de știință într-o catedrală, unde te aștepți să vezi doar imagini și statui ale lui Cristos, ale apostolilor și ale sfinților creștini.
Încă și mai remarcabilă e selecția oamenilor de știință – în definitiv, Germania e țara unde s-au născut mulți alți oameni de știință. Prin ce s-au distins Copernic, Kepler, Galilei, Newton și Einstein? De ce giganți ai științei occidentale precum Faraday, Maxwell, Heisenberg, Schrödinger și Dirac au fost ignorați? O examinare atentă dezvăluie că cei dintâi au un lucru în comun: toți au explicat legile referitoare la obiectele cosmice. Încă din Antichitate, oamenii și-au ridicat privirea spre cer, și-au pus întrebări despre misterioșii aștri strălucitori și au căutat să înțeleagă mai bine acele obiecte stranii.
Aceste alegeri sunt justificate și din altă perspectivă. În decembrie 1999 se încheia nu doar un an, ci un secol și un mileniu. Revista Time căuta Persoana Secolului, secolul XX. Voia să numească persoana care a avut cea mai mare influență asupra omenirii în precedenta sută de ani. Se punea de asemenea întrebarea cine a fost cea mai influentă persoană din ultima mie de ani. Erau multe nume ilustre de ales din cele mai diverse domenii – politicieni, poeți, scriitori, filozofi, reformatori, cuceritori și oameni de știință. Remarcabil este că, într-o asemenea competiție acerbă, Einstein a fost ales Omul Secolului, iar Newton a fost desemnat cea mai influentă persoană din ultima mie de ani.
E justificat să ne întrebăm de ce Newton e perceput ca o figură emblematică a istoriei? Ce a făcut așa încât să dobândească reputația de cea mai influentă persoană a ultimului mileniu?2.1 Newton și legile mișcării
Sir Isaac Newton s-a născut ca orfan în 1642, anul morții lui Galileo Galilei. Opera sa a inaugurat era științifică modernă și a pus bazele revoluției industriale din secolele XVIII și XIX. A avut contribuții în toate ramurile matematicii și a inventat analiza matematică, care a oferit instrumentele pentru rezolvarea unor probleme complicate din toate ramurile științei. Impactul său nu e diminuat de faptul că un matematician german, Gottfried Leibniz, a inventat și el analiza matematică, independent și cam în același timp cu Newton.
Newton a adus contribuții importante în optică. Totuși, cea mai mare contribuție a sa constă în formularea legilor universale care guvernează universul. Semnul distinctiv al descoperirilor lui Newton a fost determinismul – putem prezice viitorul cu o precizie oricât de mare, dacă știm totul despre trecut și prezent.Pentru a aprecia impactul contribuțiilor sale, trebuie să ne întoarcem în timp cu aproximativ o sută de ani, până în epoca lui Nicolaus Copernic. În 1543, Copernic, călugăr într-o mănăstire din Polonia, a prezentat modelul heliocentric al mișcării planetare, proclamând că Soarele este în centru și toate planetele, inclusiv Pământul, se rotesc în jurul său pe orbite circulare. Ideea aceasta contesta credința adânc înrădăcinată că Pământul se află în centrul universului, iar toate planetele, Soarele, Luna și stelele se rotesc în jurul său – concepție, datând din Antichitate, care afirma statutul suprem al oamenilor în centrul cosmosului. Acest statut central a fost adoptat de Biserica creștină, precum și de alte religii, ca o credință fundamentală că oamenii erau ființele supreme pentru care fusese creat întregul univers. Modelul lui Copernic a eliminat această centralitate și a făcut din Pământ o planetă ca oricare alta. Mai mult, era de neconceput ca oamenii, și toate celelalte obiecte, să-și poată menține stabilitatea pe un Pământ în mișcare. Fără nimic care să-i țină, ei ar trebui să cadă de pe planetă. Opoziția față de modelul heliocentric a fost atât de mare, încât Copernic n-a îndrăznit să-și publice cartea multă vreme, de frica represaliilor Bisericii. Potrivit unei legende, el a primit un exemplar publicat al cărții în ultima lui zi de viață, murind așadar fără să știe ce impact vor avea ideile sale asupra istoriei ulterioare.
O altă revoluție s-a datorat operei lui Johannes Kepler. El a analizat datele astronomice cunoscute și a tras concluzia că orbitele planetelor nu erau circulare, așa cum propusese Copernic, ci eliptice. Pe baza acestor observații, a dedus empiric anumite legi ale mișcării planetare. De exemplu, a arătat că o planetă se mișcă mai încet când e mai departe de Soare. El a putut deduce cantitativ viteza planetelor în funcție de distanța lor față de Soare. E într-adevăr uimitor cum a reușit Kepler să formuleze aceste legi ale mișcării planetare doar examinând datele astronomice.
Următorul personaj important este Galileo Galilei, care s-a născut la Pisa în 1564. Galilei e considerat părintele fizicii moderne. A fost primul care a insistat că legile naturii trebuie scrise în limbajul matematicii, în locul unei expuneri verbale și calitative a fenomenelor fizice. Nu el a inventat telescopul, dar a fost primul care l-a folosit pentru a observa multe stele invizibile cu ochiul liber. A descoperit sateliții planetei Jupiter. Descoperirile sale astronomice majore folosind telescopul au pregătit terenul pentru acceptarea sistemului heliocentric propus de Copernic. A avut contribuții importante în știința mișcării, discutând legile căderii corpurilor și traiectoriile parabolice. Cercetările lui Galilei au precedat descoperirile revoluționare ale lui Isaac Newton, care s-a născut în același an (1642) în care Galilei a murit.
În 1666, când Newton avea 24 de ani și era student la Universitatea Cambridge, o epidemie de ciumă a devastat Insulele Britanice. Universitățile s-au închis timp de un an și studenții au fost trimiși acasă. Newton s-a întors în satul său, unde a continuat să-și efectueze cercetările. În această perioadă a făcut descoperirea ce vestea nașterea epocii științifice moderne: legea gravitației. Revoluția științifică inspirată de această descoperire continuă și în prezent. Newton a descoperit că între două obiecte având masă, indiferent cât de mici sau de mari, există întotdeauna o forță de atracție. Forța e proporțională cu masa obiectelor, și scade când obiectele se îndepărtează unul de altul.
Legea gravitației a lui Newton putea explica, pe de o parte, de ce toate obiectele de pe Pământ sunt atrase spre centrul Pământului, și drept urmare cad pe suprafața acestuia; pe de altă parte, ea explica mișcarea planetelor în jurul Soarelui și permitea deducerea legilor empirice ale lui Kepler. A fost o realizare strălucită. Pentru prima oară fusese descoperită o lege a naturii capabilă să explice, în mod unitar, atât mișcarea unui obiect mic, de pildă căderea unui măr pe pământ, cât și mișcarea planetelor în jurul Soarelui. Niciodată până atunci în istoria omenirii nu fusese enunțată o lege științifică aplicabilă unui spectru atât de larg de obiecte. Legea gravitației a lui Newton a stabilit un model pentru formularea legilor științifice – ele trebuie să aibă valabilitate universală, nu să se limiteze la una sau câteva observații.
Dacă Newton ar fi descoperit doar legea gravitației, numele său tot s-ar fi aflat printre ale celor mai influenți oameni de știință din istoria omenirii. Dar el a adus alte câteva contribuții aproape la fel de importante și cu impact durabil. A formulat trei legi care guvernează mișcarea oricărui obiect – din nou, indiferent că e mic cât un fir de praf sau mare cât cea mai mare planetă sau stea de pe cer – în prezența unor forțe aplicate. Și-a prezentat legile mișcării în cartea Principia Mathematica Philosophiae Naturalis, apărută în 1686. Cunoscută îndeobște ca Principia, este una dintre cele mai influente cărți scrise vreodată.
Potrivit primei legi, un obiect în repaus sau în mișcare rectilinie uniformă rămâne în acea stare dacă nu i se aplică o forță exterioară. Astfel, dacă un obiect, de pildă o ceașcă, e așezat pe o masă și asupra lui nu acționează nici o forță, el va rămâne în repaus în aceeași poziție pentru totdeauna. În mod similar, dacă o navă spațială dobândește o anumită viteză în momentul când îi sunt oprite motoarele, ea va continua să se deplaseze cu aceeași viteză și în aceeași direcție pentru totdeauna, dacă nu se apropie de un obiect masiv, de exemplu o planetă, capabil să exercite o forță de atracție. Aceasta contravenea concepției lui Aristotel, potrivit căreia un obiect rămâne în mișcare atâta timp cât i se aplică o forță, iar, când forța e îndepărtată, mișcarea încetează. Atunci de ce o mașină care se deplasează cu o anumită viteză se oprește după o distanță oarecare dacă luăm piciorul de pe pedala de accelerație? În cazul acesta există o forță de frecare care încetinește mașina, și până la urmă o oprește.
Legea a doua a lui Newton este poate cea mai influentă dintre toate legile fizicii. Ea afirmă că dacă un obiect este în repaus sau în mișcare rectilinie uniformă, și i se aplică o forță, el capătă o accelerație, altfel spus, viteza se schimbă. Accelerația este direct proporțională cu forța aplicată și în aceeași direcție ca forța.
În sfârșit, legea a treia afirmă că, dacă un corp exercită o forță asupra unui al doilea corp, acesta din urmă exercită simultan asupra primului corp o forță de mărime egală și în sens opus. Astfel, dacă o persoană încearcă să împingă un perete, peretele împinge, la rândul său, persoana. Fiecărei acțiuni îi corespunde o reacțiune. Un exemplu clasic de aplicare a legii a treia a lui Newton este mișcarea unei rachete. Un motor de rachetă produce o forță de propulsie îndreptată înainte prin evacuarea gazelor care se scurg înapoi.
Legile de mișcare ale lui Newton ne par acum evidente și banale, dar pe vremea lui au fost idei revoluționare. Era ceva cu totul nou să descoperi legi cu vocație universală ce pot fi aplicate la tot ce există în univers. Ele explicau toate fenomenele cunoscute pe atunci. Era un succes năucitor. Pentru prima oară câteva legi simple puteau nu doar să explice toate observațiile existente, dar preziceau de asemenea cu precizie cum se vor comporta sistemele sub acțiunea unei forțe, orice tip de forță. Mecanica newtoniană a domnit necontestată timp de două secole, până la sfârșitul veacului XIX.
Newton a avut un impact major și în afara științei. Legile sale de mișcare au eliminat misterul din multe fenomene care rămăseseră obscure timp de mii de ani. Era științei, declanșată de descoperirile lui Newton, a dus la înțelegerea faptului că toate fenomenele naturale trebuie să aibă o explicație științifică.
Un univers misterios. Mecanică cuantică, relativitate şi cosmologie pentru toţi de M. Suhail Zubairy, Ed. Humanitas, 2026, trad. rom. Walter Fotescu, col. „Știință”
Scrie un comentariu