Vino si tu pe pagina de Facebook pentru o stire de stiinta, explicata simplu, in fiecare zi!
Pagina de Facebook!
În fiecare zi, o nouă fotografie din universul nostru fascinant împreună cu o explicaţie scrisă de către un astronom profesionist: Astronomy Picture Of the Day
   
Fizica Povestita

I
Fizica Povestita
The_Trouble_with_Physics_by_Lee_Smolin_Book-Cover

Problema cu fizica (‘The trouble with physics’), prima parte

Aceasta este partea a doua a notitelor despre cartea lui Leo Smolin, ‘The trouble with physics’. Partea intai a notitelor poate fi gasita aici.">Aceasta este partea a doua a notitelor despre cartea lui Leo Smolin, ‘The trouble with physics’. Partea intai a notitelor poate fi gasita aici." alt="" width="300" class="alignright" />

Este târziu, copii dorm, parca toata lumea doarme. A fost o zi grea, am adormit de oboseala si m-am trezit în mijlocul noptii regasind linistea din jurul meu. Povestea nu este numai a mea, poate fi si a ta, cititorule si ma duce cu gândul la întrebarile esentiale, cine suntem, de ce traim pe aceasta lume, de ce suferim. Un moment propice deci pentru a trece în revista cartea recent citita, ‘The trouble with physics’, de Lee Smolin.

Cartea are doua parti virtuale. Prima se refera la problemele profunde ale fizicii moderne, a doua la problemele oamenilor ce construiesc astazi fizica. Mesajul primei parti este: fizica fundamentala este în criza; în ultimii 25 de ani nu s-a mai realizat practic nici un progres. Aceasta, spune Smolin, pentru ca fizica a fost cucerita de matematicieni, pentru ca, din anii de dupa razboi, odata cu succesul teoriilor cuantice ale câmpului, am acceptat teoriile complexe matematic numai pentru ca ne dadeau rezultate corecte. Ele au ignorat însa problemele esentiale ale fizicii (problema masuratorii cuantice, de exemplu). Practic, am maturat sub pres aceste probleme fundamentale si am acceptat solutiile matematice complexe. Pentru a iesi din criza, trebuie sa identificam problemele fundamentale si sa le rezolvam.

Caci sa observam ca fizica s-a dezvoltat pornind de la reflectia asupra unor probleme fundamentale. De ce nu cade Luna? (exemplific eu) si a iesit gravitatia. Cu mecanica cuantica si mai ales cu teoria cuantica a câmpurilor, abordarea s-a rupt brusc. Aici am început sa acceptam comportari ciudate numai pentru ca ecuatiile explicau realitatea. Sa luam principiul de incertitudine, sau renormalizarea electrodinamicii cuantice (eliminarea de infinitati). Vechile generatii de fizicieni era socati: (zic eu), Dirac zicea ca ascundem infinitatile sub pres… Einstein nu accepta bazele fizicii cuantice (Dumnezeu nu da cu zarul), etc…

Noile generatii (Feynmann, Dayson) ziceau: ce ne intereseaza daca nu întelegem, sau daca percem aceasta comportare ca fiind paradoxala, putem prezice si fita realitatea, asa ca nu mai faceti atâta galagie… Acum însa, zice Smolin, am ajuns la punctul la care nu se mai poate si trebuie sa ne întoarcem la problemele fundamentale pe care le-am sarit. Ce sens are, zice Smolin, sa construim zeci de mii de variante matematice ale unor teorii ipotetice, nu e mai bine sa ne întoarcem la problemele lasate în drum? Poate ca în felul asta vom gasi cheia pentru a face un progres…

Partea a doua a cartii vine ca o completare logica a primei. Astfel, prin anii 1980 s-a dezvoltat teoria coardelor (mai denumita si teoria stringurilor, sau a corzilor, înca nu stiu formularea precisa). Aceasta este o complicatenie matematica care nu se bazeaza pe nici un fel de rezultat experimental, spune Smolin… Culmea… Cu alte cuvinte, am învatat sa acceptam chiar si teorii ciudate, numai pentru ca s-ar putea sa fie adevarate, fara sa aiba totusi o baza experimentala solida care sa le sustina. Mai mult, teoria coardelor are mii de variante care o fac neverificabila experimental. Orice varianta am contrazice experimental, o sa mai ramâna alte mii care o sa se potriveasca cu experimentul… Introducem dimensiuni aditionale ale Univeruslui, d-branes  si compactari in mii de feluri, si fitam aproape orice rezultat experimental care s-ar putea obtine… Mai este o teorie fizica asa cum o defineau înaintasii nostri?

Mai rau, spune Smolin, profesorii care au construit teoria coardelor conduc astazi toate Universitatile si nu accepta doctoranzi decât daca si doctoranzii accepta sa studieze aceleasi teorii. Practic si ei trebuie sa fie asi în ale matematicii si asi în ale imaginatiei fara frontiere experimentale… Acesti profesori, spune Smolin, sunt elevii scolii ‘matematice’ a fizicii, cea dezvoltata de Feynmann,  etc… Ei au uitat sa adreseze bazele fundamentale ale fizicii, sa le cupleze cu probleme experimentale, asa cum au facut fizicienii din generatia de pâna la razboi, Einstein, Pauli si toti ceilalti.

Personal, recunosc mult din a doua parte, caci am colegi de generatie (cei mai buni) care au urmat aceste cai. Am caz un caz clar, discutat în carte, în care am avut placerea sa recunosc un personaj real pe care l-am cunoscut personal, si sa îi dau dreptate lui Smolin (despre asta mai târziu). Sunt însa prea dezamagit de ceea ce eu consider nereusita noastra sociala (saracie, coruptie, indiferenta, etc.), asa ca nu m-a interesat prea mult fenomenul social al acestor profesori din teoria coardelor, care au canalizat aproape toate fondurile de cercetare. De aceea am cam sarit pe acoluri câteva pagini, iar comentariile mele sunt si mai putine la aceste capitole…

O sa ma întorc deci la probleme fundamentale ale fizicii si o sa încep discutia cartii capitol cu capitol. Va fi una lunga, caci stiu ca am facut multe însemnari si sunt si lucruri pe care eu însumi as vrea sa le discut, sa le aprofundez. Deci, sa încep cu introducerea.

INTRODUCERE

Cercetatorii ce lucreaza într-un domeniu STIU ca fundatiile si caramizile acelui domeniu nu sunt asa de solide asa cum cred cei din afara domeniului.

Ideea esentiala a cartii: ‘We have failed’, n-am reusit. În fizica teoretica fundamentala NIMIC nu s-a mai întâmplat din anii 70. De fapt, în afara de descoperirea masei neutrinilor, a materiei/energiei intuncate, nimic nu s-a mai întâmplat în toata fizica fundamentala…

Spune ca cartea va critica teoria stringurilor, pentru ca nu e falsificabila. Critica în plus si mediul academic, care e plin de profesori teoreticieni ai teoriei corzilor.

1. CELE CINCI PROBLEME FUNDAMENTALE NEREZOLVATE ALE FIZICII

Ce placere sa scriu despre ele… Daca se întâmpla sa fie cineva tânar care sa citeasca aceste rânduri, sa stie ca are ce descoperi în fizica fundamentala. Sa stie ca fizica are nevoie de gândirea lui aparte, pentru a reusi. Deci:

Problema 1: combinarea relativitatii generalizate cu teoria cuanticii. Cheia solutiei (poate): ambele au infinitati. La gauri negre avem o singularitate (materia colapseaza la infinit în interiorul orizontului), la mecanica cuantica avem infinitatile introduse de teoriile cuantice ale câmpului, care introduc variabile locale cuantice în fiecare punct din spatiu (infinitati ce se regasesc în energia de zero de exemplu). Speranta este ca daca combinam cele doua teorii scapam de ambele seturi de infinitati. Clar însa, zice Smolin, mecanica cuantica nu spune toata povestea. Cum se poate, spune el, ca electronul sa poata fi oriunde în Univers înainte de a-l gasi (functia de unda)? Suna a misticism. Smolin se dovedeste un adept al REALISMULUI, asa cum a fost Einstein, care a fost împotriva mecanicii cuantice.

Teoria cuantica nu este ‘realista’ asa cum e construita azi, pentru ca descrierea ei depinde de alegerea observatorului. E clar, daca eu sunt observatorul, dupa o masuratoare proiectez functia de unda în functie de ceea ce observ eu. Daca altcineva ma observa pe mine si experimentul meu, el proiecteaza functia de unda a ansamblului dat de mine si experiment. Descrierea rezultatelor depinde de cine e observatorul (ceva subiectiv), deci teoria nu e ‘realista’. Se vede în exemplul pisicii lui Schrodinger. Mecanica cuantica trebuie extinsa, pentru a fi descrisa de mai multi observatori, iata una din sugestiile lui Smolin.

Personal, am încercat odata sa dezvolt un paradox ca al lui Godel bazându-ma pe aceasta alegere arbitrara a observatorului, însa nu am reusit… Poate vei reusi tu, draga tinere cititor… Daca se întâmpla sa studiezi mecanica cuantica la facultate, nu uita sa întrebi profesorul de ce vei obtine aceleasi rezultate experimentale independent de alegerea observatorului. Nu accepta imediat raspunsul matematic al profesorului ca asta este deoarece ecuatiile mecanicii cuantice sunt liniare, iar observabilele sunt si ele niste operatori liniari. Raspunsul fundamental nu se poate baza pe niste ecuatii… Lumea nu este consistenta experimental (comportare independenta de observator) pentru ca anumite ecuatii sunt liniare… Trebuie sa fie un principiu mai profund… Construiesc si eu acum ideile urmarind pe cele ale lui Smolin, caci tu, daca vei da un alt raspuns decât al profesorului tau, vei putea desface unul dintre misterele fizicii care ar putea arunca fizica într-o alta directie decât este acum…

Problema 2: colectia de probleme fundamentale ale mecanicii cuantice. Smolin nu le numeste direct, eu numesc însa doua: problema functiei de unda (electronul poate fi oriunde în Univers, este descris de o unda de probabilitate, practic problema dualitatii unda-cospuscul) si problema masuratorii (dupa ce gasesc electronul, el va fi aici cu o probabilitate mare), care se reflecta în proiectia functiei de unda (unda de probabilitate se schimba instantaneu în tot universul).

Smolin are doua sugestii. Prima este sa realizam ca mecanica cuantica si relativitatea generala (problema 1) au concepte diferite de lucru. Pentru a le unifica, trebuie sa unificam CONCEPTELE, nu numai ecuatiile… A doua este ca trebuie sa aducem pe pamânt limbajul matematic al fizicii cuantice. Sa iesim din descrierea matematica a operatorilor liniari, functiei de unda în spatiu Hilbert, adica practic ce am învatat la facultate, bazele puse de interpretarea de la Copenhaga…

Problema 3: unificarea tuturor fortelor pentru particulele elementare. Daca lasam la o parte mecanica cuantica, spune Smolin, unificarea e usor de facut… Fara mecanica cuantica însa nu se poate… Dupa mine are dreptate, avem acum un lagrangean asa de complex, care descrie tot ce am masurat, dar nu stim de unde vin cele câteva zeci de constante ale lui, de ce sunt acele potriviri perfecte (sarcina electronului egala cu a protonului de exemplu), sau potriviri imperfecte (unghiurile Cabibbo, ori mixajul neutrinilor)…

Problema 4: de ce constantele modelului standard sunt cele care sunt. Am anticipat, am scris deja în punctul precedent.

Problema 5: materia si energia întunecata.

2. MITOLOGIA FRUMUSEŢII

Ideea de baza, spune Smolin, este ca orice descoperire fundamentala vine ca o surpriza si ca e o evidenta ce poate fi testata mai târziu experimental. Unificarea, spune el, este recunoasterea esentei în doua teorii diferite. Suna si
mplu, dar este extrem de adânc…

Smolin da apoi nenumarate exemple: unficarea repausului cu miscarea (Galilei), unfificarea mecanicii cu astronomia (Kepler), unificarea electricului cu magneticul (Maxwell) etc. Toate acestea aduc supriza, par apoi ca o evidenta si recunosc elementele esentiale ale unor teorii diferite. Ele fac si predictii verificabile si unice (teoriile nu au mii de variante ca teoria coardelor). Ideea pare simplu, însa ea poarta cheia solutiei… Daca cineva este în stare sa recunoasca un element unificator în mecanica cuantica si relativitatea generalizata, atunci este în stare sa le unifice.

3. LUMEA CĂ O GEOMETRIE

Einstein nu a putut primi initial o slujba academica (a lucrat la brevetele de inventii). Paradoxal, atipic, sau doar un exemplu al unui fenomen mai des?

Exista teorii care se onstruiesc ‘în spatiu’ (mecanica cuantica) si altele care se construiesc ‘odata cu spatiul’ (relativitatea generalizata). Practic, la primele se da spatiul (curbura, marimea etc), iar din cele de al doilea tip iese si spatiul. E clar, le vrem pe cele de al doilea tip… Desigur, nu înseamna ca putem apoi spune ca va fi spatiu (‘Sa fie spatiu!’), ci ca vom putea calcula din teorie proprietatile nu numai ale materiee dar si ale spatiului (curbura etc.)… Hmm…, uite deja o sugestie de unificare: spatiul este materie, cum altfel am putea observa spatiul vid? Numai pentru ca ne influenteaza rezultatele în alta parte (forta Cazimir)? În orice caz, Smolin considera teoriile de timpul doi mai profunde.

Kalutza-Klein au unificat electromagnetismul cu relativitatea generalizata asumând ca Universul mai are o dimensiune ascunsa, pe care noi o percepem ca generând proprietatile electromagnetice. Astfel, sarcina electrica ar fi data de raza de compactare a dimensiunii ascunse (pe care astfel nu o vedem). Teoretic sublim (zice Smolim), practic groaznic… Deoarece relativitatea generalizata prezice un spatiu-timp dinamic, asa va fi si cu raza (variaza) si deci si sarcina electronului! Ori asta nu se vede în practica… Din cauza aceasta teoria pica.

Azi însa, si Smolin începe critica, exista fizicieni, care întortocheaza asa de mult spatiu-timpul încât reusesc sa gaseasca solutii matematice în care raza ramâne stabila. Tot ce îti trebuie este imaginatie… De ce însa, spune Smolin, ne-am încrede în acesti teoreticieni? Sa fie aceasta proprietate frumoasa (constanta sarcinii electrice) numai o proprietate întâmplatoare a unui set complex de ecuatii? Nu dam atunci în principiul antropic (iarasi scriu de la mine…)? În mod normal, raza dimensiunii aditionale variaza, cu ea si sarcina electrica si huups cu teoria la gunoi… Cel putin asa cum e… Smolin nu este deci de acord sa acceptam teorii particulare si speciale care conduc la constanta sarcinii electrice, numai pe baza solutiilor particulare si frumos alese. El vrea principiul fundamental din spatele acestei observatii experimentale…

Corect, as zice eu, desi înca am probleme cu întelegerea, daca cuantificam, nu vom obtine automat valori discrete, deci si sarcini discrete ale electronului? Daca eu am dreptate, atunci sarcina electronului ar trebuie sa se schimbe aleatoriu la miliarde de ani, pentru ca ea ar putea lua si alte valori, lucru care s-ar putea testa… Probabil de asta nu am dreptate… Sau totusi?

4. UNIFICAREA DEVINE O STIINŢĂ

Frumos… Prima parte a capitolului discuta esenta teoriilor de etalonare: fortele de interactie sunt un rezultat al simetriilor. Daca nu erau simetrii, nu avem nici forte si lumea era plictisitoare. Simetrie înseamna ca schimbi ceva în experiment si rezultatul e acelasi. Schimbi culoarea cuarcilor întrei ei, acelasi rezultat, atunci cuarcii interactioneaza prin forta de culoare. Forma matematica iese din ecuatiile simetriei. Schimbi faza electronului în tot Universul, acelasi rezultat si iese forta electromagnetica, cu ecuatiile care trebuie. Desgur, e vorba de etalonari locale, însa Smolin nu intra în detalii. De retinut: ‘Da-mi simetria si eu îti dau forta’…

Legea de mai sus (simetria de etalonare) explica frumos si ruperea de simetrie. Daca cumva simetria se rupe spontan (supraconductori, magnetic, vidul plin de bozoni Higgs, etc.) atunci se va schimba si fortele de interactie! Briliant. De unde înainte aveam una, doua forte, dupa ruperea de simetrie avem zece! Aplicând invers, poate ca toate cele patru forte fundamentale de azi vin din simetrii de fapt rupe spontan (exemplul forte electrice si slabe care vine din electroslaba).

În anii 1970 s-a propus ca aceasta simetrie originala ar fi fost SU (5). Aici electronul, cei trei cuarci de culori diferite si neutronul (cinci particule deci) ar fi de fapt manifestari ale aceeasi particule, daca simetria nu ar fi rupta. Ar fi o particula, o forta, ecuatii cunoscute pentru forte, date de simetria SU (5). Ea s-ar rupe apoi în SU (3) xSU (2) xU (1), modelul standard, si am avea mai multe forte si mai multe particule (cele cinci).

Superba teorie, zice Smolin, teoria tineretii lui în care a crezut, doar ca are o ‘mica’ problema, este infirmata de experimente… Astfel, teoria spune ca protonul se poate atunci dezintegra în particule. Teoria SU(5) si un timp pentru dezintegrare, iar experimentele curente arata ca protonul nu se dezintegreaza… De fapt, nu se dezintegreaza sigur în timpul prezis de teorie… Ce pacat, ramânem asa cu cinci particule sparate, structurate pe generatii…

Revin la teoria de etalonare, caci e în carte un pasaj pe care eu nu îl înteleg pe deplin, dar cred ca ascunde o esenta: ‘Einstein a realizat ca diferenta între fenomene nu este intrinseca fenomenelor ci este datorita necesitatii de a descrie rezultatele din punctele de vedere ale unor observatori diferiti’. Remarc cuvântul cheie ‘observator’ pe care îl regasesc si în mecanica cuantica. Iata ceva ce apare în ambele teorii.. Fraza pare ca se aplica si la relativitatea generalizata si la teoriile de etalonare, însa îmi scapa semnificatia ei profunda… Este ca si un filozof, care gaseste o fraza frumoasa, însa se opreste la cuvinte. În cazul fizicii, nu trebuie sa ramânem la notiunile filozofice (zic eu) trebuie sa contruim ecuatiile unei teorii noi din ele si sa prezicem experimente. Greu nu? ‘Diferenta între fenomene nu este intrinseca fenomenelor…’ Hmm… Ce vrea sa spuna?

5. DE LA UNIFICARE LA SUPERUNIFICARE

Despre supersimetria si necesitatea ei. Superimetria spune ca putem înlocui în anumite experiente un fermion cu noul sau partener bozonic si obtine aceleasi rezultate. Electronul ar avea un partener bozon, numit selectron, de aceeasi masa. Cum acesta nu a fost detectat, introducem ruperea de simetrie, obtinem mase diferite si dam sarcina celor de la LHC sa gaseasca selectronul… Frumos nu? Ne-am spalat pe mâini (ca teoreticieni), am obtinut motive sa capatam finantare… Ce mai conteaza ca poate nu este esential sa avem supersimetrie? Sau poate ca e esential? Sa vedem motivele pentru care unii urla ‘supersimetrie’…

Un motiv este masa bozonului Higgs. Iata un exemplu frumos de cum merge fizica azi. Particula Higgs nu a fost detectata experimental înca, desi multi cred ca ea exista. Este o particula fundamentala, asa ca masa ei trebuie normalizata (pentru ca masa ei efectiva, experimentala, va iesi infinita). Oroaore însa, nu poate fi renormalizata! Bine, zice Smolin, poate fi renormalizata, dar în cazul unor teorii extrem de bine ajustate, cu constante care trebuie ajustate la milionime. Dam iarasi în principiul antropic si alte ciudatenii… Smolin ignora astfel de teorii. Cu cât o teorie e mai bine ‘potrivita’ la constante,  cu atât mai mult trebuie aruncata la gunoi…

Daca masa bozonului Higgs este finita si nu poate fi renormalizata de teorie (iata ceva unde puteti lucra!) atunci vrem un principiu, zice Smolin. Unul ar putea fi ca bozonul Higgs are un superpartener, sa zicem electronul. Masele lor sunt egale (fara ruperea de simetrie) si deci atunci masa bozonului Higgs ar fi legata de cea a electronului si deci musai finita! Problema rezolvata, prin principiu… Desigur, mai nou, fizicienii spun ca masa tututor particulelor sunt date de masa bozonului Higgs, asa ca e o mica recurenta aici, caci si masa electronului e data de cea a bozonului Higgs… Ma rog, principiul e principiu, ecuatiile ramâne sa le rezolvati voi daca vreti un doctorat în fizica teoretica…

O alta solutie la problema masei bozonului Higgs este teoria ‘tehnicolor’. Aici Higgs este o particula compusa din alti cuarci. Dupa cum nici nu trebuie sa renormalizam protonul (caci el e particula compusa) tot asa nu mai trebuie sa mai renormalizam bozonul Higgs (caci si el e compus) si am împins problema mai departe la altcineva, ca în management, caci noii cuarci trebuie si ei renormalizati, dar asta este pentru generatiile ce vin… E clar însa, ‘tehnicolor’ nu a avut success…

Interesant însa (o alta esenta). Cuarcii au trei culori, iar sarcina lor este precis o treime din sarcina electronului. Sa fie doar o coincidenta? Smolin zice ca nu.

Modelul standard minimal superimetric se construieste pe ideile de mai sus, dar are 100 de constante care trebuie ajustate. Daca asta e adevarat, spune Smolin, atunci Dumnezeu este un ‘techno-geek’. Smolin nu crede în supersimetrie. Nici eu. Bine, mai era argumentul energiei de zero (care nu e mentionat de Smolin) masele egale ale fermionilor si bozonilor contribuie cu semne diferite la energia de zero a vidului, care va iesi asa zero, altfel (în varianta actuala) iesea prea mare si Universul trebuia sa colapseze în primele secunde.

Iata, au trecut trei ore, se apropie de dimineata. Ma duc sa ma odihnesc putin, pâna când nu îmi dau copii desteptarea… Sper sa pun în curând si celelalte capitole.

cristipresura
M-am născut în 1971 și am urmat studiile facultăților de electrotehnică și fizică. Am lucrat la Institutul de Fizică Atomică iar în 2002 am obținut doctoratul în fizică la Universitatea Groningen, Olanda, unde am caracterizat proprietățile optice ale sistemelor corelate de electroni, colaborând cu Anthony J Leggett, membru al comisiei de doctorat și laureat al premiului Nobel în fizică 2003. Am publicat în reviste de specialitate ca Physical Review Letters și Science. În prezent sunt cercetător la compania Philips, Olanda unde, împreună cu echipa mea, am inventat și introdus pe piață primul ceas capabil să măsoare pulsul sportivilor numai pe baza senzorilor optici. Sunt membru al asociației cercetătorilor români Ad Astra și fondator al asociației Știință pentru Toți.
cristipresura
Eindhoven (Olanda)

Abonează-te la newletter:

Caută în site



Formular de contact

Advertisment ad adsense adlogger