De ce sunt incompatibile teoria relativitatii generale si mecanica cuantica
Cei doi piloni fundamentali pe care se bazeaza fizica moderna sunt teoria generala a relativitatii elaborata de Albert Einstein si mecanica cuantica ai carei fondatori au fost Werner Heisenberg și Erwin Schrödinger.
Teoria generala a relativitatii ofera cadrul teoretic pentru intelegerea universului la scara macroscopica, respectiv stelele, galaxiile, roiurile de galaxii si dincolo de ele in imensitatea intregului Univers.
Relativitatea generală, realizarea majora a lui Albert Einstein, a fost elaborata intre anii 1907 și 1915.
Relativitatea generală este o teorie relativistă a gravitației, care descrie influența prezenței materiei și energiei, deci a energiei in general, asupra mișcării astrelor, ținând seama de principiile relativității restranse. Relativitatea generală subsumează și înlocuiește teoria gravitației universale a lui Isaac Newton, care reprezintă limita la viteze mici (comparativ cu viteza luminii) și la câmpuri gravitaționale slabe.
Relativitatea generală se bazează pe concepte radical diferite de cele ale gravitației newtoniene. Aceasta enunta, în special, faptul că gravitația nu este o forță, ci manifestarea curburii spațiului (de fapt a spațiu-timpului), curbură care este produsă de distribuția energiei, sub forma masei sau a energiei cinetice, care diferă în funcție de sistemul de referință al observatorului.
Teoria relativistă a gravitației prevede efecte absente in teoria newtoniană, dar verificate, precum expansiunea Universului, sau potențial verificabile, precum undele gravitaționale (oscilatii ale curburii spatiu-timpului) și găurile negre. Ea nu permite determinarea anumitor constante sau aspecte ale Universului (mai ales evolutia lui, daca este finit sau nu etc.): sunt necesare observatii pentru precizarea parametrilor sau pentru a opta intre mai multe posibilitati deschise de teorie.
Nici unul dintre numeroasele teste experimentale efectuate până în prezent (2011) nu a putut sa o contrazica. Totusi, raman unele întrebări fără răspuns: la nivel teoretic, cum pot fi unificate relativitatea generala si fizica cuantica, pentru a realiza o teorie completă și coerenta a gravitatiei cuantice; din punct de vedere al observațiilor astronomice sau cosmologice, cum pot fi conciliate unele măsurători cu previziunile teoretice (materia întunecată, energia întunecată).
Mecanica cuantica ofera cadrul teoretic pentru intelegerea universului la scara microscopica: molecule, atomi, particule subatomice (electroni, cuarci etc).
Mecanica cuantică este ramura fizicii care își propune să studieze și să descrie fenomenele fundamentale din sistemele fizice, mai ales la scara atomica si subatomica. Este, de asemenea, partea fizicii în care apare constanta lui Planck.
Mecanica cuantică a fost dezvoltata la inceputul secolului XX de un grup de zece fizicieni americani și europeni, reuniti pentru a rezolva diverse probleme pe care fizica clasica nu reușea să le explice, precum radiatia corpului negru (obiect ideal al carui spectru electromagnetic nu depinde decat de temperatura sa), efectul fotoelectric, sau existența liniilor spectrale (linii intunecate sau luminoase intr-un spectru electromagnetic, altfel uniform si continuu).
In decursul elaborarii sale, mecanica cuantica s-a dovedit a fi foarte fructuoasă în rezultate și aplicații diverse. Ea permitea in special dezlegarea misterului structurii atomului și, în ansamblu, s-a dovedit a fi cadrul general al descrierii comportamentului particulelor elementare, pentru a forma baza fizicii moderne.
Mecanica cuantică comporta profunde dificultăți conceptuale, și interpretarea ei fizică nu este unanim acceptata în comunitatea stiintifica. Printre aceste concepte se afla dualitatea unda-corpuscul, suprapunerea cuantica, reteaua cuantica sau non-localizarea cuantica.
Incompatibilitatea teoriei relativitatii generale si a mecanicii cuantice
In decursul cercetarilor, fizicienii au confirmat experimental, cu mare precizie, predictiile fiecareia dintre aceste doua teorii. Cu toate acestea, asa cum sunt formulate in prezent, cele doua teorii nu pot fi simultan corecte si sunt reciproc incompatibile. Aceasta deoarece, in afara situatiilor extreme, prin intermediul lor pot fi studiate fie obiecte mici si usoare (atomii si componentii lor), folosind mecanica cuantica, fie obiecte enorme si grele (stele, galaxii), folosind teoria generala a relativitatii, dar nu pe amandoua.
Universul se poate afla insa in conditii extreme. In centrul gaurilor negre, o masa enorma poate fi strivita pana la o dimensiune minuscula. Este cazul Big Bangului cand, dintr-un punct microscopic, intr-o explozie colosala, a luat nastere universul. In aceste domenii minuscule, dar incredibil de masive, mecanica cuantica si teoria generala a relativitatii trebuie sa coexiste. Cu toate acestea, atunci cand se combina, ecuatiile celor doua teorii, se resping reciproc.
Un set de legi pentru obiectele mari si un alt set de legi pentru obiectele mici?
Teoria supercorzilor (superstringurilor) infirma necesitatea a doua legi distincte. Prin aceasta noua abordare, care descrie materia pana la cel mai profund nivel al sau, sunt rezolvate tensiunile existente intre cele doua teorii, ba mai mult, teoria supercorzilor demonstreaza faptul ca cele doua teorii au nevoie una de cealalta, sunt complementare, iar uniunea dintre legile corpurilor mari si legile corpurilor mici este inevitabila.
Einstein a cautat timp de treizeci de ani o teorie unificatoare a tuturor legilor naturii, dar a esuat in demersul sau pentru ca unele concepte erau necunoscute sau destul de vagi in acea vreme.
In acest inceput al mileniului III, teoria corzilor, pare sa deschida calea spre marea unificare intr-un singur principiu fizic, si intr-o singura ecuatie unificatoare.
Caracteristicile teoriei corzilor necesita schimbarea radicala a conceptiilor despre spatiu, timp, materie, ea aparand in urma descoperirilor revolutionare ale fizicii din ultimul secol.
Cele trei incompatibilitati ale celor doua teorii, traversate de fizica in ultimul secol
Prima incompatibilitate. Recunoscut inca de la sfarsitul sec. XX, acest conflict se refera la proprietatile miscarii luminii. Potrivit legilor miscarii ale lui Newton, daca alergi destul de repede, poti prinde din urma o raza de lumina, in timp ce legile electromagnetismului ale lui James Maxwell infirma aceasta posibilitate.
Prin teoria relativitatii restranse, Einstein a rezolvat acest conflict, modificand radical conceptiile despre spatiu si timp. Conform acestei teorii, spatiul si timpul nu trebuie privite ca niste concepte universale imuabile, ci in functie de perceptia fiecaruia. Acestea devin niste concepte maleabile, iar forma lor depinde de starea de miscare a observatorului.
A doua incompatibilitate. Dezvoltarea teoriei relativitatii restranse a condus la generarea celei de-a doua incompatibilitati. Astfel, Einstein a ajuns la concluzia ca nici un obiect nu se poate deplasa mai repede decat viteza luminii. Teoria universala a gravitatiei, stabilita de Newton, implica influente ce se transmit instantaneu la viteze enorme. Einstein a rezolvat acest conflict in 1915, prin teoria generala a relativitatii, oferind o noua conceptie asupra gravitatiei. Astfel, a stabilit ca spatiul si timpul sunt influentate nu numai de sistemul de referinta, dar se pot deforma si curba in prezenta materiei sau energiei. Distorsiunile texturii spatiului si timpului transmit forta gravitationala dintr-un loc intr-altul. Spatiul si timpul nu mai sunt privite ca un fundal inert al evenimentelor, ci, din perspectiva teoriilor relativitatii generale si restranse, acestea participa la evenimente, suferind o modificare ca raspuns la acestea.
Intre 1900-1930, fizicienii au elaborat, timp de trei decenii, mecanica cuantica, aplicabila fenomenelor din lumea microscopica.
A treia incompatibilitate. Cel mai profund conflict a aparut intre teoria relativitatii generalizate si mecanica cuantica. Forma geometrica usor curbata a spatiului rezultata din teoria relativitatii generale este in dezacord cu miscarea haotica a universului microscopic descris de mecanica cuantica. La mijlocul anului 1980, teoria corzilor a oferit o solutie acestui conflict, devenit problema centrala a fizicii moderne. Bazandu-se pe cele doua teorii ale relativitatii, teoria corzilor sustine ca universul nostru nu are doar trei dimensiuni spatiale, ci mult mai multe dimensiuni ascunse, infasurate strans in faldurile texturii Cosmosului.
Continuare… Relativitatea generala versus mecanica cuantica
Inceputul articolului: In cautarea unei teorii a totului