In cautarea unei teorii a totului
Unificarea fizicii cuantice și a relativității generale pentru a descoperi o origine comună pentru cele patru forțe fundamentale: acesta este scopul unei „teorii a totului”, dacă există.
Superstringuri, gravitație cuantică, dimensiuni multiple, univers holografic sunt tot atâtea piste pentru tot atâtea întrebări.
La peste o jumatate de secol de la disparitia lui, se constata ca Einstein (14 mar. 1879 – 18 apr. 1955), departe de a fi depasit, din anumite puncte de vedere, a fost, probabil, mult prea avansat in gandire pentru vremea sa. In ultima parte a vietii, a fost izolat de colegii sai, datorita obsesiei de a descoperi o teorie unificata a campului, o teorie universala care sa adune toate fortele universului si, implicit, toate legile fizicii. In 1950, si-a prezentat teoria intr-un articol publicat in revista Scientific American, dar, intrucat neglija problema misterioasei forte tari, teoria sa era incompleta. De altfel, nu va mai reusi sa o finalizeze niciodata.
Forta tare, o componenta majora a oricarei teorii unificate a campului, era inca un mister total pe vremea lui Einstein. Abia in anii 1970 si 1980, oamenii de stiinta au inceput sa-i descopere secretele prin intermediul teoriei quarkurilor. Astfel, cercetarile lui Einstein continua sa le aduca fizicienilor Premii Nobel. Descoperitorii undelor gravitationale, anticipate de Einstein, au primit un Premiu Nobel in 1993. Descoperitorii condensatelor Bose-Einstein, o noua forma de materie care se poate forma la temperaturi extrem de joase, au primit un Nobel in 1995. Se cunosc acum mii de gauri negre. Cosmologia lui Einstein continua sa fie confirmata de satelitii de ultima generatie si numerosi fizicieni remarcabili lucreaza pentru a indeplini marele vis al lui Einstein: o “teorie a totului”.
Unificarea celor patru forte fundamentale
De ce să se unească?
Totul este o combinație de apă, aer, pământ și foc: așa era reprezentarea lumii lui Aristotel. Patru elemente, despre care știm astăzi, desigur, că sunt departe de a fi fundamentale. Dar ele sunt prima mare manifestare a căutării constituenților ultimi ai Naturii. Sau, mai degrabă, pentru că cine poate face mai mult poate face și mai puțin, a constituentului ultim…
Molecule, atomi, particule, quarci… Succesiv, fiecare dintre aceste grupe și-a asumat rolul de cărămidă elementară, indivizibilă. Și fără îndoială, aceasta nu a fost încă descoperită. Poate este o coardă care vibrează într-un spațiu cu 10 dimensiuni? Dar nu știm încă nimic.
Universul nostru este guvernat de patru forte fundamentale. Dacă doua dintre ele au putut fi unificate, și daca există propuneri solide pentru unificarea forței electroslabe și forța nucleară tare, gravitatia încă mai rezistă cu înverșunare oricarei tentative a marii unificari.
Gravitatia rezista “marii unificari”
Pentru Aristotel, reprezentarea lumii se rezuma la a considera ca totul este o combinație de apă, aer, pământ și foc. Astazi se stie ca cele patru elemente enumerate sunt departe de a fi elementele fundamentale. Cu toate acestea, ele au fost prima manifestare majoră a căutarii elementelor constitutive ultime ale Naturii sau poate a elementului constitutiv ultim.
Ideea că toată materia este compusă din particule elementare, indivizibile, datează cel puțin din secolul VI î.Hr. Doctrina filosofică a atomismului si natura particulelor elementare au fost studiate de către filosofi antici greci precum, Leucip, Democrit si Epicur.
Particulele elementare reprezinta cele mai mici parti constitutive ale materiei, care au aparut odata cu bangul initial. Cele mai multe particule elementare s-au dezintegrat rapid si au ramas particulele stabile, cum sunt quarkurile si electronii, din care este alcatuita toata materia.
Pe masura descoperirii lor, molecule, atomi, fermioni, bosoni, electroni, quarkuri, fiecare dintre aceste grupuri și-a asumat succesiv rolul de caramida elementara, indivizibila. Fără îndoială insa, aceasta nu a fost încă descoperita. Ar putea fi o coarda vibranta (vibrating string) intr-un spațiu cu 10 dimensiuni, dar nimeni nu stie.
Cele patru forțe (interactiuni) fundamentale
Nu sunt patru elemente fundamentale din care este compusa materia, ci patru forte fundamentale care guverneaza Universul: gravitatia sau forta gravitationala, forta electromagnetica, forta nucleara slaba si forta nucleara tare.
Prima, care a fost descoperita de către Newton, in secolul XVII, forta gravitationala, este cauza gravitației, reprezinta forta de atractie intre doua corpuri cu masa mare si guvernează mișcarea planetelor, a sistemelor solare, a întregii materii.
A doua, la fel de importanta, pentru ca datorita ei se mențin împreună atomii care compun moleculele corpului nostru și a tot ce ne înconjoară este forța electromagnetică. Maxwell a realizat în secolul al XIX-lea, unificarea electricitatii și magnetismului. Forta electromagnetica este forta care actioneaza in cadrul tuturor proceselor electrice si magnetice; forța care guvernează mișcarea electronilor pe orbite, în jurul nucleelor.
In sfarsit, in secolul XX au fost evidențiate cele doua forțe nucleare:
Forța nucleara slaba a fost descrisă de Enrico Fermi pentru a explica dezintegrarea β. În cazul dezintegrarii radioactive a nucleelor atomice, efectele cele mai cunoscute sunt dezintegrarea beta (emisiile de electroni sau pozitroni de către neutroni în cadrul nucleelor atomice), precum și majoritatea proceselor de radioactivitate.
Forța nucleara tare (forta colorata), forta care leagă împreună protonii și neutronii din nucleul atomilor, si a căror energie considerabilă este eliberată în timpul reacțiilor nucleare, forta care realizeaza mentinerea impreuna a quarkurilor in protoni si in neutroni.
Desi acum sunt patru forte fundamentale, se pare ca in primele momente ale existentei Universului, aceste patru forțe nu erau, probabil, decat una singura. La nivelurile de temperatură și de densitate (deci de energie) atinse atunci, diversele forte / interacțiuni erau imposibil de distins: răcirea globală a Universului le-a individualizat. Cel puțin asta este ceea ce numerosi fizicieni speră să dovedească.
In acest sens, ei au parcurs deja un capăt al drumului: forța electromagnetica și forta nucleară slabă au fost unificate pentru a forma forța electroslaba (ceea ce le-a adus Premiul Nobel în 1979 lui Sheldon Glashow, Abdus Salam și Steven Weinberg), și apropierea forțelor nucleare slabe si tari dispune de o teorie (si chiar de mai multe teorii) unificatoare, fara a fi totusi confirmata prin dovezi solide.
Numai forța gravitaționala, cu un domeniu mai mare de aplicabilitate, dar semnificativ mai slabă în intensitate decât celelalte trei, nu se supune “marii unificari”. Asta nu înseamnă că nu există nici o pista: teoria corzilor și gravitația cuantica sunt două ramuri active ale cercetarii ce vizeaza concomitent să cuprinda, în același timp, cadrul care guverneaza forțele nucleare și electromagnetice – fizica cuantica – și cel care guverneaza gravitatia – relativitatea generala. Dar ele sunt încă foarte speculative.
Unificarea celor patru forte fundamentale la temperaturi foarte ridicate
Astăzi, Universul nostru este guvernat de patru forte diferite, dar s-a a stabilit faptul că forța nucleară slabă și forța electromagnetică sunt două fațete ale aceleiași interacțiuni, forța electroslaba, fațete care nu “se individualizeaza”, devenind autonome, decat la temperaturi de peste 1015 grade Kelvin.
In consecință, obiectivul fizicienilor este de a arăta că cele patru forțe se unifica la temperaturi foarte inalte (forta electroslaba și forta nucleara tare, în jurul temperaturii de 1027 grade Kelvin, gravitatia se alatura celorlalte incepand de la 1032 grade Kelvin).
In primele momente ale existentei Universului, imediat dupa Big Bang, aceste condiții au fost îndeplinite, dar inca nu este clar dacă, într-adevăr, marea unificare poate fi realizata. In special, gravitatia, care este forta cea mai slaba in intensitate, comparativ cu celelalte (deși domeniul său de aplicare, dimpotriva, este foarte important), nu este inca inclusa într-un model coerent, chiar dacă încercările sunt promitatoare.
© CCC
Continuare… De ce sunt incompatibile teoria relativitatii generale si mecanica cuantica