În anul 1905 Albert Einstein şi-a susţinut doctoratul la Universitatea din Zurich cu o dizertaţie teoretică asupra dimeniunii moleculelor, publicând de asemenea trei articole ştiinţifice care au avut o mare importanţă pentru dezvoltarea ulterioară a fizicii secolului al–XX-lea. În primul dintre aceste articole, cu titlul "Mişcarea Browniana" a făcut predicţii semnificative asupra mişcării particulelor răspândite aleatoriu într-un fluid. Aceste previziuni au fost confirmate experimental mai târziu. Cea de-a doua lucrare, dedicată efectului fotoelectric, conţinea o ipoteză revoluţionară privitoare la natura luminii. Einstein considera că lumina poate fi privită ca o suma de particule în anumite condiţii şi pe lângă aceasta emitea ipoteza că energia purtată de orice particulă luminoasă, numită foton, este proporţională cu frecventa radiatiei. Formula care exprimă aceasta ipoteză este E=h*frecvenţa radiaţiei, unde E este energia radiaţiei şi h este o constantă universală cunoscută sub denumirea de constanta lui Planck.Ipoteza sa -şi anume că energia conţinută de o undă luminoasă se transferă în unităţi ,sau cuante- contrazicea o tradiţie de 100 de ani care consideră emiterea energiei luminoase ca pe un proces continuu. Aproape nimeni nu a acceptat teoria lui Einstein. În consecinţă, fizicianul american Robert Andrews Millikan care a confirmat experimental teoria un deceniu mai târziu a fost el însuşi descumpănit de rezultat. Albert Einstein, a cărui principală preocupare era să înţeleagă natura radiaţiei electromagnetice, a grăbit ulterior dezvoltarea unei teorii care să reflecte dualismul particulă-undă al luminii. Din nou foarte puţini fizicieni înţelegeau sau erau de acord cu ideile sale.
II.1. Teoria specială a relativităţii
Teoria specială a relativităţii prima lucrare importantă publicată de Einstein în 1905 “Asupra electrodinamicii corpurilor în mişcare",conţinea ceea ce avea să fie cunoscută mai târziu ca teoria relativităţii,această lege ne-a dat formula E = m*c(c la puterea 2), care a condus la fabricarea bombei atomice şi a dezlegat misterul stelelor.Încă de la Newton,filosofii naturali (denumirea sub care erau cunoscuţi fizicienii şi chimiştii) încercaseră să înţeleagă natura materiei şi a radiaţiei,precum si felul în care interacţionau într-o imagine unificată a lumii. Ideea că legile mecanicii sunt fundamentale era cunoscută drept concepţia mecanicistă asupra lumii,în timp ce ideea că legile electricităţii sunt fundamentale era cunoscută drept concepţia electromagnetică asupra lumii.Totuşi,nici una dintre idei nu era capabilă să ofere o explicaţie coerentă asupra felului cum radiaţia (de exemplu lumina) şi materia interacţionează atunci când sunt vazute din sisteme de referinţă inerţiale diferite,adică interacţiile sunt urmărite simultan de un observator în repaus şi un observator care se mişcă cu o viteza constantă.
În primăvara anului 1905, după ce a reflectat la aceste probleme timp de 10 ani, Einstein şi-a dat seama că esenţa problemei consta nu intr-o teorie a materiei, ci intr-o teorie a masurarii.Esenţa acestei teorii speciale a relativităţii era constatarea că toate masurătorile timpului şi spaţiului depind de judecăţi asupra simultaneităţii a două evenimente diferite.Aceasta l-a condus la dezvoltarea unei teorii bazate pe două postulate: principiul relativităţii, care afirmă ca legile fizicii sunt aceleaşi în toate sistemele de referinţă inerţiale, şi principiul invariabilităţii vitezei luminii, care arată că viteza luminii în vid este o constantă universală. Prin aceasta a fost capabil sa ofere o descriere consistentă şi corectă a evenimentelor fizice din diverse sisteme de referinţă inerţiale fără a face presupuneri speciale cu privire la natura materiei sau a radiaţiei, sau a felului cum ele interacţionează. Aproape nimeni nu a înţeles demonstraţia lui Einstein.
Consecințe
Albert Einstein a spus că toate consecințele relativității restrânse pot fi derivate din examinarea transformărilor Lorentz. Aceste transformări, și deci teoria relativității restrânse, a condus la predicții fizice diferite de cele date de mecanica newtoniană atunci când vitezele relative se apropie de viteza luminii. Viteza luminii este atât de mult mai mare decât orice viteză întâlnită de oameni încât unele efecte ale relativității sunt la început contraintuitive:
1.Dilatarea temporală — timpul scurs între două evenimente nu este invariant de la un observator la altul, dar el depinde de mișcarea relativă a sistemelor de referință ale observatorilor (ca în paradoxul gemenilor care implică plecarea unui frate geamăn cu o navă spațială care se deplasează la viteză aproape de cea a luminii și faptul că la întoarcere constată că fratele său geamăn a îmbătrânit mai mult).
2.Relativitatea simultaneității — două evenimente ce au loc în două locații diferite, care au loc simultan pentru un observator, ar putea apărea ca având loc la momente diferite pentru un alt observator (lipsa simultaneității absolute).
3.Contracția Lorentz — dimensiunile (de exemplu lungimea) unui obiect măsurate de un observator pot fi mai mici decât rezultatele acelorași măsurători efectuate de un alt observator (de exemplu, paradoxul scării implică o scară lungă care se deplasează cu viteză apropiată de cea a luminii și ținută într-un garaj mai mic).
4.Compunerea vitezelor — vitezele nu se adună pur și simplu, de exemplu dacă o rachetă se mișcă la ⅔ din viteza luminii pentru un observator, și din ea pleacă o altă rachetă la ⅔ din viteza luminii relativ la racheta inițială, a doua rachetă nu depășește viteza luminii în raport cu observatorul. (În acest exemplu, observatorul vede racheta a doua ca deplasându-se cu 12/13 din viteza luminii.)
5.Inerția și impulsul — când viteza unui obiect se apropie de cea a luminii din punctul de vedere al unui observator, masa obiectului pare să crească făcând astfel mai dificilă accelerarea sa în sistemul de referință al observatorului.
6.Echivalența masei și energiei, E =mc2—Energia înmagazinată de un obiect în repaus cu masa m este egală cu mc^{{2}}. Conservarea energiei implică faptul că în orice reacție, o scădere a sumei maselor particulelor trebuie să fie însoțită de o creștere a energiilor cinetice ale particulelor după reacție. Similar, masa unui obiect poate fi mărită prin absorbția de către acesta de energie cinetică.
II.2. Teoria generală a relativităţii
Teoria relativității generale sau relativitatea generală este teoria geometrică a gravitației, publicată de Albert Einstein în 1916. Ea constituie descrierea gravitației în fizica modernă, unifică teoria relativității restrânse cu legea gravitației universale a lui Newton, și descrie gravitația ca o proprietate a geometriei spațiului și timpului (spațiu-timp). În particular, curbura spațiu-timp este legată direct de masa-energia și impulsul materiei, respectiv a radiației. Relația fundamentală a teoriei relativității generale este dată de ecuațiile de câmp ale lui Einstein, un sistem de ecuații cu derivate parțiale. Predicțiile relativității generale diferă semnificativ de cele ale fizicii clasice, mai ales în ce privește structura mărimilor fizice: timpul, metrica spațiului fizic real, energia, dar și asupra teoriei propagării luminii în spațiul fizic. Exemple de astfel de diferențe sunt dilatarea temporală gravitațională, deplasarea spre roșu gravitațională a luminii, și întârzierea gravitațională. Previziunile relativității generale au fost confirmate de observațiile empirice efectuate în toate domeniile științelor experimentale. Deși relativitatea generală nu este singura teorie relativistă a gravitației, ea reprezintă cea mai simplă teorie în acord cu datele experimentale. Totuși, teoria nu oferă răspuns la câteva dileme teoretice, cea mai fundamentală dintre acestea fiind modalitatea în care se poate unifica teoria gravitației generale cu legile mecanicii cuantice, care să conducă la o teorie completă și consistentă cu ea însăși a gravitației cuantice.
Teoria lui Einstein are implicații astrofizice importante. Din ea decurge posibilitatea existenței găurilor negre — regiuni ale Universului în care spațiul și timpul sunt distorsionate întro măsură atât de pronunțată, încât nimic, nici măcar lumina, nu mai pot emerge de acolo — ca stare finală a evoluției stelelor masive. Există indicii că astfel de găuri negre stelare, precum și alte tipuri mai masive de găuri negre, sunt răspunzătoare pentru radiațiile intense emise de unele tipuri de obiecte astronomice, cum ar fi nucleele galactice active sau microquasarii. Curbura traiectoriei luminii sub efectul gravitației poate conduce la apariția de lentile gravitaționale, prin care se văd pe cer mai multe imagini ale aceluiași obiect astronomic. Relativitatea generală prezice existența undelor gravitaționale, care au fost măsurate indirect. O măsurare directă a acestora este scopul mai multor proiecte, între care și LIGO. În plus, relativitatea generală stă la baza modelelor cosmologice actuale ale unui univers în expansiune.
II.3. Teoria întregului şi Teoria câmpului unificat
Teoria întregului sau "o teorie a tuturor lucrurilor" este una dintre cele mai mari teorii ale lui Albert Einstein care urma să iasă la lumină şi nu a fost niciodata definitivată. Realizarea de căpătâi a lui Einstein avea să fie teoria câmpului unificat, o încercare de a „a intra în mintea lui Dumnezeu”. Încă din timpul vieţii marelui geniu, comunitatea ştiinţifică împărtăşeşte credinţa că forţele fundamentale, observabile în natură, au existat în primele momente ale Universului sub forma uneia singure, din care au evoluat, treptat, celelalte. Această teorie ambiţioasă, care a rămas, de peste o jumătate de secol, la stadiul de deziderat, ar vrea să explice cum cele patru forţe fundamentale pot fi exprimate că manifestări diferite ale aceluiaşi fenomen. James Maxwell este cel care a făcut primul pas în sensul acestei unificări, descoperind formule matematice care indicau că electricitatea şi magnetismul sunt faţete - aparent diferite - ale unui singur fenomen. La un secol după acel moment, s-a dovedit şi că forţa electromagnetică şi cea nucleară slabă sunt, la rândul lor, forme diferite ale aceleiaşi manifestări mai complexe.
Câte forţe guvernează Universul?
Din nefericire - sau, cine ştie? poate spre binele umanităţii - cea de-a treia încercare a lui Einstein a eşuat. El şi-a petrecut ultimii 30 de ani din viaţă pe urmele unei ecuaţii, probabil nu mai lungă de câţiva centimetri, ce trebuia să explice TOATE fenomenele fizice. Totul, de la Creaţie, la supernove, la atomi şi molecule, poate chiar ADN-ul, oamenii şi dragostea ar fi urmat să fie explicate de această ecuaţie. Dacă ar fi fost descoperită, ar fi reprezentat realizarea supremă a peste 2.000 de ani de investigaţii asupra naturii spaţiului, încă din vremurile când grecii se întrebau deja care este cea mai mică particulă şi cea mai mică unitate spaţială. Deşi există multe întrebări rămase fără răspuns, astăzi, cea mai importantă şi, până la urmă, singura candidată pentru poziţia de Teorie a Întregului este teoria superstringurilor, definită în hiperspaţiu decadimensional (în 10 dimensiuni). Această teorie ar putea oferi, într-o zi, răspuns unora dintre cele mai profunde întrebări despre Univers, ca de exemplu:
- Ce s-a întâmplat înainte de Big Bang?
- Este posibilă construirea Maşinii Timpului?
- Putem găuri spaţiul?
Puterea acestei teorii nu numai că a cutremurat întreaga lume a Matematicii şi pe cea a Fizicii, dar este şi cea mai nebunească teorie propusă vreodată. Astăzi, cunoaştem că întregul nostru univers este guvernat de patru forţe fundamentale:
- forţa gravitaţională, care ne împiedică să "cădem" de pe planetă în spaţiul cosmic şi care previne explozia stelelor, gigantice bombe cu hidrogen, impunându-le să facă implozie la sfârşitul vieţii;
- forţa electromagnetică, responsabilă de transmiterea luminii şi a celorlalte forme de radiaţie din spectrul electromagnetic; permite iluminarea oraşelor noastre şi alimentarea laserelor şi a computerelor de care ne folosim;
- forţa nucleară slabă, responsabilă pentru fenomenul de dezintegrare radioactivă, o forţă resimţita atunci când două particule elementare se află în contact sau la distanţă foarte mică una de cealaltă;
- forţa nucleară tare, cea mai puternică dintre cele patru, care ţine laolaltă, în nucleul atomic, protonii, neutronii şi alte particule subatomice.
Gravitaţia poate fi descrisă prin teoria generală a relativităţii a lui Einstein. Materia curbează spaţiul din jurul ei, creând, în acest fel "forţa" gravitaţională. Să ne imaginăm o furnică ce merge pe o bucată de hârtie mototolită. Insecta ar putea crede că există o "forţă" misterioasă care o trage când spre stânga, când spre dreapta. Dar noi ştim că acolo nu acţionează nicio forţă de natură să tragă furnica: este numai o bucată de hârtie mototolită care o împinge dintr-o parte în cealaltă. Nu este gravitaţia cea care atrage, ci spaţiul gol cel care împinge. Celelalte trei forţe pot fi descrise de mecanica cuantică, a cărei istorie este una tumultoasă. Prin anii 50 ai secolului trecut, atunci când primele semene ale particulelor "fundamentale" erau lansate din acceleratoarele de particule ale vremii, J. Robert Oppenheimer (părintele bombei atomice) era atât de exasperat de amploarea cercetărilor din domeniu, încât avea să declare că "Premiul Nobel pentru Fizică din acest an va fi câştigat de fizicianul care NU va fi descoperit o noua particulă." Atât de multe particule "esenţiale" au fost descoperite în acea vreme, fiecare purtând ciudate nume greceşti, încât şi Enrico Fermi (descoperitorul fisiunii nucleare) mărturisea, ironic: "Dacă aş fi ştiut că există atât de multe particule, m-aş fi făcut botanist şi nu fizician." Dar, după ani de încercări sterile şi după cheltuirea a miliarde de dolari, fizicienii au unificat cele trei forţe cuantice în ceea ce poartă astăzi 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, în principiu, să fie descrise prin aceste două mari teorii, relativitatea şi mecanica cuantică. Totuşi, deşi ele reprezintă cei doi piloni pe care toată cunoaşterea fizică se sprijină, diferă una de cealaltă în aproape toate aspectele, iar motivul pentru care acest lucru se întâmplă este un mister. Prima teorie se bazează pe curbarea suprafeţelor line, ceea ce vizează lumea la scară uriaşa. A două este fundamentată pe mici "pachete" discrete de energie, numite cuante, şi explică lumea la scară infimă, lumea atomică.
Din nefericire, orice încercare de a îmbina cele două mari reguli a eşuat. Unele dintre cele mai luminate minţi ale secolului au orbitat în jurul acestei probleme, doar pentru a da greş. Fizicianul Freeman Dayson a spus că drumul către teoria câmpului unificat este "pavat cu cadavre". Niels Bohr (cercetător care a adus contribuţii esenţiale la cunoaşterea structurii atomului) a participat, la un moment dat, la o întâlnire în cadrul căreia laureatul Nobel Wolfgang Pauli îşi prezenta propria versiune a teoriei câmpului unificat. Atunci, Bohr s-a ridicat şi a spus: "Domnule Pauli, noi, cei din spate, suntem cu toţii de acord că teoria dumneavoastră este nebunească. Dar nu reuşim să cădem de acord dacă este suficient de nebunească pentru a avea vreo şansă să fie corectă". Ne confruntăm, probabil, cu cea mai mare provocare a tuturor timpurilor, unirea tuturor celor patru forţe fundamentale într-o imagine de ansamblu consistentă şi coerentă. În prezent, singurul candidat viabil pentru a ocupa poziţia de teorie a întregului este teoria superstringurilor.
Teoria superstringurilor combină relativitatea şi mecanica cuantică într-un mod elegant şi intuitiv. În primul rând, descrie milioanele de particule cuantice ale naturii ca reprezentând, fiecare, o "notă" pe o coardă (string) vibrantă. Este suficient să ne gândim la corzile unei viori. Nimeni nu susţine că A sau B ar fi mai importante decât C. Ceea ce contează este coarda în sine. Conform teoriei superstringurilor, dacă am avea un supermicroscop şi ne-am uita la un electron, am putea vedea o coardă ce vibrează într-un anumit fel. Coarda este extrem de mică (10-33 centimetri), aşa încât electronul pare doar ca un punct pentru noi. Dacă agităm coardă, astfel încât să vibreze întrun mod diferit, atunci electronul s-ar putea transforma în altceva, că de exemplu un quark, elementul fundamental al protonilor şi neutronilor. O mai agităm o data şi coarda ar putea vibra în modul caracteristic fotonilor (quante de lumină). Încă o scuturare poate o va transforma într-un graviton (quanta gravităţii).
În fapt, setul colectiv de vibraţii corespunde întregului spectru de particule cunoscute. În loc să se postuleze milioane de particule diferite, este suficientă postularea unui singur obiect, şi anume superstringul. Particulele sub-atomice sunt note pe "supercoardă". Trupurile noastre însele sunt simfonii de stringuri, iar legile fizicii sunt legile armoniei superstringului. Teoria superstringurilor poate explică chiar şi gravitaţia. Atunci când supercoarda se mişcă prin spaţiu şi timp, fragmentându-se şi reunindu-se în alte stringuri, forţează continuumul spaţiu-timp din jurul sau să se curbeze, întocmai cum aveau să prezică ecuaţiile lui Einstein. Cu alte cuvinte, chiar dacă Einstein nu ar fi visat măcar la teoria relativităţii, am fi putut-o descoperi prin recenta premisă a superstringurilor.
Desigur, această teorie are şi detractori. Mulţi evidenţiază faptul că ea susţine ideea conform căreia Universul este definit printr-un hiperspaţiu format din 10 dimensiuni, ceea ce sună mai degrabă ştiinţifico-fantastic decât fizic. Faptul că Universul pe care noi îl conştientizam există în patru dimensiuni (trei spaţiale şi una temporală ) este indiscutabil. Orice obiect din Univers, de la vârful nasului oricăruia dintre noi până la cea mai îndepărtată stea, poate fi localizat prin numai trei coordonate: lungime, lăţime şi înălţime. De asemenea, dacă ar fi să facem şi o încadrare temporală, atunci putem descrie orice eveniment din Univers în numai patru rubrici de numere. Totuşi, teoria superstringurilor descrie Universul în 10 dimensiuni şi nu în patru. Pentru a explica unde sunt celelalte 6 dimensiuni nepercepute, fizicienii spun că numai la origini Universul a fost decadimensional. În momentul consumării Big Bang-ului, din raţiuni pe care nu le putem înţelege, şase dimensiuni au colapsat, în timp ce restul de patru s-au extins. Într-un fel, Universul nostru, cel cunoscut, s-a expandat în detrimentul unui univers geamăn, redus la dimensiuni microscopice.
Alţi critici ai teoriei superstringurilor susţin că un accelerator de particule suficient de puternic încât să o testeze şi să o confirme ar trebui să fie de dimensiunea galaxiei. Dar, în cea mai mare măsură ştiinţa se face şi se deduce în mod indirect, nu direct. Nimeni nu a fost vreodată pe Soare şi nici nu a văzut o gaură neagră, şi totuşi ştim din ce este făcut cel dintâi şi am descoperit 20 dintre cele din urmă. În mod similar, am putea fi capabili să detectăm ecouri ale celei de-a zecea dimensiuni cu ajutorul lui Large Hadron Collider. Există şi unele păreri cum că problema va fi rezolvată pur matematic. Odată ce teoria va fi completată, ar trebui să reflecte nu doar originea Universului, dar sa si incadreze perfect în peisaj masele de quarci, leptoni, particule Higgs şi altele.
Deşi teoria cuantică are aplicaţii practice imediate, există şi o ramură fizică a acestei regiuni devotată unei aplicaţii mai degrabă fantastice: călătoriile temporale. În mod surprinzător, ecuaţiile lui Einstein admit posibilitatea acestui gen de mişcare prin timp. Dar ar putea fi nevoie de întreaga putere a teoriei câmpului unificat pentru a calcula dacă acest lucru este, într-adevăr, posibil sau nu. În 1949, colegul de la Institutul de Studii Avansate al lui Einstein, marele matematician Kurt Goedel, a demonstrat că propriile ecuaţii ale lui Einstein permiteau călătoria în timp. Dacă Universul s-ar roti, iar un individ s-ar roti în jurul Universului, el ar putea să ajungă înapoi înainte de momentul plecării sale. Totuşi, în memoriile lui, Einstein a menţionat că soluţia lui Goedel ar putea fi uşor demontată pe temeiuri fizice. Universul nostru se extinde, nu se învârte. Dar această menţiune nu face, la urma urmei, decât să confirme că, dacă Universul nostru într-adevăr s-ar roti, călătoriile temporale ar fi un fenomen comun. De atunci, au fost descoperite în ecuaţiile lui Einstein sute de soluţii referitoare la acest fel de activitate. Între ele se număra:
- un cilindru rotitor infinit, care ar permite călătoria în timp dacă cineva ar putea călători în jurul cilindrului;
- corzile cosmice, care ar permite călătoria temporală dacă s-ar ciocni între ele;
- o gaură neagră învârtindu-se, care ar deveni un inel rotitor, astfel încât oricine ar trece prin el să cadă printr-o gaură de vierme (podul Einstein-Rosen), care ar conecta două regiuni diferite ale spaţiului şi timpului;
- materia negativă,care găsită în cantitate suficientă,ar putea deschide o gaură de vierme suficient de mare încât o excursie înapoi în timp să nu presupună complicaţii mai mari decât zborul cu un avion; - energia negativă, care, în mod similar materiei de acelaşi fel, într-o concentraţie mare, ar deschide o gaură de vierme. O versiune a "vitezei warp" s-ar putea obţine dacă cineva ar putea lărgi spaţiul dinaintea sa şi l-ar comprima pe cel din spate prin acest tip de energie.
O teorie a întregului, a tuturor lucrurilor, ar putea susţine şi explica paradoxurile întâlnite în poveştile despre călătorii în timp: ce se întâmplă atunci când îţi ucizi un strămoş înainte că tu să te fi născut? Pentru că, teoretic şi logic, dacă cineva ar putea face acest lucru, ar însemna că el nu se va mai fi născut şi nu ar avea, deci, cum să comită crima. Este posibil că Universul să se rupă pur şi simplu în două atunci când cineva modifică trecutul. "Râul timpului" se bifurca în două cursuri diferite. Dacă cineva s-ar întoarce în timp şi l-ar salva pe preşedintele Kennedy de la asasinare, spre exemplu, atunci îl va fi salvat pe preşedintele Kennedy al altcuiva, deoarece propriul sau trecut nu poate fi schimbat; în lumea din care vine, Kennedy va fi în continuare mort. Dar nu e cazul să ne facem prea multe procese de conştiinţă pe marginea problemei, deoarece nu va inventa nimeni foarte curând maşina timpului. Materia negativă nu a fost văzută niciodată (ea cade în sus, nu în jos) şi este nevoie de o cantitate fantastică de energie atât pozitivă, cât şi negativă, denumită energia Planck (de miliarde de ori mai mare decât energia LHC-ului) pentru a înfăptui teoriile.Şi, chiar dacă am dispune de energia necesară unei călătorii în timp, tot nu am avea de unde să ştim dacă maşinăria creată ne-ar putea transporta în siguranţă înainte şi înapoi prin vremuri.
În prezent, teoria superstringurilor a evoluat de la stadiul de teorie de nişă a Fizicii la statutul de arie dominantă de cercetare,generatoare de zeci de mii de lucrări scrise.Edward Witten, de la Institutul de Studii Avansate, unul dintre principalii cercetători ai teoriei stringurilor, a făcut recent o altă descoperire, conform căreia ar putea exista şi o a 11-a dimensiune ascunsă. Dar astăzi probabil că nimeni nu are capacitatea de a stabili implacabil şi definitiv teoria şi de a formula răspunsuri - sau măcar întrebări corecte -referitor atât la ceea ce a fost înainte de Big Bang, cât şi la chestiunea călătoriei temporale - dacă este un fenomen măcar posibil, nu neapărat la îndemâna omului.