În vara anului 1992, pe terasa cafenelei CERN, laboratorul european de cercetare în fizică de lângă Geneva, trei fizicieni au început o dispută care avea să dureze decenii. În timp ce lumea discuta despre viitorul uriașului accelerator de particule, Large Hadron Collider, sau despre World Wide Web, un proiect recent lansat, Gabriele Veneziano, Lev Okun și Michael Duff dezbăteau o întrebare aparent simplă, dar surprinzător de profundă: câte numere sunt necesare pentru a descrie universul în mod complet?
Urmărește cele mai noi producții video TechRider.ro
- articolul continuă mai jos -
Veneziano, italianul care a contribuit la dezvoltarea teoriei corzilor, propunea că, dacă teoria sa era corectă, natura ar necesita doar două constante fundamentale. Okun, savantul sovietic care a inventat termenul „hadron”, insista că trei constante sunt necesare pentru orice teorie respectabilă. Duff, teoretician britanic implicat în dezvoltarea M-theory, „sora” mai ambițioasă a teoriei corzilor, ironiza ambele poziții și afirma că, pentru el, răspunsul era zero.
Această dispută de la masa de prânz s-a transformat într-un dialog care s-a întins pe decenii și care i-a purtat pe cei trei fizicieni într-o dilemă mult mai adâncă decât și-ar fi închipuit cineva. Până la urmă, a întreba câte numere sunt necesare pentru a defini universul în mod corect înseamnă a întreba care este natura sa adevărată. Iar dezbaterea continuă să provoace confuzii și astăzi, subliniază NewScientist.
Constantele fundamentale
Deschideți orice manual de fizică și veți găsi o mulțime de numere. Multe dintre ele sunt ceea ce fizicienii numesc „constante”, valori specifice introduse în ecuații pentru a obține rezultate utile. Vorbim despre masa unui proton, sarcina unui electron, raza unui atom de hidrogen șamd. Comitetul pentru Date al Consiliului Internațional al Științei, considerat păzitorul constantelor fundamentale, întreține o listă exhaustivă cu sute de astfel de valori. Dar câte sunt cu adevărat indispensabile rămâne o întrebare dificilă.
În jurul momentului disputei de la cafenea, manualele puneau accent pe trei constante datorită importanței lor în fizică. Una dintre ele apare ca termen final în celebra ecuație E = mc² a lui Albert Einstein, care arată cum viteza luminii, o constantă numită c, leagă energia de masă.
Este un pilon al teoriei relativității a lui Einstein, care explică mecanismul cauzalității. Relativitatea specială afirmă că viteza luminii este aceeași pentru toți observatorii, indiferent de mișcarea lor relativă, ceea ce implică că spațiul și timpul nu sunt independente unul de altul. Astfel, c le unește într-o singură țesătură… spațiu-timpul.
Constante care nu doar definesc relații, ci contopesc concepte
Al doilea număr este constanta lui Planck, notată cu h, care realizează un fel de „alchimie”, de data aceasta între energia și frecvența unei unde. Fizica tratează undele și particulele ca descrieri interschimbabile ale aceluiași fenomen, iar h permite trecerea de la una la alta, punând bazele mecanicii cuantice. Se folosește și o constantă înrudită, h-bar, care definește scala la care efectele cuantice intră în joc.
Apoi avem constanta gravitațională a lui Isaac Newton, G, care cuantifică forța de atracție dintre mase și definește înțelegerea noastră asupra gravitației. Ea arată cum obiectele cu masă sunt afectate de curbura spațiu-timpului.
Și aici există un tipar. Aceste constante nu doar definesc relații, ele contopesc concepte. Spațiul devine timp, materia devine energie, undele devin particule. Fizica, în formele sale cele mai bune, este minimalistă și ne lasă cu cele mai esențiale caracteristici ale naturii.
Disputa despre constante a continuat ani de zile
Acesta era parțial spiritul lucrării lui Veneziano din 1986, cea care a aprins scânteia disputei la CERN. Inspirat de teoria corzilor, care descria particulele ca simple vibrații ale unor corzi unidimensionale, el argumenta că nu ai nevoie de toate cele trei constante, c, h și G, pentru a descrie natura. Concepte precum masa și energia ar putea fi reduse la acțiunea corzilor. Astfel, susținea el, există doar două constante esențiale, lungimea acelor corzi și viteza luminii.
Okun nu era de acord. El considera că toate trei constantele, c, h și G, sunt nucleul ireductibil al fizicii, care leagă relativitatea, mecanica cuantică și gravitația. În viziunea sa, aceste constante erau comutatoare conceptuale… mecanica clasică la zero, relativitatea specială activată prin c, mecanica cuantică prin h și gravitația prin G. Pentru Okun, acestea erau mai mult decât numere, erau scheletul pe care se sprijină toate teoriile fizice.
Disputa despre constante a continuat ani de zile. Cei trei se întâlneau frecvent la conferințe și alte evenimente și obișnuiau să revină la această întrebare. Okun a decedat în 2015, dar Duff și Veneziano își amintesc totul ca pe un dezacord jucăuș, aparent lipsit de importanță și totuși profund. Veneziano își amintește cum s-au întâlnit odată pe o pârtie de schi, iar Okun, înainte de a spune „bună”, îl întreba direct: „două sau trei?”
Dacă o constantă poate fi eliminată printr-o redefinire a unităților, ea nu a fost niciodată fundamentală
În 2001, cu disputa încă nerezolvată, cei trei au redactat o lucrare în care își rezumau pozițiile. Dar ce stătea în spatele viziunii lui Duff, conform căreia nicio constantă nu era fundamentală? Pentru el, problema nu era câte constante sunt necesare pentru a descrie universul, ci care dintre ele reprezintă ceva intrinsec real, nu convențional uman. Imaginează-ți o civilizație extraterestră cu propriul limbaj, istorie, cultură și moduri de gândire, dar cu o înțelegere precisă a fizicii. Ce numere ar trebui să folosească inevitabil în ecuațiile lor? Aceasta este perspectiva lui Duff.
Pentru a înțelege mai bine răspunsul său, trebuie să știm că există o linie de demarcație între două tipuri de constante. Unele sunt doar rapoarte de numere. De exemplu, raportul dintre masa unui proton și masa unui electron este o constantă, dar unitățile dispar, rămânând fără dimensiune.
Dar c, h și G nu sunt așa. Ele au unități atașate și se numesc constante dimensionale. De exemplu, c = 299.792.458 metri pe secundă. Problema, spune Duff, este că acest număr există doar pentru că am definit deja ce este un metru și o secundă. Dacă am folosi alte unități, valoarea s-ar schimba.
Duff argumentează că, dacă o constantă poate fi eliminată printr-o redefinire a unităților, ea nu a fost niciodată fundamentală. Mai bine este să folosim măsuri fără dimensiune, care rămân constante. Acestea, admite el, sunt câteva necesare, dar câte exact depinde de teoria aleasă. Modelul standard are până la 25 astfel de parametri fără dimensiune, în funcție de formulare.
Recent, George Matsas, de la Universitatea de Stat São Paulo din Brazilia, a propus un răspuns care ar putea pune punct controverselor: pentru a măsura totul în univers, ai nevoie doar de un singur reper fundamental, un ceas. Timpul poate fi măsurat, iar lungimea și masa pot fi deduse din legile naturii și gravitației. Asta înseamnă că nu ai nevoie de c, h sau G – poți face tot ce trebuie folosind un ceas și o constantă care definește timpul, precum frecvența unui ceas atomic.
Tipul de problemă cu care se confruntă discuțiile filosofice despre fizică
Această abordare minimalistă are însă limitările sale. La nivel cuantic, principiul incertitudinii impune restricții. Un ceas extrem de precis consumă energie și, dacă depășește anumite limite, se poate transforma în… gaură neagră. Astfel, Matsas admite că descoperirea unei teorii complete a gravitației cuantice ar putea modifica această concluzie.
Acesta este exact tipul de problemă cu care se confruntă discuțiile filosofice despre fizică. Cât de multe numere avem nevoie pentru a descrie universul? Răspunsul, în fond, depinde de ceea ce credem despre fundațiile realității.
