Când oamenii nu citesc atent ce scriu alți oameni ajung la alte concluzii. Eu am scris: Max Planck l-a ajutat mai târziu pe Einstein să calculeze orbitele și la modelul matematic la teoria relativității, care are la bază și contribuția lui Planck la fizica cuantică, anume că lumina se propagă in cuante de energie"
Tu spui, chiar și in ultima replică către Empyro:
Și ii dai inainte cu Mecanica cuantică vs Relativitate, deși eu nu m-am legat de acest aspect in mod explicit.
Pentru că tot insiști inducând o necunoaștere a mea in Mecanica cuantică vs Relativitate, am timp și incerc acum să-ți dau un răspuns explicit, mai specific, și nu pe fugă ca in comentarii unde notorietatea era tema centrală.
În polemica ta față de mine ai fost intr-o eroare de temporalitate, de tipul "cine a fost intâi oul sau găina?" și "ce legătură e intre ele?" atunci când ai judecat spusele mele.
Răspunsul meu pe scurt:
A) Cine a fost prima? Mecanica cuantică sau Relativitate?
Einstein a elaborat Teoria Relativității in 1905, respectiv 1915-16, cu mult inaintea Mecanicii cuantice cum voi arăta mai jos. E logic că eu nu vorbeam de mecanica cuantică la care te referi tu, că nu exista in forma ei completă pe care să o compari cu Relativitatea, ci eu vorbeam de cuantele de energie (fotoni) care alcătuiesc lumina in teoria lui Planck (E=hv), exact cum am și scris. În fond am vrut să evidențiez rolul și ajutorul lui Planck la notorietatea lui Einstein până in 1919, că ăsta era subiectul controversei.
B) Sunt incompatibile? Este "in esenta era o idee gresita... mecanica cuantica ar avea de-a face cu relativitatea la nivel de teorie", așa cum spui?
Încă din anii 1920 au existat incercări de unificare a Teoriei Relativității cu Mecanica cuantică, atât din parte creatorului Relativității (Einstein), cât și din partea părinților Mecanicii cuantice (Schrödinger și Heisenberg). Vom vedea mai jos.
Acum să le detaliem un pic pe rând.
A) Cine a fost prima? Să vedem cine sunt părinții recunoscuți ai Mecanicii cuantice, când au trăit ei și când au bătut-o in cuie?
1) Erwin Schrödinger (1887" 1961), fizician austriac, laureat al premiului Nobel pentru fizică in 1933, este unul din părinții fizicii cuantice. In 1927, l-a succedat pe Max Planck la Universitatea Friedrich Wilhelm din Berlin... Schrödinger a fost profesor de fizică teoretică la Berlin, Graz și Dublin și este fondatorul mecanicii ondulatorii, a cărei ecuație fundamentală ii poartă numele. In plus, el a fost autorul a numeroase lucrări in mecanica statistica si termodinamica, fizica dielectricilor, teoria culorilor, electrodinamicii, teoria relativității generale, cosmologie și a făcut mai multe incercări de a construi o teorie unificată.
Ca urmare a muncii sale la Mecanica cuantice, Schroedinger a dedicat un efort considerabil pentru o teorie unificată, care ar uni gravitația, electromagnetismul și forțele nucleare in cadrul de bază al Relativității generale, făcând asta in corespondență cu Albert Einstein. În 1947, el a anunțat un rezultat, "Affine Field Theory" intr-o conferință la Irish Royal Academy, dar a fost criticat de Einstein considerând că nu a reușit să conducă la teoria unificată dorită. În urma eșecului tentativei sale de unificare, Schroedinger a renuntat și a abordat alte teme.
Sper că s-au reținut anii și că s-a incercat unificarea Mecanica cuantică - Relativitate!
2) Werner Heisenberg (1901-1976), fizician german, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică in anul 1932 "for the creation of quantum mechanics", a fost alt fondator al Mecanicii cuantice. A propus formularea matricială a mecanicii cuantice in 1925. Celebrul "Principiu al incertitudinii", descoperit in 1927, precizează că determinarea poziției și vitezei unei particule conține erori, produsul acestora fiind o constantă știută. Împreună cu Bohr, formulează "Interpretarea Mecanicii Cuantice". A formulat modelul structurii protono-neutronice a nucleului atomic. În 1932 a primit Premiul Nobel de Fizică "pentru crearea mecanicii cuantice, a cărei aplicație a dus la descoperirea formelor izotopice ale hidrogenului". Heisenberg s-a aflat mai apoi in fruntea programului pentru energie nucleară a Germaniei Naziste...
La fel, sper că s-au reținut anii și că a fost pionier in Mecanica cuantică.
Atunci despre ce vorbim? Am scris eu undeva despre ei? Einstein a elaborat teoria relativității in 1905, respectiv 1915-16, cu mult inainte de a deveni cei doi, părinții Mecanicii cuantice.
B) Sunt incompatibile? Acum, hai să lămurim acum și chestiunea Relativitate vs Mecanică cuantică!
Da, momentan, teoria relativității și mecanica cuantică nu pot coexista, dar numai pentru că incă nu știm noi cum să le facem să coexiste unitar, nu că ar fi o tâmpenie! Asta nu inseamnă că așa va fi și peste 50, 100 de ani. Mai sus ai văzut că s-a incercat unificarea lor. Ce, Einstein și Schrödinger erau tâmpiți, dacă așa ceva este o prostie așa cum susți tu? Nu, nu erau! În ciuda progreselor făcute in incercarea de a ințelege Universul (bosonul Higgs, de exemplu), incă mai există câteva goluri in cunoștințe noastre. De asta marea teorie unificată sau teoria totului la care au visat mulți, inclusiv Einstein, a rămas incă un vis, insă realizabil. E ca și cum ai fi vrut să faci bomba atomică in evul mediu. Ea "exista", nu era o utopie, insă mijloacele științifice și tehnice nu erau la nivelul ei. Ea s-a făcut din materiale existente pe Pământ de la geneză, nu din altă galaxie, și a fost gândită de oameni, nu de marțieni.
De ce pare teoria generală a relativității a lui Einstein să fie in contradicție cu mecanica cuantică? De ce se vrea unificare? Sunt intrebări vechi, dar foarte actuale. Sunt căutări, formulări reale și nu aberații pe chestii decretate irefutabil incompatibile.
Ia să vedem mai in amănunt. Se șÅ¥ie că, in principiu, legile fizicii se pot incadra in una din cele două categorii:
-
Mecanica cuantică, cu ajutorul căreia s-a elaborat modelul standard, ce include toate particulele fundamentale pe care le-am detectat până acum și trei din cele patru interacțiuni: electromagnetismul, forța nucleară slabă și forța nucleară tare.
-
Teoria relativității generale a lui Einstein, care prezintă a patra forță, gravitația, și ne oferă găuri negre, expansiunea Universului și posibilitatea călătoriei in timp etc.
Întrebarea care s-a tot pus a fost: pot acestea coexista pașnic cele două categorii?
Cu toții am invățat că teoria relativității generale a lui Einstein(1916) nu poate fi aplicată in Mecanica cuantică (după 1920), insă au fost și sunt eforturi de a le oferi o platformă teoretică unitară de coexistență. (Deci, teoria relativitității nu poate fi aplicată in mecanica cuantică, nu invers cum susți tu că am zis eu, pentru că mai intâi a apărut teoria relativității și apoi mecanica cuantică! Am arătat mai sus. E doar chestie de cauzalitate in discurs, fără relevanță in vreo demonstrație)
Unde anume incetează să mai funcționeze și de ce?
Răspunsul e simplu, pentru că noi nu știm exact, incă, in ce fel și cum mecanica cuantică și relativitatea generală vor fi combinate intr-o teorie a "gravitației cuantice", deși există câteva idei bune și teorii. Există un motiv real pentru care avem nevoie de o teorie a gravitației cuantice.
Dar să continui expunerea. Cele două domenii, Mecanica cuantică și Relativitatea funcționează de obicei in sisteme diferite.
a) Mecanica cuantică, de exemplu, a fost necunoscută in știință pentru foarte mult timp pentru că ea se aplică de obicei doar la scară atomică.
b) Relativitatea, pe de altă parte, pare a fi importantă in câmpurile gravitaționale puternice. Timpul, de exemplu, este incetinit in apropierea suprafeței Pământului, spre deosebire de locuri aflate la distanțe foarte mari. Lumina este curbată in jurul roiurilor de galaxii. Aceste efecte pot fi in mare măsură ignorate dacă nu vorbim despre suprafețele unor obiecte de tipul stelelor neutronice. Cu alte cuvinte, relativitatea generală se aplică de obicei pentru obiectele de mari dimensiuni, de la stele la intregul univers. Pe distanțe mici spațiul poate fi considerat plan și omogen. Câți din noi au percepția că pe Pământ ne deplasăn pe o sferă și nu pe un plan? Nimeni! Doar dacă privești din spațiu. Toți avem senzația ca stăm in picioare cu capul in sus, dar funcție de poziția pe Pământ față de un reper din spațiu, stăm și cu el in jos, ca liliecii, fixați cu picioarele de Pământ prin gravitație. 
Nota Bene: Există câteva locuri din spațiu-timp in care relativitatea generală și mecanica cuantică pot fi puse in aplicare in același timp: Găurile negre!
"Black holes" tind să fie laboratoare astrofizice, in special pentru că sunt de mici dimensiuni și au câmpuri gravitaționale foarte puternice. Într-adevăr, primele tentative de a combina cu succes efectele gravitaționale cu cele cuantice au avut loc la marginile unei găuri negre, rezultând celebra radiație Hawking, care in final (in cvadrilioane de ani) va evapora până și cele mai mari găuri negre și va determina inevitabil moartea termică a Universului. Fatalism, nu?
În afara marginilor unei găuri negre totul este in regulă, dar cu cât ne apropiem din ce in ce mai mult de centrul unei găuri negre avem cunoștințe din ce in ce mai puține privind funcționarea fizicii. În articolul de pe prima pagină am vorbit fugitiv de gaura neagră.
Am scris acolo:
Concret, odată ce trimiți un obiect (sau lumina) dincolo de "orizontul evenimentelor" ("Event Horizon" in poza de mai jos), acesta nu va mai putea evada niciodată și va fi atras implacabil spre interior. Consecința acestui lucru este că intr-o lume unde gravitația este singura și cea mai importantă forță, intr-o gaură neagră, orice ai "arunca" va ajunge in cele din urmă restrâns intr-un punct precis, așa-numita "Singularitate". "Singularitatea gravitațională" este un punct cu un volum ce tinde spre zero și o masă ce tinde spre infinit. Altfel spus, este un punct de concentrație infinită și cu o forță gravitațională imensă. Se presupune că găurile negre ar avea in centrul lor o singularitate gravitațională, atrăgând prin gravitație absolut tot ce se află imprejur, inclusiv lumina. În astfel de puncte legile fizicii newtoniene nu mai au aplicație.În momentul marii explozii (Big Bang) intâlnim aceeași problemă: densitate foarte mare (deci gravitație f. puternică), in prima clipă, restrânsă intr-un spațiu foarte mic infinitezimal de mic. Omul nu a văzut până acum in mod direct o așa-numită "singularitate goală" și nu cred că nu o va vedea niciodată din cauza forțelor gravitaționale imense, ceea ce reduce perspectiva ințelegerii complete a găurilor negre.
Conform Relativității generale, nucleele găurilor negre au raza egală cu zero, deci densitate infinită pentru că d=masa/volum, dar conform Mecanicii cuantice lucrurile sunt complet diferite. Am spus, in Mecanica cuantică există din 1927 un "principiu al incertitudinii" (Heisenberg) care spune, printre multe alte lucruri, că nu poți determina niciodată poziția exactă a unui obiect. Până și obiectele pe care le numim "particule" nu pot fi absolut de mici. Potrivit mecanicii cuantice, indiferent de cât am incerca să comprimăm o masă de dimensiunea Soarelui, de exemplu, nu poate fi restrânsă niciodată intr-o zonă mai mică de aproximativ 10¾â·Â³ m.
Să vedem acum teoriile "clasică" vs "cuantică".
Relativitatea generală este cunoscută ca fiind o teorie din "câmpul clasic", care descrie Universul ca o distribuție continuă de numere, numere exacte.
Am exemplificat și in articol:
Asta inseamnă că dacă ai avea instrumente precise pentru a măsura, iți poate spune totul despre curbura spațiu-timpului oriunde și oricând. Curbura, la rândul ei, e caracterizată complet și exact de distribuția și mișcarea materiei și energiei. John Wheeler a spus in renumitul citat ca o butadă: "Materia ii spune spațiu-timpului cum să se curbeze, iar spațiu-timpul ii spune materiei cum să se miște".
Teoriile cuantice, insă, sunt diferite. Particulele interacționează prin trimiterea de particule intre ele. Electricitatea, de exemplu, trimite fotoni intre particulele incărcate, forța tare folosește gluoni, și forța slabă folosește bosonii W și Z. Nu detaliez. Foarte pe scurt, pun niste imagini pe care le-am considerat sugestive pt un ințeles ușor:
-
Gluonul este o particulă elementară care intermediază interacțiile tari dintre quarkuri. Are masa de repaus nulă, spinul 1 și este neutră din punct de vedere electric. Gluonul are sarcină de culoare, ceea ce inseamnă că fiecare gluon generează gluoni secundari. În termeni simpli, ei lipesc quarcii impreună, formând protoni și neutroni. Spre deosebire de foton, care mediază interacțiunea electromagnetică, dar nu are o sarcină electrică.
-
Bosonii sunt particule elementare care au spinul intreg și satisfac statistica Bose-Einstein. Au fost denumiți după fizicianul indian Satyendra Nath Bose. Bosonii sunt responsabili de interacțiunea nucleară slabă, numită și interacțiunea slabă, care la rândul ei este responsabilă pentru radioactivitate și care acționează asupra tuturor particulelor de materie cu spin 1/2 (de exemplu: protonii sau neutronii), dar nu acționează asupra particulelor cu spin 0, 1 sau 2 (cum sunt fotonii sau gravitonii). Interacțiunea slabă nu a fost ințeleasă bine până in 1967, când Abdus Salam de la Imperial College, Londra, și Steven Weinberg de la Harvard au propus teorii care unificau această interacțiune cu forța electromagnetică, la fel cum Maxwell a unificat electricitatea cu magnetismul, cu 100 de ani inaintea lor.
Nu este necesar să intrăm intr-o gaură neagră pentru a vedea conflictul dintre teoriile "clasice" și "cuantice". Există celebrul "experiment al celor două fante". Acesta implică o configurație simplă care trage cu particule de electroni (sau fotoni, sau orice alte particule) unul câte unul prin două fante mici dintr-un ecran. Din cauza nedeterminării cuantice, nu există nici o cale de a afla prin ce fantă călătorește un anumit electron: un electron călătorește pur și simplu prin ambele fante in același timp. Acest lucru, in sine, pare lipsit de rațiune, dar in contextul gravitației devine și mai ciudat. Dacă electronul trece printr-o fantă e posibil ca el să creeze un câmp gravitațional foarte puțin diferit de cel creat dacă ar traversa cealaltă fantă.
Dar cum se știe? Totul devine și mai ciudat când realizezi că potrivit experimentului de alegere intârziată a lui Wheeler este posibil să inițiezi experimentul, astfel ca după ce ai executat experimentul să poți observa retroactiv sistemul și să forțezi electronul să călătorească prin una dintre fante (deși nu poți alege care). Iar acest lucru este nebunesc, nu-i așa? Altfel spus, mai pe limbaj ușor, lumea gravitației e socotită a fi complet deterministă, in timp ce mecanica cuantică nu are nimic de-a face cu determinismul, ci cu incertitudinea (Heisenberg).
Gravitația este cu totul specială. Există și o problemă mai delicată: spre deosebire de, să zicem, electricitatea care afectează doar particulele incărcate, gravitația pare a afecta totul. Toate formele de materie și energie reacționează cu gravitația și creează câmpurile gravitaționale, iar spre deosebire de electricitate, aici nu există mase negative ca să le anuleze pe cele pozitive.
S-a imaginat o teorie cuantică a gravitației, cel puțin in teorie. La fel ca in cazul celorlalte forțe, ar exista o particulă intermediară, numită graviton, care ar transmite semnalul. Ne-am putea imagina chiar și cercetarea la scări din ce in ce mai mici și observarea cât mai multor gravitoni virtuali, fiind trimiși intre particule. Problema este că la scări mai mici, energiile sunt din ce in ce mai ridicate. Nucleul unui atom are nevoie de mult mai multă energie pentru a se dezintegra decât are nevoie un electron pentru a părăsi un atom, de exemplu. La dezintegrarea nucleului rezultă o cantitate uriașă de energie (fisiunea nucleară). Fisiunea este o reacție nucleară care are drept efect ruperea nucleului in 2 (sau mai multe) fragmente de masă aproximativ egală, neutroni rapizi, radiații și energie termică. Elementele care fisionează cu neutroni termici, se numesc materiale fisile. (Ex. 233U, 235U, 239Pn, 241Pu. Elementele care fisionează cu neutroni rapizi, se numesc materiale fisionabile iar, cele care prin captură de neutroni se transformă in materiale fisile, sunt considerate materiale fertile. Ex. 232Th, 238U.)
La cele mai mici scări,"roiul" de gravitoni virtuali de foarte mare energie ar produce o densitate de energie foarte mare, acesta fiind locul in care am intâmpina probleme. Se presupune că gravitația ar detecta toate formele de energie, dar acum noi generăm o cantitate infinită de particule cu energii ridicate care generează la rândul lor un câmp gravitațional imens. E limpede dificultatea situației in care ne-am afla teoretic și tehnic. Până la urmă, fiecare calcul ar implica valori care ar tinde la infinit...
În electromagnetism, precum și in celelalte interacțiuni cuantice, calculele devin foarte confuze la o scară foarte mică, numită "lungimea Planck" (iar Max!), care este in jur de 10¾Â³âµ m, mult mai mică decât un atom. De exemplu, cel mai mic atom, de hidrogen, are raza Van der Waals de 1,2 Angstromi= 1,2 x 10¾Â¹â° m, iar raza atomică 25 pm= 25x10¾Â¹Â²m. Noi nu avem incă idee cum ar funcționa legile fizicii la o scară mai mică de acea lungime Planck. La acele scări, mecanica cuantică spune că găuri negre minuscule pot apărea sau dispărea brusc din pură intâmplare, sugerând că insuși spațiu-timpul incepe să sufere atunci când il analizezi prea amănunțit.
S-a incercat să evite coliziunile acestor teorii printr-un proces "simplificat" numit "renormalizare". Renormalizarea este de fapt un mod sofisticat de a spune că noi efectuăm un calcul până la o anumită scară și apoi ne oprim. În majoritatea teoriilor, acest lucru ne ajută să scăpăm de valorile care tind spre infinit și ne permite să nu ne continuăm viața de zi cu zi in abstractul absolut. Cum majoritatea forțelor implică doar măsurarea diferențelor dintre două energii, nu prea contează dacă aduni sau scazi o constantă pentru fiecare număr in parte (chiar dacă, aparent, constanta pe care o adaugi are o valoare infinită). Aprecierea pe diferențele funcționează destul de bine.
Însă Richard Feynman (1918-1988), fizician american, a asitat la dezvoltarea bombei atomice in SUA, premiul Nobel pentru fizică in 1965, a observat critic: "Acest joc vulnerabil cu care ne distrăm este numit tehnic renormalizare. Dar oricât de ingenios ar fi cuvântul, este totuși ceea ce aș numi un proces smintit! Pentru că am apelat la un asemenea hocus-pocus noi nu am putut demonstra că teoria electrodinamicii cuantice este valabilă din punct de vedere matematic. Este surprinzător că incă nu s-a demonstrat până acum intr-un fel sau altul că teoria este valabilă; eu bănuiesc că renormalizarea nu e corectă din punct de vedere matematic."
Lăsând acele obiecții deoparte, lucrurile se inrăutățesc și mai mult când se aduce gravitația in discuție. Pentru că gravitația, spre deosebire de electromagnetism, afectează toate particulele, acele energii infinite presupun o curbură diferită. Renormalizarea nu pare a fi nici măcar o opțiune pentru gravitație. Nu putem elimina valorile de infinit. Deci...
Ce știm și nu știm? Nu avem o teorie a gravitației cuantice, dar unii au intuit cum ar arăta o asemenea teorie.
De exemplu, ar trebui să existe gravitație, iar pentru că gravitația pare să fie capabilă de a se extinde prin tot spațiul, gravitonul, asemenea fotonului din lumină, ar trebui să nu aibă masă. Intermediarii masivi (de exemplu bosonii W și Z de care am vorbit mai sus) pot funcționa, doar pentru o scurtă perioadă de timp.
Mai mult, se pare că există o relație unică intre teoriile clasice (relativitatea) și cuantice. De exemplu, electromagnetismul este generat de sarcini și curenți electrici. Sursele sunt caracterizate matematic de către un vector, iar vectorii produc particule intermediare cu spin-1. S-a dovedit că intermediarii cu spin impar produc forțe prin care particulele de același fel se resping. Într-adevăr, doi electroni se vor respinge unul pe altul.
Relativitatea generală, pe de altă parte, este cunoscută ca "teoria tensorială" pentru că aceasta caracterizează tot felul de surse asociate cu presiunea, debitul și densitatea unei distribuții de energie. Versiunile cuantice ale teoriilor tensoriale folosesc particule intermediare cu spin-2. Astfel, gravitonul va avea un spin-2. Chiar și intermediarii cu spin atrag particule de același fel. Deci, particulele de același fel se atrag gravitațional! Da, noi știm cum ar putea arăta gravitonii, insă in ceea ce privește acele valori de infinit, noi nu avem nici cea mai vagă idee. Nu avem acum, dar viitorul ne va lumina. Mă rog, cei care il mai apucăm.
Cam asta este așa pe scurt răspunsul la dilema "oul sau găina"!
Bibliografie tematică pe ințelesul tuturor pentru cei interesați:
