Conceptul Modern de Materie - dupa Frank Wilczek

2018 in Stiinta

Secolul XX ne-a invatat ca materia este diferita de ceea ce ne este relevat de realitatea simpla, de experientele zilnice naiv percepute. Am aflat ca pentru a intelege materia, cu adevarat si in profunzime, avem nevoie de concepte noi. Astazi, in secolul XXI, aceste concepte au nevoie aprofundari si ajustari pentru a descrie noua si minunata imagine a materiei, asa cum se desfasoara in fata ochilor nostri.

Frank Wilczek

Exista multe lucruri de discutat ce compun conceptul modern de materie si nu vor putea fi abordate toate aici, intr-un articol care isi propune sa nu plictiseasca. Ne vom concentra pe doua idei majore:

  1. Materia este ca lumina.
  2. Spatiul este un material.

In trecutul indepartat oamenii faceau o diferentiere clara intre materie si lumina. Nu mai este asa.

Fizica traditionala descrie lumina ca fiind o unda, o perturbatie a campului electro-magnetic, in vreme ce materia poate fi localizata, este constituita din parti mici - particule, are substanta, necesita "efort" pentru a o pune in miscare.

Deasemenea, materia nu "umple" spatiul in intregimea lui, are limite ce pot fi determinate.

Astazi, marea majoritate a oamenilor cat de cat educati este familiarizata cu teoria mecanicii cuantice, un produs al gandirii secolului trecut.

Teoria cuantica descrie comportamentul materiei la o scara foarte mica, in particular la nivelul atomilor, ca fiind asemanator luminii. Astfel, cunoscuta teorie a dualitatii unda-particula a demolat distinctia traditionala dintre ceea ce numim "lumina" si "substanta":

lumina (fotonii), electronii, atomii se comporta si ca unda si ca particula, in functie de circumstante. Intr-un inteles mai profund, unificator, vorbim de particule-unda. A trebuit sa renuntam la vechiul concept de unda, pentru ca fotonul se poate comporta, in unele cazuri, ca o particula, in vreme ce, de exemplu, electronul poate prezenta caracteristicile unei unde. Si fotonul si electronul respecta aceleasi ecuatii in cadrul Teoriei Cuantice, ce unifica conceptele de unda si particula.

Ca o paranteza, iata o scurta istorie a reprezentarilor atomului, pentru cei interesati:


Un bun mod de a ne imagina particula-unda ar fi:

In functie de cum o privesti, imaginea poate reprezenta un iepure sau o rata, ambele animale in acelasi timp sau niciunul din ele, poate fi o simpla piatra sau doar... informatie, o insiruire de 0 si 1.

Concret, iata cum arata toate aceste notiuni abstracte, intr-o imagine:

Imaginea reprezinta descrieri ale modului cum se misca un electron in jurul unui proton intr-un atom de hidrogen, de la starea de joasa energie la diferite stari stationare. Norii luminosi reprezinta zonele unde probabilitatea de a observa electronul este mai mare. In principiu, insa, probabilitatile ajung la infinit.

Desi arata fantastic, imaginea nu este o fantasmagorie, aceste reprezentari, obtinute poate cu ajutorul Photoshop-ului, sunt rezultatul unor experimente ale caror consecinte au fost demonstrate, verificate si masurate cu o extraordinara acuratete, de 1:1 000 000 000 pana la 1:1 000 000 000 000 000 000.

In consecinta, fara dubiu, asa functioneaza materia si o putem demonstra cu poze, si inca foarte detaliate. Orice particula (aici, electronul) este si unda. Cele doua concepte, diferite in trecut, de lumina si materie, sunt sintetitezate intr-unul singur.

Aceasta este doar una din multiplele diferente dintre lumina si materie, asa cum le percepem in viata de zi cu zi, sau cum sunt descrise de fizica clasica. Iata un tabel cu unele din proprietatile luminii, respectiv materiei:

Lumina Materia
1 Este unda (un camp, umple spatiul). Este particula (mica, independenta).
2 Este creata si poate fi distrusa. Este permanenta (se poate doar transforma).
3 Are viteza = c Are viteza < c
4 Este asociata cu energia. Este asociata cu inertia.
5 Este un singur lucru. Este o lista lunga de lucruri.

1. Prima dintre proprietati a fost discutata anterior.

2. Lumina poate fi creata si poate fi distrusa, pe cand materia poate fi doar re-aranjata, transformata. Materia nu poate fi creata, nici distrusa.

3. Lumina se deplaseaza, cum stim, cu viteza luminii (in fizica, constanta c). In vreme ce particulele de materie (electron, proton, etc.) se deplaseaza cu o viteza mai mica decat viteza luminii.

4. Cand se deplaseaza, lumina este asociata cu transferul energiei dintr-o parte intr-alta, materia este mai "greu" de miscat si este asociata cu transferul de masa.

5. Poate cea mai evidenta diferenta, lumina este un singur lucru (poate avea culori diferite, dar acestea sunt strans legate intre ele - daca observatorul se misca cu o viteza mare, o culoare va deveni o alta), in vreme ce materia este o lista de mai multe lucruri (atomi de diferite elemente chimice ce pot fi descrisi de electroni ce se misca in jurul mai multor tipuri de nuclee, care, la randul lor, sunt facuti din protoni si neutroni, alcatuiti din cuarci si gluoni s.a.m.d.).

Una cate una, aceste diferente au cazut, au fost demonstrate ca nefiind adevarate. Fizica a mers mai departe in incercarea de a unifica intr-o singura teorie imaginea Universului si, in mare masura, a si reusit. Nu am ajuns la finalul acestei calatorii a cunoasterii, mai sunt multe capitole de scris in aceasta poveste si, recent, un nou capitol a fost scris.

Cum s-a mai spus, fotonii au masa egala cu 0 si se misca cu viteza luminii in cadrul relativitatii speciale. Particulele cu masa 0 intra in cele mai "frumoase", elegante si consistente ecuatii ale fizicii teoretice.

Pentru a avea nu doar unitate ci si frumusete in descrierea naturii, parca ne-am dori ca lumea sa fie constituita in intregime din particule avand masa 0. Din nefericire, multe din particule nu vor sa respecte aceasta regula, de exemplu, nu se deplaseaza in vid cu viteza luminii.

Ce e de facut? Ei bine, fizicienii, cand nu le place felul in care functioneaza lucrurile, isi imagineaza o lume mai buna, perfecta, si incearca sa-i sustina cauza; o lume ideala, in care particulele cu masa se comporta aidoma fotonilor.

O rezolvare a problemei, propusa in teorie acum mai bine de jumatate de secol, a fost recent demonstrata experimental si acceptata:

Spatiul este umplut de un fel de melasa cosmica ce face (unele) lucruri sa incetineasca. Daca aceasta nu ar exista, electronii si alte particule cu masa s-ar misca si ele cu viteza luminii. Toate aceste complicatii matematice apar in ecuatii nu datorita proprietatilor intrinseci ale particulelor, ca sa spunem asa, ci se datoreaza mediului omniprezent reprezentat de aceasta melasa cosmica.

Metafora melasei cosmice poate parea... incalcita, asa ca iata o alta incercare de a descrie problema:

Pestii descopera apa

Sa ne inchipuim o specie de pesti super-inteligenti ce a evoluat in oceanele unei planete bogate in apa; atat de inteligenti incat devin preocupati de fizica si legile miscarii. Incearca sa gaseasca o descriere coerenta a lumii, dar ajung la ecuatii extrem de complicate, pentru ca miscarea in apa este foarte complicata. Apa complica problema.

Dupa secole de chinuri intelectuale fara a gasi o solutie, apare un peste-geniu, un peste-Newton care isi da seama ca exista un alt mod de a descrie lucrurile, daca scoti din ecuatie substanta asta omniprezenta, apa. Cu un mic artificiu teoretic, ramai cu niste legi simple ale miscarii, universale.

Poti apoi reintroduce apa in ecuatie si ajungi, din nou, la legile complicate de dinainte, doar ca acum poti explica ce se intampla si atunci cand scoti capul din apa si realizezi ca existi intr-un imens Ocean Cosmic.

Pestii suntem noi. Am inteles ca putem descrie lumea mai simplu, prin legi mult mai elegante ale miscarii, ale fizicii in general, postuland ca exista un material ce umple intreg Universul, ubicuu, ce face materia sa incetineasca si da masa particulelor, astfel, putem avea frumoasele ecuatii ale particulelor fara masa, impreuna cu ecuatiile cazului complicat, particular, al celor cu masa. O descriere unificatoare a Universului.

In secolul XX am facut progrese importante in a intelege materia, nu doar prin studii in domeniul chimiei, ci si prin experimente facute cu ajutorul acceleratoarelor de particule, violente, dar sistematice si precise, la nivelul particulelor fundamentale aduse la energii mari pe distante scurte, realizand si un inventar al fortelor implicate. Nivelul de intelegere al materiei la care s-a ajuns si acuratetea experimentelor nu pot fi puse la indoiala. Dar, cu toate eforturile explorarilor stiintifice ale secolului trecut, ce au dus la descoperirea cuarcilor, gluonilor etc., nu am reusit sa evidentiem o particula care sa aiba proprietatile potrivite pentru a descrie acest mediu omniprezent. Fizicienii au fost nevoiti sa accepte ca exista si altceva, o particula nedescoperita, care alcatuieste melasa cosmica, ce justifica frumoasele ecuatii la care s-a ajuns.

Pentru mult timp, aceasta particula (numita dupa un profesor scotian, dr. Higgs) a existat doar in ecuatii, fara a avea manifestari tangibile. Din fericire, aceasta ipoteza, idee, are consecinte observabile.

In descrierea moderna a lumii cuantice, cele mai mici unitati ale campurilor, numite si cuante, apar ca particule:

Exemplul clasic, la care s-a mai facut referire aici este lumina, ce apare a fi continua cand avem de a face cu multa lumina, dar cand este foarte, foarte slaba, observam ca lumina poate fi impartita in unitati individuale - fotoni. Gravitonii, foarte greu de detectat, pentru ca interactioneaza foarte slab cu lumea inconjuratoare, sunt cuante ale campului gravitational (n.t. au fost descoperiti in 2016). Gluonii, cuante ale campurilor de forte nucleare, au existat si ei doar in teorie, apoi au fost demonstrati experimental - un triumf al fizicii secolului XX.

Cunoscand proprietatile Campului Higgs putem deduce proprietatile cuantelor sale, pentru a le recunoaste in experimente. Acest lucru s-a intamplat, pentru prima oara, in 2012, la CERN, Geneva. In giganticul tunel de 26 km al Marelui Accelerator de Particule protonii sunt accelerati pana la 0,99999… din viteza luminii, deci capata o energie enorma, in doua fascicule ce calatoresc in directii opuse. Motivul pentru care acest inel este atat de mare este ca LHC foloseste magneti foarte puternici (de genul celor folositi in spitale la RMN-uri) ce reusesc sa devieze suficient particulele incat sa le tina in viata. Pentru ca magnetii sunt atat de numerosi, energia electrica necesara functionarii la otemperatura normala ar fi uriasa. Cu ajutorul unor instalatii sofisticate ei sunt mentinuti la o temperatura foarte mica (2 grade Kelvin), devenind magneti super-conductori. Astfel, aici se afla zona extinsa cu cea mai mica temperatura din Univers, pentru ca pana si vidul interstelar este plin cu radiatii. Asta, desigur, daca nu exista undeva civilizatii de extraterestrii care construiesc si ei acceleratoare de particule, mult mai mari. Pentru a mentine o astfel de instalatie in stare de functionare este necesar un efort urias din partea inginerilor si tehnicienilor CERN, asa cum a demonstrat-o accidentul din 2008.

Scopul stiintific, intelectual, al Acceleratorului de Particule este studiul unor diagrame ca aceasta:

care este o reprezentare schematica a unui procesi fundamental prin care functioneaza lumea. Avem doi protoni, asa cum s-a precizat, foarte importanti pentru descoperirile facute in domeniul mecanicii cuantice, compusi din cuarci si gluoni - care se supun unor ecuatii simple ce descriu comportamentul lor la niveluri mari de energie. Protonii se apropie unul de altul, iar ceea ce se ciocneste cu adevarat din interiorul lor sunt doi gluoni. Particula lui Higgs, ce da masa particulelor, creaza o legatura cu acesti gluoni, proportionala cu masa pe care o vor primi. Asta inseamna ca particulele ce alcatuiesc materia obisnuita, stabila, sunt ramasite ale particulelor mai grele sau altfel spus, particulele grele se descompun in particule cu masa mica, pe care le putem observa, ce interactioneaza slab cu particulele Higgs. Gluonii in sine nu interactioneaza deloc cu particulele Higgs si au, teoretic, masa egala cu 0. Totusi, printr-un subtil proces de mecanica cuantica pura, gluonii creaza legaturi cu cuarcul-sus (particula grea, ce fluctueaza in vid, ce cupleaza usor cu particula lui Higgs) si se vor cupla cu particula lui Higgs. In timp (aici, de la stanga spre dreapta, totul dureaza 10^-27 secunde), dupa inca un proces asemanator, particula lui Higgs se descompune si vor fi eliberati doi fotoni. Un detaliu interesant ce reiese de aici este ca daca exista si alte particule grele, ce nu au fost inca descoperite, ar participa la proces intr-un mod similar, deci este foarte important sa masuram cu acuratete proprietatile particulei Higgs.

In concluzie, daca vrei sa gasesti particula lui Higgs, trebuie sa ciocnesti doi protoni (ceea ce face Acceleratorul de Particule) si cauti fotonii de mare energie rezultati din descompunerea ei, prin procesul descris mai sus. In cadrul coliziunilor de acest fel se intampla si multe alte lucruri, iar pentru a identifica procesele ce produc particule Higgs, lucrurile trebuie intelese in profunzime si masurate cu deosebita precizie. Fizicienii au o vorba: “Ce ieri era o senzatie, astazi e doar calibrare” (“Yesterday’s sensation is today’s calibration”), astfel descoperiri ce pareau uimitoare in secolul trecut, astazi sunt considerate banale, o norma ce ne ajuta sa mergem mai departe.

Este usor pentru un teoretician sa deseneze diagrame, dar de fapt este foarte dificil sa detectezi acei fotoni de mare energie de care pomeneam, este nevoie de instalatii sofisticate si de o investitie ce a depasit 5 miliarde de Euro. In imaginea de mai jos avem marimea detectorului, in comparatie cu cea a inginerilor care il fac sa functioneze:

Intregul proiect, dar aceste detectoare in special, sunt poate echivalentul de astazi al Marilor Piramide din Egiptului Antic ca realizari ale civilizatiei umane. In interiorul lor se petrec aceste mici explozii pe care fizicienii le reconstituie studiind urmele lasate de particule intr-un interval infinitezimal de timp. Descriu focul pornind de la cenusa. Trebuie sa poti urmari acest joc de artificii al particulelor, din care multe se deplaseaza cu o viteza apropiata de viteza luminii, sa le identifici, sa stii cate sunt, in ce directii se deplaseaza. Altele se vor deplasa poate cu 1:1000000 sau 1:1000000000 din viteza luminii, si asta reprezinta, bineinteles, o informatie pretioasa pentru cercetatori. In imagine este detectorul CMS, unde C vine de la “compact”, dar tot la CERN se mai afla si detectorul Atlas, de doua ori mai mare in toate directiile, ce ar umple cu usurinta un hangar de avioane.

Implicatiile acestor descoperiri sunt multiple:

In Cosmologie - acum ca am stabilit ca, teoretic, intreg spatiul este umplut de o melasa cosmica ce schimba proprietatile a tot ce exista, se nasc intrebari ca:

Raspunsul este “da” pentru ambele cazuri, cel putin in acest moment, in fizica moderna.

Este important sa gandim ca proprietatile acestui material se schimba in timp, ca Universul primordial era fundamental diferit de cel de astazi, spatiul in sine era foarte diferit in proprietatile sale fundamentale si a trecut printr-un proces rapid de inflatie cosmica.

Deasemenea, fizicienii sunt convinsi ca acest material ar putea fi diferit, cu totul altfel organizat, intr-un loc foarte (suficient de) indepartat - conceptul de Multivers - ca exista Universuri unde lumea functioneaza dupa un alt set de legi, de exemplu, cu mai multe dimensiuni, un alt Univers cu mai multe forme de electro-magnetism, sau un Univers cu fotoni ce nu seamana deloc cu cei din lumea noastra.

In Fizica Fundamentala - se naste intrebarea:

Sau altfel spus se poate sa avem o teorie unificatoare in care toate particulele fundamentale, unitati ce compun tot ce exista in lume, au aceleasi proprietati, cu cazurile particulare, complicate date de interactiunea cu diferite campuri cosmice, asa-zise “substante” (ca melasa cosmica) ?

Raspuns: Foarte probabil! (...si asta in urma unor investigatii foarte detailate)

Astfel, visul unificator al lui Albert Einstein va fi evoluat de la credinta mistica la stiinta exacta.

Filmul complet al acestei Teorii Finale nu va aparea prea curand pe marile ecrane, dar avem un trailer si poate chiar un… nume: “Cautand-o pe SUSY”. Este urmatoarea tinta a cercetatorilor de la LHC - CERN si a fizicii cuantice in general.

Supersimetria (eng. Supersymmetry - SUSY) este ideea ca exista o alta categorie de dimensiuni ale spatiului, foarte mici - de fapt nu sunt dimensiuni obisnuite ci dimensiuni cuantice - avand doua straturi. Cand trece dintr-o dimensiune cuantica in alta o particula nu se deplaseaza propriu-zis in spatiu (este tot acolo), ci mai degraba, se transforma intr-un alt fel de particula. Un electron se va transforma intr-un selectron, care are in mare masura aceleasi proprietati (aceeasi sarcina electrica), dar are o masa mult mai mare, si mai important, este boson si nu mai este fermion - sau, mai colocvial, nu mai este o particula materiala si devine o particula-forta. Procesul este si invers, o particula mediatoare de forta va deveni materiala, fermionul devine boson.

Supersimetria reprezinta o viziune tantalica pentru ca, odata demonstrata, ar sterge granita dintre particulele forta si cele materiale din actuala descriere a lumii. De ce este SUSY atat de... atractiva? Pentru ca daca presupui ca aceste particule supersimetrice exista, si doar daca presupui acest lucru, aplicand corectii efectelor unui camp cosmic asupra proprietatilor diferitelor particule, in special in cazul corzilor (strings), ce interactioneaza electric sau prin forta nucleara slaba sau cea tare - extrapoland matematic pentru distantele extrem de mici - se obtine o unificare a tuturor interactiunilor cunoscute dintre particule intr-o Teorie Finala, ce include si gravitatia.

Iata o imagine edificatoare pentru situatia tantalica in care ne aflam astazi, precum Ulisse legat de catarg, auzim cantecul sirenelor si suntem atat de aproape de posibilitatea unificarii, de o Teorie Finala, drum deschis de faptul ca vidul este un mediu-liant cosmic, fara sa fi ajuns inca acolo.

Mesajele din cantecul sirenelor sunt idei cum ar fi Unitatea Fortelor sau de acum cuantificabila masa a particulei lui Higgs (MH=125 GeV) si ramane treaba fizicienilor experimentali sa demonstreze ca SUZY exista, ca trece testul realitatii.

Iata inca o opera de arta potrivita situatiei noastre, un Caravaggio, Sf. Toma (zis si Necredinciosul) inspectand ranile lui Iisus, ce poate fi privita si ca o metafora a stradaniilor Fizicii Experimentale de a testa si pune la indoiala, neobosita, ideile Fizicii Teoretice. Asta, chiar daca Iisus a fost cel care a spus: “Fericiti sunt cei ce cred fara sa vada.”

Transcript dupa "The Modern Concept of Matter" - Frank Wilczek (2012) - American Academy of Arts & Sciences