Două legi de neîmpăcat, pentru explicarea creaţiei

Datele fizicii actuale ne arată că stelele şi atomii Universului fizic nu respectă aceleaşi legi. Aceasta, deşi şi atomii, şi stelele au aceiaşi constituienţi elementari. Lumea are mai multe descrieri ştiinţifice, deşi, potrivit experienţei noastre directe, ea este una singură. În ciuda progreselor semnificative pe care le-a realizat fizica ultimelor decenii, armonizarea descrierilor Universului întâmpină încă dificultăţi majore.

Cele mai de succes teorii ale fizicii secolului trecut au fost Mecanica Cuantică, Relativitatea Restrânsă şi Relativitatea Generală. Prin intermediul rezultatelor lor şi prin strădania considerabilă a multor fizicieni, astăzi există două mari modele prin intermediul cărora este descrisă lumea fenomenelor fizice din întreg Universul, lumea particulelor şi a interacţiunilor.

O descriere simplă pentru o lume complexă

În prezent, fizica descrie o parte semnificativă a fenomenelor fizice din Univers prin intermediul acestor trei teorii. Ele sunt grupate în două descrieri ştiinţifice cu privire la micro şi macrocosmos. Lumea microcosmosului este descrisă Modelul Standard, care îmbină remarcabil Teoria Cuantică şi Relativitatea Restrânsă. Modelul Standard descrie comportarea forţelor fundamentale ce acţionează la scara cuantică: forţa electromagnetică şi forţa tare, ambele contribuind, între altele, la alcătuirea atomilor şi moleculelor, precum şi forţa slabă, prezentă în radioactivitate. Pe de altă parte, Relativitatea Generală descrie comportarea forţei gravitaţionale, cea de-a patra interacţiune fundamentală, care acţionează mai intens la nivelul macrocosmosului, care contribuie la formarea galaxiilor, la naşterea stelelor şi la mişcarea tuturor corpurilor din Univers. Aceste două descrieri, Modelul Standard şi Relativitatea Generală, au simplificat considerabil reprezentarea lumii fizice, dezvăluind în diversitatea copleşitoare de fenomene şi procese, lucrarea acestor patru interacţiuni.

Incompatibilităţi inacceptabile

Cu toate acestea, situaţia este departe de a mulţumi pe cercetători. Între motivele cele mai simple pentru care aceste descrieri ştiinţifice nu sunt privite cu satisfacţie, este şi acela că cele două modele nu se întâlnesc în nici un fel. Deşi noi putem verifica, chiar şi prin intermediul simţurilor, că microsmosul şi macrocosmosul sunt strâns înlănţuite între ele, Relativitatea Generală şi Mecanica Cunatică, teoriile care descriu cele două lumi, nu se aşază una în prelungirea celeilalte. Chiar noţiunile de spaţiu şi timp cu care lucrează fiecare dintre ele sunt diferite. Mecanica cuantică tratează spaţiu-timpul ca un fundal fix, în timp ce Relativitatea Generală îl descrie ca pe o „textură“ ce se deformează în vecinătatea corpurilor cu densitate mare.

Bătălia pentru armonizarea micro şi macrocosmosului

Preocupările pentru armonizarea acestor două descrieri au deja câteva decenii. Între timp, s-au unificat descrierile interacţiunilor cuprinse în Modelul Standard, iar dovezile experimentale au confirmat predicţiile acestui model. Drumul unificării a început cu mult timp în urmă, odată cu descoperirea faptului că electricitatea şi magnetismul sunt două faţete ale aceleiaşi interacţiuni (electromagnetismul).

La o distanţă de mai bine de două secole, a fost identificată o legătură între interacţiunea electromagnetică şi cea slabă. La temperaturi foarte mari, cele două tind să se „dizolve“ una în cealaltă, comportându-se de fapt ca una şi aceeaşi forţă. După mai mult de un deceniu de la acest rezultat teoretic remarcabil, în 1973, s-a obţinut o remarcabilă confirmare experimentală, dovedind că electromagnetismul şi forţa slabă devin identice la temperaturi de 100000000000000 grade Kelvin. Interacţiunea unificată a forţelor magnetică, electrică şi slabă a fost numită electro-slabă.

Un pas mai departe

Următorul pas al unificării este pregătit deja de rezultate teoretice semnificative. Potrivit unor calcule, forţa tare începe să scadă în intensitate, devenind apropiată interacţiunii electro-slabe, încât, în condiţiile unor temperaturi uriaşe de ordinul a 10000000000000000000000000000 grade Kelvin, cele două ar putea deveni identice.

Dacă interacţiunile care lucrează în lumea nucleelor şi atomilor (forţa tare, forţa slabă şi cea electromagnetică) au primit o descriere unificată, dificultăţile de a introduce şi gravitaţia în această descriere sunt cu mult mai mari.

Ultima redută a unificării?

Miezul problemei o reprezintă elaborarea unei teorii care să împace descrierea gravitaţiei cu cea a mecanicii cuantice, sau, altfel spus, să realizeze o exprimare cuantică a gravitaţiei, precum şi verificarea experimentală a predicţiilor unei astfel de teorii. Dificultăţile unei astfel de descrieri sunt extreme. Sute de fizicieni teoreticieni, din mai multe generaţii, au lucrat şi lucrează, de mai bine de 5 decenii, la o multitudine de modele, cu matematici extrem de complexe, în speranţa că vor putea descoperi soluţiile de integrare a celor două descrieri într-o singură teorie coerentă despre Universul în care trăim. Deşi există unele progrese semnificative, întrebările mai au de aşteptat mult până vor primi un răspuns.

Unificarea interacţiunilor este considerată, pe bună dreptate, o chestiune de frontieră în fizică şi între provocările cele mai dificile ale ştiinţelor. Dificultăţile de realizare a ei nu constau doar în elaborarea unui formalism care să integreze cele două mari teorii, a gravitaţiei şi a mecanicii cuantice, ci şi în testarea predicţiilor. Un eventual model al unificării interacţiunilor ar putea fi testat doar prin intermediul ciocnirilor de particule la energii inimaginabil de mari.

Cinci decenii de luptă

Bătălia a început deja, de mai multe decenii, prin construcţia unui număr considerabil de acceleratoare de particule. S-au verificat de mai mult timp predicţiile Modelului Standard şi unificarea interacţiunii electromagnetice cu cea slabă. Însă, pentru testarea unificării tuturor interacţiunilor, incluzând aici şi gravitaţia, este nevoie de energii cu mult mai mari. Partea cea mai grea abia acum începe, iar unii cercetători sunt de-a dreptul pesimişti. Potrivit estimărilor, ţinând seama de temperaturile pe care ar trebui să le atingă acceleratoarele de particule, dimensiunile lor ar trebui să fie tot atât de mare ca Sistemul Solar!

Cum se vede, chiar dacă matematicile angajate în teoriile de unificare sunt extrem de complexe, nu acolo stă dificultatea, ci în testarea eventualei teorii.

Dificultăţi şi speranţe

Atingerea capacităţilor tehnologice pentru dezvoltarea acceleratoarelor de particule de asemenea dimensiuni pare, mai degrabă, ficţiune. Chiar şi în condiţiile cele mai optimiste, ale unor soluţii tehnice sau tehnologice care să crească puterea de acceleare a particulelor şi să reducă semnificativ dimensiunile acceleratoarelor, proiectarea şi execuţia unor dispozitive complexe de cercetare cere un efort financiar imens şi un timp considerabil, care amână, o perioadă nedeterminată, testarea oricăror predicţii.

În general, în fizica recentă, există trei mari provocări, trei mari frontiere de dificultate sporită: distanţele foarte mari, distanţele foarte mici şi complexitatea excesivă. Unificarea interacţiunilor le implică pe toate cele trei! Însă, în ciuda acestor dificultăţi, visul unificării interacţiunilor fundamentale pare tot mai aproape, încât tot mai mulţi cercetători tind să valideze ipoteza că toate formele de energie se reduc, în esenţă, la una singură.