Despre nimic…

Nimicul, nebagat în seama multa vreme, a devenit în prezent piesa centrala a fizicii moderne. Nimicul este punctul de plecare al Universului nostru si tot nimicul îi conditioneaza viitorul. Ciudat, nu-i asa?

Sa începem prin a raspunde la o întrebare: de ce exista ceva, în loc sa existe doar nimic?

Anticii

De ce nu au avut grecii din vechime ideea unui semn pentru nimic? Pentru ei nimicul nu putea exista si nici nu putea fi sursa a creatiei. Situatia este bine descrisa în cartea lui Frank Close, ”Nothing: A Very Short Introduction” (Nimicul, o scurta introducere). despre-nimic

Thales, undeva pe la anul 600 î.e.n, nega cu tarie existenta vidulului, a nimicului. Nici un lucru nu poate aparea din nimic, nici un lucru care exista nu se poate transforma în nimic, spunea el. Thales si-a mai pus o întrebare: daca scoatem tot ceea ce exista dintr-un volum dat, ce va mai ramâne acolo?

Raspunsul pe care l-a dat venea din propriile sale conceptii despre structura lumii. În acel volum va ramâne un soi de materie primordiala. Ce este aceasta materie primordiala? Apa. Da, pentru Thales apa era elementul primordial. O întâlnim în natura sub forma solida, lichida si gazoasa. El observase transformarile apei si remarcase ca apa dispare, prin evaporare, pentru ca mai apoi sa redevina lichida. Thales credea ca apa se poate transforma în orice forma de materie.

Mai târziu, prin secolul V î.e.n, un alt mare gânditor grec, Empedocles, îsi pune întrebarea daca aerul poate fi substanta care umple spatiul gol. Empedocles stia sa faca experimente, pentru a-si testa ideile. El a folosit un instrument din sticla alcatuit dintr-un tub care se termina cu o sfera care avea gauri în partea inferioara.

Pentru a putea vizualiza instrumentul folosit de Empedocles, puteti sa va imaginati un balon din sticla din laboratoarele moderne la care am realizat niste gauri în partea de jos. Experimentul sau era simplu. A introdus instrumentul în apa si, evident, balonul s-a umplut cu apa. Atunci când a repetat experimentul, cu capatul tubular astupat, aerul nu a mai iesit, iar apa nu a mai putut intra în balon. Aceasta era o demonstratie a faptului ca aerul si apa nu pot ocupa simultan acelasi spatiu si ca aerul este o substanta, si nu un nimic, un spatiu gol.

despre-nimic-2

Empedocles a extins ideia de materie primordiala la patru elemente, spre deosebire de Thales, care, asa cum am aratat mai sus, considera ca exista un singur element primordial: apa.

Pentru Empedocles cele patru elemente fundamentale erau: aerul, apa, focul si pamântul. Tot el considera ca materia are o structura granulara, fiind alcatuita prin ”împachetarea” unor sfere minuscule. Evident, între ele ramâne un spatiu liber care trebuie umplut cu ceva. Acest ceva nu era vidul, nu era nimicul, ci o forma subtila de materie, eterul, care era mai usor decât aerul.

Vidul nu avea cum sa existe, pentru ca logica pura, a gânditorilor din vechime, îi interzicea nimicului dreptul la existenta.

Catre modernitate

Sa ne mutam, pe scara timpului, ceva mai departe. Ajungem în 1643, an în care Toricelli, elevul lui Galileo Galilei, construieste primul barometru cu mercur. A luat un tub de sticla lung de un metru, care avea un capat astupat. A umplut tubul cu mercur si, dupa ce a astupat capatul liber al tubului cu degetul, l-a asezat cu grija într-un vas plin si el cu mercur. A vazut, probabil cu uimire, ca mercurul a coborât în tub, lasând un spatiu gol.

Ce putea exista în acest spatiu lasat liber de catre mercurul care coborâse? Vidul, asta ramânea acolo. Ca sa fim rigurosi, Torricelli nu realizase vidul absolut. În acel spatiu gol, datorita presiunii scazute se afla vapori de mercur. Dar pasul fusese facut. Vidul aparea acum ca obiect justificat pentru un studiu stiintific.

Experimentul lui Torricelli, reluat mai apoi de Pascal, a demonstrat ca înaltimea coloanei de mercur scade o data cu cresterea altitudinii.

despre-nimic-3

De aici concluzia era una fireasca. Pamântul are o atmosfera, iar presiunea scade cu altitudindea. Asta înseamna ca, dincolo de atmosfera terestra, locul aerului este luat de vid. Adica de catre nimic. Dar noi putem vedea lumina stelelor. Lumina poate strabate vidul. Acesta este un aspect foarte important.

Cum de se propaga lumina si prin vid? Cum se face ca raza de lumina poate strabate nimicul?

Care era problema? Lumina ar trebui sa se propage printr-un mediu material. Lumina nu poate calatori prin nimic.

Acum apare in scena celebrul Isaac Newton. În 1687 el publica lucrarea ”Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” care avea sa reprezinte o revolutie în fizica, si nu numai.

Newton a fost unul dintre foarte putinii oameni care au reusit sa schimbe fundamental modul de gândire al semenilor sai. El a produs o revolutie care a trecut dincolo de granitele fizicii. Dar teoria Newton, care a dominat fizica mai bine de doua veacuri, avea o hiba.

Asa cum spune John D. Barrow in cartea sa ”Mic tratat despre nimic” (The book of nothing): ”În ciuda simplitatii si elocventei ideilor lui Newton, ele au la baza o presupunere care complica lucrurile. Newton a trebuit sa presupuna ca exista ceva pe care l-a numit spatiu absolut, un fel de fundal în Univers fata de care se deruleaza toate miscarile pe care le guverneaza legile lui.”

Miscarea tuturor corpurilor din Univers trebuia sa se raporteze la acest ”spatiu absolut” ca ar fi trebuit sa se afle, la rândul sau, într-o stare de repaus absolut. El nu putea fi observat direct si nici nu se putea actiona asupra lui. Barrow: ”[spatiul absolut] începea sa para tot atât de misterios ca vidul însusi”.

Cum ideea spatiu vid era greu de acceptat (nu poti raporta miscarea la ceva care nu exista, spuneau anticii greci) acest spatiu absolut era umplut cu un fluid imobil, cu caracteristici speciale, care a capatat numele de eter. Newton însusi avea oarecari îndoieli legate de acest eter, nu ar fi vrut sa introduca eterul ca pe o ipoteza suplimentara în fizica sa.

”Newton nu a manifestat niciodata un entuziasm prea mare fata de aceasta idee si a adoptat-o cu oarecare ezitare pentru ca dorea ceva mai riguros. El a recunoscut ca eterul putea fi un vehicul convenabil pentru a întelege unele dintre proprietatile luminii si ale propagarii prin spatiu, dar considera ca prezenta unui fluid ar îngreuna întelegerea miscarilor Lunii si ale planetelor”, explica Barrow.

Oricum, Newton era adeptul teoriei corpusculare a luminii. El vedea lumina ca pe o suma de corpuscului foarte mici. Adevaratele probleme apar atunci când tratezi lumina ca pe o unda. Faptul ca lumina avea un caracter ondulatoriu era demonstrat de experimentele de interferenta pe care unii din contremporanii sai le efectuau deja.

”Cum de se propaga lumina în vid? Cum de poate strabate nimicul?” 

Conceptul de eter poate raspunde foarte bine la aceste intrebari. Sa ne amintim cum se propaga undele sonore. Ele sunt variatii de presiune care se propaga prin aer, prin lichide sau prin unele solide . Ele, evident, nu pot strabate vidul. Undele sonore au nevoie de un suport pentru a se putea deplasa.despre-nimic-4

Pentru unda luminoasa, tocmai acest eter ar trebui sa constituie mediul de propagare. Un eter cu caracteristici speciale, pe care oamenii de stiinta au încercat sa le explice si sa le verifice experimental în veacurile care au urmat. Este o poveste fascinanta aceasta cautare, care s-a încheiat o data cu experimentele lui Michelson si Morley. Cei doi au realizat celebrele experimente, prin care vroiau sa demonstreze direct existenta eterului.

Primul experiment a fost efectuat de catre cei doi în 1881, urmat de un altul, mai perfectionat, în 1887. Ambele experimente au esuat.

Eterul, larg acceptat de catre fizicienii vremii, nu dadea nici un semn ca ar exista. Iar asta a dus la marea revolutie înfaptuita, în 1905, de catre Albert Einstein.

Nimicul, o chestie complicata

In timpurile moderne, nimicul ar fi intrat în drepturile sale, odata cu infirmarea existentei eterului, daca nu ar fi aparut mecanica cuantica. Conform ei, asa cum spunea si laureatul Nobel Frank Wilczek, ”nimicul este o chestie foarte instabila”. Acum, cred, a sosit si momentul explicarii acestei ciudate afirmatii. De fapt, nimicul acesta instabil, este ”samânta” întregului Univers.

Nimicul, vidul, poseda propria sa energie, spune mecanica cuantica.

Cum de este posibil ca spatiul gol sa posede energie?

Leonard Suskind, în cartea sa ”The Cosmic Landscape” raspundea ca ”Raspunsul sta în ciudateniile raspândite în lumea mecancii cuantice. […] Fizicienii vad vidul ca fiind plin de particule, care apar si dispar atât de repede încât nu pot fi detectate în conditii normale.”download

Dar de unde apar aceste particule, pe care fizicienii le numesc particule virtuale?

Raspunsul vine din principiul incertitudinii a lui Heinseberg. Acest principiu postuleaza faptul ca nu poti masura cu exactitate si în acelasi timp viteza si pozitia unei particule cuantice. Acest principiu, al incertitudinii, nu reprezinta doar o dificultate de masurare, el ilustreaza un adevar mult mai profund legat de lumea cuantica. La fel ca si principiile din termodinamica, el se aplica Naturii însesi.

Sa ne imaginam un volum mic din spatiu, din care scoatem toate particulele care se afla acolo. Sa ne mai imaginam ca acolo am creat nimicul absolut. În permanenta, plecând de la principiul incertitudinii, acolo apar perechi de particule si antiparticule (este necesara aparitia simultana a particulei si antiparticulei corespunzatoare, deoarece sarcina electrica trebuie sa ramâna neschimbata), care imediat se anihileaza reciproc. Intra în existenta pentru foarte scurta vreme aceste particule, astfel încât nu exista mijloace pentru a le detecta. De aceea ele poarta numele de particule virtuale.

Dintr-o data, ciudatenia mecanicii cuantice transforma spatiul gol, vidul, nimicul, în ceva foarte complicat. În ceva plin de o continua agitatie. La scara mica a lumii, atunci când ne apropiem de dimensiunile lui Plank (asta ar însemna dimensiuni apropiate de 10 la puterea -35 metri) spatiul nici nu mai seamana cu ceva ce poate fi imaginat de catre intuitia noastra.

Fizicienii vorbesc de o spuma cuantica”, aflata într-o continua agitatie, în care avem fluctuatii violente de energie si în care apar din neant si dispar, tot în neant, particulele virtuale. De aici provine exclamatia lui Wilczec: ”nimicul este o chestie foarte instabila!”

De fapt, nimicul pur, asa cum ni-l concepem noi, nici nu poate exista. Îl interzice mecanica cuantica. Si mai este ceva, vidul cuantic este o chestie extrem de complexa. Sa vedeti de ce.

”Fiecare tip de particula elementara este prezent în fluctuatiile violente ale marii de particule virtuale pe care noi o numim vid.”, spune Susskind, si continua: ”În aceasta mare întâlnim electroni, pozitroni, fotoni, cuarci, neutrini, gravitoni si multe alte particule. Energia totala a vidului este suma tuturor energiilor acestor particule virtuale, fiecare tip de particula aducându-si propria contributie.”

S-au facut si calculele necesare, tinându-se seama de energia fiecariei particule în parte. Rezultatul a fost unul dezastruos. Energia vidului ar fi una uriasa. Din nou Susskind ”prin estimarea data de mecanica cuantica, [într-un centimetru cub de vid], se afla o cantitate de energie egala cu 10 la puterea 116 [Jouli]. Aceasta cantitate de energie ar face sa fiarba întreaga apa din Univers. Este o cantitate de energie mai mare decât cea pe care Soarele nostru ar radia-o într-un miliard de miliarde de ani. Este o energie mai mare decât cea pe care toate stelele din Univers a produce-o pe parcursul întregii lor vieti.”download-1

Consecintele asupra Universului produse de aceasta energie continuta într-un singur centimetru cub de nimic ar fi dezastruoase. Nimic nu ar mai putea exista, nici galaxiile, nici stelele, nici planetele si nici macar atomii. Nimicul ar distruge existenta. Cu siguranta undeva este o greseala. Greseala vine din faptul ca toata particulele virtuale luate în calcul au fost considerate a avea enrgie pozitiva.

Dar lucururile nu stau chiar asa. Energia unor particule virtuale, cum ar fi electronii virtuali, are valori negative. Este o chestie mai tehnica, pe care nici Suskind nu o detaliaza. Sa o luam si noi ca atare. Refacând calculele lucrurile se schimba. Daca vom alege ca unitate de masura acei 10 la puterea 116 J, atunci energia continuta într-un singur centimetru cub de vid ar fi un zero virgula o suta doua zeci de zerouri urmate de un unu unitati. Îmi dau seama ca cifrele acestea ar putea sa para complicate sau complet lipsite de semnificatie. Dar nu este asa.

Energia continuta de vid dicteaza evolutia întregului Univers, facându-l sa fie asa cum îl stim noi. O mica, o foarte mica, modificare a valorii pe care am scris-o mai sus ar face ca Universul sa nu mai fie favorabil vietii, cel putin nu în forma pe care o cunoastem noi. Si mai este ceva important de precizat. Aceasta energie, a unui volum dat de vid, este constanta în timp, chiar daca Universul se afla în expansiune. De fapt, energia vidului se numeste, uzual, energie întunecata si este responsabila de accelerarea expansiunii Universului…

Nasterea din nimic…

Susskind: ”vidul reprezinta [locul] potential pentru toate lucrurile […]. Asta înseamna o lista cu toate particulele elementare dar, la fel de bine, si constantele naturii […] Pe scurt, însemna un mediu în care legile fizicii capata o anumita forma particulara. […] Un vid diferit ar putea însemna alte legi ale fizicii […]”.

Nimicul acesta fundamental conditioneaza el însusi, prin legile fizicii care se nasc acolo, existenta Universului. Un lucru mai straniu decât acesta este greu de imaginat. Dar Universul însusi, cum de s-a nascut? Fizica moderna ne spune ca în urma cu 13,72 miliarde de ani, printr-o explozie grandioasa aparut Universul în care traim noi. Teoretic putem explica evolutia Universului de la aproape de începutul sau, pâna în zilele noastre si putem aprecia si viitorul sau, pe baza datelor observationale.

Dar exista o mare si, deocamdata, insolubila problema. Daca încercam sa ne apropiem foarte mult de acel t=0, al începutului de Univers, legile fizicii, asa cum le cunoastem noi, îsi înceteaza aplicabilitatea. Practic, nu putem sti ce s-a întâmplat cu Universul înainte de t = 10 la puterea -43 s. Nu putem stii, dar putem specula.

Alexei Filipenko si Jay M. Pasachoff, în cartea lor The Cosmos: Astronomy in the New Millennium” considerau ca sursa creatiei întregului Univers ar putea fi nimicul sau, mai bine zis, fluctuatiile cuantice dintr-un spatiu primordial. Acolo, dintr-un motiv nestiut, unele dintre aceste fluctuatii au ”trait” suficient de mult pentru a declansa întregul proces care a dus la Big Bang. De fapt, atunci, la momentul t=0, nu aveam de-a face cu un vid propriuzis.

În cartea lui Frank Close se descrie frumos situatia acestui început. ”[…] Alan Guth si Paul Steinhardt au venit cu ideea ca Universul nostru este un domeniu al unei structuri mai mari. […]” În momentul de început, în domeniul corespunzator Universului nostru, ”exista” un ”vid fals”.

”Vidul fals difera de cel real prin faptul ca este foarte instabil. Situatia seamana cu cea a unui creion în pozitie verticala, care se sprijina pe vârful sau.”, spune Close.

Leonard Susskind

Creionul se afla într-un echilibru instabil si pozitia sa se va modifica rapid, pâna când va ajunge la energie potentiala minima, pâna când îsi va gasi pozitia de echilibru. Asa ar fi putut începe totul. O fluctuatie care a durat prea mult într-un ”vid fals” a dus la materializarea din nimic a Universului nostru.

Este un scenariu simplificat cel prezentat de noi. Ar fi trebuit sa vorbim si despre bosonul Higgs si despre câmpul creat de el, înca de la începutul Universului. El a jucat un rol fundamental în nasterea Universului nostru înca de la începuturile sale.

Existenta Bosonului Higgs a fost confirmata in cadrul LHC-ului de la Geneva

Fizica nimicului a devenit un domeniu fundamental de cercetare pentru fizicieni. Nimicul acesta poarta cu sine taine care trebuie descifrate, pentru a putea întelege întreg Universul.

Poate, întelegând mai bine nimicul, vom putea pregati drumul care ne va duce la solutiile de care avem nevoie pentru a putea trimite oamenii catre cele mai îndepartate locuri din Univers. Nimicul este fascinant…

Stiinta si tennica

Bogdan

Per aspera ad astra