stephen hawking, leonard mlodinow - marele plan (v1.0)

7/23/2019 Stephen Hawking, Leonard Mlodinow - Marele Plan (v1.0)

1/162

1


2/162

STEPHEN HAWKINGLEONARD MLODINOW

MARELE PLAN

Traducere din englez deAnca Viinescu i Mihai Viinescu

EDITURA HUMANITAS2012

Stephen W. Hawking and Leonard MlodinowThe Grand Design, 2010

2


3/162

CUPRINS

1. Misterul existenei

2. Domnia legii

3. Ce este realitatea?4. Istorii alternative

5. Teoria a tot ce exist

6. Selectarea universului

7. Miracolul aparent

8. Marele plan

Glosar

Mulumiri

3


4/162

STEPHEN HAWKINGeste una dintre cele mai mari

personaliti tiinifice ale epocii noastre. Timp de treizeci deani a fost profesor la Universitatea Cambridge i a primitnumeroase premii i distincii. Recent, i-a fost decernatMedalia Prezidenial a Libertii. n afar de cercetrile saledin domeniul cosmologiei i fizicii fundamentale, a publicatcri adresate publicului larg:Scurt istorie a timpului,Visul

lui Einstein i alte eseuri,Universul ntr-o coaj de nuci(mpreun cu Leonard Mlodinow)O mai scurt istorie atimpului, toate aprute n traducere romneasc la EdituraHumanitas. Triete la Cambridge, n Anglia.

LEONARD MLODINOW este fizician la InstitutulTehnologic din California (Caltech). Este autorul mai multorbestselleruri i coscenarist la serialulStar Trek: The NextGeneration.Triete n South Pasadena, California.

4


5/162

1.Misterul existenei

Fiecare dintre noi existm doar pentru un scurt rstimp,iar n acest rstimp explorm doar o mic parte din ntregulunivers. Oamenii sunt ns fiine curioase. Ne punemntrebri, cutm rspunsuri. Trind n aceast lume vast,care e deopotriv blnd i crud, i privind imensitatea

cerului de deasupra lor, oamenii i-au pus ntotdeauna omulime de ntrebri: Cum putem nelege oare lumea n carene aflm? Cum se comport universul? Care e naturarealitii? De unde vin toate acestea? Are nevoie universul deun creator? Muli dintre noi nu ne batem prea mult capul cuaceste probleme, dar aproape toi ne-am pus asemeneantrebri mcar o dat.n mod tradiional acestea sunt ntrebri pentru filosofi,

dar filosofia e moart. Filosofia nu a inut pasul cudezvoltarea tiinei moderne, n special cu fizica. Oamenii detiin au devenit purttorii torei descoperirilor n ncercareade a cunoate lumea. Scopul crii de fa este s dearspunsurile sugerate de descoperirile recente i de

progresele teoretice. Ele ne conduc spre o nou imagine auniversului i a locului nostru n el, care difer mult de

5


6/162

imaginea tradiional, ba chiar i de cea pe care o puteamprezenta cu doar zece-douzeci de ani n urm. i totui,primele schie ale noilor idei au aprut acum aproape un

secol.Conform concepiei tradiionale despre univers, obiectele

se deplaseaz pe traiectorii bine definite i au istoriineambigue. Putem preciza poziia lor exact la fiecaremoment de timp. Dei aceast descriere e suficient de bunpentru scopurile vieii de zi cu zi, pe la 1920 s-a dovedit cimaginea clasic nu poate explica acel comportamentaparent bizar observat la scara atomic i subatomic aexistenei. n locul ei a trebuit s fie adoptat un cadru diferit,numit fizic cuantic. Teoriile cuantice s-au doveditremarcabil de exacte n prezicerea evenimentelor la scaratomic i subatomic, reproducnd n acelai timp la scaramacroscopic a evenimentelor cotidiene prediciile vechilor

teorii clasice. Cu toate acestea, fizica cuantic i fizica clasicse bazeaz pe concepii foarte diferite privind realitatea fizic.Teoriile cuantice pot fi formulate n mai multe moduri, darprobabil c cea mai intuitiv descriere a fost dat de Richard(Dick) Feynman, un personaj extrem de pitoresc care lucra laInstitutul Tehnologic din California i era percuionist la tobeafricane bongo ntr-un bar de striptease din apropiere.Conform lui Feynman, un sistem nu are o singur istorie, citoate istoriile posibile. Pe msur ce vom cuta rspunsuri lantrebrile noastre, vom explica n detaliu abordarea luiFeynman i o vom folosi pentru a analiza ideea c nsuiuniversul nu are o singur istorie, i nici mcar o existenindependent. Pare o idee radical chiar i pentru muli

fizicieni. ntr-adevr, la fel ca multe alte noiuni din tiina deazi, i aceasta pare s contrazic bunul-sim. Dar bunul-sim

6


7/162

se ntemeiaz doar pe experiena cotidian, iar nu pe univers,aa cum ni-l dezvluie minunile tehnologiei, acelea care nepermit s privim adnc n interiorul atomului sau napoi n

timp ctre nceputurile universului.Pn la apariia fizicii moderne se credea c toat

cunoaterea lumii poate fi obinut prin observaie direct,c lucrurile sunt ceea ce par a fi, aa cum le percep simurilenoastre. Succesul spectaculos al fizicii moderne, bazat peidei precum cea a lui Feynman, care intr n contradicie cuexperiena cotidian, a artat c lucrurile nu stau aa.Perspectiva naiv asupra realitii nu e compatibil cu fizicamodern. Pentru a trata asemenea paradoxuri vom adopta oabordare pe care o numim realism dependent de model. Ease bazeaz pe ideea c informaiile provenind de la organelede sim sunt interpretate de creierul nostru prin crearea unuimodel al lumii. Atunci cnd modelul reuete s explice

evenimentele, avem tendina s considerm c modelul,mpreun cu elementele i conceptele care l alctuiesc,reprezint realitatea sau adevrul absolut. Pot exista nsdiferite ci de a modela aceeai situaie fizic, fiecare folosindelemente i concepte fundamental diferite. Dac douasemenea teorii sau modele fizice prezic aceleai evenimente,nu se poate spune c una e mai real dect alta, ci suntemliberi s folosim modelul care ne convine.n istoria tiinei am descoperit un ir de teorii i modele

tot mai bune, de la Platon la teoria clasic a lui Newton ipn la teoriile cuantice moderne. E firesc s ne ntrebm: vaajunge oare acest ir n cele din urm la un punct final, la oteorie ultim a universului, care s includ toate forele i s

prezic orice observaie care s-ar putea face, sau vomcontinua la nesfrit s gsim teorii tot mai bune, dar

7


8/162

niciuna care s nu poat fi apoi mbuntit? Nu avem ncun rspuns definitiv la aceast ntrebare, dar avem uncandidat pentru o teorie final, presupunnd c ea exist,

numit teoria M. Teoria M este singurul model care are toateproprietile pe care credem c ar trebui s le aib o teoriefinal, iar ea este teoria pe care se bazeaz cea mai mareparte a consideraiilor ce urmeaz.Teoria M nu e o teorie n sensul obinuit al cuvntului. Eaeste o ntreag familie de teorii diferite, fiecare dintre ele fiindo bun descriere a observaiilor doar dintr-un domeniu alsituaiilor fizice. Cam la fel stau lucrurile i cu o hart. Dupcum se tie, nu putem reprezenta ntreaga suprafa aPmntului pe o singur hart. Proiecia Mercator folosit nhri face ca suprafeele s apar din ce n ce mai mari sprenord sau spre sud, i nu acoper Polul Nord i Polul Sud.Pentru a cartografia fidel ntregul Pmnt, trebuie s folosim

o colecie de hri, fiecare acoperind o regiune limitat.Hrile se suprapun, iar n poriunile comune prezintacelai peisaj. La fel stau lucrurile i cu teoria M. Teoriile dinfamilia teoriei M pot prea foarte diferite, dar ele pot fi priviteca aspecte ale aceleiai teorii subiacente. Sunt versiuni aleteoriei aplicabile doar n domenii limitate de pild, atuncicnd unele cantiti, cum ar fi energia, sunt mici. La fel cahrile n proiecia Mercator care se suprapun, cnddomeniile diferitelor versiuni se suprapun, ele vor preziceaceleai fenomene. Dar, aa cum nu exist o hart plan cares fie o bun reprezentare a ntregii suprafee a Pmntului,nu exist o unic teorie care s fie o bun reprezentare aobservaiilor n toate situaiile.

Vom arta cum poate oferi teoria M rspunsuri laproblema creaiei. Conform teoriei M, universul nostru nu e

8


9/162

singurul univers. Teoria M prezice c nenumrate universuriau fost create din nimic. Crearea lor nu presupuneintervenia unei fiine supranaturale sau a unui zeu, ci

aceste universuri multiple apar n chip natural din legilefizicii, sunt predicii ale tiinei. Fiecare univers arenumeroase istorii posibile i numeroase stri posibile lamomente ulterioare, cum ar fi cel de fa, mult dup crearealui. Majoritatea acestor stri vor diferi semnificativ de cea auniversului pe care-l observm, i nu vor permite pesemnenicio form de via. Doar foarte puine vor fi potrivite pentruexistena unor fiine ca noi. Prezena noastr selecteaz prinurmare din aceast gam larg numai acele universuricompatibile cu existena noastr. Dei suntem mici inensemnai la scara cosmosului, ntr-un anume sensaceasta face din noi stpnii creaiei.Pentru a nelege universul la nivelul cel mai profund,

trebuie s tim nu numaicumse comport universul, dar ide ce.

De ce exist ceva mai degrab dect nimic?De ce existm?De ce acest set particular de legi, i nu altele?

Aceasta e ntrebarea Ultim privind Viaa, Universul i Totce Exist. Vom ncerca s dm un rspuns n aceast carte.Spre deosebire de rspunsul din Ghidul autostopistuluigalactic.,al nostru nu va fi 42.1

1The Hitchhikers Guide to the Galaxyeste titlul unui serial SF radiodifuzat deBBC (1978), adaptat apoi pentru televiziune i transformat n roman.

Apare aici o ras de fiine hiperinteligente care au construit un computerpentru a calcula rspunsurile la ntrebrile ultime privind viaa,

9


10/162

2.Domnia legii

Lupul Skoll va nspimntaLuna Zburnd spre Pdurea Durerii:Lupul Hati, neam cu Hridvitnir;Va porni n urmrirea Soarelui.

Grimnismal,Edda

n mitologia vikingilor, Skoll i Hati hituiesc Soarele iLuna. Cnd lupii l prind pe unul sau pe altul, are loc oeclips. Atunci cnd se ntmpl asta, oamenii de pe pmntfac ct mai mult zgomot ca s sperie lupii i s salveze Lunasau Soarele. Mituri asemntoare se ntlnesc i n alteculturi. Dup un timp, oamenii trebuie s fi observat c

Luna i Soarele apar din nou dup eclips, indiferent cttrboi au fcut. Ei trebuie s fi observat i c eclipsele nuau loc la ntmplare: ele se repet cu regularitate. Acesteregulariti au fost evidente mai cu seam pentru eclipsele deLun i au permis vechilor babilonieni s le prezic destul de

universul i tot ce exist. Atunci cnd rspunsul computerului a fost

42, s-a propus construirea unui computer mai puternic, proiectat sgseasc ntrebrile pentru acest rspuns. (N. t.).

10


11/162

exact, dei nu-i ddeau seama c Pmntul era acela careobtura lumina Soarelui. Eclipsele de Soare erau mai greu deprevzut, fiindc sunt vizibile doar n culoare cu o lime de

aproximativ 50 km. i totui, odat sesizate regularitile, adevenit limpede c eclipsele nu depindeau de capriciilearbitrare ale fiinelor supranaturale, ci erau guvernate delegi.n ciuda unor prime succese n prezicerea micrii

corpurilor cereti, cele mai multe evenimente din naturpreau imposibil de anticipat pentru strmoii notri.Erupiile vulcanice, cutremurele, furtunile, epidemiile,unghiile ncarnate, toate preau s apar fr vreo cauz sau

vreo regularitate vizibile. n timpurile de demult era firesc spui aciunile violente ale naturii pe seama unui ntregpanteon de diviniti rutcioase sau malefice. Calamitileerau privite adesea drept un semn c cineva i suprase pe

zei. De exemplu, pe la 5600 .Cr. a erupt vulcanul Mazamadin Oregon, iar vreme de mai muli ani au czut din cerpietre i cenu incandescent, pentru ca ploile ulterioare sumple craterul vulcanului, formnd ceea ce numim azi LaculCrater. Indienii Klamath din Oregon au o legend care sepotrivete foarte bine cu toate detaliile geologice aleevenimentului, dar i adaug un element dramatic, spunndc un om a provocat catastrofa. Obsesia culpabilitii i poateface mereu pe oameni s dea vina pe ei nii. Conformlegendei, Llao, stpnul Lumii de Jos, s-a ndrgostit defrumoasa fat a efului tribului Klamath. Ea l-a refuzat, iar,drept rzbunare, Llao a ncercat s distrug tribul prin foc.Din fericire, spune legenda, Skell, stpnul Lumii de Sus, s-a

ndurat de oameni i s-a luptat cu omologul lui din subteran.n cele din urm, rnit, Llao a czut pe muntele Mazama

11


12/162

fcnd s apar o groap uria, umplut apoi cu ap.Necunoaterea legilor naturii i-a condus n trecut pe

oameni s nscoceasc zei rspunztori de toate aspectele

vieii. Existau zei ai rzboiului i dragostei, ai Soarelui,Pmntului i cerului, ai oceanelor i fluviilor, ai ploii itunetelor, ba chiar i ai vulcanilor i ai cutremurelor. Daczeii erau mulumii, omenirea avea parte de vreme bun i depace, fiind ferit de dezastre naturale i boli. Dac sesuprau, apreau seceta, rzboiul, ciuma i epidemiile.Legtura dintre cauz i efect n natur nefiind vizibil, acetizei preau nvluii n mister, iar oamenii se aflau la mila lor.Dar, odat cu Thales din Milet (cca. 624 cca. 546 .Cr.),lucrurile au nceput s se schimbe. A ncolit ideea c naturaurmeaz principii coerente care ar putea fi descifrate. Aa anceput ndelungatul proces de nlocuire a ideii de domnie azeilor cu perspectiva unui univers guvernat de legi ale naturii

i creat conform unui plan pe care vom izbuti cndva s-lnelegem.Privit la scara istoriei omenirii, cercetarea tiinific e o

ndeletnicire foarte recent. Specia noastr,Homo sapiens, aaprut n Africa subsaharian acum vreo 200.000 de ani.Scrierea a fost inventat abia pe la 7000 .Cr., n societileaxate pe cultura cerealelor. (Unele dintre cele mai vechiinscripii se refer la raia zilnic de bere alocat fiecruicetean.) Cele mai vechi documente scrise ale marii civilizaiigreceti dateaz din secolul IX .Cr., dar ea i atinge apogeul,perioada clasic, cteva secole mai trziu, ncepnd de pela 500 .Cr. Conform lui Aristotel (384 322 .Cr.), cam pe-atunci a susinut Thales ideea c lumea poate fi neleas, c

fenomenele complexe din jurul nostru pot fi reduse laprincipii simple i explicate fr a recurge la mitologie sau

12


13/162

teologie.Despre Thales se spune c a fost primul care a prezis o

eclips solar, n 585 .Cr., dar marea precizie a acelei

predicii a fost probabil o chestiune de ans. El rmne ofigur obscur, care n-a lsat n urm vreo scriere. A tritntr-unul din centrele intelectuale ale regiunii numit Ionia,colonizat de greci i exercitnd o influen ce s-a ntins din

Turcia de azi pn n Italia. tiina ionian s-a orientat ctredescoperirea unor legi fundamentale care s explicefenomenele din natur, reprezentnd un moment de rscrucen istoria ideilor. Abordarea ei era una raional, iar n multecazuri a dus la concluzii surprinztor de asemntoare celorobinute astzi cu mijloace mult mai sofisticate. Ea areprezentat un nceput glorios, dar, cu trecerea secolelor, omare parte din tiina ionian a czut n uitare pentru a fiapoi redescoperit sau reinventat, n unele cazuri de mai

multe ori.Legenda spune c prima formulare matematic a ceea ce

am numi azi o lege a naturii a fost dat de un ionian penume Pitagora (cea 580 cea 490 .Cr.), vestit pentruteorema care i poart numele: ptratul ipotenuzei (latura ceamai lung) a unui triunghi dreptunghic este egal cu sumaptratelor celorlalte dou laturi. Se mai spune c Pitagora adescoperit relaia numeric dintre lungimea corzilor folositela instrumentele muzicale i combinaiile armonice alesunetelor. n limbajul de azi, am spune c frecvena uneicorzi ntinse numrul de vibraii pe secund este inversproporional cu lungimea corzii. n plan concret, astaexplic de ce chitara bas trebuie s aib corzile mai lungi

dect chitara obinuit. Probabil c descoperirea nu-iaparine lui Pitagora dup cum nici teorema care-i poart

13


14/162

numele n-a descoperit-o el , dar este evident c o relaientre lungimea corzii i nlimea sunetului era cunoscut pe

vremea lui. n acest caz, am putea considera acea formul

matematic simpl drept primul exemplu pentru ceea cenumim acum fizic teoretic.n afara legii lui Pitagora privind corzile, singurele legi ale

fizicii cunoscute corect de antici au fost trei legi ale luiArhimede (cea 287 cea 212 .Cr.), de departe cel maistrlucit fizician al Antichitii. n termenii de azi, legeaprghiilor arat c fore mici pot ridica greuti mari,deoarece prghia amplific fora cu un factor egal cu raportuldistanelor fa de punctul de sprijin al prghiei. Legeaplutirii afirm c orice obiect scufundat ntr-un fluid va fimpins n sus cu o for egal cu greutatea fluiduluidislocuit. Legea reflexiei spune c unghiul format de unfascicul luminos incident i o oglind este egal cu unghiul

dintre oglind i fasciculul reflectat. Arhimede nu le-a numitlegi, nici nu le-a explicat referindu-se la observaii imsurtori. El le-a tratat ca i cum ar fi fost pure teoremematematice, ntr-un sistem axiomatic foarte asemntor celuipe care l-a creat Euclid pentru geometrie.Pe msur ce se rspndea influena ionian, apreau alte

idei care spuneau c universul posed o ordine intern,ordine ce putea fi neleas prin observaie i raionament.

Anaximandru (cca. 610 cca. 546 .Cr.), prieten i pesemnediscipol al lui Thales, susinea c, din moment ce copiii suntneajutorai i neputincioi la natere, dac primul om care aaprut pe lume ar fi fost copil, el n-ar fi putut supravieui. nceea ce pare s fi fost prima trimitere la evoluie,

Anaximandru s-a gndit c oamenii trebuie s fi evoluat dinalte animale ai cror pui erau ceva mai robuti. n Sicilia,

14


15/162

Empedocle (cca. 490 cca. 430 .Cr.) a studiat un instrumentnumit ceas cu ap. Folosit i ca polonic, el const dintr-osfer cu gt deschis i mici guri la baz. Introdus n ap, se

va umple, iar, dac i se acoper gtul, sfera poate fi scoasfr ca apa din ea s curg prin guri. Empedocle a observatc, atunci cnd se acoper gtul nainte de imersiune, sferanu se umple. El a ajuns la concluzia c ceva invizibil trebuies mpiedice apa s intre n sfer prin guri adic adescoperit substana material pe care o numim aer.Cam n acelai timp, ntr-o colonie ionian din nordul

Greciei, Democrit (cca. 460 cca. 370 .Cr.) a meditat la ce sentmpl dac tai sau spargi un obiect n buci. El susineac procesul nu poate continua la nesfrit. A postulat ctotul, inclusiv fiinele vii, este alctuit din particulefundamentale care nu mai pot fi tiate sau sparte. El a numitaceste ultime particule atomi, de la adjectivul grecesc care

nseamn imposibil de tiat. Democrit credea c oricefenomen material e produsul ciocnirii atomilor. Dinperspectiva lui, numit atomism, toi atomii se mic prinspaiu, iar, dac nu sunt perturbai, se deplaseaz lanesfrit n linie dreapt. Astzi, aceast idee se numetelegea ineriei.Ideea revoluionar c suntem doar nite locuitori obinuii

ai universului, nu fiine privilegiate aflate n centrul lui, a fostpentru prima dat susinut de Aristarh (cca. 310 cca. 230.Cr.), unul dintre ultimii savani ionieni. A supravieuit doarunul dintre calculele sale, o complex analiz geometric aobservaiilor fcute de el asupra dimensiunii umbreiPmntului pe Lun n timpul unei eclipse lunare. Din datele

obinute a tras concluzia c Soarele trebuie s fie mult maimare dect Pmntul. Inspirat probabil de ideea c obiectele

15


16/162

mici trebuie s se roteasc n jurul celor mari, i nu invers, ela fost primul care a susinut c Pmntul nu e centrulsistemului nostru planetar, ci c, mpreun cu celelalte

planete, se rotete n jurul Soarelui. Mai era de fcut doar unmic pas de la ideea c Pmntul este doar una dintre planetepn la ideea c nici Soarele nostru nu are un statutprivilegiat. Aristarh bnuia c aa stau lucrurile i credea cstelele pe care le vedem pe cerul nopii nu sunt dect sorindeprtai.coala ionian a fost doar una dintre numeroasele coli de

filosofie greceti, cu orientri diferite, uneori contrare. Dinpcate, perspectiva ionian asupra naturii natura poate fiexplicat prin legi generale i redus la un set simplu deprincipii a exercitat o influen puternic doar vreme decteva secole. Unul dintre motive este acela c teoriile ionienepreau adesea s nu lase loc pentru noiunile de liber-arbitru

sau de scop, ori pentru ideea c zeii intervin n treburilelumii. Aceste omisiuni surprinztoare i-au tulburat profundpe muli gnditori greci, aa cum se ntmpl i cu mulioameni din zilele noastre. De exemplu, filosoful Epicur (341-270 .Cr.) s-a opus atomismului pe principiul c este mai

bine s te lai cluzit de miturile despre zei dect s deviisclavul destinului despre care vorbesc filosofii naturii.

Aristotel a respins de asemenea noiunea de atom, fiindc nuputea accepta faptul c oamenii sunt alctuii din obiectenensufleite. Ideea ionian c omul nu e centrul universuluia fost un moment de rscruce n nelegerea cosmosului, darea s-a pierdut i n-a mai fost reluat sau general acceptatpn la Galilei, aproape douzeci de secole mai trziu.

Cu toate c unele speculaii ale vechilor greci privindnatura au fost ptrunztoare, cele mai multe dintre ideile lor

16


17/162

nu sunt acceptabile tiinific n timpurile moderne, nti detoate, faptul c nu inventaser metoda tiinific a fcut caunele dintre teoriile lor s nu fi fost elaborate cu scopul de a

fi testate experimental. Astfel, dac un nvat pretindea cun atom se mic n linie dreapt pn se ciocnete de un aldoilea atom, iar alt nvat pretindea c se mic n liniedreapt pn se ciocnete de un ciclop, nu exista o caleobiectiv de a trana disputa. De asemenea, nu se fcea odeosebire net ntre legile fizicii i cele umane. n secolul V.Cr., de pild, Anaximandru scria c toate lucrurile provindintr-o substan primordial, iar apoi se ntorc la ea, cciele trebuie s dea socoteal unele altora pentru nedreptateafcut. Conform filosofului ionian Heraclit (cca. 535 cca.475 .Cr.), Soarele se comport aa cum o face fiindcaltminteri zeia dreptii l-ar dobor. Cteva sute de ani maitrziu stoicii, adepii unei coli greceti de filosofie aprut n

secolul III .Cr., fceau distincia ntre codurile de legi aleoamenilor i legile naturii, dar includeau acele reguli deconduit uman pe care le considerau universale ca

venerarea zeilor i supunerea fa de prini n categorialegilor naturii. Invers, ei prezentau adesea procese fizice ntermeni juridici, i credeau c e necesar aplicarea unorconstrngeri, chiar dac obiectele care trebuiau s sesupun erau nensufleite. Dac vi se pare c e greu s-ifaci pe oameni s respecte codul rutier, imaginai-v c vapucai s convingei un asteroid s se mite de-a lungulunei elipse.Aceast tradiie a continuat s-i influeneze pe gnditorinc multe veacuri. Filosoful cretin Toma de Aquino (cca.

12251274) a adoptat aceast perspectiv i a folosit-opentru a demonstra existena lui Dumnezeu: Este limpede

17


18/162

c [obiectele nensufleite] i ating scopul nu din ntmplare,ci n chip voit. [] Exist prin urmare o fiin inteligentgraie creia fiecare lucru din natur e rnduit pentru scopul

su. Chiar i n secolul XVI, marele astronom germanJohannes Kepler (15711630) credea c planetele aupercepii senzoriale i urmeaz contient legile de micare pecare le-au neles cu mintea lor.Ideea c legile naturii trebuie respectate n mod deliberat

reflect accentul pus de antici pe ntrebareade cenatura secomport aa cum se comport, iar nu pe ntrebareacumsecomport ea. Aristotel a fost unul dintre cei mai importaniexponeni ai acestei abordri, respingnd ideea de tiin

bazat n principal pe observaie. Msurtorile precise icalculele matematice erau oricum dificile n acele vremuri.Notaia zecimal a numerelor, pe care o gsim att decomod n aritmetic, dateaz abia de pe la anul 700, cnd

indienii au fcut primii pai pentru ca aceasta s devin uninstrument puternic. Simbolurile pentru plus sau minus nuau aprut pn n secolul XV. Nici semnul egal, nici ceasuricare s msoare secunda nu au existat pn n secolul XVI.Aristotel nu considera ns c problemele legate demsurtori i calcule erau piedici n dezvoltarea unei fizicicare s fac predicii cantitative, ci prea s nu aib nevoiede msurtori i calcule. Aristotel i-a cldit fizica peprincipii care l atrgeau la nivel pur intelectual. A eliminatfaptele care i displceau i i-a concentrat eforturile asupramotivelor pentru care lucrurile se ntmpl, investind relativpuin energie n prezentarea detaliat a ce anume sentmpl. Aristotel i-a ajustat concluziile doar atunci cnd

contradiciile flagrante cu observaia nu mai puteau fiignorate. Aceste ajustri erau adesea explicaii ad-hoc care

18


19/162

mai curnd ascundeau contradiciile. Astfel, orict de mult seabtea teoria sa de la realitate, el putea ntotdeauna s-omodifice suficient ct s par c a eliminat contradicia. De

exemplu, n teoria sa privind micarea, viteza cderii libere acorpurilor era proporional cu greutatea lor. Pentru aexplica faptul c aceste obiecte i sporesc viteza pe msurce cad, el a inventat un nou principiu corpurile acioneazmai vioi, i deci accelereaz, atunci cnd se apropie de locullor normal de repaus, un principiu care astzi ni se pare maipotrivit pentru descrierea comportamentului unor oamenidect pentru cel al obiectelor nensufleite. Dei teoriile lui

Aristotel aveau de cele mai multe ori o slab valoare depredicie, perspectiva sa asupra tiinei a dominat gndireaoccidental timp de aproape dou mii de ani.Continuatorii cretini ai grecilor au respins ideea c

universul e condus de legi naturale indiferente. Ei au respins

de asemenea ideea c oamenii nu ocup un loc privilegiat nunivers. Dei n Evul Mediu n-a aprut niciun sistem filosoficcoerent, tema comun a fost aceea c universul este jucrialui Dumnezeu, iar religia merit mult mai mult s fiestudiat dect fenomenele naturii. n 1277, Etienne Tempier,episcopul Parisului, a publicat la indicaia papei Ioan al XXI-lea o list cu 219 erori sau erezii care trebuiau condamnate.Printre erezii se afla i ideea c natura s-ar supune unor legi,deoarece asta ar intra n contradicie cu atotputernicia luiDumnezeu. E interesant de observat c papa Ioan a fost ucisde efectele legii gravitaiei cteva luni mai trziu, cndacoperiul palatului a czut peste el.Noiunea modern de lege a naturii a aprut n secolul

XVII. Kepler pare s fi fost primul om de tiin care a nelestermenul n sensul modern, dei, dup cum am mai spus, el

19


20/162

a pstrat o perspectiv animist asupra obiectelor fizice.Galilei (15641642) nu a folosit termenul de lege n cea maimare parte a lucrrilor sale tiinifice (dar el apare n unele

traduceri ale lor). Indiferent dac a folosit sau nu cuvntul,Galilei a dezvluit multe legi i a pledat pentru principiiimportante potrivit crora observaia este fundamentultiinei, iar scopul tiinei e s studieze relaiile cantitativedintre fenomenele fizice. Omul care a formulat ns primadat explicit i riguros conceptul de lege a naturii aa cum lnelegem astzi a fost Rene Descartes (1596-1650).Descartes credea c toate fenomenele fizice trebuie

explicate prin ciocnirile maselor n micare, guvernate de treilegi precursoarele faimoaselor legi ale micrii formulate deNewton. El susinea c aceste legi sunt valabile pretutindenii oricnd, i afirma explicit c respectarea lor nu implicfaptul c acele corpuri n micare ar fi nsufleite. Descartes a

neles de asemenea importana a ceea ce noi numim astzicondiii iniiale. Acestea descriu starea unui sistem asupracruia cutm s facem predicii la nceputul intervalului detimp considerat. Cu un set dat de condiii iniiale, legilenaturii determin evoluia n timp a unui sistem, dar, fr unset de condiii iniiale, evoluia nu poate fi precizat. Dac, deexemplu, la momentul zero un porumbel las s cad ceva fixdeasupra noastr, traiectoria acestui obiect n cdere estedeterminat de legile lui Newton. Rezultatul va fi cu totuldiferit dac la momentul zero porumbelul st linitit pe uncablu telefonic sau dac zboar cu 30 de kilometri pe or.Pentru a aplica legile fizicii trebuie s cunoatem cum anceput sistemul, sau cel puin care a fost starea sa la un

moment dat. (Putem folosi legile i pentru a urmri evoluiasistemului napoi n timp.)

20


21/162

Odat cu rennoirea credinei n existena legilor naturii auvenit i ncercrile de reconciliere a acestor legi cu noiuneade Dumnezeu. Conform lui Descartes, Dumnezeu ar putea

modifica dup dorina lui adevrul sau falsitatea unorafirmaii care in de etic sau ale unor teoreme matematice,dar nu i natura. El credea c Dumnezeu a binecuvntatlegile naturii, dar nu le-a putut alege, ci le-a impus pentru clegile pe care le cunoatem sunt singurele posibile. Aceastaprea s nsemne o tirbire a autoritii lui Dumnezeu, nsDescartes s-a eschivat spunnd c legile sunt de neschimbatfiindc reflect natura intrinsec a lui Dumnezeu. Dac ar fiadevrat, ne-am putea gndi c Dumnezeu a avut de ales nmomentul creaiei ntre mai multe lumi, fiecarecorespunznd unui set diferit de condiii iniiale, darDescartes nega i aceast posibilitate. Indiferent care a fostdispunerea materiei la nceputul universului, susinea el, n

timp ar fi aprut oricum o lume identic cu a noastr. Maimult, dup ce Dumnezeu a iniiat lumea, a lsat-o completsingur.O poziie asemntoare (cu unele excepii) a fost adoptat

i de Isaac Newton (1643-1727). Newton este cel considerat ngeneral printele conceptului modern de lege tiinific, princele trei legi ale micrii i prin legea gravitaiei, care explicorbitele Pmntului, Lunii i planetelor, precum i fenomenecum sunt mareele. Cele cteva ecuaii ale sale, i cadrulmatematic complex pe care l-am dedus de atunci din acestea,se nva i astzi i sunt folosite ori de cte ori un arhitectproiecteaz o cldire, un inginer proiecteaz o main sau unfizician calculeaz traiectoria unei rachete destinate s

ajung pe Marte. Dup cum spunea poetul Alexander Pope:

21


22/162

Natura i legile Naturii zceau ascunse n bezn:Dumnezeu a spusS fie Newton!i s-a fcut lumin.

Astzi, majoritatea oamenilor de tiin ar spune c o legea naturii este o regul care se bazeaz pe o regularitateobservat i ofer predicii care merg dincolo de situaiilenemijlocite pe care se bazeaz. De pild, am putea sobservm c Soarele rsare la est n fiecare diminea i spostulm legea Soarele rsare ntotdeauna la est. Aceasta eo generalizare care merge dincolo de observaiile noastrelimitate privind rsritul Soarelui, i face predicii testabileasupra viitorului. Pe de alt parte, o afirmaie de genul Toatecomputerele din acest departament sunt negre nu este o legea naturii, fiindc se refer numai la computerele dintr-undepartament i nu face predicii de genul Dacdepartamentul meu va cumpra un computer nou, acesta va

fi negru.Semnificaia pe care o dm termenului de lege a naturii e

subiectul unei dezbateri aprinse ntre filosofi i e o problemmai subtil dect pare la prima vedere. De pild, filosoful

John W. Carroll a comparat propoziia Toate sferele de aurau un diametru mai mic de un kilometru cu propoziiaToate sferele de uraniu-235 au un diametru mai mic de unkilometru. Observaiile pe care le facem asupra lumii nespun c nu exist o sfer de aur mai mare de un kilometru,i putem fi aproape siguri c nici nu se va gsi vreodat.

Totui, nu avem vreun motiv s credem c o asemenea sfern-ar putea exista, iar astfel aceast propoziie nu econsiderat o lege. Pe de alt parte, propoziia Toate sferele

de uraniu-235 au un diametru mai mic de un kilometrupoate fi considerat o lege a naturii, deoarece conform celor

22


23/162

cunoscute din fizica nuclear, dac o sfer de uraniu-235ajunge la un diametru mai mare de 15 cm, ea se distruge pesine nsi printr-o explozie nuclear. Suntem aadar siguri

c o asemenea sfer nu exist. (i n-ar fi o idee bun sncerci s faci una!) Aceast deosebire e semnificativ,deoarece arat c nu toate generalizrile noastre pot ficonsiderate legi ale naturii i c cele mai multe legi alenaturii aparin unui sistem mai vast de legi interconectate.n tiina modern legile naturii sunt de regul exprimate

matematic. Ele pot fi exacte sau aproximative, dar trebuie sse aplice fr excepie dac nu n mod universal, cel puinn cadrul unui set de condiii precizat. De pild, tim c legilelui Newton trebuie modificate dac obiectele se deplaseaz cu

viteze apropiate de viteza luminii. Cu toate acestea,considerm c legile lui Newton rmn n continuare legi,deoarece sunt valabile cu o foarte bun aproximaie n

condiiile lumii obinuite, unde vitezele cu care avem de-aface sunt foarte departe de viteza luminii.Dac natura e guvernat de legi, se pun trei ntrebri:

1. Care este originea legilor?2. Exist excepii de la legi, de pild miracole?3. Exist un singur set de legi posibile?

Aceste ntrebri importante au fost puse n diferite moduride oameni de tiin, filosofi i teologi. Rspunsul tradiionalla prima ntrebare rspunsul lui Kepler, Galilei, Descartesi Newton a fost c legile sunt creaia lui Dumnezeu.Rspunsul ns nu e dect o definiie a lui Dumnezeu ca

ntruchipare a legilor naturii. Dac nu-l nzestrm peDumnezeu i cu alte nsuiri, de pild aceea de a fi

23


24/162

Dumnezeul Vechiului Testament, apelul la Dumnezeu nrspunsul la prima ntrebare nu face dect s nlocuiasc unmister cu altul. Astfel, dac l implicm pe Dumnezeu n

rspunsul la prima ntrebare, adevrata problem apare la adoua ntrebare: Exist miracole, excepii de la legi?Opiniile legate de rspunsul la a doua ntrebare difer

mult. Platon i Aristotel, cei mai influeni gnditori ai Grecieiantice, au susinut c nu pot exista excepii de la legi. Dinperspectiv biblic ns, Dumnezeu nu numai c a creatlegile, dar poate fi rugat i s fac excepii s-i vindece pe

bolnavii incurabili, s curme prematur seceta sau sreintroduc crichetul ntre disciplinele olimpice. Spredeosebire de Descartes, aproape toi gnditorii cretinisusineau c Dumnezeu trebuie s poat suspenda legilepentru a nfptui miracole. Pn i Newton credea ntr-un felde miracole. El se gndea c orbitele planetelor sunt instabile

din cauza atraciei gravitaionale dintre planete, iar caceasta ar produce perturbaii asupra orbitelor, care cutimpul ar face ca planetele fie s cad pe Soare, fie sprseasc sistemul solar. Dumnezeu trebuie srestabileasc orbitele, credea el, sau s ntoarc ceasulceresc, ca nu cumva acesta s se opreasc. Pierre-Simon,marchiz de Laplace (17491827), cunoscut ndeobte caLaplace, a susinut ns c perturbaiile ar trebui s fieperiodice, caracterizate deci prin cicluri repetate, iar nucumulative. Sistemul solar s-ar restabili astfel singur i n-armai fi nevoie de intervenia divin pentru a explica de ce asupravieuit pn n zilele noastre.Se consider c Laplace a fost primul care a postulat clar

determinismul tiinific: dat fiind starea universului la unmoment dat, un set complet de legi determin n ntregime

24


25/162

att viitorul, ct i trecutul. Aceasta ar exclude posibilitateamiracolelor sau un rol activ al divinitii. Determinismultiinific formulat de Laplace este rspunsul omului de tiin

modern la cea de-a doua ntrebare. Acest principiu este, defapt, baza ntregii tiine moderne i va juca un rol importantn aceast carte. Dac o lege tiinific ar aciona doar atuncicnd o fiin supranatural se hotrte s nu intervin,atunci n-ar mai fi o lege tiinific. Se spune c, aflnd asta,Napoleon l-ar fi ntrebat pe Laplace care e locul luiDumnezeu n acest cadru. Laplace ar fi rspuns: Sire, nuam nevoie de aceast ipotez.Deoarece oamenii triesc n univers i interacioneaz cu

celelalte obiecte din el, determinismul tiinific trebuie sfuncioneze i n privina oamenilor. Dar, dei accept cdeterminismul tiinific guverneaz procesele fizice, muli arface o excepie pentru comportamentul uman, deoarece ei

cred c avem liber-arbitru. Descartes, de exemplu, pentru apstra ideea liberului-arbitru, spunea c mintea omeneascse deosebete de lumea fizic i nu urmeaz legile ei. Pentruel, un om era alctuit din dou pri: un corp i un suflet.Corpurile nu sunt dect mecanisme obinuite, dar sufletulnu se supune legilor tiinei. Descartes era foarte preocupatde anatomie i fiziologie, i credea c un mic organ dincentrul creierului numit glanda pineal este principalul sediual sufletului. Aceast gland ar fi, potrivit lui Descarte, loculunde se formeaz toate gndurile noastre, izvorul nesecat alliberului-arbitru.Au oare oamenii liber-arbitru? Dac l avem, unde anumen arborele evoluiei a aprut el? Algele albastre-verzi sau

bacteriile au liber-arbitru, ori comportamentul lor e automati conform legilor tiinei? Oare doar organismele

25


26/162

pluricelulare au liber-arbitru, sau numai mamiferele? Ne-amputea nchipui c un cimpanzeu i exercit liberul-arbitruatunci cnd alege s nfulece o banan sau o pisic atunci

cnd zgrie canapeaua, dar ce putem spune despre unvierme cilindric, numitCaenorhabditis elegans o fiinsimpl, alctuit din doar 959 de celule? Probabil c el nugndete niciodat Ce gustoas a fost bacteria pe caretocmai am mncat-o, dei are i el preferine alimentare, ifie va accepta un prnz prea puin ispititor, fie va cuta cevamai bun, n funcie de experiena sa recent. Reprezint oareaceasta exercitarea liberului-arbitru?Dei credem c putem alege ce s facem, studiul bazelor

moleculare ale biologiei ne arat c procesele biologice suntguvernate de legi ale fizicii i chimiei, fiind deci determinaten aceeai msur ca orbitele planetelor. Experimenteneurologice recente vin n sprijinul ideii c aciunile noastre

sunt determinate de creierul nostru fizic, care se supunelegilor cunoscute ale tiinei, iar nu de vreun agent care sesustrage acestor legi. De exemplu, un studiu asuprapacienilor care sunt operai pe creier fr anestezie generala artat c, prin stimularea electric a anumitor zone,pacientului i poate fi indus dorina de a mica o mn, un

bra ori un picior, sau dorina de a mica buzele i a vorbi.Este greu de nchipuit cum ar putea aciona liberul-arbitrucnd comportamentul nostru e determinat de legi fizice, aanct s-ar prea c nu suntem dect nite mecanisme

biologice, iar liberul-arbitru e doar o iluzie.Admind c legile naturii guverneaz comportamentuluman, pare rezonabil de asemenea s tragem concluzia c

rezultatul e determinat ntr-un mod att de complicat i areatt de multe variabile, nct n practic este imposibil de

26


27/162

prezis. Pentru a-l prezice, ar trebui s cunoatem stareainiial a fiecreia dintre cele o mie de bilioane de bilioane demolecule din corpul uman i s rezolvm un numr similar

de ecuaii. Aceste calcule ar dura cteva miliarde de ani, iarrezultatul ar sosi cam trziu pentru ca acela asupra cruiapornete o lovitur s mai aib vreme s se fereasc.Fiind att de nepotrivit s folosim legile fizicii pentru a

prezice comportamentul uman, adoptm ceea ce se numeteo teorie eficient. n fizic, o teorie eficient este un cadrucreat pentru modelarea unor fenomene observate, fr sdescriem n detaliu toate procesele subiacente. De exemplu,nu putem rezolva exact ecuaiile care guverneaz interaciilegravitaionale ale fiecrui atom din corpul unui om cu fiecareatom de pe Pmnt. Pentru scopurile practice ns, forelegravitaionale dintre un om i Pmnt pot fi descrise prindoar cteva numere, cum e masa total a acelui om. La fel,

nu putem rezolva ecuaiile ce descriu comportamentul unoratomi compleci sau al unor molecule, dar putem elabora oteorie eficient numit chimie, care ne furnizeaz o explicaieacceptabil privind comportamentul atomilor i moleculelorn reaciile chimice, fr a calcula toate detaliile interaciilor.n cazul oamenilor, deoarece nu putem rezolva ecuaiile carene determin comportamentul, folosim teoria eficient aliberului-arbitru. Studiul nclinaiilor noastre i alcomportamentului ce deriv din ele este tiina psihologiei.tiina economic e de asemenea o teorie eficient, bazat penoiunea de liber-arbitru i pe presupunerea c oamenii ievalueaz diversele opiuni i o aleg pe cea mai bun. Aceastteorie eficient are ns o capacitate limitat de a prezice

comportamentul, deoarece, aa cum bine tim, hotrrilenoastre sunt adesea iraionale sau se bazeaz pe o analiz

27


28/162

incorect a consecinelor alegerii. De aceea n lume e attadezordine.Cea de-a treia ntrebare atac problema unicitii legilor

care determin deopotriv universul i comportamentuluman. Dac rspunsul vostru la prima ntrebare este acelac Dumnezeu a creat legile, atunci problema care se puneeste dac Dumnezeu a avut posibilitatea s le aleag.

Aristotel i Platon, iar mai trziu i Descartes i Einsteincredeau c principiile naturii exist n chip necesar, altfelspus, pentru c sunt singurele reguli care au sens logic.Datorit credinei c legile naturii i au originea n logic,

Aristotel i urmaii si considerau c legile pot fi dedusefr a acorda prea mult atenie comportamentului naturii.

Aceasta, precum i faptul c se ntreba mai curnd de ceobiectele se supun legilor dect cum arat legile, l-a conduspe Aristotel la legi mai degrab calitative, adesea greite, care

oricum nu s-au dovedit prea utile, chiar dac au dominatgndirea tiinific timp de secole. Abia mult mai trziuoameni precum Galilei au ndrznit s conteste autoritatealui Aristotel i s observe ce anume face natura, iar nu ce nespune raiunea pur c ar trebui ea s fac.Aceasta carte se ntemeiaz pe conceptul de determinismtiinific, din care rezult c rspunsul la ntrebarea a douaeste c nu exist miracole sau excepii de la legile naturii. Ne

vom ntoarce la prima i la a treia ntrebare, cele legate deoriginea legilor i de unicitatea lor, pentru a le analiza nprofunzime. Mai nti ns, n capitolul urmtor, vom vedeace anume descriu legile naturii. Majoritatea oamenilor detiin ar spune c ele sunt reflectarea matematic a unei

realiti exterioare ce exist independent de observatorul careo vede. Dar, cnd analizm mai atent felul n care ne facem

28


29/162

observaiile i ne construim concepte despre ceea ce nenconjoar, ajungem s ne ntrebm dac avem motiventemeiate s credem c exist o realitate obiectiv.

29


30/162

3.Ce este realitatea?

Acum civa ani, consiliul municipal din Monza, Italia, ainterzis inerea petiorilor n acvarii de form sferic.Iniiatorul msurii a explicat interdicia spunnd c e ocruzime s ii petii ntr-un vas cu perei curbai, deoarece aravea o perspectiv distorsionat asupra realitii. De unde

tim ns care este adevrata, nedistorsionata imagine arealitii? Nu cumva ne aflm i noi nine ntr-un imensacvariu sferic, iar perspectiva noastr e distorsionat de olentil uria? Imaginea pe care i-o fac petiorii desprerealitate e diferit de a noastr, dar de unde tim c e maipuin real?Imaginea petiorilor nu e aceeai cu a noastr, dar i ei ar

putea formula legi tiinifice care s guverneze micareaobiectelor pe care le observ n afara bolului. De pild, dincauza distorsiunii, un obiect care se mic liber, pe care noi l

vedem deplasndu-se n linie dreapt, va avea, pentrupetiori, o traiectorie curb. Cu toate acestea, petiorii arputea formula legi tiinifice n sistemul lor de referin

distorsionat, legi care ar fi mereu valabile i pe baza crora arputea face predicii despre micarea viitoare a obiectelor din

30


31/162

afara bolului. Legile lor ar fi mai complicate dect legile dinsistemul nostru de referin, dar simplitatea e o chestiune degust. Dac un petior ar formula o asemenea teorie, ar

trebui s acceptm c perspectiva lui e o reprezentarevalabil a realitii.

Un exemplu celebru de reprezentare diferit a realitii estemodelul propus pe la anul 150 de Ptolemeu (cca. 85 cca.165) pentru a descrie micarea corpurilor cereti. Ptolemeui-a publicat ideile ntr-un tratat coninnd 13 cri,cunoscut mai ales sub numele su arab,Almagest. Acestancepe prin a explica motivele de a crede c Pmntul esferic, nemicat, se afl n centrul universului i e neglijabilde mic n raport cu distana pn la cer. n ciuda modeluluiheliocentric al lui Aristarh, asemenea credine fusesermprtite de cei mai nvai dintre greci, cel puin n epocade dup Aristotel, care credea din motive mistice c Pmntul

trebuie s se afle n centrul universului. n modelul ptolemeicPmntul e situat n centru, iar planetele i stelele se micn jurul lui pe orbite complicate care implic epicicluri, canite roi fixate pe alte roi.Modelul pare firesc, fiindc nu simim c Pmntul se

mic sub picioarele noastre (cu excepia cutremurelor sau amomentelor pasionale). Sistemul de nvmnt european demai trziu s-a bazat pe surse greceti, aa nct ideile lui

Aristotel i ale lui Ptolemeu au devenit n bun msurfundamentul gndirii occidentale. Modelul cosmic al luiPtolemeu a fost adoptat de Biserica Catolic i consideratdoctrin oficial timp de 14 secole. Abia n 1543 Copernic apropus un model alternativ n lucrareaDe revolutionibus

orbium coelestium(Despre micrile de revoluie ale corpurilorcereti),publicat abia n anul morii sale (dei lucrase la

31


32/162

teoria sa cteva decenii).La fel ca Aristarh cu 17 secole mai devreme, Copernic a

prezentat o lume n care Soarele e n repaus, iar planetele se

rotesc n jurul su pe orbite circulare. Dei ideea nu eranou, resuscitarea ei a fost ntmpinat cu o rezistennverunat. Se considera c modelul intr n contradicie cuBiblia, care era interpretat ca i cum ar spune c planetelese mic n jurul Pmntului, dei n Biblie nu semenioneaz clar aa ceva. De fapt, la vremea cnd a fostscris Biblia se credea c Pmntul e plat. Modelulcopernican a condus la dezbateri furibunde privind micareasau nemicarea Pmntului, culminnd cu procesul luiGalilei, care a fost acuzat de erezie n 1633 pentru c asusinut modelul copernican i pentru c credea c poate fisusinut i considerat probabil corect o opinie care a fostdeclarat contrar Sfintei Scripturi. A fost gsit vinovat,

condamnat la domiciliu forat pentru tot restul vieii iobligat s abjure. Se spune c ar fi optit Eppur si muoveadic i totui se mic. n 1992, Biserica Romano-Catolica recunoscut c svrise o greeal condamnndu-l peGalilei.Aadar, care este cel adevrat, sistemul ptolemeic sau celcopernican? Dei se consider c acela care a demonstratfalsitatea sistemului lui Ptolemeu a fost Copernic, lucrurilenu stau aa. Ca i n cazul relaiei dintre vederea normal icea a petiorului din acvariu, se poate folosi oricare dintreperspective ca model al universului, pentru c observaiileastronomice pot fi explicate considernd c se afl n repausfie Pmntul, fie Soarele. n ciuda rolului su n dezbaterile

filosofice privind natura universului, avantajul real alsistemului copernican este acela c ecuaiile de micare sunt

32


33/162

mult mai simple n sistemul de referin n care Soarele seafl n repaus.Un alt tip de realitate alternativ apare n filmul SFMatrix,

n care omenirea triete fr s tie ntr-o realitate virtualsimulat, creat de computere inteligente spre a o meninempcat i mulumit, n timp ce computerele i absorbenergia bioelectric (indiferent ce este aceea). Poate c nu e oexagerare, deoarece muli prefer s-i omoare timpul nrealitatea simulat a unor site-uri gen Second Life. De undetim c nu suntem cu adevrat personaje ntr-o telenovelcreat de calculator? Dac am tri ntr-o lume artificialimaginar, atunci evenimentele n-ar trebui s aib neapratlogic sau coeren i s asculte de legi. Extrateretrii carecontroleaz totul ar putea gsi c e mai interesant sau maiamuzant s ne vad reaciile dac, de pild, Luna s-ar rupen dou sau dac ntreaga omenire ar fi cuprins de o poft

irepresibil pentru prjiturile cu crem de banane. Dar, dacextrateretrii ar impune ntr-adevr legi coerente, ne-ar fiimposibil s ne dm seama c exist o alt realitate nspatele celei simulate. Am putea, desigur, numi lumea n caretriesc extrateretrii real, iar pe cea sintetic fals. Dar,dac la fel ca noi fiinele din lumea simulat nu-i potprivi universul din afar, ele n-ar avea niciun motiv s sendoiasc de propria lor imagine asupra realitii. Aceasta e o

versiune modern a ideii c suntem cu toii plsmuiri alevisului cuiva.

Exemplele precedente ne conduc la o concluzie care va fiimportant n aceast carte:Nu exist nicio noiune derealitate independent de imagine sau de teorie. Vom adopta o

perspectiv pe care o vom numi realism dependent de model:ideea c o teorie fizic sau o imagine a lumii este un model

33


34/162

(n general de natur matematic) i un set de reguli ce leagelementele modelului de observaii. Acesta ne ofer cadrulpentru interpretarea tiinei moderne.

Da la Platon ncoace, filosofii au dezbtut ndelungproblema naturii realitii. tiina clasic se ntemeiaz pecredina c exist o lume exterioar real ale crei proprietisunt bine definite i independente de observatorul care lepercepe. Conform tiinei clasice, exist anumite obiecte careau proprieti fizice precum masa i viteza, cu valori binedefinite. Din aceast perspectiv, teoriile noastre suntncercri de a descrie acele obiecte i proprietile lor, iarmsurtorile i percepiile noastre sunt n acord cu ele. Attobservatorul, ct i obiectul observat sunt pri ale unei lumiavnd o existen obiectiv, iar ntre ei nu se pot facedistincii semnificative. Cu alte cuvinte, dac vezi o turm dezebre care se nghesuie ntr-un garaj, atunci nseamn c

exist ntr-adevr o turm de zebre care se nghesuie ntr-ungaraj. Toi ceilali observatori care privesc vor msuraaceleai proprieti, iar turma va avea acele proprietiindiferent dac e sau nu cineva care s-o priveasc. nfilosofie, aceast perspectiv se numete realism.Chiar dac realismul poate fi un punct de vedere tentant,

vom vedea mai trziu c ceea ce tim despre fizica modern lface greu de aprat. De exemplu, conform principiilor fiziciicuantice, care e o descriere precis a naturii, o particul nupoate avea simultan att poziia, ct i viteza bine definite,atunci cnd sunt msurate de un observator. Aadar,nuecorect s spunem c o msurtoare d un anumit rezultatdeoarece cantitatea msurat a avut acea valoare la

momentul cnd s-a fcut msurtoarea. De fapt, n unelecazuri obiectele individuale nici mcar nu au o existen

34


35/162

independent, ci exist doar ca parte a unui ansamblu demai multe obiecte. i, dac teoria numit principiulholografic se va dovedi corect, atunci noi i lumea noastr n

patru dimensiuni am putea fi umbre pe frontiera unuispaiu-timp mai vast, cu cinci dimensiuni. n acest caz,statutul nostru n univers ar semna cu acela al petioruluidin acvariu.Realitii intransigeni susin deseori c dovada faptului c

anumite teorii tiinifice reprezint realitatea e dat desuccesul lor. Dar acelai fenomen poate fi descris cu succesde teorii diferite, folosind cadre conceptuale diferite. De fapt,multe teorii tiinifice care s-au dovedit de succes au fostulterior nlocuite cu altele, de asemenea de succes, bazate peidei cu totul noi privind realitatea.n mod tradiional, aceia care nu accept realismul au fost

numii antirealiti. Antirealitii pornesc de la presupunerea

c exist o deosebire ntre cunoaterea empiric i ceateoretic. Ei susin n general c observaia i experimentulau sens deplin, iar teoriile nu sunt dect instrumente utilecare nu conin adevruri mai profunde aflate n spatelefenomenelor observate. Unii antirealiti au vrut s limitezetiina doar la lucrurile ce pot fi observate. Din acest motiv,n secolul XIX muli au respins ideea de atom pe bazafaptului c nu vom putea vedea niciodat vreunul. GeorgeBerkeley (16851753) a mers pn la a spune c nu existnimic n afara minii i ideilor noastre. Atunci cnd unprieten i-a spus scriitorului i lexicografidui englez Samuel

Johnson (17091784) c afirmaia lui Berkley nu poate firespins, se spune c Johnson i-ar fi rspuns ducndu-se la

o piatr mare, lovind-o cu piciorul i declarnd: Uite c oresping. Evident, durerea resimit la picior era de asemenea

35


36/162

doar o idee a minii sale, aadar Johnson n-a respins cuadevrat ideile lui Berkley. Aciunea lui ilustra nsperspectiva filosofului David Hume (17171776), care spunea

c, dei nu avem temeiuri raionale de a crede ntr-o realitateobiectiv, nu avem nici vreo alt soluie dect s acionm cai cum ar exista o realitate obiectiv.Realismul dependent de model scurtcircuiteaz toate

aceste raionamente i dispute ntre colile de gndire realisti antirealist. Conform realismului dependent de model, n-are sens s te ntrebi dac un model e real doar pe bazaacordului n care se afl cu observaiile. Dac exist doumodele, ambele n acord cu observaiile, ca n cazulreprezentrii noastre i a petiorului din acvariu, nu sepoate spune c unul e mai real dect cellalt. Putem folosiorice model care ni se pare mai potrivit n situaiaconsiderat. De exemplu, pentru cineva aflat n bol imaginea

petiorului ar putea fi folositoare, dar pentru cei din exteriorar fi deosebit de incomod s descrie evenimentele dintr-ogalaxie ndeprtat n sistemul de referin al unui bol de pePmnt, mai ales c bolul se mic atunci cnd Pmntul serotete n jurul Soarelui i se nvrte n jurul axei proprii.Crem modele n tiin, dar i n viaa de fiecare zi.

Realismul dependent de model se aplic nu doar modelelortiinifice, dar i modelelor mentale pe care ni le crem cutoii, la nivel contient sau subcontient, pentru a interpretai nelege lumea de zi cu zi. Nu putem elimina observatorul noi nine din percepia noastr asupra lumii, percepieobinut prin procesarea senzorial i prin modul n caregndim i raionm. Percepia noastr deci i observaiile

pe care se ntemeiaz teoriile noastre nu este direct, ci eajustat de un fel de lentile, structura interpretativ a

36


37/162

creierului uman.Realismul dependent de model corespunde modului n care

percepem obiectele. Atunci cnd vedem, creierul nostru

primete o serie de semnale prin nervul optic. Aceste semnalenu constituie genul de imagine pe care ai accepta-o latelevizor. Exist o pat oarb n locul unde nervul opticajunge la retin, iar singura parte a cmpului vizual n carerezoluia e bun este o zon ngust reprezentndaproximativ un grad de unghi vizual pornind din centrulretinei, adic o suprafa corespunznd dimensiuniidegetului mare atunci cnd inem braul ntins. Astfel, datele

brute trimise la creier sunt ca o fotografie cu puini pixeli iavnd o gaur n ea. Din fericire, creierul uman proceseazdatele primite, combinnd imput-ul provenit de la ambii ochi,completnd golurile pornind de la presupunerea cproprietile vizuale ale zonelor nvecinate sunt

asemntoare, i apoi interpolnd. Mai mult, el citete omatrice bidimensional de date sosite de la retin i creeazde aici senzaia de spaiu tridimensional. Cu alte cuvinte,creierul construiete o imagine mental sau un model.Creierul construiete att de bine modele, nct, dac unui

om i se d s poarte ochelari care rstoarn imaginile cususul n jos, dup un timp creierul schimb modelul, aanct omul va vedea lucrurile din nou n poziia normal.Dac i se scot acei ochelari, omul va vedea pentru scurt timplumea rsturnat, dup care se va adapta din nou. Aceastaarat c, atunci cnd spui vd un scaun, asta nseamn cai folosit lumina mprtiat de scaun pentru a construi oimagine mental sau un model al scaunului. Dac modelul e

rsturnat, cu puin noroc creierul va face corecia nainte sncerci s te aezi pe scaun.

37


38/162

Alt problem pe care o rezolv realismul dependent demodel, sau cel puin o evit, este cea a semnificaieiexistenei. De unde tiu c o mas nc exist, dac eu am

ieit din camer i n-o vd? Ce nseamn s spui c existlucrurile pe care nu le putem vedea, precum electronii saucuarcii particulele din care se spune c sunt alctuiiprotonii i neutronii? Am putea avea un model n care masas dispar cnd ies din camer i s reapar n aceeaipoziie atunci cnd m ntorc, dar ar fi greu de conceput. S-ar putea ntmpla ceva dup ce ies din camer, de pild scad tavanul. Dar atunci, acceptnd modelul masa disparecnd ies din camer, cum a putea explica faptul c atuncicnd intru din nou gsesc masa spart sub molozultavanului? Modelul n care masa st la locul ei este maisimplu i e n acord cu observaiile noastre. Asta e tot ceputem cere.

n cazul particulelor subatomice pe care nu le putemvedea, electronii sunt un model util care explic observaiiprecum urmele ntr-o camer cu cea i petele de lumin depe tubul catodic al televizorului, dar i multe alte fenomene.Se tie c electronul a fost descoperit n 1897 de fizicianul

britanic J.J. Thomson la Laboratorul Cavendish de laUniversitatea Cambridge. El fcea experiene legate decurenii electrici din interiorul unor tuburi de sticl goale,ceea ce numim azi raze catodice. Experimentele l-au condusla concluzia ndrznea c acele raze misterioase suntalctuite din corpusculi foarte mici, constituienii materialiai atomilor atomii fiind pe atunci considerai elementelefundamentale i indivizibile ale materiei. Thomson nu a

vzut vreun electron, iar experimentele fcute de el n-audemonstrat direct i fr echivoc ipoteza sa. Dar modelul s-a

38


39/162

dovedit esenial att n tiina fundamental, ct i ninginerie, iar astzi toi fizicienii cred n existena electronilor,dei nu-i putem vedea.

Cuarcii, pe care de asemenea nu-i putem vedea, sunt unmodel care explic proprietile protonilor i neutronilor dinnucleul unui atom. Dei se consider c protonii i neutroniisunt alctuii din cuarci, nu vom putea observa niciodat uncuarc, fiindc fora de legtur dintre cuarci crete enorm pemsur ce ncercm s-i separm, deci nu pot exista cuarciliberi n natur. Ei apar ntotdeauna n grupuri de trei (nprotoni i neutroni) sau n perechi cuarc-anti-cuarc (nmezonii pi), i se comport ca i cum ar fi legai cu elastic.Din moment ce nu putem niciodat izola un cuarc,

ntrebarea dac are sens s spunem c exist ntr-adevrcuarcii a fost aprig dezbtut n anii de dup apariia acestuimodel. Ideea c unele particule sunt alctuite din diverse

combinaii a cteva particule subnucleare implic unprincipiu de organizare ce a condus la o explicaie simpl iatrgtoare a proprietilor lor. ns, dei fizicienii erauobinuii s accepte particule a cror existen era dedusdin scurte semnale statistice n datele de mprtiere ale altorparticule, ideea de a atribui realitate unei particule care arputea fi n principiu neobservabil a fost prea de tot pentrumuli fizicieni. Totui, n timp, pe msur ce modelulcuarcilor conducea la predicii tot mai precis confirmate,opoziia a slbit. E fr ndoial posibil ca nite extrateretricu aptesprezece brae, ochi n infrarou i avnd obiceiul dea sufla smntn prin urechi s efectueze aceleaiexperimente ca noi, dar s le explice fr ajutorul cuarcilor.

Cu toate acestea, conform realismului dependent de model,cuarcii exist ntr-un model care este n acord cu observaiile

39


40/162

noastre privind comportamentul particulelor subatomice.Realismul dependent de model poate oferi un cadru de

discuie pentru ntrebri de genul: dac lumea a fost creat

cu un timp finit n urm, ce s-a ntmplat nainte de acelmoment? Unul dintre primii filosofi cretini, Sfntul Augustin(354430), a spus c rspunsul nu este acela c Dumnezeu apregtit iadul pentru cei ce pun asemenea ntrebri, ci ctimpul este o proprietate a lumii pe care a creat-o Dumnezeu,iar timpul n-a existat nainte de creaie, care, credea el, nuavusese loc ntr-un trecut prea ndeprtat. Acesta e un modelposibil, pe placul acelora care susin c cele scrise n CarteaFacerii suntad litteramadevrate, chiar dac lumea coninefosile i alte dovezi care o fac s par mult mai veche. (Au fostoare puse acolo anume ca s ne induc n eroare?) Putemavea i un alt model, n care timpul se prelungete n urmcu 13,7 miliarde de ani, pn la big bang. Modelul care

explic cele mai multe dintre observaiile noastre, inclusivdovezile istorice i geologice, este cea mai bun reprezentarea trecutului pe care o avem. Al doilea model poate explicamrturiile fosile i radioactive, precum i faptul c primimlumin de la galaxii aflate la milioane de ani-lumin de noi,iar astfel acest model teoria big bang este mai util dectprimul. i totui, niciun model nu poate fi considerat maireal dect cellalt.Unii susin un model n care timpul se prelungete n urm

dincolo de big bang. Nu e nc limpede dac un asemeneamodel ar putea explica mai bine observaiile actuale,deoarece s-ar prea c legile de evoluie ale universului nupot fi aplicate la momentul big bang. Dac aa stau lucrurile,

n-ar avea niciun sens s crem un model n care timpul sajung nainte de big bang, fiindc ceea ce ar fi existat

40


41/162

nainte nu ar avea consecine observabile n prezent, iarastfel putem rmne la ideea c big bang-ul a fost creaialumii.

Un bun model trebuie s satisfac urmtoarele condiii:

1. Este elegant.2. Conine puine elemente arbitrare sau ajustabile.3. Este n acord cu toate observaiile existente i le explic.4. Face predicii amnunite privind observaiile viitoarecare pot infirma sau falsifica modelul, dac nu seconfirm.

De exemplu, teoria lui Aristotel care spunea c lumea ealctuit din patru elemente, pmnt, aer, foc i ap, i cobiectele acioneaz pentru a-i mplini scopul era elegant inu coninea elemente ajustabile. Dar n cele mai multe cazuri

nu putea face predicii precise, iar, atunci cnd le fcea,prediciile nu erau n acord cu observaiile. Una dintrepredicii era aceea c obiectele mai grele trebuie s cad mairepede, fiindc scopul lor este s cad. Nimeni nu aconsiderat necesar s testeze acest lucru pn la Galilei. Sepovestete c el a fcut testul lsnd s cad obiecte grele dinturnul nclinat din Pisa. Probabil c e o legend apocrifa, dartim c a pus s se rostogoleasc obiecte pe un plan nclinati a observat c viteza lor crete n acelai ritm, contrarprediciilor lui Aristotel.Criteriile de mai sus sunt evident subiective. Elegana, de

exemplu, este ceva ce nu poate fi msurat, dar e preuit deoamenii de tiin deoarece legile naturii sunt menite s

comprime mai multe cazuri particulare ntr-o singurformul. Elegana se refer la forma teoriei, dar e strns

41


42/162

legat de absena elementelor ajustabile, deoarece o teorienesat cu factori arbitrari nu e elegant. Pentru a-lparafraza pe Einstein, o teorie trebuie s fie ct se poate de

simpl, dar nu mai simpl de-att. Ptolemeu a adugatepicicluri la orbitele circulare ale corpurilor cereti pentru camodelul su s descrie exact micarea lor. Modelul putea fimbuntit adugnd epicicluri la epicicluri, ba chiar i laacestea alte epicicluri. Dei sporirea complexitii poate facemodelul mai precis, oamenii de tiin considernesatisfactor un model care e contorsionat pentru a sepotrivi cu un anumit set de observaii, ceea ce seamn maimult cu un catalog de date dect cu o teorie care sntruchipeze un principiu util.Vom vedea n capitolul 5 c muli consider nu preaelegant modelul standard care descrie interaciileparticulelor elementare. Modelul acesta are un succes mult

mai mare dect epiciclurile lui Ptolemeu. El a prezis existenaunor noi particule nainte ca ele s fie observateexperimental i a prezentat cu mare precizie rezultatul anumeroase experimente efectuate timp de decenii. El coninens o serie de parametri ajustabili ale cror valori trebuiefixate pentru a se potrivi cu observaiile, i nu suntdeterminate de teorie.Ct privete al patrulea punct, oamenii de tiin sunt

ntotdeauna impresionai atunci cnd predicii noi ineateptate se dovedesc a fi corecte. Pe de alt parte, dac unmodel d gre, reacia obinuit e s spui c este ceva nneregul cu experimentul. Dac se dovedete c lucrurile nustau aa, de multe ori oamenii nu abandoneaz modelul, ci

ncearc s-l salveze prin modificri. Dei fizicienii ncearccu tenacitate s salveze teoriile pe care le admir, tendina de

42


43/162

a modifica o teorie scade pe msur ce ajustrile devinartificiale sau greoaie, i prin urmare neelegante.Dac modificrile necesare pentru adaptarea la noile

observaii devin prea baroce, acesta e semnul c e nevoie deun nou model. Un exemplu de model vechi care a cedat nfaa noilor observaii a fost cel al universului static. n anii20, majoritatea fizicienilor considerau universul static sau dedimensiune neschimbtoare. Apoi, n 1929, Edwin Hubble i-a publicat observaiile care artau c universul se extinde. Ela observat lumina emis de galaxii. Acea lumin are oamprent caracteristic (spectru), determinat de compoziiafiecrei galaxii, care se decaleaz cu o cantitate cunoscutatunci cnd galaxia se deplaseaz n raport cu noi. Prinurmare, analiznd spectrul galaxiilor ndeprtate, Hubble aputut determina vitezele lor. El se ateptase ca numrulgalaxiilor care se ndeprteaz de noi s fie aproximativ egal

cu cel al galaxiilor care se apropie, dar a descoperit caproape toate galaxiile se ndeprteaz de noi, iar, cu cterau mai departe, cu att se deplasau mai repede. Hubble atras concluzia c universul se extinde, ns alii, ncercnd smenin modelul vechi, au ncercat s explice observaiilesale n cadrul universului static. De pild, Fritz Zwicky,fizician la Caltech, a emis ipoteza c, din motive necunoscute,lumina ar putea pierde ncet energie pe msur ce strbatedistane att de mari. Aceast scdere a energiei s-ar traduceprintr-o schimbare a spectrului, despre care Zwicky a sugeratc ar simula observaiile lui Hubble. La zeci de ani dupHubble, muli oameni de tiin continuau s cread nteoria universului staionar. Dar modelul universului n

expansiune, susinut de Hubble, era mai firesc, aa nct aajuns n cele din urm s fie acceptat.

43


44/162

n cutarea legilor care guverneaz universul au fostformulate o serie de teorii sau modele cum sunt teoria celorpatru elemente, modelul lui Ptolemeu, teoria flogisticului2,

teoria big bang etc. Cu fiecare teorie sau model, concepianoastr despre realitate i despre constituenii fundamentaliai universului s-a schimbat. S considerm, de exemplu,teoria luminii. Newton credea c lumina e alctuit din miciparticule sau corpusculi. Aceasta explica de ce lumina sedeplaseaz n linie dreapt i de ce e deviat sau refractatatunci cnd trece dintr-un mediu n altul, de pild, din aer nsticl sau din aer n ap.Teoria corpusculilor nu putea totui explica un fenomenobservat de nsui Newton, cunoscut sub numele de inelelelui Newton. Aezai o lentil pe o plac reflectant plat itrimitei asupra ei lumin monocolor, cum e cea emis desodiu. Privind de sus, vei vedea o serie de inele luminoase i

ntunecate centrate pe locul unde lentila atinge placa.Acestea ar fi greu de explicat n cadrul teoriei corpusculare aluminii, dar pot fi nelese n teoria ondulatorie.Conform teoriei ondulatorii a luminii, inelele luminoase i

ntunecate sunt provocate de un fenomen numit interferen.O und, aa cum sunt valurile pe suprafaa unei ape, constdintr-o serie de creste i vi. Atunci cnd undele se ciocnesc,dac se ntmpl ca vile i, respectiv, crestele s coincid,ele se ntresc reciproc i rezult o und mai mare. Aceastase numete interferen constructiv. n acest caz, se spunec undele sunt n faz. La extrema cealalt, cnd undele sentlnesc, crestele uneia pot coincide cu vile celeilalte. n

2Flogisticul e o presupus substan despre care, n secolul XVIII, se

credea c explic procesul combustiei. Experienele lui Lavoisier au artatc flogisticul nu exist.(N. t.).

44


45/162

acest caz, undele se anuleaz reciproc i se spune ca suntdefazate. Aceast situaie poart numele de interferendestructiv.

La inelele lui Newton, inelele luminoase sunt localizate laacele distane fa de centrul de separare dintre lentil iplaca reflectant pentru care unda reflectat de lentil diferde unda reflectat de plac printr-un numr ntreg (1, 2, 3)de lungimi de und, ceea ce produce interferenaconstructiv. (Lungimea de und este distana dintre doucreste sau dou vi succesive.) Pe de alt parte, inelelentunecate sunt localizate la acele distane fa de centrupentru care distana dintre cele dou unde reflectate este unnumr semi-ntreg (, 1, 2) de lungimi de und, ceeace produce interferena destructiv unda reflectat delentil anuleaz unda reflectat de plac.

45


46/162

46


47/162

n secolul XIX, aceasta era considerat o confirmare ateoriei ondulatorii a luminii i o invalidare a teoriei

corpusculare. Totui, la nceputul secolului XX, Einstein aartat c efectul fotoelectric (folosit acum n televiziune i laaparatele de fotografiat digitale) poate fi explicat prinparticule sau cuante de lumin care ciocnesc un atom i scotafar un electron. Prin urmare, lumina se comport att caparticul, ct i ca und.Noiunea de und i-a fcut loc n gndire pentru c

oamenii au privit oceanul sau un bazin dup ce o pietricic aczut n ele. De fapt, dac ai aruncat vreodat doupietricele ntr-un bazin, ai vzut probabil fenomenulinterferenei.

Se poate observa c i alte lichide au un comportament

47


48/162

asemntor, poate cu excepia vinului, n cazul n care aibut prea mult. Ideea de particul ne e sugerat de pietre,pietri i nisip. Dar aceast dualitate und/particul ideea

c un obiect poate fi descris att ca particul, ct i ca und scap experienei de zi cu zi, e la fel ca ideea c ai puteabea un bolovan de gresie.

Dualitti ca aceasta siturii n care dou teorii foartediferite descriu corect acelai fenomen sunt n conformitatecu realismul dependent de model. Fiecare teorie poatedescrie i explica anumite proprieti, iar despre niciuna nuse poate spune c ar fi mai bun sau mai real dectcealalt. n privina legilor care guverneaz universul, ceea ceputem spune este: se pare c nu exist un singur modelmatematic sau o singur teorie care s descrie toateaspectele universului. Aa cum am menionat n capitolulintroductiv, se pare c exist n schimb o reea de teorii

numit teoria M. Fiecare teorie din reeaua teoriei M estebun pentru descrierea unor fenomene dintr-un anumitdomeniu. Nicio teorie din reea nu poate descrie toateaspectele universului toate forele din natur, particulelecare resimt aceste fore i cadrul spaiotemporal n care auloc toate acestea. Dei aceast stare de lucruri nucorespunde visului tradiional al fizicienilor de a avea osingur teorie unificatoare, ea e acceptabil n cadrulrealismului dependent de model.Vom vorbi despre dualitate i teoria M n capitolul 5, darmai nti ne vom ntoarce la un principiu fundamental pecare se ntemeiaz perspectiva noastr modern asupranaturii: teoria cuantic, i n particular acea abordare a

teoriei cuantice numit istorii alternative. Conform ei,universul nu are doar o singur existen sau istorie, ci toate

48


49/162

versiunile posibile ale universului exist simultan n ceea cese numete superpoziie cuantic. Poate c sun la fel descandalos ca teoria n care masa dispare atunci cnd

prsesc camera, dar, n acest caz, teoria a trecut toatetestele experimentale la care a fost supus.

49


50/162

4.Istorii alternative

n 1999, o echip de fizicieni austrieci a focalizat unfascicul de molecule n form de minge de fotbal ctre unparavan. Aceste molecule, fiecare alctuit din aizeci deatomi de carbon, sunt numite fulerene, fiindc arhitectulBuckminster Fuller a proiectat construcii de aceast form.

Cupolele geodezice ale lui Fuller sunt pesemne cele mai mariobiecte n form de minge de fotbal existente. Fulerenele suntcele mai mici. Paravanul pe care l-au bombardat oamenii detiin avea dou deschizturi prin care fulerenele puteautrece. n spatele paravanului fizicienii au aezat echivalentulunui ecran pentru a detecta i numra moleculele emergente.Dac am face un experiment analog cu mingi de fotbal

adevrate, ne-ar trebui un juctor nu foarte precis, dar carelanseaz mereu mingile cu o vitez la alegerea noastr. Amaeza juctorul n faa zidului n care exist doudeschizturi. De partea cealalt a zidului, paralel cu el, amaeza o plas foarte lung. Cele mai multe mingi vor izbizidul i vor ricoa napoi, dar unele vor trece printr-o

deschiztur sau prin cealalt. Dac deschizturile din zidsunt doar cu puin mai largi dect mingile, vom observa dou

50


51/162

fluxuri bine colimate care vor trece de partea cealalt. Daclrgimea deschizturilor ar fi ceva mai mare, fiecare flux s-ardesface ntr-un mic evantai, aa cum se vede n desenul de

mai jos.

Observai c, dac nchidem una din fante, fluxulcorespunztor de mingi nu va mai trece pe acolo, dar asta nu

va avea niciun efect asupra celuilalt flux. Dac redeschidem adoua fant, aceasta nu va face dect s sporeasc numrulmingilor care trec de partea cealalt, fiindc, la numrulmingilor care trec prin prima fant, rmas deschis inainte, se vor aduga mingile care trec prin fanta redeschisacum. Ceea ce observm cnd ambele fante sunt deschiseeste suma a ceea ce observm cnd fiecare fant e deschis

separat. Acesta e realitatea cu care ne-am obinuit n viaa

51


52/162

de zi cu zi. Dar nu acelai lucru au gsit fizicienii austriecicnd au efectuat bombardamentul molecular.n experimentul austriac, deschiderea celei de-a doua fante

sporete ntr-adevr numrul de molecule ce ajung de parteacealalt n anumite puncte de pe ecran, dar scade numrullor n alte puncte, aa cum se vede n figura de mai jos.

De fapt, vor fi locuri n care nu va ateriza nicio fulerenatunci cnd ambele fante sunt deschise, dar vor ajunge acolofulerene atunci cnd doar una din fante e deschis. Parefoarte ciudat. Cum se poate ca, prin deschiderea unei a douafante, mai puine molecule s ajung n anumite puncte?Putem gsi un indiciu privind rspunsul dac examinm

detaliile. n experiment, multe mingi moleculare ajung ntr-

un loc situat la jumtatea distanei dintre locul unde v-ai

52


53/162

atepta s ajung dac trec fie printr-una, fie prin cealaltfant. Ceva mai departe de poziia central ajung foartepuine molecule, dar nc puin mai departe vom observa din

nou molecule. Acest model nu e suma modelelor formateatunci cnd fiecare fant e deschis separat, dar l puteirecunoate din capitolul 3, acolo unde apare figuracaracteristic a interferenei undelor. Zonele unde nu ajungmolecule corespund regiunilor n care undele emise de fanteajung defazate i creeaz o interferen destructiv; zoneleunde ajung multe molecule corespund regiunilor n careundele ajung n faz i creeaz o interferen constructiv.n primele dou milenii de gndire tiinific, experiena

comun i intuiia au stat la baza explicaiilor teoretice. Pemsur ce ne-am perfecionat tehnologia, iar spectrulfenomenelor observate s-a extins, am nceput s descoperimc natura se comport ntr-un mod tot mai puin compatibil

cu experiena cotidian, deci cu intuiia noastr, dup cum odovedete experimentul cu fulerene. Acest experiment e tipicpentru genul de fenomene ce nu pot fi cuprinse de tiinaclasic, dar sunt descrise de ceea ce se numete fiziccuantic. Richard Feynman spunea c experimentul cu doufante aa cum l-am prezentat mai sus conine ntregmisterul mecanicii cuantice.Principiile fizicii cuantice au fost elaborate n primele

decenii ale secolului XX, dup ce teoria newtonian s-adovedit nepotrivit pentru descrierea naturii la nivel atomicsau subatomic. Teoriile fundamentale ale fizicii descriuforele din natur i felul n care obiectele reacioneaz la ele.

Teoriile clasice precum cea a lui Newton sunt construite ntr-

un cadru ce reflect experiena cotidian, n care obiectelemateriale au o existen individual, pot fi localizate,

53


54/162

urmeaz traiectorii precise etc. Fizica cuantic ofer uncadru pentru nelegerea felului n care acioneaz natura lascar atomic sau subatomic, dar, dup cum vom vedea mai

trziu, ea impune o schem conceptual total diferit, n carepoziia, traiectoria, ba chiar i trecutul i viitorul unui obiectnu sunt precis determinate. Teoriile cuantice ale forelorprecum gravitaia sau fora electromagnetic sunt construiten acest cadru.Pot oare teoriile construite ntr-un cadru att de diferit de

experiena cotidian s explice i evenimentele experieneicomune, care au fost att de precis reprezentate de fizicaclasic? Da, pot, fiindc noi i tot ce ne nconjoar suntemstructuri complexe, alctuite dintr-un numr colosal deatomi, mai muli atomi dect stelele din universul observabil.i, cu toate c atomii componeni ascult de principiile fiziciicuantice, se poate demonstra c agregate mari care

alctuiesc mingi de fotbal, napi, avioane i pe noi nine vor reui ntr-adevr s nu fie difractate prin fante. Astfel,dei componentele obiectelor obinuite ascult de fizicacuantic, legile lui Newton constituie o teorie eficient caredescrie foarte precis comportamentul structurilor complexece definesc comportamentul lumii cotidiene.Poate prea ciudat, dar exist n tiin multe situaii n

care un agregat mare se comport altfel dect componentelelui individuale. Reaciile unui singur neuron nu prevestescdeloc reaciile creierului uman, dup cum nici cunotineledespre molecula de ap nu spun prea multe despre ce sentmpl cu un lac. n cazul fizicii cuantice, oamenii detiin nc se mai strduiesc s neleag detaliile felului n

care apar legile lui Newton din domeniul cuantic. Ceea cetim este c elementele componente ale tuturor obiectelor

54


55/162

ascult de legile fizicii cuantice, iar legile lui Newton sunt obun aproximaie pentru a descrie comportamentulobiectelor macroscopice alctuite din aceste componente

cuantice.Prediciile teoriei newtoniene se conformeaz deci

perspectivei asupra realitii pe care ne-o d experiena lumiinconjurtoare. Atomii i moleculele individuale acioneazns ntr-un mod profund diferit de cel care rezult dinexperiena noastr cotidian. Fizica cuantic este un modelnou al realitii care ne ofer o imagine a universului. Este oimagine n care multe dintre conceptele fundamentale alenelegerii noastre intuitive privind realitatea nu mai auniciun sens.Experimentul cu dou fante a fost efectuat pentru prima

dat n 1927 de Clinton Davisson i Lester Germer, fizicieniexperimentatori la Laboratoarele Bell, unde studiau

interacia unui fascicul de electroni obiecte mult mai simpledect fulerenele cu un cristal de nichel. Faptul c particulede materie precum electronii se comport ca undele de pesuprafaa apei a fost genul de dovad uimitoare care astimulat fizica cuantic. Dat fiind c acest comportament nuse observ la scar macroscopic, oamenii de tiin s-auntrebat ct de mare i de complex poate fi un obiect care ipstreaz totui proprietile ondulatorii. S-ar crea desigurmare vlv dac acest efect ar putea fi demonstrat pe oamenisau hipopotami, dar, aa cum am mai spus, n general, cuct un obiect e mai mare, cu att efectele cuantice sunt maipuin vizibile. Este deci puin probabil ca un animal de lagrdina zoologic s treac n chip de und prin gratiile

cutii. Totui, fizicienii experimentatori au observat fenomeneondulatorii la particule de dimensiuni din ce n ce mai mari.

55


56/162

Oamenii de tiin sper s refac ntr-o bun ziexperimentul cu fulerene folosind un virus, care nu numai ce mult mai mare, dar e considerat o fiin vie.

Pentru a nelege argumentele din capitolele urmtoaretrebuie precizate cteva aspecte ale fizicii cuantice. Unadintre trsturile-cheie este dualitatea und/particul.Faptul c o particul material se comport ca o und asurprins pe toat lumea. Faptul c lumina se comport ca ound nu mai surprinde de mult pe nimeni. Comportamentulondulatoriu al luminii ni se pare firesc i este acceptat deaproape dou secole. Dac proiectezi un fascicul luminos peun perete cu dou fante, ca n experimentul anterior, vorrezulta dou unde care se vor ntlni pe ecran. n unelepuncte, crestele sau vile lor vor coincide i vor forma o patluminoas; n alte puncte, crestele unui fascicul se vor ntlnicu vile celuilalt, anulndu-se reciproc i lsnd o zon

ntunecat. Fizicianul englez Thomas Young a efectuat acestexperiment la nceputul secolului XIX, convingnd lumea clumina e o und, i nu se compune din particule, aa cumcredea Newton.

56


57/162

Dei am putea crede c Newton a greit considernd clumina nu este o und, el a avut dreptate cnd a spus c ease comport ca i cum ar fi alctuit din particule. Astzinumim aceste particule fotoni. Aa cum noi suntemconstituii dintr-un numr foarte mare de atomi, lumina pe

care o vedem n viaa de zi cu zi e compus dintr-un numrfoarte mare de fotoni chiar i un becule de 1 watt emite unmiliard de miliarde de fotoni n fiecare secund. Fotoniiindividuali nu pot fi observai n mod curent, dar n laboratorputem produce fascicule de lumin att de slab, nctconst dintr-un flux de fotoni individuali, care pot fi detectaiseparat, la fel cum putem detecta electronii individuali sau

fulerenele individuale. Putem repeta experimentul lui Young

57


58/162

folosind un fascicul att de slab, nct fotonii s ajung lafante unul cte unul, la interval de cteva secunde.Procednd astfel i adunnd apoi toate impacturile

individuale nregistrate pe ecran, vedem c, mpreun, eleformeaz aceeai figur de interferen pe care am fi gsit-odac am fi efectuat experimentul lui Davisson i Germer cuelectroni (sau cu fulerene) trimii unul cte unul. Pentrufizicieni a fost o revelaie: dac particulele individualeinterfer cu ele nsele, atunci natura ondulatorie a luminii nueste doar proprietatea unui fascicul sau a unui ansamblunumeros de fotoni, ci chiar a particulelor individuale.O alt idee important a fizicii cuantice este principiul de

incertitudine, formulat de Werner Heisenberg n 1926.Principiul de incertitudine spune c exist limite alecapacitii noastre de a msura simultan anumite date, cumsunt poziia i viteza unei particule. Conform principiului de

incertitudine, de pild, dac nmulim imprecizia privindpoziia unei particule cu imprecizia privind impulsul (masanmulit cu viteza) ei, rezultatul nu va putea fi niciodat maimic dect o cantitate fix, numit constanta lui Planck. Parecomplicat, dar n esen e simplu: cu ct msori mai precis

viteza, cu att poi msura mai puin precis poziia, iviceversa. De exemplu, dac reduci la jumtate incertitudineaprivind poziia, va trebui s dublezi incertitudinea privind

viteza. Este important de observat c, n comparaie cuunitile de msur obinuite, cum sunt metrul, kilogramuli secunda, constanta lui Planck e foarte mic. De fapt, nunitile noastre, valoarea ei este de aproximativ 6/10 000000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Prin urmare,

dac localizezi un obiect macroscopic, cum e o minge defotbal, avnd masa de o treime dintr-un kilogram, cu o

58


59/162

precizie de un milimetru n fiecare direcie, i poi msuraviteza cu o precizie mult mai mare dect o miliardime demiliardime de miliardime de kilometru pe or. Aceasta din

cauza faptului c, msurat n aceste uniti, mingea defotbal are o mas de 1/3, iar incertitudinea privind poziiaeste de 1/1000, ceea ce nu-i de ajuns pentru a compensatoate acele zerouri din constanta lui Planck, i atunci acestrol i revine incertitudinii privind viteza. n aceleai uniti,un electron are ns o mas de0,000000000000000000000000000001, astfel nct pentruelectroni situaia e diferit. Dac msurm poziia unuielectron cu o precizie corespunznd aproximativ dimensiuniiunui atom, principiul de incertitudine ne spune c nu vomputea cunoate viteza electronului cu o precizie mai mare deplus sau minus 1000 kilometri pe secund, ceea ce nu e preaexact.

Conform fizicii cuantice, indiferent ct informaie obinemsau ct putere de calcul avem la dispoziie, rezultateleproceselor fizice nu pot fi prezise cu certitudine, deoareceacestea nu suntdeterminatecu certitudine. Dat fiind stareainiial a unui sistem, natura i determin starea viitoareprintr-un proces fundamental capricios. Cu alte cuvinte,natura nu dicteaz rezultatul oricrui proces sauexperiment, nici mcar n cea mai simpl dintre situaii, cipermite un numr de posibiliti diferite, fiecare cu oanumit probabilitate de realizare. Pentru a-l parafraza peEinstein, e ca i cum Dumnezeu ar da cu zarurile nainte dea hotr rezultatul fiecrui proces fizic. Ideea asta l-afrmntat pe Einstein att de mult, nct, dei fusese unul

dintre prinii fizicii cuantice, a devenit apoi un critic al ei.Fizica cuantic ar putea prea c submineaz ideea c

59


60/162

natura este guvernat de legi, dar nu e cazul. Dimpotriv, eane conduce la o nou form de determinism. Dat fiindstarea unui sistem la un moment dat, legile naturii

determinprobabilitilediferitelor viitoruri i trecuturi, nloc s determine viitorul i trecutul cu certitudine. Deiunora nu le e pe plac, oamenii de tiin trebuie s accepteteorii care sunt n acord cu experimentele, iar nu cu ideile lorpreconcepute.Ceea ce pretinde tiina de la o teorie e s fie testabil.

Dac natura probabilistic a prediciilor din fizica cuantic arnseamn ca acele predicii s fie imposibil de confirmat,atunci teoriile cuantice n-ar mai fi teorii n adevratul sens alcuvntului. ns, n ciuda naturii probabilistice a prediciilorlor, noi putem totui testa teoriile cuantice. De pild, putemrepeta de multe ori un experiment i confirma c frecvenelediferitelor rezultate corespund probabilitilor prezise. S

considerm experimentul cu fulerene. Fizica cuantic nespune c nimic nu poate fi localizat ntr-un punct precis,fiindc atunci incertitudinea privind impulsul ar fi infinit.De fapt, conform fizicii cuantice, pentru fiecare particulexist o probabilitate oarecare de a se gsi oriunde nunivers. Astfel, chiar dac ansele de a gsi un anumitelectron n aparatul cu dou fante e foarte mare, vor existamereu oarecari anse s-l gsim undeva pe steaua AlfaCentauri sau n plcinta cu brnz de la cantin. Prinurmare, dac lansezi o fuleren cuantic i o lai s zboare,orict de inteligent ai fi i orict de multe lucruri ai cunoate,nu vei va putea spune dinainte cu precizie unde anume vaateriza. Dar, dac repei experimentul de multe ori, datele

obinute vor reflecta probabilitatea de a gsi fuleren ndiferite locuri, iar experimentatorii au confirmat c

60

7/23/2019 Stephen Hawking, Leonard

stephen hawking, leonard mlodinow - marele plan (v1.0)

Documents