Murray Gell-Mann: Beauty and truth in physics

Lee Smolin - "Spaţiu, timp, univers"

Lee Smolin este specialist în fizică teoretică şi în prezent lucrează la Perimeter Institute for Theoretical Physics. Este cunoscut pentru pentru contribuţiile sale în teoria gravitaţiei cuantice, în special în teoria gravitaţiei cuantice cu bucle. Cercetările sale includ cosmologia, teoria particulelor elementare, mecanica cuantică şi biologia teoretică. A scris trei cărţi de popularizare a ştiinţei: "Life of the Cosmos" (1997), "Three Roads to Quantum Gravity" şi "The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next" (2006).

În "Spaţiu, timp, univers" ("Three roads to quantum gravity") subiectul principal îl constituie gravitaţia cuantică. Gravitaţiei cuantice încearcă să găsească un răspuns la întrebarea Ce sunt spaţiul şi timpul ? În cardul teoriei relativităţii, Einstein a enuţat nu numai o teoria a graviaţiei, ci şi o teorie a spaţiului şi timpului, care a înlocuit concepţia newtoniană asupra spaţiului şi timpului. Pentru a răspunde la întrebarea de mai sus, gravitaţiei cuantică încearcă să combine spaţiu şi timpul, aşa cum sunt ele descrise de teoriarelativităţii, cu o altă teorie care are implicaţii profunde în descrierea naturii, este vorba de teoria cuantică. Astfel, gravitaţia cuantică, va putea fi utilizată atât pentru descrierea fenomenelor la scară mică (mecanică cuantică) cât şi a comportamentului găurilor negre (teoria relativitaţii).

În "Spaţiu, timp , univers" sunt descrise descrise cele trei căi de abordare a gravitaţiei cuantice: termodinamica găurilor negre, gravitaţia cuantică cu bucle şi teoria corzilor. Una dintre cele mai intersante teorii prezentate în cartea lui Smolin, şi care constituie punctul comun al celor trei abordări, este teoria naturii cuantice a spaţiului şi timpului. Trăim într-un Univers în care spaţiul şi timpul sunt continue ? sau Spaţiul şi timpul sunt de natură discretă ? Cele trei teorii conduc către un singur răspuns, spaţiu/timpul este discret, ceea ce înseamnă că poate fi împărţit în segmente a caror valoare minimă este dată de distanţa/timpul Planck. Termodinamica găurilor negre este o teorie în cadrul căreia se poate demonstra, pe baza mărginirii Bekenstein, că "lumea trebuie să fie discontinuă la scară Planck". Conform lui Bekenstein "cantitatea de informaţie conţinută în orice regiune a spaţiului este nu numai finită, dar şi proporţională cu aria suprafeţei ce delimitează regiunea, măsurată în unităţi Planck". În acest caz, dacă lumea ar fi continuă la scară Planck atunci orice regiune ar conţine o cantitate infinită de informaţie. În concluzie, lumea trebuie să fie discontinuă la scară Planck. Gravitaţia cuantică cu bucle arată că ariile şi volumele sunt cuantificabile şi intervin numai în cantităţi finite. Teoria corzilor descrie o coardă în mişcare într-un spaţiu continuu. La o cercetare mai atentă se observă că de fapt corzile sunt alcătuite din bucăţi finite (biţi de coardă) care transportă o cantitate finită de impuls şi energie. "Acest fapt e exprimat ca o extindere simplă şi frumoasă a principiului de incertitudine şi ne spune că există o cea mai mică lungime posibilă". Cele trei abordări ale gravitaţiei cuantice conduc la concluzia generală că spaţiul este discontinuu la scară Planck. Însă răpusurile în cadrul celor trei teorii la întrebarea "Ce sunt spaţiul şi timpul ?" sunt destul de diferite. Astfel, rămâne să unim cele trei teorii pentru a obţine "drumul final către gravitaţia cuantică". Acestea ar fi principalele ideii prezentate de Smolin. Ce mai găsiţi în carte: discuţii legată de supersimetrie şi entropia găurilor negre şi cum sunt legate aceaste noţiuni de gravitaţia cuantică, descrierea reţelor de spin ale lui Penrose şi aspectele teologice ale gravitaţiei cuantice.

Recunosc, "Spaţiu, timp, univers" nu este o carte uşor de citit, sunt necesare ceva cunoştinţe de bază legate de entropie, mecanica cuantică şi teoria relativităţii. Dacă până acum nu aţi citi nici o carte de popularizare a mecanicii cuantice sau dacă nu ştiţi nimic despre găurile negre nu cred că veţi citi mai mult de 50 de paginii din cartea lui Smolin. Recomandarea mea este să nu renunţaţi, carte este plină de idei extrem de interesante, trebuie doar să aveţi răbdare. Smolin reuşeste să scrie o carte atât pentru cei mai puţin "iniţiaţi" în fizica teoretică, cât şi pentru cei care lucrează în domeniu, o performaţă rar întâlnită în cazul cărţilor de popularizare. Un alt aspect intereseant la cărţii sunt anecdotele/povestirile care vă vor da o imagine despre ceea ce înseamnă un cercetător de valoare, despre fizica teoretică, depre evoluţia fizicii şi în particular despre istoria gravitaţiei cuantice. În concluzie, "Spaţiu, timp, univers" este o carte cu care trebuie să aveţi rabdare, pentru că în final veţi descoperi o mulţime de idei interesante/stranii. Eu sigur voi reciti această carte.

În încheiere doua link-uri: aici o parte dintr-o conferinţă a lui Smolin despre natura timpului, iar aici o conferinţă despre istoria universului şi a materiei.

Lee Smolin
Spaţiu, timp, univers
trad. Anca Vişinescu
Humanitas

"Experienţa îmi spune că un om de ştiinţă are doar câteva idei bune. Sunt puţine şi rare şi vin numai după mulţi ani de pregătire. Ceea ce este rău e că după ce ai avut o idee bună eşti condamnat la ani de muncă grea ca s-o dezvolţi."

"Doar şase numere" de Martin Rees

1) Martin Rees (Baron Rees of Ludlow) este profesor de cosmologie şi astrofizică la Universitatea din Cambrige şi deţinător din 1995 al titlului de "Astronomer Royal". În 2005 a fost ales preşedinte al "Royal Society". Are peste 500 de lucrări de cercetare publicate în reviste de specialitate, domeniile sale de cercetare fiind: cosmologia, astrofizica energiilor înalte şi formarea structurilor cosmice.

2) În "Doar saşe numere" Rees scrie despre originea, proprietăţile şi evoluţia Universului, despre modele care încearcă să descrie proprietăţile observate ale Universului şi despre ultimele ipoteze din cosmologie. Dar există o grămadă de cărţi de popularizare legate de aceste idei, ce aduce nou cartea asta? Ress vine cu o idee destul de simplă: pentru a descrie Universul, proprietăţile spaţiului şi forţele pe care le cunoştem până în acest moment, sunt necesare "doar şase numere". Teoriile astrofizice sau cosmologice, fie ele mai vechi sau mai recente, sunt explicate cu ajutorul acestor "constante".

3) Care sunt cele sase numere? şi Ce înseamnă?

N = raportul dintre intensitatea forţelor care menţin împreună atomii şi forţa de gravitaţie ce se exercită între atomi = 10 la puterea 37.
Dacă acest număr ar fi avut mai puţine zerouri s-ar fi format un Univers în miniatură, cu timp de viaţă scurt, în care "nici o fiinţă nu ar fi putut creşte mai mare decât o insectă, şi nu ar fi exista suficient timp pentru evoluţia biologică".

epsilon = arată cît sunt de legate între ele nucleele atomice = 0.007.
Acest număr reglează "modul în care are loc transmutaţia hidrogenului primitiv din stele în toţi atomii tabelului periodic", pentru valori ale lui "epsilon" egale cu 0.006 sau 0.008 viaţa nu ar fi apărut.

omega = reprezintă cantitatea de materie din Univers = raportul dintre gravitaţiei şi forţa de expansiune.
Pentru valori ale acestui raport mai mari decât o "valoare critică" (aproximativ egală cu 1) Universul ar fi colapsat, iar pentru valori mai mici ale raportului stelele şi galaxiile nu s-ar fi format.

lambda = "antigravitaţia" cosmică (introdusă în 1998)
Ar fi putut opri formare galaxiilor şi stelelor, dar din fericire acest număr are o valoare foarte mică.

Q = raportul dintre două energii fundamentale = 1/100000.
Pentru valori mai mari ale lui Q Universul ar fi fost un "spaţiu violent, dominat de mari găuri negre", în care probabil că nu ar fi " supraveţuit nici o galaxie şi nici un sistem solar".

delta = numărul de dimensiuni spaţiale al lumii noastre şi este egal cu trei. Într-un Univers cu două sau patru dimensiuni viaţa nu ar fi putut exista.

4) "Acordul fin" al acestor numere pare extem ce ciudat, iar unii cercetători sunt de părere că acest "acord" este dovada existenţei unui "Creator binefăcător, care a format Universul cu intenţia precisă de a ne produce pe noi". Ress nu acceptă acest argument al "providenţei", fiind de părere, că Big Bang-ul care stă la originea acestui Univers, s-ar putea să nu fi fost singurul. Astfel, Universul nostru nu este decât un "atom" dintr-un multicosmos infinit.


5) Ce mi-a plăcut la această cartea:

Din punct de vedere matematic şi fizic trăim în "cea mai bună dintre lumile posibile", Universul fiind rezultatul unui "echilibru" ce poate fi descris cu ajutorul a şase numere.


6) Ce m-a enervat:

Rees nu are talent de povestitor, iar cartea pare scrisă pe fugă, sub presiunea unui deadline. Chiar dacă este o carte de popularizare, ceea ce implică că nu sunt necesare cunoştinţe avansate de matematică şi fizică, va sugerez ca atunci când citiţi "Doar şase numere" să aveţi "Google" pe aproape. Rees a încercat să condenseze în 200 de paginii cam tot ceea ce înseamnă cosmologie, motiv pentru care unele idei sunt puţin explicate şi devin greu de înţeles.

Dacă este vineri este cartea de popularizare...azi "Numerele naturii" de Ian Stewart

Am promis că voi scrie despre cărtile din lista pentru LuciaT, dar pentru asta trebuie să recitesc o parte din ele. Ce mă impiedică? Răspunsul este destul de simplu…în primul rând ”ultimile apariţii” (ex. aici şi aici), “vechile apariţii” aflate deja in biblioteca şi anticariatele cu “vechile apariţii” care trebuie să fie în biblioteca. Apoi mai sunt prietenii, bloggeri şi toţi cei care îmi arată cât de “ignorantă” este biblioteca mea, după care urmează un tur al librariilor (“Cum am putut sa trec peste…?”), o serie de comenzi online (“Sper să mai găsesc…!”) şi căutări prin rafturile anticariatelor (Aveţi cumva…!?). Pentru că trebuie să-mi respect promisiunea am decis să recitesc în fiecare săptămâna o carte din lista cărţilor de popularizare şi apoi în fiecare vineri să postez un comentariu.

De Sărbători am reusit să-mi fac timp şi am recitit “Numerele naturii”, aşa că în acestă săptămână voi scrie despre cartea lui Ian Stewart. Cine este Ian Stewart? Este profesor de matematică la University of Warwick (Marea Britanie), a scris peste 60 de cărţi de popularizare a ştiinţei, dar şi articole de cercetare în matematică, contribuţiile sale cele mai importante fiind legate de “teoria catastrofelor”. Am descoperit pe site-ul lui Stewart că una dintre cărţile sale legate de teoria catastrofelor – “Teoria catastrofelor si aplicaţiile ei” - a apărut in 1985 la Editura Tehnică…ce vă spuneam de ignoranţă…trebuie neapărat să fac rost de cartea asta.


În “Numerele naturii”, pleacând de la idea că “mintea şi cultura omului au dezvoltat un sistem formal de gândire pentru recunoaşterea, clasificarea şi folosirea formelor” numit matematică, Stewart încearcă să demonstreze că Universul este structurat într-o manieră profund matematică – “Folosind matematica pentru organizarea şi sistematizarea ideilor noastre despre forme, am descoperit un mare secret: formele naturii nu se află acolo tocmai pentru a fi admirate, ci sunt de fapt indiciile vitale ale regulilor care guvernează procesele naturale”.

Capitolul 1 – “Ordinea natură” este o trecere în revistă a evoluţiei matematicii pornind de la idea de “număr” şi ajungând la fractali. Dacă vă interesează să găsiţi răspunsul la întrebările: "La ce-i bună matematica?" şi "Cu ce se ocupă matematica?" , atunci Capitolele 2 şi 3 s-ar putea să vă fie de ajutor.

Dezvoltarea ştiinţei s-a bazat până în prezent pe ideea că "universul se supune unor legi fixe, imuabile, totul existând într-o realitate bine definită, obiectivă". Există un punct de vedere opus (bazat pe o serie de idei noi, cum ar fi teoria haosului) care susţine că totul se află într-o continuă schimbare. Nu numai că legea şi curgerea pot coexista, dar legea generează curgerea. Pentru a susţine această afirmaţie Stewart (Capitolul 4 – "Constantele schimbării") demonstrază că atunci când se aplică legea gravitaţiei, enunţată de Newton, unui sistem format din trei corpuri "ecuaţia" care rezultă nu are soluţie. Astfel "a rezolva" (Newton) devine "a aproxima" (Delaunay). S-a demonstrat că un astfel de sistem nu poate fi descris prin intermediul unei ecuaţii, dar se poate arăta că are un comportament “straniu”, cunoscut sub denumirea de “difuzie Arnold”. Aceasta înseamnă că sistemul are o comportare “întâmplătoare” ale cărei cauze sunt însă deterministe. Astfel "a aproxima" devine "a descrie" (teoria haosului). Totul pare un regres, dar este oare aşa? Este descrierea calitativă un regres faţă de formulă? Din păcate Stewart nu dă un răspuns acestor întrebări.

În general matematica este “separată în două subdiscipline distincte, etichetate matematică pură şi matematică aplicată”. Pentru “lumea din afară” matematica aplicată este singura parte utilă a matematicii. În Capitolul 5 – “De la viori la videocasetofoane” este prezentat un “studiu de caz” al unei probleme pur teoretice (“Ce se întâmplă dacă ciupiţi o coardă, trăgând-o departe de poziţia ei de linie dreaptă şi apoi eliberând-o?”) dar care are o aplicaţie practică importantă – televiziunea. Este o istorisire în care se combină aspectele pure şi practice ale matematici pentru “a genera ceva de departe mai puternic şi mai captivant decât orice ar fi putut produce separat fiecare dintre cele două ramuri”.

Următoarele două capitole “Simetria stricată” şi “Ritmul vieţii” (cum se mişcă animale? şi de ce se mişcă ele astfel?) sunt destul de greu de urmărit, deoarece nu sunt aproape deloc illustrate. Pentru capitolul dedicate simetriei s-ar putea să fie de ajutor “Why Beauty is Truth - A short history of symmetry” o serie podcast-uri pe care le găsiţi aici.

Capitolul 8 – “Joacă zarurile rolul lui Dumnezeu?” este legat de una cele mai interesante ramuri ale matematici - "dinamica neliniară", cunoscută şi sub denumirea de "teoria haosului", o disciplină care a schimbat modul în care gândim legea şi hazardul. "Caii, starea vremii şi celebrele zaruri ale lui Einstein sunt imprevizibile, dar nu din cauza mecancii cuantice" ci din perspectiva mecanici newtoniene. Dacă pentru meteorologi nu a fost o supriza faptul că un computer nu este capabil să prognozeze starea vremii peste o lună, nu acelaşi lucru se poate spune despre zaruri. Cum putem prezice poziţia unei unei planete, dar suntem incapabili să simulăm o aruncare a zarurilor? Pentru a ilustra modul în care pot fi conciliate impredictabiliatea şi determinismul, Stewart foloseşte exemplu picăturilor de apă care se preling dintr-un robinet. Acest "sistem" este, la prima vedere, unul determinst, dar poate fi transformat destul de uşor intr-un sistem "haotic" prin simpla modificare a poziţiei robinetului. Sistemul pare a fi haotic, dar în realitate este "predictibil". Fiind date momentele exacte de timp pentru trei picături consecutive se poate prognoza momentul de timp al apariţiei celorlate picături. Însă această cale de ieşire din incertitudine este blocată de ignoranţă. În realitatea condiţiile iniţiale ale problemei (momentele de timp la care apar cele trei picături) nu sunt uşor de determinat şi chiar dacă reuşim să stabilim momentul de timp, avem nevoie de măsurători cu o infinitate de zecimale. Există o "sensibilitatea la condiţiile iniţiale", incertitudinea ducând la apariţia "efectul fluturelui". Teoria haosului a "[...] relevat neînţelegerea fundamentală a relaţiei dintre cauză şi efect: noi nu înţelegem relaţiile dintre cauză şi efect şi comportarea pe care acestea le generează". Mişcarea paletelor unui mixer este deterministă, însă comportamentul pe care îl induc este haotic. Haosul ne arată că sistemele care, în aparenţă sunt conduse de reguli simple, pot avea un comportament extrem de complicat.

În ultimul capitol – “Picături, dinamică şi margarete” sunt prezentate trei studii de caz pentru “originea numerelor naturii – pentru regularităţile profunde care pot fi detectate în formele naturale”.

Una dintre trăsăturile cele mai ciudate dintre matematică şi "lumea reală", şi totodată una dintre cele mai puternice, este faptul că matematica de calitate, oricare i-ar fi sursa, se dovedeşte până la urmă utilă.

trad. Gheorghe Stratan
Humanitas
2006