--------------------------------------------------

CUM POT FI INTELESE MATERIA SI ENERGIA ?
-------------------------------------------------------------------------

Este necesara o noua teorie a materiei si luminii la energii foarte inalte?
Avem in spatele nostru peste doua milenii si jumatate de cand primii greci si-au formulat propriile lor intrebari fundamentale: cum este alcatuit Cosmosul, adica Universul organizat? Din cate elemente este facuta lumea si care sunt acestea? Care este "motorul" care pune totul in miscare?... In secolul 20 am reusit in doar 50 de ani poate cea mai extraordinara aventura pentru mintea omeneasca: incredibila excursie inapoi in timp pana la inceputurile absolute ale Universului si, o data cu el, ale spatiului si timpului. Si iata-ne ca si cum am avea in fata noastra un fel de masinarie stranie, un fel de aparat de radio cu patru butoane care nu reprezinta insa doar cele patru lungimi de unda pe care emite radioul, ci cele patru forte fundamentale ale Naturii.

Ca si la radio, apasam pe un buton si avem o lume care ne vorbeste. Apasam pe altul - avem o alta lume. Unele sunt mai bogate in "programe" si se aud mai bine. Altele mai putin. Dar toate sunt stranse in acelasi aparat, sunt "unificate" aici. Noi suntem ascultatorii care folosesc aparatul de radio - cred ca sunt tentat sa spun, ne bucuram de el si de lumile pe care ni le dezvaluie - fara sa avem neaparat nevoie sa stim nici exact ce piese se afla intr-insul, nici exact cum functioneaza.

Daca cineva insa va veni la un moment dat sa ne lamureasca toate acestea, cu atat mai frumoase ne vor parea si sporul de intelegere ne va face si pe noi mai bogati, pentru ca, in primul rand, ne va oferi - a si inceput de fapt sa o faca - drumuri noi si extrem de interesante pentru a ne cunoaste si intelege pe noi insine. Sunt
em alcatuiti din aceleasi molecule, din aceiasi atomi, din aceiasi nucleoni, ca si stelele, norii de gaz si chiar spuma de spatiu-timp care se crede ca umplea inca minusculul univers pornit pe calea expansiunii sale spre lumea de astazi. O lume care, iata, isi propune, ca o ultima ambitie si indrazneala, sa inteleaga cum s-a format ea insasi, cum evolueaza, cum se va sfarsi. In jocul fortelor care o controleaza si al dimensiunilor care ii definesc personalitatea.

Mediatorii si sursele fortelor

Secolul XXI continua idealul fizicii secolului XX: realizarea unei teorii unice pentru toate fenomenele evidentiate experimental. Au reusit, la vremea lor, o asemenea performanta, Newton, care a unificat fenomenele terestre cu cele ceresti, Maxwell, care a unificat magnetismul cu electricitatea, Einstein, care a unificat gravitatia cu geometria (deci, s-ar putea spune, fortele cu spatiul) si evident cele doua unificari ulterioare, succesive, despre care am mai vorbit, cea electroslaba si cea electrotare - marea unificare.

Gravitatia insa rezista inca unificarii. Asa ca cineva ar avea dreptul sa se intrebe daca de fapt exista o baza pe care sa ne cladim speranta in posibilitatea finala a unificarii. Aceasta baza exista si este data de o proprietate comuna tuturor celor patru forte fundamentale din Natura: aceea de a avea, cum se spune in fizica, o structura de etalon. Intr-o formulare extrem de nepretentioasa, aceasta proprietate permite, de exemplu, sa schimbam sistemele de coordonate fara ca predictiile teoriei sa fie afectate si are si o alta consecinta de mare semnificatie: purtatorii acestor forte trebuie sa aiba spin intreg, adica sa fie bosoni. Pare poate complicat, dar de fapt lucrurile sunt simple si naturale. Particulele se impart in trei mari grupuri:

. cele asupra carora actioneaza fortele (leptonii fundamentali si quarcurile),
. cele care transmit aceste forte - fotonii, bosonii intermediari W si Z, gluonul V si
. cele care sunt generate de actiunea fortei tari (cea care leaga particulele intre ele), acestea fiind mezonii si barionii.

Este interesant de observat ca cele patru forte "se potrivesc" incrucisat: fortele 1 si 3, tare si slaba, sunt forte de raza mica de actiune (short range), in timp ce fortele 2 si 4, electromagnetica si gravitationala, sunt forte de raza lunga de actiune (long range).

Pe de alta parte, fortele electromagnetica si slaba actioneaza intre leptoni si bosoni nehadronici, in timp ce barionii si mezonii suporta in plus si forta tare. In general, particulele care interactioneaza tare se numesc hadroni (de aici le vine si numele!). Si in timp ce particulele nonhadronice au o structura punctuala, hadronii, nu. La ei se fac simtite efectele de forma. Mai intervine insa un alt element esential in incercarea de a intelege materia si energia.


Simetriile

De ce sunt de fapt considerate atat de importante si interesante simetriile? Un raspuns simplu si destul de brutal este ca atunci cand aceste simetrii, tipice unei stari, unui fenomen, sunt modificate, incalcate, "rupte", "violate", atunci au loc mari schimbari in Natura, de la declansarea de noi fenomene pana la generarea de structuri. Insasi geneza Universului poate fi considerata drept rezultatul unei asemenea ruperi de simetrie.

In general in fizica, atunci cand este in joc construirea unei noi teorii sau a unui model, primul lucru care se urmareste este construirea asa-numitului lagrangean, sau functie lagrangeana, care depinde de campurile locale si de derivatele acestora ("vitezele" de modificare) - de fapt, este vorba de "reprezentarea" printr-o formula a echivalentului energiei sistemului fizic considerat. Cateva exemple de simetrii din mecanica clasica sau cea cuantica vin imediat in minte: impuls, moment cinetic, paritate etc., fiecarei simetrii corespunzandu-i o lege de conservare a unei marimi fizice (conservarea energiei, impulsului, momentului cinetic, numarului barionic etc.). Unele simetrii sunt globale, adica "se verifica" in orice punct al sistemului fizic (natural) considerat.

Dezavantajul lor este ca ele trebuie "implementate" in mod identic in toate punctele, indiferent cat de departe ar fi acestea unele de altele sau daca ar fi sau nu legate cauzal! Alte simetrii, mai ... plauzibile, sunt cele locale. Acestea dicteaza dinamica procesului, devenind astfel un important instrument de studiu al interactiilor particulelor elementare: o particula purtand o sarcina legata de o simetrie locala poate fi vizualizata ca fiind tot timpul intovarasita de un camp, ceea ce nu se intampla in cazul unei simetrii globale. Unele din aceste simetrii sunt "vizibile", sunt manifeste - termenul folosit de obicei. Altele sunt ascunse.

Dintre acestea toate, simetriile globale nonmanifeste constituie o lume aparte, fascinanta - unii ii mai spun si "secreta". Iar intelegerea tuturor simetriilor este de fapt cheia intelegerii naturii fortelor fundamentale din natura si prin aceasta intelegerea finala a materiei si energiei. Pentru ca "jocul" simetriilor care se formeaza si se desfac urmareste toate treptele unificarilor pe care incearca sa le modeleze fizica.

Aceste unificari succesive necesita insa energii - si in general toti parametrii fizici - din ce in ce mai mari. Marea unificare, cea electro-tare, are deja loc la energii (1015 GeV) care practic nu mai au nici o legatura cu cele cu care suntem obisnuiti in lumea "normala" si nici macar cu cele din actualele sau proiectatele acceleratoare de particule (de la cateva sute de GeV la cativa TeV).

Este de asteptat ca la asemenea valori sa avem de-a face cu stari calitativ noi ale materiei. In consecinta, si teoriile care sa ne faciliteze intelegerea lor este de asteptat sa fie diferite. In ce sens se va inregistra aceasta diferenta, aceasta este o intrebare mai speciala si, cred eu, mai corect pusa. O idee ne putem face urmarind "scara" teoriilor puse la punct de fizica pentru intelegerea fenomenalei diversitati a materiei in ultimele doua secole.


Diversele electrodinamici

Timp de peste un mileniu si jumatate parea ca acel capitol al mecanicii pe care il invatam astazi la scoala sub numele de "statica" era suficient pentru intelegerea Naturii - aceasta daca facem abstractie de ideile lui Democrit despre atomi sau de "esoterismul" lui Heraclit care punea totul in Univers in raspunderea si sub stapanirea focului. Fizica, asa cum o cunoastem astazi, o datoram in special secolului XVII al lui Galileo Galilei si lui Isaac Newton. Atunci s-a nascut "dinamica", adica acel capitol al stiintei care nu se multumeste doar cu descrierea miscarilor si cu studiul raportului dintre forte, ci isi propune sa stie si cum fac fortele de genereaza miscarea.

A venit apoi secolul electricitatii, a venit James Clerk Maxwell si a unificat electricitatea cu magnetismul si ne-a imbogatit efectiv cu cele patru ecuatii ale sale: se nascuse "electrodinamica clasica". A urmat "surpriza" numita mecanica cuantica, a fost "unita" cu electrodinamica si s-a nascut "electrodinamica cuantica". Apoi am devenit constienti ca avem de descris patru si nu doua forte fundamentale si, mai mult, ca "vechea" electrodinamica nu mai este potrivita pentru a descrie cele mai stranii particule imaginate vreodata de mintea omeneasca: quarcurile. Electrodinamica cuantica a trebuit sa fie extinsa pentru a descrie materia sub aceste noi fete (particule si forte) si astfel s-a nascut cromodinamica cuantica.

Fizica sistemelor de particule, la diversele niveluri de complexitate si, cred ca se poate spune, de subtilitate a structurii lor, are insa un aspect central, pe cat de fundamental pentru intelegerea fundamentelor structurii lumii materiale, pe atat de dificil din punct de vedere tehnic: modul in care bosonii purtatori de forte raspund la sarcinile electrice ale particulelor de materie. Reusita acestei performante, testata in particular prin indeplinirea experimentala a predictiilor teoretice, este apanajul extraordinarei teorii care este modelul standard, pe care am mai amintit-o in cateva randuri. Tot despre ea am mai spus ca inca de la inceput a starnit o oarecare "nemultumire" prin faptul ca... era prea desavarsita, ca nu oferea adica indicatii asupra directiilor de-a lungul carora ar fi putut fi "depasita". De ce sa-si doreasca asa ceva teoreticienii, mai ales ca tot ei se afla de atata vreme in cautarea unei "teorii ultime" a materiei? Pentru ca in asemenea "zone crepusculare", zone de frontiera, se afla cheia - sau cheile - intelegerii finale a Naturii?