Odiseea umană. De la viaţa în copaci la înţelegerea cosmosului

Leonard Mlodinow
Odiseea umană. De la viaţa în copaci la înţelegerea cosmosului
Editura Herald, 2019
traducere din limba engleză de Walter Fotescu



***
Intro

Leonard Mlodinow a obţinut doctoratul în fizică teoretică la Universitatea Berkeley din California, a fost beneficiar al bursei Alexander von Humboldt la Institutul "Max Planck" şi a predat în cadrul Institutului Californian de Tehnologie (Caltech) . Printre cărţile sale anterioare se numără bestsellerurile Subliminal (deţinător al Premiului PEN / E.O. Wilson), War of the Worldviews (scris în colaborare cu Deepak Chopra), The Grand Design (in colaborare cu Stephen Hawking), The Drunkard's Walk: How Randomness Rules Our Lives (inclus pe lista de Cărţi Remarcabile a New York Times), Feynman's Rainbow şi Euclid's Window. De asemenea, a fost scenarist pentru serialele de televiziune MacGyver şi Star Trek: The Next Generation.

*

Leonard Mlodinow ne poartă într-o călătorie pasionantă şi plină de inspiraţie prin incitanta istorie a evoluţiei umane şi prin evenimentele-cheie din dezvoltarea ştiinţelor. În acelaşi timp, autorul oferă o perspectivă nouă şi fascinantă asupra caracteristicilor unice ale speciei şi societăţii noastre, care ne-au ajutat să evoluăm de la uneltele de piatră până la limbajul scris, iar prin naşterea chimiei, biologiei şi fizicii moderne, până la lumea tehnologiei de astăzi.

De-a lungul acestei odisee umane, autorul explorează condiţiile culturale care au influenţat gândirea ştiinţifică de-a lungul secolelor, precum şi personalităţile pitoreşti ale câtorva dintre marii filosofi, savanţi şi gânditori: Isaac Newton, Antoine Lavoisier, Charles Darwin, Albert Einstein, Werner Heisenberg şi multe alte minţi mai puţin cunoscute, dar la fel de strălucite, populează aceste pagini, iar fiecare dintre poveştile lor arată cât de multe dintre succesele umanităţii pot fi puse pe seama căutării stăruitoare de răspunsuri la întrebări simple (de ce? cum?), adresate cu mult curaj.

Odiseea umană. De la viaţa în copaci la înţelegerea cosmosului este o carte pentru iubitorii de ştiinţă şi pentru toţi cei interesaţi de gândirea creativă şi de efortul nostru nesfârşit de a ne înţelege lumea. În acelaşi timp plină de informaţii, accesibilă şi impregnată de umorul caracteristic autorului, această lucrare profundă reprezintă un omagiu uimitor adus curiozităţii intelectuale a omenirii.

*

 "O carte nesfârşit de fascinantă [şi] care te pune serios pe gânduri [...] O călătorie selectivă prin procesul acumulării de cunoştinţe al umanităţii [şi] o prezentare a personalităţilor incitante care au fost pionierii descoperirilor ştiinţifice [...] Un studiu care îţi taie respiraţia." (Kirkus Reviews)

 "O lucrare înălţătoare de istorie a ştiinţei [...] Dacă fizica cuantică şi teoria relativităţii vă dau fiori, nu va îngrijoraţi [...] Mlodinow ştie cum să le vorbească celor care nu au nicio treabă cu ştiinţa." (Library Journal)

 "Mlodinow schiţează în culori vii revoluţiile din gândire şi cultură care ne definesc civilizaţia şi, ca bonus, prezintă un rezumat stimulant al istoriei şi al influenţei uriaşe a ştiinţei moderne." (V.S. Ramachandran, autorul volumului The Tell-Tale Brain: A Neuroscientist's Quest for What Makes Us Human)

 "O introducere plăcută şi uşor de citit în istoria ştiinţei occidentale, începând cu primele unelte din piatră şi sfârşind cu epoca fizicii cuantice." (David Christian, coautor al cărţii Big History: Bewteen Nothing and Everything şi profesor la Universitatea Macquarie, Sidney)

 "Cum am evoluat atât de rapid de la peşteri la maşini, de la savane la zgârie-nori, de la mersul pe două picioare la mersul pe Lună? Urmaţi-l pe Mlodinow în timp ce prezintă călătoria uimitoare a speciei noastre; la fiecare oprire, veţi descoperi că progresul nostru continuu este alimentat de un element foarte special ce caracterizează creierul uman: setea noastră nestinsă de cunoaştere." (David Eagleman, autorul bestsellerului Incognito: The Secret Lives of the Brain)

Fragment
12. Revoluţia cuantică

În pofida tuturor minţilor strălucite şi avide care acum se concentrează asupra cuantelor, şi în ciuda adevărurilor izolate pe care le-au intuit sau descoperit, la începutul anilor 1920 nu exista încă o teorie generală a cuantelor sau măcar un indiciu că o astfel de teorie este posibilă. Bohr inventase nişte principii care, dacă erau adevărate, explicau de ce atomii sunt stabili şi permiteau să li se deducă spectrele; dar de ce erau acele principii adevărate şi cum trebuie ele aplicate la analiza altor sisteme? Nimeni nu ştia.

Mulţi fizicieni care lucrau în domeniul cuantelor erau descurajaţi. Max Born (1882-1970), viitor laureat al Premiului Nobel, cel care va introduce în curând termenul de "foton", a scris: "Mă gândesc zadarnic la teoria cuantică, încercând să găsesc o reţetă pentru calcularea atomilor de heliu şi a altora; dar nu reuşesc nicicum... cuantele sunt un talmeş-balmeş absolut". Iar Wolfgang Pauli (1900-1958), un alt viitor laureat al Premiului Nobel, care va propune şi apoi va elabora teoria matematică a unei proprietăţi numită "spin", s-a exprimat astfel: "În momentul de faţă fizica este într-o mare învălmăşeală; îmi este mult prea greu şi aş vrea să fiu un actor de comedie sau ceva de felul acesta, şi să nu fi auzit niciodată de fizică".

Natura ne oferă enigme, iar nouă ne revine sarcina să le dezlegăm. O trăsătură caracteristică a fizicienilor este că au invariabil convingerea absolută că acele enigme ascund adevăruri profunde. Noi credem că natura este guvernată de reguli generale şi că nu reprezintă doar un amestec de fenomene fără legătură între ele. Primii cercetători ai cuantelor nu ştiau cum ar trebui să arate o teorie generală a cuantelor, dar erau încrezători că o astfel de teorie va exista. Lumea pe care o explorau opunea înverşunat rezistenţă oricărei explicaţii, dar ei au crezut că teoria poate fi înţeleasă. Visele lor i-au susţinut. La fel ca noi toţi, aveau momente când îndoiala şi disperarea îi făceau vulnerabili, dar perseverau în călătoriile dificile care le consumau ani din viaţă, motivaţi de credinţa că la capătul drumului adevărul îi va răsplăti. La fel ca în orice demers dificil, vedem că cei care au reuşit au avut convingeri foarte ferme, fiindcă cei şovăielnici au abandonat cursa înainte să poată atinge succesul.

Este uşor de înţeles disperarea celor ca Born şi Pauli: nu doar că teoria cuantică era o provocare în sine, dar ea s-a maturizat într-o perioadă dificilă. Majoritatea pionierilor fizicii cuantice lucrau în Germania sau se deplasau între Germania şi Institutul construit în 1921, la Universitatea din Copenhaga, cu banii strânşi de Bohr, fiind constrânşi să-şi efectueze cercetările pentru o nouă ordine ştiinţifică într-o perioadă în care ordinea socială şi politică din jurul lor se dizolva în haos. În 1922, ministrul de externe al Germaniei a fost asasinat. În 1923, valoarea mărcii germane s-a prăbuşit la o trilionime din valoarea ei antebelică şi era nevoie de cinci sute de miliarde din acei "dolari germani" doar pentru a cumpăra un kilogram de pâine. Şi cu toate acestea, noii fizicieni cuantici căutau sprijin în înţelegerea atomului şi, mai general, a legilor fundamentale ale naturii care se aplică la acea scară minusculă.

Sprijinul a sosit, în fine, pe la jumătatea acelui deceniu. A venit sacadat, începând cu un articol publicat în 1925 de un tânăr de douăzeci şi trei de ani, pe nume Werner Heisenberg (1901-1976).

***

Născut la Würzburg, în Germania, ca fiu al unui profesor de limbi clasice, Heisenberg a fost recunoscut de timpuriu ca un copil strălucit şi competitiv. Tatăl lui i-a încurajat spiritul de competiţie şi Heisenberg se bătea adesea cu fratele său, cu un an mai în vârstă. Dihonia a culminat cu o încăierare sângeroasă în care cei doi s-au lovit cu scaune de lemn, după care au încheiat un armistiţiu - care a durat numai fiindcă cei doi au plecat de acasă, fiecare pe drumul său, şi nu şi-au mai vorbit toată viaţa. În anii care vor urma, Heisenberg va ataca la fel de feroce provocările din activitatea sa.

Werner va considera întotdeauna competiţia o provocare personală. Nu avea niciun talent deosebit pentru schi, dar s-a antrenat ca să devină un schior excelent. A ajuns un alergător de cursă lungă. A învăţat să cânte la pian şi la violoncel. Dar cel mai important, când a descoperit, fiind elev în şcoala primară, că are talent la aritmetică, a început să manifeste un interes deosebit pentru matematică şi pentru aplicaţiile acesteia.

În vara anului 1920, Heisenberg a decis să facă un doctorat în matematică. Pentru a fi acceptat într-un program, era nevoie să convingi un cadru al facultăţii să te sponsorizeze, şi printr-o relaţie a tatălui său, Heisenberg a reuşit să obţină un interviu cu un bine-cunoscut matematician de la Universitatea din München, pe nume Ferdinand von Lindemann. După cum se va dovedi, nu a fost genul bun de interviu pe care-l obţii uneori prin relaţii, în care Heisenberg să fi fost servit cu ceai şi prăjituri şi să i se fi spus ce poveşti uimitoare circulau pe seama inteligenţei lui. Dimpotrivă, a fost un interviu prost, în care Lindemann - care mai avea doi ani până la pensie, era pe jumătate surd şi prea puţin interesat de studenţii din anul întâi - ţinea un pudel pe birou, care lătra atât de tare, încât vocea lui Heisenberg abia se auzea. Dar şansele lui Heisenberg au primit lovitura de graţie atunci când a menţionat că citise o carte a lui Einstein despre teoria relativităţii, scrisă de matematicianul Hermann Weyl. Când a auzit de interesul tânărului pentru o carte de fizică, Lindemann, care era specialist în teoria numerelor, a pus brusc capăt interviului, zicând: "În cazul acesta, eşti iremediabil pierdut pentru matematică".

Cu comentariul său, poate că Lindemann a vrut să spună că interesul pentru fizică este un semn de prost-gust, deşi, fiind fizician, îmi place să cred că, de fapt, el a spus că, deoarece Heisenberg fusese expus unui subiect mult mai captivant, nu va mai avea răbdarea necesară pentru matematică. În orice caz, aroganţa şi obtuzitatea lui Lindemann au schimbat cursul istoriei, căci, dacă l-ar fi susţinut pe Heisenberg, fizica l-ar fi pierdut pe omul ale cărui idei aveau să devină nucleul teoriei cuantice.

După ce a fost respins de Lindemann, Heisenberg nu întrevedea multe opţiuni şi s-a decis, drept consolare, să facă un doctorat în fizică, sub îndrumarea lui Arnold Sommerfeld, care fusese un mare susţinător al atomului lui Bohr şi contribuise el însuşi la teorie. Sommerfeld, un bărbat zvelt, cu chelie şi mustaţă mare - şi fără pudeli -, a fost impresionat că tânărul Heisenberg abordase cartea lui Weyl. Nu suficient de impresionat ca să-l ia imediat sub oblăduirea lui, dar destul încât să-i ofere o sponsorizare provizorie. "S-ar putea să ştii câte ceva; sau s-ar putea să nu ştii nimic", i-a spus Sommerfeld. "Vom vedea." Bineînţeles că Heisenberg a ştiut ceva - îndeajuns încât să-şi ducă la bun sfârşit doctoratul cu Sommerfeld în 1923. Iar în 1924 a primit un grad şi mai înalt, numit "abilitare", lucrând sub conducerea lui Born, la Göttingen. Dar drumul lui spre nemurire a început cu adevărat după aceea, în timpul unei vizite făcute lui Niels Bohr la Copenhaga, în toamna anului 1924.

Când a sosit Heisenberg, Bohr tocmai depunea eforturi greşit orientate pentru a-şi îmbunătăţi modelul atomic, iar Heisenberg i s-a alăturat. Am spus "greşit orientate" nu numai fiindcă au dat greş, ci având în vedere scopul lor: Bohr a vrut să elimine din model fotonul, cuanta de lumină a lui Einstein. Faptul ar putea să pară ciudat, căci tocmai ideea cuantelor de lumină i-a sugerat iniţial lui Bohr posibilitatea ca atomii să fie restricţionaţi doar la anumite energii discrete. Dar, la fel ca majoritatea fizicienilor, Bohr avea reţineri să accepte realitatea fotonului, astfel încât s-a întrebat dacă nu s-ar putea crea o variantă a modelului său iniţial de atom care să nu conţină acest concept. Bohr credea că se poate. L-am văzut pe Bohr chinuindu-se cu anumite idei şi reuşind, dar în cazul acesta, s-a chinuit cu o idee şi a dat greş.

Când eram student, eu şi prietenii mei idolatrizam câţiva fizicieni. Pe Einstein, pentru logica sa impecabilă şi ideile radicale. Pe Feynman şi pe fizicianul britanic Paul Dirac (1902-1984), pentru că inventaseră concepte matematice aparent ilicite şi obţinuseră cu ajutorul lor rezultate uimitoare. (Ulterior, matematicienii aveau să găsească o cale pentru a le justifica.) Iar pe Bohr îl divinizam pentru intuiţia lui. Ne gândim la ei ca la nişte eroi, genii supraomeneşti a căror gândire a fost întotdeauna limpede şi ale căror idei au fost întotdeauna corecte. Nu este ceva neobişnuit, fiindcă presupun că şi fanii unor artişti, sportivi sau întreprinzători de succes îşi supralicitează idolii.

În perioada studenţiei mele, ni s-a spus că intuiţia lui Bohr în ce priveşte fizica cuantică era atât de impresionantă, încât el părea să aibă "o linie de comunicare directă cu Dumnezeu". Dar dacă discuţiile despre începuturile teoriei cuantice menţionează adesea marile intuiţii ale lui Bohr, ele rareori pomenesc numeroasele lui idei greşite. Lucru firesc, deoarece cu trecerea timpului ideile bune supravieţuiesc, iar cele greşite sunt uitate. Din păcate, în felul acesta rămânem cu impresia eronată că ştiinţa este mult mai uşoară şi directă - cel puţin pentru anumite "genii" - decât în realitate.

Marele baschetbalist Michael Jordan a spus odată: "Am ratat mai mult de nouă mii de aruncări în cariera mea. Am pierdut aproape trei sute de meciuri. De douăzeci şi şase de ori mi s-au încredinţat aruncări decisive pentru câştigarea meciului şi am ratat. Am dat greş iar şi iar în viaţă. Şi de aceea reuşesc". El a făcut aceste afirmaţii într-o reclamă pentru Nike, fiindcă este o sursă de inspiraţie să auzi că până şi o legendă a avut eşecuri şi a perseverat, depăşindu-le. Pentru cineva angajat într-un domeniu al descoperirii şi inovaţiei, este la fel de valoros să afle despre ideile eronate ale lui Bohr sau despre zadarnicele strădanii alchimice ale lui Newton, să realizeze că idolii noştri intelectuali au idei greşite şi eşecuri la fel de colosale precum cele despre care suntem conştienţi că le-am avut noi înşine.

Prin aceasta, "revoluţionarii" din ştiinţă nu se deosebesc de gânditorii progresişti din alte domenii. Să-l luăm ca exemplu pe Abraham Lincoln, campionul eliberării sclavilor din sudul Statelor Unite, care cu toate acestea a fost incapabil să renunţe la credinţa învechită care stipula că rasele nu vor putea trăi niciodată laolaltă "în egalitate socială şi politică". Lincoln îşi va fi dat şi el seama că lupta lui împotriva sclaviei este în dezacord cu tolerarea inegalităţii rasiale. Dar el şi-a apărat poziţia de susţinere a supremaţiei rasei caucaziene spunând că aspectul esenţial nu este "conformitatea ei cu justiţia", deoarece supremaţia albilor este un "sentiment universal" care, "întemeiat sau nu, nu poate fi lesne trecut cu vederea". Cu alte cuvinte, abandonarea supremaţiei albilor a fost un pas prea radical chiar şi pentru el.

Că Bohr îşi va fi considerat propriul său model atomic o idee prea radicală este interesant, dar nu surprinzător, fiindcă ştiinţa, la fel ca societatea, este construită pe anumite idei şi credinţe împărtăşite, cărora atomul lui Bohr nu li se conforma. Drept urmare, pionierii ştiinţei de la Galilei şi Newton la Bohr şi Einstein - şi mai departe - au avut un picior în trecut, chiar dacă imaginaţia lor a ajutat la crearea viitorului.

Dacă îi întrebi pe oameni de ce cred una sau alta, de regulă ei nu vor fi la fel de deschişi şi conştienţi de sine ca Lincoln. Foarte puţini vor spune - cum a făcut în esenţă el - că ei cred ceva fiindcă aşa cred toţi ceilalţi. Nici "fiindcă aşa am crezut dintotdeauna", sau "fiindcă aşa am fost îndoctrinat să cred acasă şi la şcoală". Dar, aşa cum a remarcat Lincoln, constituie adesea o mare parte a motivului. În societate, credinţele împărtăşite creează cultură, iar uneori nedreptate. În ştiinţă, în artă şi în alte sectoare unde creativitatea şi inovaţia sunt importante, credinţele împărtăşite pot crea bariere mentale în calea progresului. De aceea schimbările se produc adesea în salturi şi de aceea Bohr a eşuat în tentativa de a-şi modifica teoria.

Chiar dacă noua teorie a lui Bohr a fost condamnată din start, ea a avut un efect foarte benefic: l-a obligat pe Heisenberg să se gândească profund la implicaţiile teoriei iniţiale a atomului a lui Bohr. Treptat, analiza lui l-a îndrumat către o viziune cu totul nouă a fizicii: că este nu doar posibil, ci chiar dezirabil să se abandoneze ideea unei imagini intuitive despre mecanismele interioare ale atomului - mişcarea orbitală a electronilor, de exemplu, pe care ne-o imaginăm mental, dar pe care nu o putem observa în practică.

Teoria lui Bohr, asemenea teoriilor fizicii clasice, se baza pe valori atribuite unor caracteristici precum poziţia şi viteza orbitală a electronului. În lumea obiectelor studiate de Newton - proiectile, pendule, planete -, poziţia şi viteza pot fi observate şi măsurate. Dar experimentatorii din laborator nu pot observa dacă electronii din atomi sunt într-un loc sau altul, nici cât de repede se mişcă, presupunând că aceştia se mişcă. Dacă conceptele clasice de poziţie, viteză, traiectorie şi orbită nu sunt observabile la nivelul atomului, a raţionat Heisenberg, atunci poate nu ar mai trebui să încercăm să creăm o ştiinţă a atomului - sau a altor sisteme similare - care să se bazeze pe ele. De ce să ne agăţăm de acele idei vechi? Ele sunt un balast mental din secolul al XVII-lea, a decis Heisenberg.

Este oare posibil, s-a întrebat Heisenberg, să dezvoltăm o teorie bazată numai pe datele despre atom care pot fi direct măsurate, cum ar fi frecvenţele şi amplitudinile radiaţiei pe care le emite acesta?

Rutherford reproşase modelului atomic al lui Bohr că nu oferă niciun mecanism pentru salturile electronului între nivelele energetice ale atomului; Heisenberg va răspunde acelei critici nu oferind un mecanism, ci afirmând că nu există un astfel de mecanism, că nu există traiectorie atunci când vorbim despre electroni, sau cel puţin că problema se situează în afara domeniului fizicii - fiindcă fizicienii măsoară lumina absorbită sau emisă în asemenea procese, dar nu pot asista la procesul în sine. Când Heisenberg s-a întors la Göttingen, în primăvara anului 1925, pentru a lucra ca lector în institutul lui Born, visul şi ţelul său erau să inventeze o nouă abordare a fizicii, bazată exclusiv pe date măsurabile.

Crearea unei ştiinţe radical noi, care să abandoneze descrierea newtoniană intuitivă a realităţii, şi care dezavua concepte precum poziţia şi viteza - pe care cu toţii ni le putem imagina şi însuşi -, ar fi fost un obiectiv îndrăzneţ pentru oricine, şi cu atât mai mult pentru un tânăr de douăzeci şi trei de ani, ca Heisenberg. Dar la fel ca Alexandru cel Mare, care la douăzeci şi doi de ani a schimbat harta politică a lumii, tânărul Heisenberg va conduce o campanie menită să remodeleze harta ştiinţifică a lumii.

***

Teoria creată de Heisenberg pe baza acestei inspiraţii va înlocui legile mişcării ale lui Newton ca teorie fundamentală a naturii. Max Born o va numi "mecanică cuantică", pentru a o distinge de legile lui Newton, desemnate adesea drept mecanică newtoniană, sau mecanică clasică. Dar teoriile fizicii sunt validate de acurateţea previziunilor lor, nu de acordul general sau de simţul comun, astfel încât ne putem întreba cum este posibil ca o teorie bazată pe idei exotice, ca cele ale lui Heisenberg, să înlocuiască o teorie bine stabilită precum cea a lui Newton, care repurtase atâtea succese.

Răspunsul este că, deşi cadrul conceptual aflat la baza mecanicii cuantice este foarte diferit de cel al lui Newton, previziunile matematice ale teoriei se deosebesc de obicei numai pentru sisteme la scară atomică sau mai mică, unde legile lui Newton nu mai sunt valabile. Şi astfel, odată ajunsă la dezvoltare deplină, mecanica cuantică va explica strania comportare a atomului fără să contrazică descrierea bine stabilită a fenomenelor de zi cu zi oferită de teoria newtoniană. Heisenberg şi ceilalţi fizicieni care au lucrat la elaborarea teoriei cuantice ştiau că aşa trebuia să fie şi au dezvoltat o formulare matematică a ideii care a oferit teste utile pentru teoria aflată în evoluţie. Bohr a numit acea formulare "principiul de corespondenţă".

Cum a creat Heisenberg o teorie concretă din ceea ce pe atunci abia dacă era mai mult decât o preferinţă filosofică? Sarcina lui a fost să transpună ideea conform căreia fizica trebuie să se bazeze pe "observabile" - cantităţi pe care le măsurăm - într-un cadru matematic care, asemenea celui al lui Newton, să poată fi utilizat pentru descrierea lumii fizice. Teoria inventată de el se aplică oricărui sistem fizic, dar el a elaborat-o în contextul lumii atomice, cu scopul iniţial de a explica, printr-o teorie matematică generală, motivele succesului modelului atomic ad-hoc al lui Bohr.

Primul pas făcut de Heisenberg a fost să identifice observabilele adecvate pentru atom. Deoarece în lumea atomică ceea ce măsurăm sunt frecvenţele luminii emise de atomi şi amplitudinea - sau intensitatea - liniilor spectrale corespunzătoare, acestea au fost proprietăţile alese de el. După care a trecut la aplicarea tehnicilor din fizica matematică tradiţională la deducerea relaţiei dintre "observabilele" newtoniene tradiţionale, precum poziţia şi viteza, şi datele despre liniile spectrale. Scopul lui a fost să folosească acea conexiune pentru a înlocui fiecare observabilă din fizica newtoniană cu corespondentul ei cuantic. Pasul acesta va necesita deopotrivă creativitate şi curaj, fiindcă îi va cere lui Heisenberg să transforme poziţia şi impulsul în entităţi matematice pe cât de noi, pe atât de bizare.

Noul tip de variabilă a fost cerut de faptul că, deşi poziţia - de pildă - este definită specificând un singur punct, datele spectrale necesită o descriere diferită. Fiecare dintre diversele proprietăţi ale luminii emise de atomi, precum culoarea şi intensitatea, formează nu doar un singur număr, ci un întreg şir de numere. Datele formează un şir deoarece există o linie spectrală corespunzătoare saltului din oricare stare iniţială a atomului către oricare stare finală - generând câte o intrare pentru fiecare pereche posibilă de nivele energetice din modelul lui Bohr. Dacă pare complicat, nu vă faceţi griji - chiar aşa este. De fapt, când a elaborat această schemă, Heisenberg însuşi a calificat-o la început drept "foarte stranie". Dar esenţialul realizării sale a fost eliminarea din teorie a unor orbite electronice care pot fi vizualizate şi înlocuirea lor cu mărimi pur matematice.

* În teoria lui Heisenberg, poziţia este reprezentată de o matrice infinită, sau un număr infinit de numere, în locul familialelor coordonate spaţiale. *

Cei care, asemenea lui Rutherford, au lucrat la teorii ale atomului înaintea lui Heisenberg, au vrut să descopere un mecanism în spatele proceselor atomice. Ei s-au gândit la conţinutul inaccesibil al atomului ca fiind real şi au încercat să deducă natura liniilor spectrale pe baza unor presupuneri despre ce este în interior - de exemplu, electroni în mişcare orbitală. Analizele lor au pornit întotdeauna de la supoziţia că şi componentele atomului au aceleaşi caracteristici de bază ca şi obiectele cu care suntem obişnuiţi din viaţa de zi cu zi. Numai Heisenberg a gândit altfel şi a avut curajul să declare că orbitele electronilor depăşesc scopul observaţiei şi, prin urmare, nu sunt reale şi nu-şi au locul în teoria lui. Aceasta va fi abordarea lui Heisenberg nu numai în cazul atomului, ci al oricărui sistem fizic.

Insistând pe asemenea analize, Heisenberg a abandonat imaginea newtoniană a lumii ca un aranjament de obiecte materiale care posedă o existenţă individuală şi proprietăţi bine definite, precum viteză şi localizare. Odată perfecţionată, teoria lui ne va cere să acceptăm în schimb o lume bazată pe o schemă conceptuală diferită, în care traiectoria unui obiect, şi chiar trecutul şi viitorul său, nu sunt precis stabilite.

Dacă avem în vedere că în lumea actuală mulţi oameni au dificultăţi să se adapteze la noile tehnologii precum SMS-urile şi reţelele sociale, ne putem imagina de câtă deschidere mentală a fost nevoie pentru ca gândirea să poată accepta o teorie care afirma că electronii şi nucleele din care suntem alcătuiţi nu au o existenţă concretă. Iar abordarea lui Heisenberg tocmai asta pretindea. Nu era doar un nou gen de fizică - era o concepţie cu totul nouă despre realitate. Chestiuni de felul acesta l-au făcut pe Max Born să pună sub semnul întrebării sciziunea veche de secole dintre fizică şi filosofie. "Sunt convins acum", a scris el, "că fizica teoretică este de fapt filosofie."

Când ideile acestea au început să se clarifice pentru Heisenberg, iar calculele sale matematice au progresat, el a devenit tot mai entuziast. Dar tocmai atunci a suferit o criză de alergie la polen atât de puternică, încât a trebuit să plece din Göttingen şi să se retragă pe o insulă din Marea Nordului, pe care nu creştea aproape nimic. Toată faţa îi era umflată într-un mod oribil. Cu toate acestea, a continuat să lucreze zi şi noapte şi a terminat cercetările care vor constitui primul său articol despre ideile care vor revoluţiona fizica.

Revenit acasă, Heisenberg şi-a aşternut pe hârtie descoperirile şi a înmânat o copie prietenului său Pauli şi o alta lui Born. Articolul a conturat o metodologie şi a aplicat-o câtorva probleme simple, dar Heisenberg nu a fost în măsură să-şi aplice ideile pentru a calcula ceva de interes practic. Lucrarea sa era într-o stare brută, oribil de complicată şi extrem de misterioasă. Pentru Born, confruntarea cu ea trebuie să fi părut asemenea conversaţiei unei persoane pe care o întâlneşti la o petrecere, şi care vorbeşte tot timpul fără să spună de fapt nimic. Puşi în situaţia de a citi o lucrare atât de dificilă, majoritatea oamenilor se vor strădui câteva minute, după care o vor pune deoparte şi vor bea un pahar cu vin. Dar Born a perseverat şi în final a fost atât de impresionat de lucrarea lui Heisenberg, încât i-a scris imediat lui Einstein, spunându-i că ideile tânărului om de ştiinţă sunt "fără îndoială corecte şi profunde".

Asemenea lui Bohr şi Heisenberg, Born fusese inspirat de teoria relativităţii, enunţată de Einstein, şi a remarcat că focalizarea lui Heisenberg asupra a ceea ce poate fi măsurat era analoagă cu atenţia acordată de Einstein, în crearea relativităţii, aspectelor operaţionale ale măsurării timpului. Dar lui Einstein nu i-a plăcut teoria lui Heisenberg şi în acest punct al evoluţiei teoriei cuantice Einstein şi cuantele se vor despărţi: Einstein nu a putut să gireze o teorie care abandonează existenţa unei realităţi obiective bine definite, în care obiectele au proprietăţi precum poziţie şi viteză. El era dispus să accepte că proprietăţile atomului pot fi explicate de o teorie provizorie care să nu facă referire la orbitele din atom. Dar o teorie fundamentală care să proclame că aceste orbite nu există - la aşa ceva nu putea să subscrie. După cum va scrie el mai târziu, "Înclin să cred că fizicienii nu vor fi permanent satisfăcuţi cu... o descriere indirectă a Realităţii".

Heisenberg însuşi nu ştia sigur ce crease. El şi-a amintit mai târziu cât de buimac a fost când, în pragul descoperirii, a lucrat într-o noapte până la ora 3 dimineaţa, iar apoi nu a putut să doarmă din pricina tulburării. Totuşi, în timp ce lucra la manuscrisul primului său articol în care îşi expunea ideile, i-a scris tatălui său: "În momentul de faţă lucrările mele nu merg prea bine. Nu produc foarte mult şi nu ştiu dacă din toate acestea va mai rezulta alt studiu".

Între timp, Born continua să se frământe cu strania matematică a lui Heisenberg. Apoi, într-o zi, a avut o revelaţie: mai văzuse undeva o schemă asemănătoare cu a lui Heisenberg. Şirurile sale, şi-a adus el aminte, semănau cu ceea ce matematicienii numesc "matrici". Algebra matricială era pe atunci un subiect dificil şi obscur şi se părea că Heisenberg îl reinventase. Born l-a rugat pe Pauli să-l ajute să transpună lucrarea lui Heisenberg în limbajul matematic al matricilor (şi să extindă acel limbaj pentru a include faptul că matricile lui Heisenberg aveau un număr infinit de linii şi de coloane). Pauli, viitor laureat al Premiului Nobel, a devenit agitat. El l-a acuzat pe Born că încearcă să ruineze frumoasele "idei fizice" ale prietenului său introducând "o matematică inutilă" şi "un formalism anost şi complicat".

În realitate, limbajul matricilor se va dovedi o mare simplificare. Born a mai găsit pe cineva care să ajute cu algebra matricială, anume studentul său Pascual Jordan, şi peste câteva luni, în noiembrie 1925, Heisenberg, Born şi Jordan au publicat un articol despre teoria cuantică a lui Heisenberg, care acum este o piatră de hotar în istoria ştiinţei. La scurt timp după aceea, Pauli le-a asimilat lucrarea şi a aplicat noua teorie la deducerea liniilor spectrale ale hidrogenului, arătând totodată cum sunt ele afectate de câmpurile electrice şi magnetice, ceea ce nu fusese posibil până atunci. A fost prima aplicaţie practică a noii teorii în curs de formare şi avea să detroneze în curând mecanica lui Newton.

***

Trecuseră mai mult de două mii de ani de la apariţia ideii de atom, mai mult de două sute de ani de când Newton inventase mecanica matematică şi mai bine de douăzeci de ani de când Planck şi Einstein introduseseră conceptul de cuantă. Teoria lui Heisenberg a fost într-un fel punctul culminant al tuturor acelor lungi şiruri de idei ştiinţifice.

Problema era că, pe deplin dezvoltată, teoria lui Heisenberg avea nevoie de treizeci de pagini ca să explice nivelele energetice ale atomului, lucru pe care teoria lui Bohr îl făcuse în câteva rânduri. La aceasta, mereu practicul meu tată, croitorul, ar fi comentat: "Of, şi pentru asta a trebuit să studieze toţi acei ani?". Şi totuşi teoria lui Heisenberg era superioară, fiindcă şi-a produs rezultatele pe baza unor principii profunde, în locul presupunerilor ad-hoc ale lui Bohr. S-ar putea crede că, din acest motiv, ea a fost numaidecât îmbrăţişată de fizicieni. Dar majoritatea nu erau direct implicaţi în căutarea unei teorii a cuantelor şi păreau să gândească la fel ca tatăl meu. Pentru ei, a fi nevoie de treizeci de pagini, în loc de trei rânduri, nu era un progres. Aceştia - printre care se remarca Rutherford - nu au fost nici impresionaţi, nici interesaţi, privindu-l pe Heisenberg aşa cum ai privi un mecanic auto care-ţi spune că defecţiunea se poate remedia înlocuind termostatul, dar că ar fi mai bine să-ţi iei o maşină nouă.

Micul grup al celor iniţiaţi în teoria cuantică au avut însă o reacţie diferită. Aproape fără excepţie, au fost copleşiţi. Fiindcă teoria lui Heisenberg, deşi vădit complicată, reuşea să explice într-un sens profund de ce teoria provizorie a atomului de hidrogen, a lui Bohr, funcţionase, oferind în acelaşi timp o descriere completă a datelor observate.

Mai ales pentru Bohr, aceasta a fost încununarea unei căutări la a cărei iniţiere ajutase. El a ştiut că atomul său constituia un model provizoriu ad-hoc, menit a fi explicat, în cele din urmă, de o teorie mai generală care - conform propriei convingeri - era cea de faţă. "Datorită ultimei lucrări a lui Heisenberg", a scris el, "dintr-o trăsătură de condei s-au împlinit aspiraţii care erau de multă vreme în centrul dorinţelor noastre".

Pentru o vreme, fizica s-a aflat într-o situaţie bizară, ca pe un stadion unde se joacă finala Cupei Mondiale şi s-a marcat golul victoriei, dar numai câţiva suporteri au băgat de seamă. Printr-o ironie, teoria cuantică a promovat de la stadiul de teorie aflată doar în atenţia specialiştilor la ceea ce se recunoaşte acum a fi teoria fundamentală aflată la baza întregii fizici prin apariţia - câteva luni mai târziu, în ianuarie şi februarie 1926 - a două articole care descriau împreună o altă teorie generală a cuantelor, una care folosea concepte şi metode foarte diferite - pare-se, o viziune diferită a realităţii.

Noua teorie concurentă descria electronii din atom sub forma unei unde - concept pe care fizicienii erau obişnuiţi să-l vizualizeze, deşi fără îndoială că nu în contextul electronilor. Destul de ciudat, în pofida diferenţelor, ea explica atomul lui Bohr la fel de bine ca teoria lui Heisenberg. Păreau să existe acum două teorii incompatibile, una privind natura ca alcătuită din unde de materie şi energie, şi o alta care insista că este inutil să concepem natura ca alcătuită din ceva, recomandând în schimb să luăm în considerare numai relaţiile matematice dintre date.

Noua teorie cuantică era creaţia fizicianului austriac Erwin Schrödinger (1887-1961) şi se deosebea ca stil de cea a lui Heisenberg aproape la fel de mult ca cei doi oameni şi împrejurările în care cei doi au făcut descoperirile. În timp ce Heisenberg a lucrat singur, pe o insulă stâncoasă, având sinusurile umflate, Schrödinger a scris în timpul unei vacanţe de Crăciun, petrecută cu o amantă în staţiunea Arosa din munţii Alpi. "El şi-a realizat marea operă", a spus un prieten al său matematician, "în timpul unei izbucniri erotice târzii." Pentru matematicianul cu pricina, "târziu" se referea la vârsta înaintată de treizeci şi opt de ani, cât avea Schrödinger pe atunci.

Poate că matematicianul avea totuşi oarecare dreptate cu privire la vârsta înaintată a lui Schrödinger. Am văzut de nenumărate ori că tinerii fizicieni acceptă ideile noi, pe când cei mai vârstnici tânjesc după modul tradiţional de gândire, ca şi cum cu cât îmbătrâneşti, cu atât devine mai greu să te adaptezi la mutaţiile unei lumi în schimbare. Lucrarea lui Schrödinger se dovedeşte a fi încă un exemplu al acestei tendinţe - căci, ironic, motivaţia lui în elaborarea noii teorii a fost dorinţa de a avea o teorie a cuantelor care, spre deosebire de cea a lui Heisenberg, să fie asemănătoare fizicii clasice: Schrödinger lupta pentru menţinerea familiarului, nu pentru eliminarea lui.

Spre deosebire de mult mai tânărul Heisenberg, Schrödinger a vizualizat mişcarea electronilor în atom. Şi chiar dacă exoticele sale "unde de materie" nu atribuiau direct electronului proprietăţi newtoniene, precum orbitele lui Bohr, noua lui "teorie ondulatorie" a cuantelor, pe care la început nimeni nu a ştiut exact cum s-o interpreteze, promitea să evite viziunea dezagreabilă a realităţii, impusă de teoria lui Heisenberg. A fost o alternativă pe care fizicienii au apreciat-o. Înaintea lui Schrödinger, mecanica cuantică era cu greu acceptată. Deoarece matematica neobişnuită a lui Heisenberg implica un număr infinit de ecuaţii matriciale, aceasta părea îngrozitor de complicată, iar fizicienilor nu le era la îndemână să renunţe la variabilele pe care le puteau vizualiza, în favoarea unor matrici simbolice. Teoria lui Schrödinger, pe de altă parte, era uşor de folosit şi se baza pe ecuaţii asemănătoare acelora pe care fizicienii le cunoşteau din facultate, în contextul undelor sonore şi al undelor într-un fluid. Metodologia aceasta era pâinea fizicienilor clasici, făcând ca tranziţia la fizica cuantică să fie relativ uşoară. La fel de important, oferind o modalitate de vizualizare a atomului, chiar dacă nu utiliza concepte newtoniene precum cel de orbită, Schrödinger făcuse teoria cuantică mai acceptabilă - şi antiteza a ceea ce urmărise Heisenberg să facă.

La început, chiar şi lui Einstein i-a plăcut teoria lui Schrödinger. El însuşi luase în considerare ideea undelor de materie şi lucrase în trecut cu fizicianul austriac. "Ideea lucrării tale provine dintr-un geniu autentic!" i-a scris el lui Schrödinger în aprilie 1926. Zece zile mai târziu, el i-a scris din nou: "Sunt convins că, prin formularea condiţiei cuantice, ai făcut un progres decisiv, la fel cum sunt convins că metoda Heisenberg-Born este eronată". La începutul lui mai, el a scris încă o dată elogios despre lucrarea lui Schrödinger.

Cu toate acestea, în aceeaşi lună - mai 1926 -, Schrödinger a lansat o a doua bombă: el a publicat un articol în care demonstra, spre propria lui dezamăgire, că din punct de vedere matematic teoria lui şi cea a lui Heisenberg erau echivalente - ambele erau corecte. Altfel spus, deşi cele două teorii foloseau cadre conceptuale diferite - viziuni diferite despre ce se petrece "sub gluga" naturii (de fapt, Heisenberg refuzase chiar să privească sub glugă) - acestea se dovedeau a fi doar diferenţe de limbaj: privitor la ceea ce observăm, cele două teorii spuneau acelaşi lucru.

Pentru a complica şi mai mult lucrurile (sau pentru a le face şi mai interesante), două decenii mai târziu, Richard Feynman va crea o a treia formulare a teoriei cuantice, diferită în cadrele ei matematic şi conceptual atât de cea a lui Heisenberg, cât şi de cea a lui Schrödinger, dar în acelaşi timp echivalentă matematic cu ele - implicând aceleaşi principii fizice şi făcând previziuni identice.

Wallace Stevens a scris: "Aveam trei minţi, / asemenea unui copac / în care sunt trei păsări"; dar transpusă în fizică, situaţia aceasta pare stranie. Dacă fizica deţine un "adevăr" oarecare, pot să existe mai multe teorii "corecte"? Da, chiar şi în fizică lucrurile pot fi văzute în multe moduri. Acest fapt este valabil mai ales în fizica modernă, unde lucrurile pe care le "privim" - cum ar fi atomii, electronii sau particula Higgs - nu pot fi literalmente "văzute", obligându-i pe fizicieni să-şi creeze imaginile mentale cu ajutorul matematicii, în lipsa unei realităţi palpabile.

În fizică, o persoană poate să formuleze o teorie în termenii unui set de concepte, în timp ce o altă persoană va formula o teorie a aceluiaşi fenomen în termenii unui set diferit. Ceea ce înalţă acest exerciţiu deasupra disputelor politice de tipul dreapta-stânga este faptul că în fizică, pentru ca o teorie să fie acceptată ca valabilă, ea trebuie să treacă testul experimentului, ceea ce înseamnă că teoriile alternative trebuie să conducă la aceleaşi concluzii - ceva ce filosofiile politice fac doar arareori.

Aceasta ne duce înapoi la întrebarea dacă teoriile sunt descoperite sau inventate. Fără să abordăm problema filosofică a existenţei unei realităţi obiective, putem spune că procesul creării teoriei cuantice a fost unul de descoperire, în sensul că fizicienii au dat peste o mulţime din principiile sale în timp ce explorau natura, dar totodată ea a fost inventată, în sensul că oamenii de ştiinţă au conceput şi au creat mai multe cadre conceptuale diferite care toate fac acelaşi lucru. Aşa cum materia se poate comporta ca undă sau ca particulă, se pare că şi teoria care o descrie are două caracteristici contradictorii.

Când Schrödinger şi-a publicat lucrarea în care demonstra echivalenţa dintre teoria lui şi cea a lui Heisenberg, nimeni nu înţelegea încă interpretarea corectă a formulării sale. Cu toate acestea, din demonstraţia lui reieşea fără niciun dubiu că abordarea lui va ridica aceleaşi probleme filosofice deja evidente în versiunea lui Heisenberg a teoriei. Astfel încât, ulterior acelui articol, Einstein nu va mai scrie niciodată aprobator despre teoria cuantică.

Schrödinger însuşi va adopta curând o atitudine critică faţă de teoria cuantică. El a remarcat că nu şi-ar fi publicat lucrările dacă ar fi ştiut "ce consecinţe vor declanşa ele". El îşi crease aparent inofensiva teorie în încercarea de a înlocui alternativa dezagreabilă a lui Heisenberg, dar echivalenţa celor două demonstra că el nu înţelesese implicaţiile nedorite ale propriei sale lucrări. În final, el nu făcuse decât să alimenteze focul şi să ducă mai departe noile idei cuantice pe care preferase să nu le accepte.

Într-o notă de subsol neobişnuită din articolul său despre echivalenţă, Schrödinger a scris că se simte "descurajat, ca să nu spun dezgustat", de metodele lui Heisenberg, "care mie mi se par foarte dificile, precum şi de imposibilitatea vizualizării acestora". Repulsia era reciprocă. După ce a citit articolele în care Schrödinger îşi prezenta teoria, Heisenberg i-a scris lui Pauli: "Cu cât reflectez mai mult asupra aspectelor fizice ale teoriei lui Schrödinger, cu atât mi se pare mai dezgustătoare... ceea ce a scris Schrödinger despre capacitatea de vizualizare a teoriei e o prostie".

Rivalitatea s-a dovedit a fi unilaterală, fiindcă metoda lui Schrödinger a devenit repede formalismul preferat de majoritatea fizicienilor şi pentru rezolvarea celor mai multe probleme. Numărul oamenilor de ştiinţă din domeniul teoriei cuantice a crescut vertiginos, dar al celor care utilizau formularea lui Heisenberg era foarte redus.

Chiar şi Born, care îl ajutase pe Heisenberg să-şi elaboreze teoria, a fost atras de metoda lui Schrödinger, iar Pauli, prietenul lui Heisenberg, se mira cât de simplu este să deduci spectrul hidrogenului folosind ecuaţia lui Schrödinger. Nimic din toate acestea nu era pe placul lui Heisenberg. Între timp, Bohr a depus eforturi pentru a înţelege mai bine relaţia dintre teorii. Până la urmă, fizicianul britanic Paul Dirac a dat explicaţia definitivă a conexiunii profunde dintre cele două formulări ale teoriei şi chiar a inventat un formalism hibrid, care este preferat în prezent şi care permite trecerea lejeră de la una la alta, în funcţie de problema examinată. În 1960 existau deja peste 100.000 de articole despre aplicaţiile teoriei cuantice.

 Citiţi aici continuarea acestui fragment.

***

Această carte face parte din Campania Naţională Te aşteptăm în librărie!, 2019. Mai multe detalii despre campanie aici.