|
|
|
Unificarea fizicii
Asa cum am explicat in capitolul 1, ar fi foarte greu sa se construiasca o teorie complet unificata pentru tot ce exista in univers. In schimb, am progresat elaborand teorii partiale care descriu un domeniu limitat de fenomene si neglijeaza alte efecte sau le aproximeaza prin anumite numere. (De exemplu, chimia ne permite sa calculam interactiile atomilor, fara a cunoaste structura interna a nucleului atomului.) In cele din urma insa, se spera gasirea unei teorii unificate, consistente, complete care ar include ca aproximatii toate aceste teorii partiale si care nu are nevoie sa fie ajustata pentru a se potrivi cu faptele, prin alegerea unor valori arbitrare in cadrul teoriei. Cautarea unei teorii de acest fel se numeste "unificarea fizicii". Einstein si-a petrecut majoritatea ultimilor ani cautand fara succes o teorie unificata, dar nu era inca timpul: existau teorii partiale pentru gravitatie si forta electromagnetica, dar se stia foarte putin despre fortele nucleare. In plus, Einstein refuza sa creada in realitatea mecanicii cuantice, in ciuda rolului important pe care l-a jucat in dezvoltarea sa. Si totusi, se pare ca principiul de incertitudine este o caracteristica fundamentala a universului in care traim. Prin urmare, o teorie unificata reusita trebuie sa contina acest principiu.
Asa cum voi arata, perspectivele gasirii unei astfel de teorii par a fi mult mai bune acum deoarece stim mult mai multe despre univers. Dar trebuie sa nu fim prea increzatori am mai avut sperante false! La inceputul acestui secol, de exemplu, s-a crezut ca totul putea fi explicat in functie de proprietatile materiei continue, cum sunt elasticitatea si conductia caldurii. Descoperirea structurii atomice si a principiului de incertitudine a pus categoric capat acestei idei. Apoi, in 1928, fizicianul laureat al premiului Nobel, Max Born a spus unui grup de vizitatori ai Universitatii Göttingen: "Fizica, asa cum o cunoastem astazi, va fi depasita peste sase luni." Increderea sa se baza pe descoperirea recenta de catre Dirac a ecuatiei care guverna electronul. Se credea ca o ecuatie similara ar guverna protonul, care era cealalta particula cunoscuta in acel moment, ceea ce ar fi fost sfarsitul fizicii teoretice. Totusi, descoperirea neutronilor si a fortelor nucleare a contrazis si aceasta parere. Spunand aceasta, eu tot cred ca exista motive sa speram ca ne aflam aproape de capatul cautarii legilor finale ale naturii.
In capitolele anterioare am descris relativitatea generalizata, teoria partiala a gravitatiei si teoriile partiale care guverneaza interactiile tari, interactiile slabe si fortele electromagnetice. Ultimele trei se pot combina in asa-numitele mari teorii unificate, sau MTU, care nu sunt foarte satisfacatoare deoarece nu includ gravitatia si deoarece ele contin mai multe marimi cum sunt masele relative ale diferitelor particule, care nu pot fi prezise de teorie, ci a trebuit sa fie alese astfel incat sa se potriveasca observatiilor. Principala dificultate in gasirea unei teorii care uneste gravitatia cu celelalte forte este ca relativitatea generalizata este o teorie "clasica" ; adica ea nu contine principiul de incertitudine din mecanica cuantica. Pe de alta parte, celelalte teorii partiale depind in mod esential de mecanica cuantica. Prin urmare, un prim pas necesar este de a combina relativitatea generalizata cu principiul de incertitudine. Asa cum am vazut, acesta poate avea consecinte remarcabile cum sunt faptul ca gaurile negre nu sunt negre si universul nu are singularitati, ci este complet independent si fara limite. Problema este, asa cum am explicat in capitolul 7, ca principiul de incertitudine inseamna ca si spatiul "gol" este plin cu perechi de particule si antiparticule virtuale. Aceste perechi ar avea o cantitate infinita de energie si deci, conform faimoasei ecuatii a lui Einstein, E = mc2, ele ar avea o masa infinita. Atractia lor gravitationala ar curba universul catre o dimensiune infinit mica.
Infinitati similare, aparent absurde, se produc in celelalte teorii partiale, dar in toate aceste cazuri infinitatile pot fi anulate de un proces numit renormalizare. Aceasta implica anularea infinitatilor prin introducerea altor infinitati. Desi aceasta tehnica este cam dubioasa din punct de vedere matematic, ea pare sa fie buna in practica si a fost utilizata in aceste teorii pentru a face preziceri care concorda cu observatiile cu un grad de precizie extraordinar. Renormalizarea, insa, are un neajuns serios din punctul de vedere al incercarii de a gasi o teorie completa, deoarece ea inseamna ca valorile reale ale maselor si intensitatilor fortelor nu pot fi prezise din teorie, ci trebuie sa fie alese astfel incat sa se potriveasca observatiilor.
In incercarea de a ingloba principiul de incertitudine in relativitatea generalizata, exista numai doua marimi care pot fi ajustate: intensitatea gravitatiei si valoarea constantei cosmologice. Prin urmare, exista o teorie care pare sa prezica faptul ca anumite marimi cum este curbura spatiu-timpului sunt intr-adevar infinite si totusi aceste marimi se pot observa si masura ca fiind perfect finite! Aceasta problema care apare la combinarea relativitatii generalizate si principiului de incertitudine a fost banuita de catva timp, dar a fost in final confirmata de calcule detaliate in 1972. Patru ani mai tarziu a fost sugerata o solutie posibila, numita "supergravitatie". Ideea era de a combina particula de spin 2 numita graviton, care poarta forta gravitationala, cu anumite particule noi de spin 3/2, 1, 1!2 si 0. Intr-un fel, toate aceste particule ar putea fi considerate ca aspecte diferite ale aceleiasi "superparticule", unificand astfel particulele de materie de spin 1/2 si 3l2 cu particulele purtatoare de forta de spin 0, 1 si 2. Perechile particula/antiparticula virtuale de spin 1/2 si 3/2 ar avea energie negativa si ar tinde, deci, sa anuleze energia pozitiva a perechilor virtuale de spin 2, 1 si 0. Aceasta ar determina anularea multor infinitati posibile, dar se suspecta ca ar mai ramane unele infinitati. Totusi, calculele necesare pentru a afla daca exista sau nu infinitati ramase erau atat de lungi si grele incat nimeni nu era pregatit sa le efectueze. Chiar cu un computer, s-a calculat ca ar fi necesari cel putin patru ani si ar exista mari sanse de a face cel putin o greseala, daca nu mai multe. Astfel, raspunsul corect s-ar cunoaste numai daca altcineva ar repeta calculul si ar obtine acelasi raspuns, iar acest lucru nu pare foarte probabil!
In ciuda acestor probleme si a faptului ca particulele din teoria supergravitatiei nu par sa se potriveasca cu particulele observate, majoritatea oamenilor de stiinta credeau ca supergravitatia era probabil raspunsul corect la problema unificarii fizicii. Parea modul cel mai bun de unificare a gravitatiei cu celelalte forte. Totusi, in 1984, a avut loc o schimbare remarcabila de opinie in favoarea a ceea ce se numeste teoriile corzilor (String Theories). In aceste teorii obiectele de baza nu sunt particulele, care ocupa un singur punct in spatiu, ci corpuri care au lungime dar nu au alta dimensiune, ca o bucata de coarda infinit de subtire. Aceste corzi pot avea capete (asa-numitele corzi deschise) sau pot fi unite cu ele insele in bucle inchise (corzi inchise) (fig. 10.1 si fig. 10.2). O particula ocupa un punct in spatiu in fiecare moment. Astfel, istoria sa in spatiu-timp poate fi prezentata printr-o linie ("linia de univers"). Pe de alta parte, o coarda ocupa o linie in spatiu in fiecare moment. Astfel, istoria sa in spatiu-timp este o suprafata bi-dimensionala numita suprafata de univers". (Orice punct de pe aceasta suprafata de univers poate fi descris de doua numere: unul care specifica timpul si celalalt pozitia punctului de pe coarda.) Suprafata de univers a unei corzi deschise este o banda; marginile sale reprezinta traiectoriile in spatiu-timp ale capetelor corzii (fig. 10.1). Suprafata de univers a unei corzi inchise este un cilindru sau un tub (fig. 10.2); o sectiune in tub este un cerc, care reprezinta pozitia corzii intr-un anumit moment.
Doua bucati de coarda se pot uni formand o singura coarda; in cazul corzilor deschise ele se unesc pur si simplu la capete (fig. 10.3), in timp ce in cazul corzilor inchise ele sunt ca doua picioare care se unesc pe o pereche de pantaloni (fig. 10.4). In mod asemanator, o singura bucata de coarda se poate imparti in doua corzi. In teoria corzilor, ceea ce inainte erau considerate particule acum sunt imaginate ca unde care se propaga de-a lungul corzii, ca undele de pe coarda vibranta a unui zmeu. Emisia sau absorbtia unei particule de catre alta corespunde divizarii sau unirii corzilor. De exemplu, forta gravitationala a soarelui asupra pamantului a fost imaginata in teoria particulelor ca fiind cauzata de emiterea unui graviton de o particula din soare si absorbtia sa de o particula de pe pamant (fig. 10.5). In teoria corzilor acest proces corespunde unui tub sau unei conducte de forma H (fig. 10.6) (intr-un fel teoria corzilor este ca o lucrare de instalatii). Cele doua laturi verticale ale H-ului corespund particulelor din soare si din pamant si bara orizontala corespunde gravitonului care se deplaseaza intre ele.
Teoria corzilor are o istorie curioasa. Ea a fost inventata initial la sfarsitul anilor 1960 in incercarea de a gasi o teorie care sa descrie interactia tare. Ideea era ca particule ca protonul si neutronul ar putea fi considerate ca undele dintr-o coarda. Interactiile tari dintre particule ar corespunde bucatilor de coarda care trec prin celelalte bucati de coarda, ca in panza unui paianjen. Pentru ca aceasta teorie sa dea valoarea observata a interactiei tari intre particule, corzile trebuie sa fie ca benzile de cauciuc cu un efort de intindere de circa zece tone.
In 1974 Joël Scherk de la Paris si John Schwarz de la Institutul de Tehnologie din California au publicat o lucrare in care au aratat ca teoria corzilor ar putea descrie forta gravitationala, dar numai daca tensiunea in coarda ar fi mult mai mare, de circa o mie de milioane de milioane de milioane de milioane de milioane de milioane de tone (1 urmat de treizeci si noua de zerouri). Prezicerile teoriei corzilor ar fi exact aceleasi cu cele ale relativitatii generalizate la scari de lungime normale, dar ele ar diferi la distante foarte mici, mai mici decat o mie de milioane de milioane de milioane de milioane de milionimi dintr-un centimetru (un centimetru impartit la 1 urmat de treizeci si trei de zerouri). Lucrarii lor nu i s-a acordat insa prea mare atentie deoarece chiar atunci majoritatea oamenilor de stiinta abandonasera teoria initiala a corzilor pentru interactia tare, in favoarea teoriei bazate pe quarci si gluoni, care parea sa se potriveasca mult mai bine cu observatiile. Scherk a murit in imprejurari tragice (el suferea de diabet si a intrat in coma intr-un moment cand nu era nimeni in preajma sa-i faca o injectie cu insulina). Astfel Schwarz a ramas singurul sustinator ale teoriei corzilor, dar acum cu o valoare mult mai mare propusa pentru tensiunea in coarda.
In 1984, interesul fata de corzi a inviat brusc, aparent din doua motive. Unul era ca oamenii nu progresasera prea mult pentru a arata ca supergravitatia era finita sau ca ea ar putea explica tipurile de particule pe care le observam. Celalalt era publicarea lucrarii lui John Schwarz si Mike Green de la Queen Mary College, Londra, care arata ca teoria corzilor putea explica existenta particulelor care aveau rotatie intrinseca spre stanga, la fel cu unele particule pe care le observam. Indiferent care au fost motivele, curand un mare numar de persoane au inceput sa lucreze la teoria corzilor si a fost elaborata o noua versiune, asa-numita coarda heterotica, ce parea ca ar putea sa explice tipurile de particule pe care le observam.
Si teoria corzilor conduce la infinitati, dar se crede ca ele se vor anula toate in versiuni cum este coarda heterotica (desi acest lucru nu este inca sigur). Teoriile corzilor insa au o problema mai mare: ele par sa corespunda numai daca spatiu-timpul are zece sau douazeci si sase de dimensiuni, in loc de cele patru obisnuite! Desigur, dimensiunile suplimentare ale spatiu-timpului reprezinta ceva obisnuit in literatura stiintifico-fantastica; intr-adevar, ele sunt aproape o necesitate, deoarece altfel faptul ca relativitatea implica imposibilitatea de a calatori mai repede decat lumina inseamna ca deplasarea intre stele si galaxii ar dura prea mult. Ideea literaturii stiintifico-fantastice este ca ar putea fi posibil sa o iei pe scurtatura printr-o dimensiune mai mare. Acest lucru se poate ilustra astfel: Imaginati-va ca spatiul in care traim are numai doua dimensiuni si este curbat ca suprafata unui inel sau tor (fig. 10.7). Daca ati fi pe o parte interioara a inelului si ati dori sa ajungeti intr-un punct de pe cealalta parte ar trebui sa mergeti de jur imprejur pe partea interioara a inelului. Totusi, daca v-ati putea deplasa in a treia dimensiune, ati putea s-o luati de-a dreptul.
De ce nu observam toate aceste dimensiuni suplimentare, daca ele chiar exista? De ce vedem doar trei dimensiuni spatiale si una temporala? Exista ipoteza ca celelalte dimensiuni sunt curbate intr-un spatiu cu dimensiunea foarte mica, ceva cam ca un milion de milioane de milioane de milioane de milionimi dintr-un centimetru. Aceasta este atat de mica incat pur si simplu nu o observam; vedem numai o dimensiune temporala si trei spatiale in care spatiu-timpul este destul de neted. Este ca suprafata unei portocale: daca va uitati de aproape, este toata curbata si incretita, dar daca o priviti de la distanta, nu vedeti umflaturile si pare a fi neteda. La fel este si cu spatiu-timpul: la scara foarte mica el are zece dimensiuni si este puternic curbat, dar la scara mai mare nu vedeti curbura dimensiunilor suplimentare. Daca aceasta imagine este corecta, ea inseamna vesti proaste pentru calatorii in spatiu: dimensiunile suplimentare ar fi mult prea mici pentru a permite trecerea navei spatiale. Totusi, ea ridica o alta problema majora. De ce ar trebui sa fie curbate intr-o sfera mica doar unele dimensiuni si nu toate? Probabil, in universul foarte timpuriu toate dimensiunile ar fi fost foarte curbate. Dar ce a determinat ca o dimensiune temporala si trei spatiale sa se indrepte, in timp ce celelalte au ramas foarte curbate?
Un raspuns posibil este principiul antropic. Doua dimensiuni spatiale nu par a fi suficiente pentru a permite dezvoltarea unor fiinte complicate ca noi. De exemplu, animalele bi-dimensionale care ar trai pe un pamant unidimensional ar trebui sa se catere unul peste celalalt pentru a trece unul de altui. Daca o creatura bi-dimensionala mananca ceva ceea ce nu poate digera complet, ar trebui sa elimine resturile pe aceeasi cale pe care le-a inghitit pentru ca daca ar exista o trecere prin corp, ea ar imparti creatura in doua jumatati separate; fiinta noastra bi-dimensionala s-ar desface in bucati (fig. 10.8). In mod asemanator, este dificil de vazut cum ar arata circulatia sangelui intr-o creatura bi-dimensionala.
Ar fi si alte probleme pentru mai mult de trei dimensiuni spatiale. Forta gravitationala dintre doua corpuri ar descreste mai rapid cu distanta decat o face in trei dimensiuni. (In trei dimensiuni, forta gravitationala scade la 1/4 daca se dubleaza distanta. In patru dimensiuni ea ar scade la 1/8, in cinci dimensiuni la 1/16 s.a.m.d.) Semnificatia acestui fapt este ca orbitele planetelor (cum este pamantul) in jurul soarelui ar fi instabile: cea mai mica perturbatie de la o orbita circulara (cum este aceea cauzata de atractia gravitationala a altor planete) ar avea ca rezultat deplasarea in spirala a pamantului departandu-se sau apropiindu-se de soare. Noi am ingheta sau ne-am arde. De fapt, aceeasi comportare a gravitatiei cu distanta intr-un spatiu cu mai mult de trei dimensiuni inseamna ca soarele nu ar putea sa existe intr-o stare stabila in care presiunea echilibreaza gravitatia. El s-ar desface in bucati sau ar suferi un colaps formand o gaura neagra. In oricare din aceste cazuri, el nu ar mai fi util ca sursa de caldura si lumina pentru viata de pe Pamant. La o scara mai mica, fortele electrice care determina electronii sa se deplaseze pe orbite in jurul nucleului unui atom s-ar comporta in acelasi fel cu fortele gravitationale. Astfel, electronii ar iesi din atom sau s-ar deplasa in spirala spre nucleu. In orice caz, nu ar exista atomi asa cum si stim.
Este clar ca viata, cel putin asa cum o stim; poate exista numai in regiuni ale spatiu-timpului in care o dimensiune temporala si trei dimensiuni spatiale nu sunt foarte mult curbate. Aceasta ar insemna ca principiul antropic slab se poate utiliza cu conditia sa se arate ca teoria corzilor permite cel putin existenta unor astfel de regiuni ale universului se pare ca intr-adevar teoria corzilor face acest lucru. Pot exista si alte regiuni ale universului sau ale altor universuri (orice ar insemna acestea) in care toate dimensiunile sunt foarte curbate sau in care sunt aproape intinse mai mult de patru dimensiuni, dar acolo nu ar exista fiinte inteligente care sa observe numerele diferite ale dimensiunilor efective.
In afara de problema numarului dimensiunilor pe care le are spatiu-timpul, teoria corzilor mai are si alte cateva probleme care trebuie rezolvate inainte de a fi aclamata ca teoria unificata finala a fizicii. Nu stim inca daca toate infiniturile se anuleaza reciproc sau modul exact in care undele din corzi se leaga de tipurile de particule pe care le observam. Oricum, este probabil ca raspunsurile la aceste probleme se vor gasi in urmatorii ani, si ca spre sfarsitul secolului vom sti daca teoria corzilor este intr-adevar teoria unificata mult cautata a fizicii.
Dar poate exista cu adevarat o teorie unificata de acest fel? Sau poate alergam dupa un miraj? Par sa existe trei posibilitati:
1) Exista intr-adevar o teorie unificata completa, pe care o vom descoperi intr-o zi daca suntem destul de destepti.
2) Nu exista o teorie finala a universului, ci doar o succesiune infinita de teorii care descriu universul din ce in ce mai exact.
3) Nu exista o teorie a universului; evenimentele nu pot fi prezise decat intr-o anumita masura, ele se produc in mod intamplator si arbitrar.
Unii ar sustine a treia posibilitate bazandu-se pe faptul ca daca ar exista un set complet de legi aceasta ar incalca libertatea lui Dumnezeu de a-si schimba parerea si a interveni in univers. Este ca un vechi paradox: Poate Dumnezeu sa faca o piatra atat de grea incat el sa nu o poata ridica? Dar ideea ca Dumnezeu ar putea dori sa-si schimbe parerea este un exemplu de erezie, mentionat de Sf. Augustin, de a imagina pe Dumnezeu ca pe o fiinta care exista in timp: timpul este numai o proprietate a universului pe care Dumnezeu l-a creat. Probabil, el stia ce intentiona atunci cand l-a facut!
O data cu aparitia mecanicii cuantice, am ajuns sa recunoastem ca evenimentele nu pot fi prezise exact, ci exista intotdeauna un anumit grad de incertitudine. Daca se doreste, se poate atribui aceasta caracteristica de intamplare interventiei lui Dumnezeu, dar ar fi un fel foarte ciudat de interventie: nu exista vreo dovada ca ea are un scop. Intr-adevar, daca ar exista, prin definitie ea nu ar fi intamplatoare. In timpurile moderne, am eliminat efectiv cea de a treia posibilitate de mai sus redefinind scopul stiintei: scopul nostru este de a formula un set de legi care sa ne permita sa prezicem evenimentele numai pana la o limita determinata de principiul de incertitudine.
A doua posibilitate, ca exista o succesiune infinita de teorii din ce in ce mai rafinate, este in concordanta cu toata experienta noastra de pana acum. In multe ocazii am marit sensibilitatea masurarilor noastre sau am facut o noua clasa de observatii, numai pentru a descoperi noi fenomene care nu erau prezise de teoria existenta si pentru a le explica a trebuit sa dezvoltam o teorie si mai avansata. Prin urmare, nu ar fi foarte surprinzator daca generatia actuala de mari teorii unificate ar gresi pretinzand ca nu se va intampla nimic nou esential intre energia de unificare electroslaba de circa 100 GeV si energia marii unificari de circa o mie de milioane de milioane de GeV. Ne putem astepta intr-adevar sa gasim cateva straturi noi de structura, mai fundamentale decat quarcii si electronii pe care ii consideram acum particule "elementare".
Totusi, se pare ca gravitatia poate da o limita acestui sir de "cutii in cutii". Daca exista o particula cu energia peste ceea ce se numeste energia Planck, zece milioane de milioane de milioane de GeV (1 urmat de nouasprezece zerouri), masa sa ar fi atat de concentrata incat s-ar desprinde singura de restul universului si ar forma o gaura neagra mica. Astfel, se pare ca sirul de teorii din ce in ce mai rafinate trebuie sa aiba o limita pe masura ce trecem la energii din ce in ce mai inalte; astfel ca ar trebui sa existe o teorie finala a universului. Desigur, energia Planck reprezinta un drum lung de la energiile in jur de o suta de GeV, valoarea cea mai mare pe care o putem produce in laborator in prezent. Nu vom putea sari aceasta distanta cu acceleratoarele de particule din viitorul previzibil! Totusi, etapele foarte timpurii ale universului reprezinta un loc unde trebuie sa se fi produs aceste energii. Cred ca exista o sansa buna ca studiul universului timpuriu si cerintele consistentei matematice sa ne conduca la o teorie unificata completa in timpul vietii unora dintre noi care traim astazi, presupunand intotdeauna ca nu ne distrugem mai inainte.
Ce ar insemna daca am descoperi intr-adevar teoria finala a universului? Asa cum am explicat in capitolul 1 nu am fi niciodata destul de siguri ca am gasit cu adevarat teoria corecta, deoarece teoriile nu pot fi dovedite. Dar daca teoria este consistenta matematic si face intotdeauna preziceri care concorda cu observatiile, putem avea incredere ca ea este cea corecta. Ea ar duce la sfarsit un capitol lung si glorios din istoria luptei intelectuale a umanitatii de a intelege universul. Dar ea ar revolutiona, de asemenea, intelegerea de catre persoanele obisnuite a legilor care guverneaza universul. In timpul lui Newton era posibil ca o persoana educata sa stapaneasca intreaga cunoastere umana, cel putin in linii mari. Dar de atunci, viteza dezvoltarii stiintei a facut acest lucru imposibil. Deoarece teoriile se schimba intotdeauna pentru a explica noile observatii, ele nu sunt niciodata corect sistematizate sau simplificate astfel incat sa poata fi intelese de oamenii obisnuiti. Trebuie sa fiti specialist, si chiar si atunci puteti spera sa aveti numai o stapanire corecta a unei parti mici din teoriile stiintifice. In plus, rata progresului este atat de rapida incat ceea ce se invata la scoala sau la universitate este intotdeauna putin depasit. Doar putini oameni pot tine pasul cu avansul rapid al frontierelor cunoasterii si ei trebuie sa ii dedice tot timpul si sa se specializeze intr-o problema restransa. Restul populatiei are prea putina idee despre progresele facute sau despre interesul pe care ele il genereaza. Acum saptezeci de ani, daca il credem pe Eddington, numai doua persoane intelegeau teoria generala a relativitatii. Astazi, zeci de mii de absolventi de universitate o inteleg si multe milioane de oameni cunosc cel putin ideea. Daca s-ar descoperi o teorie unificata completa, ar fi doar o chestiune de timp inainte de a fi sistematizata si simplificata in acelasi fel si predata in scoli, cel putin in linii mari. Atunci am putea avea o oarecare intelegere a legilor care guverneaza universul si sunt raspunzatoare de existenta noastra.
Chiar daca descoperim o teorie unificata completa nu inseamna ca am putea sa prezicem evenimentele in general, din doua motive. Primul este limitarea pe care o impune principiul de incertitudine din mecanica cuantica asupra puterilor noastre de prezicere. Nu putem face nimic pentru a ocoli aceasta. In practica insa aceasta prima limitare este mai putin restrictiva decat a doua. Ea provine din faptul ca nu putem rezolva exact ecuatiile teoriei, cu exceptia unor situatii foarte simple. (Nu putem rezolva exact nici macar problema miscarii a trei corpuri in teoria gravitatiei a lui Newton si dificultatea creste cu numarul de corpuri si complexitatea teoriei.) Cunoastem deja legile care guverneaza comportarea materiei in toate conditiile cu exceptia celor extreme. In special, cunoastem legile de baza care stau la baza chimiei si biologiei. si totusi nu am redus aceste subiecte la stadiul de probleme rezolvate; pana acum, nu am avut mare succes in prezicerea comportamentului uman din ecuatiile matematice! Astfel, chiar daca gasim un set complet de legi fundamentale, ar mai trebui ani de activitate intelectuala sustinuta pentru a elabora metode mai bune de aproximare, incat sa putem face preziceri utile ale rezultatelor probabile ale unor situatii complicate si realiste. O teorie unificata completa, consistenta, reprezinta numai primul pas: scopul nostru este intelegerea completa a evenimentelor din jurul nostru si a propriei noastre existente.
Concluzii
Ne gasim intr-o lume uimitoare. Dorim sa gasim un sens pentru ceea ce vedem in jurul nostru si intrebam: Care este natura universului? Care este locul nostru in univers si de unde a aparut el? De ce este asa cum este?
Pentru a incerca sa raspundem la aceste intrebari adoptam unele "imagini ale universului". Teoria supercorzilor este la fel ca un turn infinit de broaste testoase care sustin pamantul plat. Ambele sunt teorii ale universului desi prima este mult mai matematica si mai precisa decat ultima. Pentru nici una nu exista dovezi experimentale: nimeni nu a vazut o broasca testoasa gigantica ce duce pamantul in spate, dar nici nu a vazut o supercoarda. Totusi, teoria broastelor testoase nu este o teorie stiintifica buna deoarece prezice ca oamenii pot cadea de pe marginea lumii. Acest lucru nu este in concordanta cu experimentul, in afara de cazul persoanelor care se presupune ca au disparut in Triunghiul Bermudelor!
Primele incercari teoretice de a descrie si explica universul contineau ideea ca evenimentele si fenomenele naturale erau controlate de spirite cu emotii umane, care actionau intr-o maniera foarte umana si imprevizibila. Aceste spirite locuiau in lucrurile naturale, cum sunt raurile si muntii, inclusiv pe corpuri ceresti, ca soarele si luna. Ele trebuiau imbunate si trebuia ceruta bunavointa lor pentru a se asigura fertilitatea solului si trecerea anotimpurilor. Treptat insa trebuie sa se fi observat ca existau anumite regularitati: soarele rasarea intotdeauna la est si apunea la vest, indiferent daca se faceau sacrificii zeului soare. In plus, soarele, luna si planetele urmau pe cer traiectorii precise, care puteau fi prezise cu o precizie considerabila. Soarele si luna puteau inca sa fie zei, dar erau zei care ascultau de legi stricte, aparent fara exceptii, daca nu se tine cont de povesti de felul celei in care Iosua a oprit soarele.
La inceput, aceste regularitati si legi erau evidente numai in astronomie si in alte cateva stiinte. Totusi, pe masura ce civilizatia a evoluat si in special in ultimii 300 de ani, au fost descoperite din ce in ce mai multe regularitati si legi. Succesul acestor legi l-a condus pe Laplace la inceputul secolului al nouasprezecelea sa postuleze determinismul stiintific, adica el a sugerat ca ar exista un set de legi care ar determina precis evolutia universului, daca se cunoaste configuratia sa la un moment dat.
Determinismul lui Laplace era incomplet in doua moduri. El nu spunea cum trebuie alese legile si nu preciza configuratia initiala a universului. Acestea erau lasate lui Dumnezeu. Dumnezeu ar alege modul in care a inceput universul si legile pe care le respecta acesta, dar el nu ar interveni in univers o data ce a fost pornit. De fapt, Dumnezeu era limitat la zonele pe care stiinta secolului nouasprezece nu le intelegea.
Stim acum ca sperantele lui Laplace privind determinismul nu pot fi realizate, cel putin asa cum le-a crezut el. Principiul de incertitudine din mecanica cuantica implica faptul ca anumite perechi de marimi, cum sunt pozitia si viteza unei particule, nu pot fi ambele prezise precis.
Mecanica cuantica trateaza aceasta situatie printr-o clasa de teorii cuantice in care particulele nu au pozitii si viteze bine definite, ci sunt reprezentate de o unda.
Aceste teorii cuantice sunt deterministe in sensul ca dau legi pentru evolutia undei in timp. Astfel, daca se cunoaste unda la un moment dat, ea poate fi calculata in orice alt moment. Elementul imprevizibil, intamplator apare numai atunci cand incercam sa interpretam unda in functie de pozitiile si vitezele particulelor. Dar poate ca este greseala noastra: poate nu exista pozitii si viteze ale particulelor, ci numai unde. Iar noi doar incercam sa potrivim undele la ideile noastre preconcepute despre pozitii si viteze. Nepotrivirea care rezulta este cauza aparentei lipse de predictibilitate.
De fapt, am redefinit sarcina stiintei ca fiind descoperirea legilor care ne vor permite sa prezicem evenimente pana la limita stabilita de principiul de incertitudine. Ramane insa intrebarea: Cum sau de ce au fost alese legile si starea initiala a universului?
In cartea de fata am pus un accent deosebit pe legile care guverneaza gravitatia, deoarece gravitatia determina structura la scara mare a universului, chiar daca este cea mai slaba dintre cele patru categorii de forte. Legile gravitatiei erau incompatibile cu parerea mentinuta pana destul de recent ca universul nu se schimba cu timpul: faptul ca gravitatia este intotdeauna o forta de atractie inseamna ca universul trebuie sa se extinda sau sa se contracte. Conform teoriei generale a relativitatii, trebuie sa fi existat in trecut o stare de densitate infinita, Big Bang-ul, care ar fi fost un inceput efectiv al timpului. In mod asemanator, daca intregul univers suferea din nou un colaps, trebuie sa existe o alta stare de densitate infinita in viitor, Big Crunch, care ar reprezenta un sfarsit al timpului. Chiar daca intregul univers nu sufera un nou colaps, ar exista singularitati in regiuni localizate care ar suferi colapsul formand gaurile negre. Aceste singularitati ar reprezenta un sfarsit al timpului pentru orice cade in gaura neagra. La Big Bang si la alte singularitati, toate legile ar fi incetat sa functioneze, astfel ca Dumnezeu ar fi avut deplina libertate de a alege ce s-a intamplat si modul in care incepea universul.
Atunci cand combinam mecanica cuantica cu teoria relativitatii, se pare ca apare o noua posibilitate care nu exista inainte: ca spatiul si timpul sa formeze impreuna un spatiu cvadri-dimensional, finit, fara singularitati sau limite, ca suprafata pamantului, dar cu mai multe dimensiuni. Se pare ca aceasta idee ar putea explica multe dintre caracteristicile observate ale universului, cum sunt omogenitatea sa la scara mare si abaterile de la omogenitate la scara mica, ca galaxiile, stelele si chiar fiintele umane. Ea ar putea chiar sa explice sensul timpului pe care le observam. Dar, daca universul este complet independent, fara singularitati sau limite si descris complet de o teorie unificata, aceasta are implicatii profunde pentru rolul de Creator al lui Dumnezeu.
Einstein a pus odata intrebarea: "Cat de mult a avut Dumnezeu de ales cand a construit universul?" Daca ipoteza "fara limite" este corecta, el nu a avut deloc libertatea de a alege conditiile initiale. Totusi, el ar fi avut inca libertatea de a alege legile de care asculta universul. Aceasta insa poate sa nu fi fost chiar o alegere; poate exista doar una, sau un numar mic de teorii unificate complete, cum este teoria corzilor heterotice, care sunt independente si permit existenta unor structuri complicate cum sunt fiintele umane care pot cerceta legile universului si care pot pune intrebari privind natura lui Dumnezeu.
Chiar daca exista o singura teorie unificata posibila, ea este doar un set de reguli si ecuatii. Ce este ceea ce anima ecuatiile si le face sa descrie universul? Abordarea obisnuita a stiintei constructiei unui model matematic nu poate raspunde la intrebari de genul: de ce trebuie sa existe un univers pe care sa-l descrie modelul?
De ce exista universul? Teoria unificata este atat de restrictiva incat determina propria lui existenta? Sau el a avut nevoie de un creator si daca da, a avut acesta un efect asupra universului? Si cine l-a creat pe el?
Pana acum majoritatea oamenilor de stiinta au fost prea ocupati cu elaborarea noilor teorii care descriu ce este universul, pentru a pune intrebarea de ce. Pe de alta parte, oamenii a caror treaba este sa intrebe de ce, filozofii, nu au putut tine pasul cu progresul teoriilor stiintifice. In secolul al optsprezecelea, filozofii considerau intreaga cunoastere umana, inclusiv stiinta, ca fiind domeniul lor si discutau intrebari ca: A avut universul un inceput? Totusi, in secolele al nouasprezecelea si al douazecilea, stiinta a devenit prea tehnica si matematica pentru filozofi, sau pentru oricine altcineva cu exceptia catorva specialisti. Filozofii au redus atat de mult obiectul cercetarilor lor, incat Wittgenstein, cel mai faimos filozof al acestui secol, a spus: "Singura sarcina ramasa filozofiei este analiza limbajului." Ce decadere de la marea traditie a filozofiei de la Aristotel la Kant!
Totusi, daca descoperim intr-adevar o teorie completa, ea trebuie sa poata fi inteleasa in mare, cu timpul, in principiu de oricine, nu numai de cativa oameni de stiinta. Atunci noi toti: filozofi, oameni de stiinta si oameni obisnuiti, ar trebui sa putem lua parte la discutarea problemei: de ce existam noi si universul. Daca gasim raspuns la aceasta intrebare, el ar reprezenta triumful final al ratiunii umane pentru ca atunci am cunoaste gandirea lui Dumnezeu.
Albert Einstein
Legatura lui Einstein cu politica bombei nucleare este bine cunoscuta; el a semnat faimoasa scrisoare catre presedintele Franklin Roosevelt care a convins Statele Unite sa ia ideea in serios si l-a angajat in eforturile de dupa razboi de a impiedica razboiul nuclear. Dar acestea nu au fost doar actiuni izolate ale unui savant atras in lumea politicii. Viata lui Einstein a fost, de fapt, pentru a folosi propriile sale cuvinte, "impartita intre politica si ecuatii".
Prima activitate politica a lui Einstein a aparut in timpul primului razboi mondial, cand era profesor la Berlin. Bolnav de marea pierdere de vieti omenesti pe care o vedea, el s-a implicat in demonstratiile impotriva razboiului. Faptul ca sustinea nesupunerea civila si incuraja public persoanele care refuzau incorporarea l-a facut sa fie putin iubit de colegii sai. Apoi, dupa razboi, si-a indreptat eforturile spre reconciliere si imbunatatirea relatiilor internationale. Nici aceasta nu l-a facut popular si cum activitatea sa politica a facut dificil pentru el sa viziteze Statele Unite, chiar pentru a tine conferinte.
A doua mare cauza a lui Einstein a fost sionismul. Desi era evreu prin nastere, Einstein a respins ideea publica de Dumnezeu. Totusi, constiinta existentei antisemitismului atat inainte cat si in timpul primului razboi mondial l-a condus treptat la identificarea cu comunitatea evreiasca si mai tarziu a devenit un suporter deschis al sionismului. Din nou lipsa de popularitate nu l-a oprit sa spuna ce gandea. Teoriile sale au fost atacate; s-a infiintat chiar o organizatie anti-Einstein. Un om a fost condamnat pentru ca ii incita pe altii sa-l omoare pe Einstein (si a fost amendat cu 6 dolari). Dar Einstein era calm; cand a fost publicata o carte intitulata l00 de autori contra lui Einstein el a replicat "Daca nu as fi avut dreptate, unul era de ajuns!".
In 1933, Hitler a venit la putere. Einstein era in America si a declarat ca nu se va intoarce in Germania. Atunci, in timp ce militia nazista ii perchezitiona casa si ii confisca contul din banca, un ziar din Berlin publica titlul: "Vesti bune de la Einstein Nu se mai intoarce." In fata amenintarii naziste, Einstein a renuntat la pacifism, si, in cele din urma, temandu-se ca oamenii de stiinta germani vor construi o bomba nucleara, a propus ca Statele Unite sa-si construiasca una. Dar chiar inainte ca prima bomba atomica sa fie detonata, el a atras public atentia asupra pericolului razboiului nuclear si a propus controlul international al armamentului nuclear.
Eforturile pentru pace facute toata viata de Einstein au avut putine rezultate si i-au castigat putini prieteni. Totusi, sprijinul sau pentru cauza sionista a fost recunoscut cum se cuvine in 1952, cand i s-a oferit presedintia Israelului. El a refuzat, spunand ca se considera prea naiv in politica. Dar poate ca motivul sau real a fost diferit; il citam din nou: "Ecuatiile sunt mult mai importante pentru mine, deoarece politica este pentru prezent, dar o ecuatie este ceva pentru eternitate."
Galileo Galilei
Galilei, poate mai mult decat oricare alta persoana, a fost raspunzator de nasterea stiintei moderne. Renumitul sau conflict cu Biserica catolica a fost important pentru filozofia sa, deoarece Galilei a fost unul dintre primii care au sustinut ca omul putea spera sa inteleaga cum functioneaza lumea si, in plus, ca putem face acest lucru observand lumea reala.
Galilei a crezut teoria lui Copernic (ca planetele se miscau pe orbite in jurul soarelui) mai devreme, dar el a inceput s-o sprijine public numai atunci cand a gasit dovada necesara pentru a sustine ideea. El a scris despre teoria lui Copernic in italiana (nu ca de obicei in latina), si curand parerile sale au fost larg sprijinite in afara universitatilor. Aceasta a deranjat pe profesorii aristotelieni, care s-au unit impotriva lui cautand sa convinga Biserica catolica sa interzica teoriile lui Copernic.
Galilei, ingrijorat de aceasta, s-a dus la Roma pentru a vorbi cu autoritatile ecleziastice. El a argumentat ca Biblia nu intentiona sa ne spuna ceva despre teoriile stiintifice si ca se obisnuia sa se presupuna ca acolo unde Biblia intra in conflict cu bunul simt, ea era alegorica. Dar Biserica se temea de un scandal care putea submina lupta sa contra protestantismului, si a luat masuri represive. Ea a declarat in 1616 ca teoria lui Copernic era "falsa si eronata" si l-a condamnat pe Galilei ca niciodata sa nu mai "apere sau sa sustina" doctrina. Galilei s-a supus.
In 1623, un prieten de-o viata al lui Galilei a devenit papa. Imediat Galilei a incercat sa obtina revocarea decretului din 1616. Nu a reusit, chiar a obtinut aprobare sa scrie o carte in care sa discute ambele teorii, a lui Aristotel si a lui Copernic, cu doua conditii: nu trebuia sa fie partinitor si sa ajunga la concluzia ca omul nu poate determina cum functioneaza lumea deoarece Dumnezeu ar putea produce aceleasi efecte in moduri neimaginate de om, care nu poate introduce restrictii asupra omnipotentei lui Dumnezeu.
Cartea Dialog privind cele doua sisteme principale ale lumii a fost terminata si publicata in 1632, cu aprobarea totala a cenzorilor si a fost considerata imediat in toata Europa ca o capodopera literara si filozofica. Curand, Papa, realizand ca oamenii cautau cartea ca un argument convingator in favoarea teoriei lui Copernic, a regretat ca a permis publicarea sa. Papa a argumentat ca, desi cartea avea aprobarea oficiala a cenzorilor, Galilei a incalcat decretul din 1616. El l-a adus pe Galilei inaintea inchizitiei, care l-a condamnat la arest la domiciliu pe viata si l-a condamnat sa renunte public la teoria lui Copernic. Pentru a doua oara, Galilei s-a supus.
Galilei a ramas un catolic credincios, dar convingerea sa in independenta stiintei nu s-a schimbat. Cu patru ani inainte de moartea sa in 1642, cand era inca in stare de arest la domiciliu, manuscrisul celei de a doua carti mari a sa a fost trecut peste granita de catre un editor din Olanda. Aceasta lucrare, numita Doua stiinte noi a reprezentat geneza fizicii moderne, chiar mai mult decat sprijinul sau pentru teoria lui Copernic.
Isaac Newton
Isaac Newton nu era un om placut. Relatiile sale cu ceilalti academicieni erau notorii, majoritatea ultimilor ani fiind implicat in dispute incinse. In urma publicarii cartii Principia Mathematica ― in mod sigur cartea cea mai influenta care a fost scrisa in fizica ― Newton s-a remarcat rapid. El a fost numit presedinte al Societatii Regale si a devenit primul om de stiinta care a fost innobilat.
Curand Newton a intrat in conflict cu astronomul regal John Flamsteed, care mai inainte ii furnizase date pentru Principia dar care acum refuza sa-i dea lui Newton informatiile pe care acesta le dorea. Newton nu accepta sa fie refuzat; el s-a numit singur in corpul de conducere al Observatorului Regal si a incercat apoi sa forteze publicarea imediata a datelor. In cele din urma el a aranjat ca lucrarea lui Flamsteed sa fie luata si pregatita pentru publicare de dusmanul de moarte al lui Flamsteed Edmond Halley. Dar Flamsteed l-a dat in judecata si in scurt timp a obtinut o hotarare care impiedica distribuirea lucrarii furate. Newton s-a infuriat si s-a razbunat eliminand sistematic toate referirile la Flamsteed din editiile ulterioare ale Principia.
O disputa mult mai serioasa a avut-o cu filozoful german Gottfried Leibniz. Atat Leibniz cat si Newton au elaborat independent o ramura a matematicii, numita calcul infinitezimal, care sta la baza celei mai mari parti a fizicii moderne. Desi acum stim ca Newton a descoperit calculul infinitezimal ani de zile inaintea lui Leibniz, el l-a publicat mult mai tarziu. A inceput o mare discutie despre cine a fost primul, fiecare avand propriii sustinatori. Este remarcabil insa ca majoritatea articolelor care au aparut in apararea lui Newton erau initial scrise de mana sa si publicate doar in numele prietenilor! Pe masura ce discutia a crescut, Leibniz a facut greseala de a apela la Societatea Regala pentru rezolvarea disputei. Newton, ca presedinte, a numit un comitet "impartial" pentru investigatii care era format intamplator numai din prieteni ai lui Newton! Dar nu a fost numai atat: Newton a scris apoi singur raportul comitetului si a determinat Societatea Regala sa-l publice, acuzandu-l oficial pe Leibniz de plagiat. Tot nesatisfacut, el a scris o recenzie anonima a raportului in jurnalul Societatii Regale. Dupa moartea lui Leibniz se spune ca Newton a declarat ca a avut o mare satisfactie ca "Leibniz si-a zdrobit inima".
In timpul acestor doua dispute, Newton parasise deja Cambridge si academia. El a dus o politica anticatolica activa la Cambridge, si apoi in Parlament, si a fost rasplatit in cele din urma cu postul avantajos de director al Monetariei Regale. Aici si-a folosit talentele de a ataca violent intr-un mod mai acceptabil din punct de vedere social, conducand cu succes o campanie impotriva falsurilor, chiar trimitand cativa oameni la spanzuratoare.
Glosar
accelerator de particule: O masina care, utilizand electromagneti, poate accelera particule incarcate aflate in miscare, dandu-le mai multa energie.
acceleratie: Rata cu care se schimba viteza unui obiect. antiparticula: Fiecare tip de particula de materie are o antiparticula corespunzatoare. Atunci cand o particula se ciocneste cu antiparticula sa, ele se anihileaza ramanand numai energie.
atom: Unitatea de baza a materiei obisnuite, formata dintr-un nucleu foarte mic (care contine protoni si neutroni) inconjurata de electroni care se deplaseaza pe orbite in jurul sau.
Big Bang: Singularitatea de la inceputul universului.
Big Crunch: Singularitatea de la sfarsitul universului.
con de lumina: O suprafata in spatiu-timp care cuprinde directiile posibile ale razelor de lumina care trec printr-un eveniment dat.
conditia "fara limita": Ideea ca universul este finit dar nu are limita (in timpul imaginar).
conservarea energiei: Legea stiintei care afirma ca energia (sau masa sa echivalenta) nu poate fi creata sau distrusa.
constanta cosmologica: Un aparat matematic utilizat de Einstein pentru a da spatiu-timpului o tendinta intrinseca de expansiune.
coordonate: Numere care specifica pozitia unui punct in spatiu si timp.
cosmologie: Studiul universului ca un intreg.
cuanta: Unitate indivizibila in care undele pot fi emise sau absorbite.
camp: Ceva care exista peste tot in spatiu si timp, in opozitie cu o particula care exista numai intr-un punct la un moment dat.
camp magnetic: Campul raspunzator pentru fortele magnetice incorporat acum, impreuna cu campul electric, in campul electromagnetic.
deplasarea spre rosu: Modificarea spre rosu datorita efectului Doppler, a luminii provenite de la o stea care se departeaza de noi.
dimensiune spatiala: Oricare dintre cele trei dimensiuni ale spatiu-timpului care se refera la spatiu adica, oricare in afara de dimensiunea timpului.
dualism unda-particula: Concept in mecanica cuantica in care nu se face distinctie intre unde si particule; particulele se pot comporta uneori ca unde si undele ca particule.
electron: O particula cu o sarcina electrica negativa care se deplaseaza pe orbita in jurul nucleului unui atom.
energia de unificare electroslaba: Energia (in jur de 100 GeV) peste care diferenta dintre forta electromagnetica si interactia slaba dispare.
energia marii unificari: Energia peste care, se crede, forta electromagnetica, interactia slaba si interactia tare nu pot fi diferentiate una de alta.
eveniment: Un punct in spatiu-timp, specificat de timpul si locul sau.
faza: Pozitia din ciclul unei unde la un moment specificat; arata daca unda este la maxim, la minim sau la un punct intermediar.
forta electromagnetica: Forta care apare intre particule cu sarcina electrica, a doua ca putere din cele patru forte fundamentale.
foton: O cuanta de lumina.
frecventa: Pentru o unda, numarul de cicluri complete pe secunda.
fuziunea nucleara: Procesul in care doua nuclee se ciocnesc si se unesc formand un singur nucleu mai greu.
gaura neagra: O regiune a spatiu-timpului de unde nimic, nici chiar lumina nu poate iesi, deoarece gravitatia este prea puternica.
gaura neagra primordiala: O gaura neagra creata in universul foarte timpuriu.
geodezie: Drumul cel mai scurt (sau cel mai lung) intre doua puncte.
greutate: Forta exercitata asupra unui corp de campul gravitational. Ea este proportionala cu masa sa, dar nu este aceeasi cu aceasta.
interactie slaba: A doua forta, in ordine crescatoare a tariei, dintre cele patru forte fundamentale, care are o raza de actiune foarte scurta. Ea afecteaza toate particulele de materie, dar nu afecteaza particulele purtatoare de forta.
interactie tare: Cea mai puternica forta dintre cele patru forte fundamentale, care are raza de actiune cea mai scurta dintre toate. Ea mentine quarcii impreuna in protoni si neutroni si mentine protonii si neutronii impreuna formand atomi.
limita Chandrasekhar: Masa maxima posibi1a a unei ste1e reci stabile, peste care aceasta trebuie sa sufere un colaps formand o gaura neagra.
lungime de unda: Pentru o unda, distanta dintre doua minime adiacente sau doua maxime adiacente.
marea teorie unificata (MTU): O teorie care unifica forta electromagnetica, interactia slaba si interactia tare. masa: Cantitatea de materie a unui corp; inertia sa sau rezistenta impotriva accelerarii.
mecanica cuantica: Teoria dezvoltata pe baza principiului cuantic al lui Planck si principiului de incertitudine al lui Heissnberg. (Capitolul 4.)
neutrin: O particula elementara de materie, extrem de usoara (posibil fara masa), care este afectata numai de interactia slaba sau de gravitatie.
neutron: O particula neincarcata, foarte asemanatoare protonului, care reprezinta aproape jumatate din particulele din nucleul celor mai multi atomi.
nucleu: Partea centrala a unui atom, care consta numai din protoni si neutroni, mentinuti impreuna de interactia tare.
orizontul evenimentului: Limita unei gauri negre.
particula elementara: O particula care, se crede, nu mai poate fi subdivizata.
particula virtuala: in mecanica cuantica, o particula care nu poate fi niciodata detectata direct, dar a carei existenta are efecte masurabile.
pitica alba: O stea rece stabila, sustinuta de repulsia dintre electroni datorata principiului de excluziune.
pozitron: Antiparticula (incarcata pozitiv) a electronului. principiul antropic: Vedem universul asa cum este deoarece, daca ar fi diferit, noi nu am exista sa-l observam.
principiul cuantic al lui Planck: Ideea ca lumina (sau orice alte unde clasice) poate fi emisa sau absorbita numai in cuante discrete; a caror energie este proportionala cu frecventa lor.
principiul de excluziune: Doua particule identice de spin 1,2 nu pot avea ambele (in limitele stabilite de principiul de incertitudine) aceeasi pozitie si aceeasi viteza.
principiul de incertitudine: Nu se poate cunoaste niciodata exact atat pozitia cat si viteza unei particule; cu cat se cunoaste una dintre ele mai precis, cu atat mai putin precis se poate cunoaste cealalta.
proportional: "X este proportional cu Y" inseamna ca atunci cand Y se inmulteste cu un numar, atunci X se mareste de acelasi numar de ori. "X este invers proportional cu Y" inseamna ca daca Y se inmulteste cu un numar, X se micsoreaza de acelasi numar de ori.
protoni: Particule incarcate pozitiv care formeaza aproximativ jumatate din particulele din nucleul celor mai multi atomi.
quarc: O particula elementara (incarcata) care simte interactia tare. Protonii si neutronii sunt fiecare formati din trei quarci.
radar: Un sistem care utilizeaza impulsuri de unde radio pentru a detecta pozitia obiectelor masurand timpul necesar unui impuls sa ajunga la obiect si sa fie reflectat inapoi.
radiatia de fond de microunde: Radiatia provenita de la stralucirea universului timpuriu fierbinte, acum deplasata mult spre rosu, incat nu mai apare ca lumina, ci sub forma de microunde (unde radio cu o lungime de unda de cativa centimetri).
radioactivitate: Dezintegrarea spontana a unui tip de nucleu atomic in altul.
raze gamma: Unde electromagnetice cu lungime de unda foarte scurta, produse in dezintegrarea radioactiva sau prin ciocnirea particulelor elementare.
relativitatea generalizata: Teoria lui Einstein bazata pe ideea ca legile stiintei trebuie sa fie aceleasi pentru toti observatorii, indiferent cum se deplaseaza ei. Ea explica forta de gravitatie in functie de curbura spatiu-timpului cvadridimensional.
relativitatea speciala: Teoria lui Einstein bazata pe ideea ca legile stiintei trebuie sa fie aceleasi pentru toti observatorii care se misca liber, indiferent de viteza lor.
sarcina electrica: O proprietate a particulei prin care ea poate sa respinga (sau sa atraga) alte particule care au sarcina de acelasi semn (sau de semn opus).
secunda-lumina (an-lumina): Distanta parcursa de lumina intr-o secunda (an).
singularitate: Un punct in spatiu-timp la care curbura spatiu-timpului devine infinita.
singularitate nuda: O singularitate a spatiu-timpului care nu este inconjurata de o gaura neagra.
spatiu-timp: Spatiu-cvadri-dimensional ale caror puncte sunt evenimente.
spectru: Descompunerea, sa spunem, a unei unde electromagnetice in componentele sale de frecventa.
spin: O proprietate interna a particulelor elementare, legata de, dar nu identica cu conceptul obisnuit de rotatie in jurul unei axe.
stare stationara: O stare care nu se schimba cu timpul: o sfera care se roteste cu viteza constanta este stationara deoarece ea arata identic in orice moment, chiar daca nu este statica.
stea neutronica: O stea rece, sustinuta de respingerea intre neutroni datorata principiului de excluziune.
teorema singularitatilor: O teorema care arata ca o singularitate trebuie sa existe in anumite conditii in special, ca universul trebuie sa inceapa cu o singularitate.
timp imaginar: Timpul masurat utilizand numere imaginare.
zero absolut: Temperatura cea mai joasa posibila, la care o substanta nu contine energie termica.
