brief 2017
Science Publicație oficială Bucharest Science Festival, editată în parteneriat cu Editura Humanitas
Alexandru Toma Pătraşcu, Directorul Festivalului
Partea lemnoasă şi partea fieroasă Imediat după ce a terminat liceul, fiind vreme de război, tata a fost recrutat şi trimis la şcoala de ofiţeri de artilerie. După câteva decenii încă îşi mai aducea aminte cu amuzament cum şi-a început unul dintre instructori prelegerea: „Puşca este alcătuită din două părţi; partea lemnoasă şi partea fieroasă“. Pe la 80 şi ceva de ani, bunica mai putea să recite, în ordine, staţiile de cale ferată de pe nu ştiu ce rută din Moldova; le învăţase la geografie. Două generaţii mai târziu, eu trebuia să învăţ succesiunea popoarelor migratoare sau „munţii vulcanici“ (mai ştiu şi acum de „Oaş – Gutîi – Ţibleş“, dar habar n-am unde sunt pe hartă). După încă o generaţie, copiii mei învaţă că frontiera României cu Ungaria se întinde de la… Beba Veche la Halmeu! La fel se întîmplă la aproape toate materiile. La română ţi se toarnă în cap tone de arhaisme de parcă idealul ar fi să poţi să te înţelegi cu Creangă
sau cu Miron Costin, la biologie afli câte tipuri de rădăcini există (firoasă, rămuroasă, pivotantă) sau câte petale are floarea de măr (5), mai de curând până şi la sport, în urma unei sclipiri de geniu a echipei din minister, copiii vor învăţa să înşire „elementele din şcoala aruncării: aruncarea de tip azvârlire, aruncarea de tip lansare şi aruncarea de tip împingere“… De ce? La ce bun? La ce le vor folosi toate astea în viaţa de adult? Pentru că aici este problema; copiii sunt puşi să înveţe pe de rost înşiruiri nesfîrşite de liste, de date, de nume, în detrimentul înţelegerii mecanismelor de funcţionare, a logicii din spatele fenomenelor. Diferitele date particulare au relevanţă doar dacă sunt puse într-un context integrator. Este ca şi cum Statul-Major al unei armate (ministerul) ar trimite soldaţilor din prima linie (elevii) cantităţi uriaşe de cartuşe fără a le da şi armele cu care să tragă! De ce? Răspunsul e simplu: ca să le facă viaţa
27 septembrie – 1 octombrie
uşoară celor din sistem. Profesorilor, inspectorilor, funcţionarilor din minister…, într-un final, chiar şi părinţilor; de multe ori ei sunt complici sau chiar instigatori. Să înveţi pe cineva cum să gîndească corect este dificil; mult mai dificil decît să-l faci să memoreze nişte noţiuni disparate. Efectul se vede rapid în rezultatele de la testările care, precum PISA, punctează raţionamentul, nu reproducerea mecanică a noţiunilor. Lumea de mâine va fi cu totul alta decât cea de azi sau de ieri. Ne aflăm în pragul unei noi revoluţii sociale, determinată de introducerea pe scară largă a sistemelor de inteligenţă artificială şi de interconectarea reţelelor de schimb de date. Schimbarea de paradigmă se petrece chiar acum, în faţa ochilor noştri. Maşinile autonome au devenit o realitate, dronele livrează bunuri, iar sistemele expert bazate pe învăţare automată depăşesc deja în performanţă specialiştii umani. Fiecare nou val al inovaţiei tehnologice a produs schimbări dramatice în societate, modificând radical modul de viaţă al oamenilor, relaţiile dintre ei, structurile de putere. Chiar şi răspîndirea unor tehnologii pe care azi le-am considera primitive,
Cristian Presură, autorul cărții Fizica povestită
Gravitația cuantică, testabilă în laborator? Iubesc fizica atunci când mă eliberează. Alergând între serviciu şi casă, oscilând între un ecran de sticlă şi altul de plastic, am prea uşor senzaţia că poveştile lor formează întreaga lume. Gălăgia ascunde gânditorii care construiesc lumea de mâine, tot aşa cum zgomotul bătăliilor mari ale istoriei ascunde gânditorii care au construit lumea noastră. Iar azi, cei mai avansaţi sunt cei care studiază gravitaţia cuantică. De ce zic asta? Pentru că legile pe care le vom afla despre gravitaţia cuantică sunt cele care vor defini ţesătura spaţiului microscopic, cele care vor rescrie cauzalitatea şi cele care vor redefini identitatea. Gândiţi-vă, cum am putea fi noi „ceva“ dacă nu ne-am fi păstrat identitatea de la o zi la alta? Iar de asta este responsabilă, în primă instanţă, mecanica newtoniană. Aici obiectele sunt bine definite, localizate, iar atracţia gravitaţională dintre ele poate fi urmărită clar. Realitatea este însă un actor ce îşi schimbă măştile. La un nivel mult mai mare, cel al stelelor masive şi al galaxiilor, atracţia gravitaţională se dovedeşte a fi o consecinţă a curburii spaţiu-timpului. Gravitaţia lui Newton este înlocuită cu teoria relativităţii a lui Einstein. Viteza luminii devine o limită a propagării oricărei cauze, iar spaţiul se transformă într-o saltea elastică. Spaţiul se întinde odată cu expansiunea universului şi vibrează atunci când poartă unde gravitaţionale. La un nivel mult mai mic, cel al particulelor elementare, teoria lui Newton este înlocuită de mecanica cuantică. Electronul se află, simultan, în toate colţurile atomului, iar întâmplarea intervine în mişcările sale. Alte particule vin la viaţă din vidul cuantic, iar unele dintre ele rămân corelate şi se influenţează chiar şi atunci când ajung la capete diferite ale universului. Înainte ca filozofii să dea sens acestor noi măşti ale realităţii (cosmice sau microscopice), fizicienii le-au rezolvat ecuaţiile. În marile acceleratoare de particule, când calculează traiectoria particulelor elementare, ei folosesc legile cuanticii. Pe cer, urmăresc mişcarea razelor de lumină pe spaţiul curb folosind legile teoriei relativităţii generale. Ori una, ori alta, pentru că nu au încă o teorie care să le unifice. O astfel de teorie ar purta numele de „gravitaţie cuantică“, pentru că unifică gravitaţia (echivalentă cu teoria relativităţii generale) cu mecanica cuantică. La o sută de ani după apariţia
celor două teorii, nu numai că fizicienii nu ştiu cum arată combinaţia lor, dar nici măcar nu cad de acord cum ar putea să arate. O parte dintre fizicieni continuă să propună soluţii teoretice pentru gravitaţia cuantică, care să aibă sens şi să fie acceptate, tot aşa cum teoria bosonului Higgs era cunoscută şi acceptată cu 50 de ani înainte de a fi descoperită. Alţii însă, mai pragmatici, caută să răspundă la întrebare experimental. Au însă o problemă fundamentală: forţa gravitaţională este cu 40 de ordine de mărime mai slabă decât celelalte forţe ale naturii! De aceea atracţia gravitaţională dintre două particule nu poate fi încă măsurată în acceleratoarele de particule, acolo unde sunt investigate proprietăţile cuantice. Esenţa problemei este următoarea: mecanica cuantică ne spune că, în principiu, putem pune Pământul într-o stare cuantică, în care se află simultan aici şi câţiva metri mai la dreapta (starea se numeşte de „superpoziţie cuantică“). Teoria relativităţii ne spune că Pământul curbează spa-
Figura 1. Schiţa experimentului propus de Markus Aspelmeyer. În dreapta, un actuator (d) mişcă o greutate M (c). În stânga, o masă de test m (a) simte vibraţiile masei M (c) prin intermediul forţei de atracţie gravitaţională. Masa m (a) este lipită de o membrană (b) a cărei mişcare este monitorizată de laserul (e). Reprodus din articolul Jonas Schmöle et al 2016 Class. Quantum Grav. 33 125031 (Creative Commons Attribution 3.0 licence)
ţiul. După ce unificăm teoriile, ce se întâmplă cu spaţiul? Va fi şi el, simultan, în două forme curbe ale sale? Ce se întâmplă cu un măr aflat pe suprafaţa Pământului? Va fi atras el din două direcţii? Se va afla, simultan, în două universuri generate de cele două spaţii curbe? Poate că civilizaţiile extraterestre pot pune planete în superpoziţie cuantică. La noi, cel mai mare obiect pus în superpoziţie cuantică este o lamelă de câteva zeci de micrometri (dimensiunea unui fir de păr, abia cât să se vadă cu ochiul liber). În anul 2010, Andrew Cleland (atunci la Universitatea Santa Barbara din California) a reuşit să pună o astfel de lamelă într-o stare de superpoziţie cuantică. Astfel, un capăt al ei se afla în două locuri simultan, separate de o distanţă mai mică decât dimensiunea unui atom (mai puţin decât un nanometru). Lamela este echivalentul „planetei“ noastre din experiment. Pasul doi ar fi să vedem cum atrage ea gravitaţional un alt obiect („mărul“), din cele două locaţii în care se află în acelaşi timp. Îl va atrage din stânga, din dreapta, simultan din ambele direcţii? Atunci am putea vedea cum se comportă cuantic câmpul gravitaţional generat de lamela cuantică. Clasic (nu cuantic), cât de bine putem măsura forţele de atracţie gravitaţională? În anul 2003, fizicienii C. Long şi John Price au reuşit să investigheze forţa clasică de atracţie a unor lamele similare, mai bine zis variaţia forței cu distanţa. Au putut vedea că forţa gravitațională cu care lamela atrage obiecte variază aşa cum prezice Newton, pe distanţe de câţiva micrometri (de un milion de ori mai mari decât dimensiunea atomului). Dar pentru a vedea dacă şi lamela cuantică se supune aceleiaşi legi newtoniene (sau deviază) ar trebui să se investigheze forţa pe o distanţă comparabilă cu diametrul unui atom. Atenţie, distanţa este cu 6 ordine de mărime mai mică. Vedem că mai au mult de lucru, pentru a-şi îmbunătăţi măsurătorile. În alte locuri din lume, cercetătorii se străduiesc să măsoare direct forţa de atracţie gravitaţională, nu numai variaţia ei cu distanţa. Cele mai mici obiecte pentru care a fost măsurată forţa sunt de ordinul a câteva zeci de grame, mult peste greu-
ca cioplirea pietrei sau aprinderea focului, au fost de natură să propulseze întreaga omenire pe cu totul alte coordonate. Cum vor putea copiii noştri să facă faţă viitorului fiind educaţi într-un sistem de secol XIX? Ce este de făcut? Am putea să le schimbăm profesorii sau programa sau şcoala. Sau ţara în care trăiesc… Sunt soluţii mai uşor de spus decât de pus în practică, dar există şi altă posibilitate, mult mai la îndemînă. Încurajaţi-vă copiii să gândească şi să pună sub semnul întrebării lucrurile pe care le află de la şcoală, de la prieteni sau chiar de la voi! Încurajaţi-le atât creativitatea cât şi spiritul critic; acestea două trebuie să meargă mână în mână. Discutaţi cu ei şi dezbateţi idei, concepte sau, pur şi simplu, întâmplări de peste zi. Arătaţi-le lumea, aşa cum este în realitate, nu mascată de mituri şi de idei preconcepute. Înarmaţi-i cu cel mai puternic instrument al omenirii şi învăţaţi-i să-l folosească. Oferiţi-le în dar Ştiinţa! Vă aşteptăm la Bucharest Science Festival 2017 pentru a ne gândi, împreună, la viitor!
tatea de nanograme a lamelei. Fizicienii progresează însă şi în acest domeniu, datorită ingineriei nanomaterialelor. Ea face posibilă construcţia de aparate în miniatură, atom cu atom. Recent, Markus Aspelmeyer (Austria) a propus o astfel de tehnică pentru a măsura forţa de atracţie gravitaţională a unor obiecte în miniatură, având doar câteva miligrame (vezi figura). Chiar şi aşa însă, încă sunt la şase ordine de mărime distanţă de greutatea în nanograme a lamelelor cuantice. În ciuda ordinelor de mărime diferenţă, vedem că unii cercetători se apropie de ceea ce părea înainte imposibil: testarea gravitaţiei cuantice în laborator. Să fim atenţi însă, astfel de măsurători testează forţa de atracţie gravitaţională, nu direct curbura spaţiului. Se prea poate ca ele să descopere că şi câmpul gravitaţional se comportă cuantic (ca şi câmpul electromagnetic), fără a putea spune ceva despre spaţiul însuşi. Este un scenariu de coşmar: dacă este greu de măsurat forța gravitațională cu care o lamelă atrage obiectele din jur, vă daţi seama cât de greu va fi să se măsoare cât de mult curbează ea spaţiul? Gândiţi-vă la Pământ. Forţa lui de atracţie o simţim, dar curbura spaţiului nu o vedem; ea este măsurată doar de aparate performante. În final însă ne aşteptăm să putem unifica mecanica cuantică cu teoria relativităţii generale. Nu atât pentru că, aşa cum zice Einstein, suntem în căutarea gândului ultim al lui Dumnezeu, ci pentru că avem argumente tehnice. Dacă gravitaţia nu ar fi cuantificată, atunci un electron ar emite unde gravitaţionale şi, în timp, ar cădea pe nucleu. Cum acest lucru nu se întâmplă, trebuie ca şi cele mai mici pachete de energie gravitaţională să fie discrete. Printre noi sunt doar câteva sute de oameni care se străduiesc să măsoare gravitaţia cuantică. Cercetători ca Markus Aspelmeyer propun aparate din ce în ce mai fezabile, iar teoreticieni ca Sabine Hossenfelder (http://backreaction.blogspot.nl) caută să vadă cum vom interpreta rezultatele. În zgomotul societăţii, efortul lor pune bazele unei lumi care, peste mii de ani, va arăta mult diferit faţă de cea de azi. Iar asta nu neapărat pentru că tehnologia va fi alta, ci pentru că înţelegerea mecanismelor ascunse ale cosmosului va ridica întrebări fundamentale şi despre propria noastră identitate.