Un text despre nimic

Nimicul este foarte instabil
Frank Wilczek

Nimicul, multă vreme nebăgat în seamă, a devenit în prezent piesa centrală a fizicii moderne. Nimicul este punctul de plecare al Universului nostru și tot nimicul îi condiționează viitorul. Ciudat, nu-i așa? De fapt, poate că ar trebui să începem prin a răspunde la o întrebare: de ce există ceva, în loc să existe doar nimicul? Răspunsul l-a dat laureatul Nobel, Frank Wilczec: nimicul acesta este foarte instabil, spunea el. O afirmație stranie, care nu este la îndemâna bunului simț. Pentru noi, oamenii obișnuiți, este simplu: nimicul este nimic.

Acum este nevoie să vă mărturisesc ceva. În urmă cu câțiva ani, aproape din întâmplare, mi-a căzut în mână cartea lui John D. Barrow, ”Mic tratat despre nimic” (titlul în limba engleză titlul îmi sună mai bine: The book of nothing, pe care eu l-aș fi tradus Cartea nimicului). Cartea asta a fost pentru mine un mare eveniment. Este vorba despre acea rară specie de cărți, cea care te convinge să citești să citești mai mult. Din dimineața zilei în care am terminat lectura ei m-am apucat să citesc din ce în ce mai mult despre acest ”nimic”. A fost o călătorie stranie și fascinantă această căutare la care am pornit după ce am citit cartea lui Barrow. Știu că nu am ajuns la capătul ei (știința nu poate avea vreun capăt, nici măcar atunci când are nimicul drept obiect de cercetare). Dar acum cred că a sosit momentul ca eu însumi să vă povestesc versiunea mea, cea a unui simplu jurnalist de știință.

Poate că ar fi trebuit să încep, ca și Barrow, prin a vă povesti despre cifra zero, strania cifră care desemnează atât nimicul, cât și, în funcție de poziția sa într-un număr, valori nenule. Reprezintă un mare pas înainte apariția semnului pentru zero, pe care îl aveau babilonienii și mayașii. Cel pe care îl folosim își are originea în India. Dar despre acest subiect vom vorbi altă dată.

Anticii
De ce nu au avut grecii din vechime ideea unui semn pentru nimic? Pentru ei nimicul nu putea exista și nici nu putea fi sursă a creației. Situația este bine descrisă de Barrow, în cartea despre care aminteam mai devreme, dar am găsit o prezentare la fel de interesantă și în cartea lui Frank Close, ”Nothing: A Very Short Introduction” (Nimicul, o scurtă introducere). Nu voi intra în detalii, dar vreau să vă prezint câteva dintre concepțiile despre nimic ale gânditorilor antici.

Thales, undeva pe la anul 600 î.e.n, nega cu tărie existența vidului, a nimicului. Nici un lucru nu poate apărea din nimic, nici un lucru care există nu se poate transforma în nimic, spunea el. Thales și-a mai pus o întrebare: dacă scoatem tot ceea ce există dintr-un volum dat, ce va mai rămâne acolo? Răspunsul pe care l-a dat venea din propriile sale concepții despre structura lumii. În acel volum va rămâne un soi de materie primordială. Care ar fi această materie primordială? Apa. Da, pentru Thales apa era elementul primordial. O întâlnim în natură sub formă solidă lichidă și gazoasă. El observase transformările apei și remarcase că apa dispare, prin evaporare, pentru ca mai apoi să redevină lichidă. Thales credea că apa se poate transforma în orice formă de materie.

Mai târziu, prin secolul V î.e.n, un alt mare gânditor grec, Empedocles, își pune întrebarea dacă aerul poate fi substanța care umple spațiul gol. Empedocles știa să facă experimente, pentru a își testa ideile. El a folosit un instrument din sticlă alcătuit dintr-un tub care se termina cu o sferă care avea găuri în partea inferioară. Pentru a putea vizualiza instrumentul folosit de Empedocles, puteți să vă imaginați un balon din sticlă din laboratoarele moderne la care am realizat niște găuri în partea de jos. Experimentul său era simplu. A introdus instrumentul în apă și, evident, balonul s-a umplut cu apă. Atunci când a repetat experimentul, cu capătul tubular astupat, aerul nu a mai ieșit, iar apa nu a mai putut intra în balon. Aceasta era o demonstrație a faptului că aerul și apa nu pot ocupa simultan același spațiu și că aerul este o substanță, și nu un nimic, un spațiu gol. Empedocles a extins ideia de materie primordială la patru elemente, spre deosebire de Thales, care, așa cum am arătat mai sus, considera că există un singur element primordial: apa. Pentru Empedocles cele patru elemente fundamentale erau: aerul, apa, focul și pământul. Tot el considera că materia are o structură granulară, fiind alcătuită prin ”împachetarea” unor sfere minuscule. Evident, între ele rămâne un spațiu liber care trebuie umplut cu ceva. Acest ceva nu era vidul, nu era nimicul, ci o formă subtilă de materie, eterul, care era mai ușor decât aerul.

Am vrut să vă dau doar câteva exemple ce țin de vechime, pentru că aceste concepții au impus anumite reguli de gândire pentru veacurile care au urmat. Vidul nu avea cum să existe, pentru că logica pură, a gânditorilor din vechime, îi interzicea nimicului dreptul la existență.

O pompă de vid din vechime.

Către modernitate
Să ne mutăm, pe scara timpului, ceva mai departe. Ajungem în 1643, an în care Toricelli, elevul lui Galileo Galilei, construiește primul barometru cu mercur. A luat un tub de sticlă lung de un metru, care avea un capăt astupat. A umplut tubul cu mercur și, după ce a astupat capătul liber al tubului cu degetul, l-a așezat cu grijă într-un vas plin și el cu mercur. A văzut, probabil cu uimire, că mercurul a coborât în tub, lăsând un spațiu gol. Ce putea exista în acest spațiu lăsat liber de către mercurul care coborâse? Vidul, asta rămânea acolo. Ca să fim riguroși, Toricelli nu realizase vidul absolut. În acel spațiu gol, datorită presiunii scăzute se află vapori de mercur. Dar pasul fusese făcut. Vidul apărea acum ca obiect justificat pentru un studiu științific. Din nou nu vreau să intru în detalii (ar trebui să vă vorbesc despre atmosferă și presiune atmosferică, să vă povestesc despre primele mașini de ”fabricat” vid, despre sferele de Magdeburg etc.). Totuși trebuie să subliniez un aspect. Experimentul lui Toricelli, reluat mai apoi de Pascal, a demonstrat că înălțimea coloanei de mercur scade o dată cu creșterea altitudinii. De aici concluzia era una firească. Pământul are o atmosferă, iar presiunea scade cu altitudindea. Asta înseamnă că, dincolo de atmosfera terestră, locul aerului este luat de vid. Adică de către nimic. Dar noi putem vedea lumina stelelor. Lumina poate străbate vidul. Acesta este un aspect foarte important pentru cele ce urmează. Cum de se propagă lumina și prin vid? Cum se face că raza de lumină poate străbate nimicul?

Care era problema? Lumina ar trebui să se propage printr-un mediu material. Lumina nu poate călători prin nimic.

Să facem acum o pauză și să mai facem un pas mic în timp. Pe scenă intră Newton. În 1687, el publica lucrarea ”Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”, care avea să reprezinte o revoluție în fizică, și nu numai. Îndrăznesc să afirm că Newton a fost unul dintre foarte puținii oameni care au reușit să schimbe fundamental modul de gândire al semenilor săi. El a produs o revoluție care a trecut dincolo de granițele fizicii. Dar teoria Newton, care a dominat fizica mai bine de două veacuri, avea o hibă. Așa cum spune Barrow: ”În ciuda simplității și elocvenței ideilor lui Newton, ele au la bază o presupunere care complică lucrurile. Newton a trebuit să presupună că există ceva pe care l-a numit spațiu absolut, un fel de fundal în Univers față de care se derulează toate mișcările pe care le guvernează legile lui.” Mișcarea tuturor corpurilor din Univers trebuia să se raporteze la acest ”spațiu absolut” ca ar fi trebuit să se afle, la rândul său, într-o stare de repaus absolut. El nu putea fi observat direct și nici nu se putea acționa asupra lui. Barrow: ”[spațiul absolut] începea să pară tot atât de misterios ca vidul însuși”. Cum ideea spațiu vid era greu de acceptat (nu poți raporta mișcarea la ceva care nu există, spuneau anticii greci) acest spațiu absolut era umplut cu un fluid imobil, cu caracteristici speciale, care a căpătat numele de eter. Newton însuși avea oarecari îndoieli legate de acest eter, nu ar fi vrut să introducă eterul ca pe o ipoteză suplimentară în fizica sa. ”Newton nu a manifestat niciodată un entuziasm prea mare față de această idee și a adoptat-o cu oarecare ezitare pentru că dorea ceva mai riguros. El a recunoscut că eterul putea fi un vehicul convenabil pentru a înțelege unele dintre proprietățile luminii și ale propagării prin spațiu, dar considera că prezența unui fluid ar îngreuna înțelegerea mișcărilor Lunii și ale planetelor”, explică Barrow. Oricum, Newton era adeptul teoriei corpusculare a luminii. El vedea lumina ca pe o sumă de corpuscului foarte mici. Adevăratele probleme apar atunci când tratezi lumina ca pe o undă. Faptul că lumina avea un caracter ondulatoriu era demonstrat de experimentele de interferență pe care unii din contemporanii săi le efectuau deja.

”Cum de se propagă lumina în vid? Cum de poate străbate nimicul?” iată întrebările, pe care le-am enunțat mai devreme, și la care conceptul de eter poate răspunde foarte bine. Să ne amintim cum se propagă undele sonore. Ele sunt variații de presiune care se propagă prin aer, prin lichide sau prin unele solide . Ele, evident, nu pot străbate vidul. Undele sonore au nevoie de un suport pentru a se putea deplasa. Pentru unda luminoasă, tocmai acest eter ar trebui să constituie mediul de propagare. Un eter cu caracteristici speciale, pe care oamenii de știință au încercat să le explice și să le verifice experimental în veacurile care au urmat. Este o poveste fascinantă această cautare, care s-a încheiat o dată cu experimentele lui Michelson și Morley. Cei doi au realizat celebrele experimente, prin care vroiau să demonstreze direct existența eterului. Primul experiment a fost efectuat de către cei doi în 1881, urmat de un altul, mai perfecționat, în 1887. Ambele experimente au eșuat. Un eșec de succes, aș zice eu. Eterul, larg acceptat de către fizicienii vremii, nu dădea nici un semn că ar exista. Iar asta a dus la marea revoluție înfăptuită, în 1905, de către un alt mare titan al pământenilor: Albert Einstein.

Nimicul, o chestie complicată
Am ajuns în timpurile moderne. Să fi reintrat nimicul în drepturile sale, odată cu infirmarea existenței eterului? Așa ar fi fost, dacă nu ar fi apărut mecanica cuantică. Conform ei, așa cum spunea și laureatul Nobel Frank Wilczek, ”nimicul este o chestie foarte instabilă”. Acum, cred, a sosit și momentul explicării acestei ciudate afirmații. Așa cum veți vedea, nimicul acesta instabil, este ”sămânța” întregului Univers.

Nimicul, vidul, posedă propria sa energie, spune mecanica cuantică. Cum de este posibil ca spațiul gol să posede energie? Leonard Susskind, în cartea sa ”The Cosmic Landscape” răspundea că ”Răspunsul stă în ciudățeniile răspândite în lumea mecancii cuantice. […] Fizicienii văd vidul ca fiind plin de particule, care apar și dispar atât de repede încât nu pot fi detectate în condiții normale.” (Între timp a apărut și ediția românească a acestei cărți extraordinare. Vi-o recomand cu căldură!) Dar de unde apar aceste particule, pe care fizicienii le numesc particule virtuale? Răspuns vine din principiul incertitudinii a lui Heinseberg. Așa cum probabil mai țineți minte din cursurile de fizică de la liceu, acest principiu postulează faptul că nu poți măsura cu exactitate și în același timp viteza și poziția unei particule cuantice. Acest principiu, al incertitudinii, nu reprezintă doar o dificultate de măsurare, el ilustrează un adevăr (sau o ciudățenie) mult mai profund legat de lumea cuantică. La fel ca și principiile din termodinamică el se aplică Naturii înseși. Să ne imaginăm un volum mic din spațiu, din care scoatem toate particulele care se află acolo. Să ne mai imaginăm că acolo am creat nimicul absolut. În permanență, plecând de la principiul incertitudinii, acolo apar perechi de particule și antiparticule (este necesară apariția simultană a particulei și antiparticulei corespunzătoare, deoarece sarcina electrică trebuie să rămână neschimbată), care imediat se anihilează reciproc. Intră în existență pentru foarte scurtă vreme aceste particule, astfel încât nu există mijloace pentru a le detecta. De aceea ele poartă numele de particule virtuale.

Vedeți și dv: dintr-o dată, ciudățenia mecanicii cuantice transformă spațiul gol, vidul, nimicul, în ceva foarte complicat. În ceva plin de o continuă agitație. La scara mică a lumii, atunci când ne apropiem de dimensiunile lui Plank (asta ar însemna dimensiuni apropiate de 10 la puterea -35 metri) spațiul nici nu mai seamănă cu ceva ce poate fi imaginat de către intuiția noastră, de niște oameni obișnuiți. Fizicienii vorbesc de o ”spumă cuantică”, aflată într-o continuă agitație, în care avem fluctuații violente de energie și în care apar din neant și dispar, tot în neant, particulele virtuale. De aici provine exclamația lui Wilczec: ”nimicul este o chestie foarte instabilă!” De fapt, nimicul pur, așa cum ni-l concepem noi, nici nu poate exista. Îl interzice mecanica cuantică. Și mai este ceva, vidul cuantic este o chestie extrem de complexă. Să vedeți de ce.

”Fiecare tip de particulă elementară este prezent în fluctuațiile violente ale mării de particule virtuale pe care noi o numim vid.”, spune Susskind, și apoi continuă: ”În această mare întâlnim electroni, pozitroni, fotoni, cuarci, neutrini, gravitoni și multe alte particule. Energia totală a vidului este suma tuturor energiilor acestor particule virtuale, fiecare tip de particulă aducându-și propria contribuție.” S-au făcut și calculele necesare, ținându-se seama de energia fiecăriei particule în parte. Rezultatul a fost unul dezastruos. Energia vidului ar fi una uriașă. Dacă nu vă sperie cifrele foarte mari, îl voi cita din nou pe Susskind: <strong>”prin estimarea dată de mecanica cuantică, [într-un centimetru cub de vid], se află o cantitate de energie egală cu 10 la puterea 116 [Jouli]. Această cantitate de energie ar face să fiarbă întreaga apă din Univers. Este o cantitate de energie mai mare decât cea pe care Soarele nostru ar radia-o într-un miliard de miliarde de ani. Este o energie mai mare decât cea pe care toate stelele din Univers a produce-o pe parcursul întregii lor vieți.” Consecințele asupra Universului produse de această energie conținută într-un singur centimetru cub de nimic ar fi dezastruoase. Nimic nu ar mai putea exista, nici galaxiile, nici stelele, nici planetele și nici măcar atomii. Nimicul ar distruge existența. Cu siguranță undeva este o greșeală. Greșeala vine din faptul că toată particulele virtuale luate în calcul ca și acum toate ar poseda energie pozitivă. Dar lucururile nu stau chiar așa. Energia unor particule virtuale, cum ar fi electronii virtuali, are valori negative. Este o chestie mai tehnică, pe care nici Suskind nu o detaliază. Să o luăm și noi ca atare. Refăcând calculele lucrurile se schimbă. Dacă vom alege ca unitate de măsură acei 10 la puterea 116 J, atunci energia conținută într-un singur centimetru cub de vid ar fi un zero virgulă osutădouăzeci de zerouri urmate de un unu unități. Îmi dau seama că cifrele acestea ar putea să pară complicate sau complet lipsite de semnificație. Dar nu este așa. Energia conținută de vid dictează evoluția întregului Univers, făcându-l să fie așa cum îl știm noi. O mică, o foarte mică, modificare a valorii pe care am scris-o mai sus ar face ca Universul să nu mai fie favorabil vieții, cel puțin nu în forma pe care o cunoaștem noi.

Și mai este ceva important de precizat. Această energie, a unui volum dat de vid, este constantă în timp, chiar dacă Universul se află în expansiune. De fapt, energia vidului o cunoșteți, aproape sigur, sub o altă denumire. Uzual ea este numită energie întunecată și este responsabilă de accelerarea expansiunii Universului…

Nașterea din nimic…
Susskind: pentru fizicieni, ”Vidul reprezintă [locul] potențial pentru toate lucrurile […]. Asta înseamnă o listă cu toate particulele elementare dar, la fel de bine, și constantele naturii […] Pe scurt, însemnă un mediu în care legile fizicii capătă o anumită formă particulară. […] Un vid diferit ar putea însemna alte legi ale fizicii […]”. Vedeți? Nimicul acesta fundamental condiționează el însuși, prin legile fizicii care se nasc acolo, existența Universului. Un lucru mai straniu decât acesta este greu de imaginat. Dar Universul însuși, cum de s-a născut? Fizica modernă ne spune că în urmă cu 13,72 miliarde de ani, printr-o explozie grandioasă apărut Universul în care trăim noi. Teoretic putem explica evoluția Universului de la aproape de începutul său, până în zilele noastre și putem aprecia și viitorul său, pe baza datelor observaționale. Dar există o mare și, deocamdată, insolubilă problemă. Dacă încercăm să ne apropiem foarte mult de acel t=0, al începutului de Univers, legile fizicii, așa cum le cunoaștem noi, își încetează aplicabilitatea. Practic, nu putem ști ce s-a întâmplat cu Universul înaintte de t = 10 la puterea -43 s. Nu putem ști, dar putem specula. Alexei Filippenko și Jay M. Pasachoff, în cartea lor ”The Cosmos: Astronomy in the New Millennium” considerau că sursa creației întregului Univers ar putea fi nimicul sau, mai bine zis, fluctuațiile cuantice dintr-un spațiu primordial. Acolo, dintr-un motiv neștiut, unele dintre aceste fluctuații a ”trăit” suficient de mult pentru a declanșa întregul proces care a dus la Big Bang. De fapt, atunci, la momentul t=0, nu aveam de-a face cu un vid propriuzis. În cartea lui Frank Close, despre care aminteam mai devreme, se descrie frumos situația acestui început. ”[…] Alan Guth și Paul Steinhardt au venit cu ideea că Universul nostru este un domeniu al unei structuri mai mari. […]” În momentul de încept, în domeniul corespunzător Universului nostru, ”exista” un ”vid fals”. ”Vidul fals diferă de cel real, prin faptul că este foarte instabil. Situația seamănă cu cea a unui creion în poziție verticală, care se sprijină pe vârful său.”, spune Close. Creionul se află într-un echilibru instabil și poziția sa se va modifica rapid, până când va ajunge la energie potențială minimă, adică până când își va găsi poziția de echilibru.

Așa ar fi putut începe totul. O fluctuație care a durat prea mult într-un ”vid fals” a dus la materializarea din nimic a Universului nostru.

Este un scenariu simplificat cel prezentat de noi. Ar fi trebuit să vă vorbim și despre bozonul Higgs și despre câmpul creat de el, încă de la începutul Universului. El a jucat un rol fundamental în nașterea Universului nostru încă de la începuturile sale.

Sper că v-am convins. Fizica nimicului a devenit un domeniu fundamental de cercetare pentru fizicieni. Nimicul acesta poartă cu sine taine care trebuie descifrate pentru a putea înțelege întreg Universul. Și, poate, înțelegând mai bine nimicul vom putea pregăti drumul care ne va duce la soluțiile de care avem nevoie pentru a putea trimite oamenii către cele mai îndepărtate locuri din Univers. Deja există speculații frumoase în acest sens, dar asta este o altă poveste… Vă rog să remarcați: încercând să vorbesc despre nimic, am găsit teme pentru multe alte texte. Nimicul (nu-i așa?) este fascinant!

Sursa