La frontierele cunoașterii. Posibile conținuturi pentru atragerea elevilor către domeniile STEM

Teoria dipolilor vortex poate fi considerată o teorie unitară a materiei, fiind concepută ca un model gnoseologic transdisciplinar  cu valențe explicative și predictive considerabile, care nu contrazice știința actuală, ci o aprofundează. Mai mult,  teoria dipolilor vortex oferă o deschidere largă către filosofie și religie, modalități esențiale de raportare la Existență a ființei umane pe parcursul devenirii istorice.

În acest cadru concepual, pot fi abordate particulele elementare şi interacţiunile fundamentale din Modelul Standard, identificarea gravitonului, legile de variaţie şi de conservare pentru mărimile fizice, dualismul undă – corpuscul, semnificația  funcției de undă asociată unei microparticule, cuantificarea mărimilor fizice, cuantificarea spaţio-temporală, generarea antiparticulelor şi fenomenul de anihilare, invarianţa vitezei luminii în vid, relaţia lui Einstein dintre  masă şi energie, geometria Universului, legea lui Hubble și expansiunea accelerată a Universului etc. Prin descoperirea unui număr tot mai mare de particule elementare, abordarea unitară s-a impus progresiv în  activitatea de cercetare a structurii materiei și a interacțiunilor fundamentale.

În efortul de cunoaștere a microcosmosului, se pot distinge  următoarele etape importante:

  • ipoteza existenței antiparticulelor, care a fost propusă de fizicianul Paul Dirac în anul 1928;
  • descoperirea în radiația cosmică a pozitronului de către Carl D. Anderson în anul 1932;
  • ipoteza existenței quarcurilor propusă în anul 1964 de către Murray Gell-Mann, care a descoperit, împreună cu Zweig,  schema obținerii barionilor;
  • elaborarea teoriei cuantice a interacțiunii electroslabe de către Sheldon Lee Glashow,  Steven Weinberg și Mohammad Abdus Salam, bosonul Z  fiind descoperit experimental în anul 1973;
  • formularea Modelului Standard  al  particulelor elementare în anul 1974;
  • ipoteza lui Peter Ware Higgs despre existența “particulei lui Dumnezeu”, bosonul Higgs fiind descoperit  în anul 2012 cu ajutorul lui Large Hadron Collider de la CERN;
  • descoperirea experimentală a oscilațiilor neutrinilor de către fizicienii Takaaki Kajita şi Arthur B. McDonald, care au primit Premiul Nobel pentru fizică în anul 2015;
  • elaborarea unor teorii unitare dincolo de Modelul Standard, care includ și gravitația, ca de exemplu teoria corzilor, teoria M etc.

Modelul standard reprezintă consensul actual asupra constituenților de bază (fără substructură)  ai materiei și  a interacțiunilor fundamentale dintre aceștia.

În acest cadru conceptual, se consideră  că materia este alcătuită  din  două  tipuri fundamentale  de  fermioni cu spinul 1/2, leptonii și quarcurile,  la care se adaugă mediatorii care intermediază interacțiunile  fundamentale. Fermionii sunt grupați în trei generații care reflectă comportarea lor față de interacțiunile tari, electromagnetice și slabe. Fiecare generație de fermioni conține două quarcuri, care interacționează tare, electromagnetic și slab, precum și doi leptoni, care nu interacționează tare, ci numai slab, iar dacă au sarcină electrică, și electromagnetic.

Numărul leptonic L și numărul barionic B au valorile: L = +1, B=0 pentru leptoni, respectiv L= 0, B = +1/3 pentru quarcuri. Fiecare fermion elementar  este asociat cu o antiparticulă care are aceeași masă, dar numerele cuantice interne sunt de semn opus, mai precis: L= – 1 pentru antileptoni și B= -1/3 pentru antiquarcuri. Numărul leptonic, numărul barionic și sarcina electrică sunt mărimi fizice care se conservă în toate interacțiile.

Quarcurile sunt fermioni cu sarcina electrică fracționară (2/3 sau -1/3 din sarcina elementară), care nu există în stare liberă, ci doar în interiorul hadronilor (particule care interacționează tare, de tipul barionilor și mezonilor). Barionii (proton, neutron) sunt compuși din trei quarcuri, iar mezonii (pion, kaon) sunt alcătuiți dintr-un quarc și un antiquarc.

Există șase tipuri de quarcuri, denumite convențional arome (up, down, charm, strange, top și bottom), fiecare aromă având trei subtipuri, pe care fizicienii le-au numit culori (red, green, blue).

Mediatorii sunt bosoni vectoriali de spin 1 care intermediază interacțiunile fundamentale: gluonii, pentru interacțiunea tare, fotonii pentru interacțiunea electromagnetică,  bosonii Wși Z, pentru interacțiunea slabă.  În prezent, se presupune  că gravitonii, încă nedescoperiți experimental, intermediază interacțiunea gravitațională.
Bosonul Higgs este un boson scalar de spin 0, care conferă masă celorlalte particule elementare prin mecanismul ruperii spontane a simetriei.

Din păcate, Modelul Standard  nu a  reușit să integreze  logic interacțiunile gravitaționale și nu a oferit o explicație coerentă  pentru oscilațiile neutrinilor, precum și semnificațiile materiei și energiei întunecate. Pentru a depăși acest impas, fizicienii au conceput teoria supersimetriei (SUSY), care se bazează pe ipoteza că fiecare particulă elementară din Modelul Standard are o particulă parteneră supersimetrică, cu aceeași masă și numere cuantice interne, dar având spinul diferit  cu 1/2. Deocamdată,   supersimetria boson-fermion nu a fost observată în experimentele efectuate în aceleratoarele de  particule.  S-a  presupus că supersimetria, dacă  există, trebuie să fie o simetrie ruptă,  pentru a permite ca  superparticulele să aibă o  masă mai mare decât echivalenții lor din Modelul Standard.

Istoria științei este marcată de  crezul lui Einstein într-o teorie unificată a câmpului, model geometric care poate  să descrie unitar cele două forţe fundamentale cunoscute pe atunci, gravitaţia şi electromagnetismul.
Deși nu a reușit să-și îndeplinească acest vis, genialul savant a lansat o fascinantă provocare pentru cercetători de a găsi o “teorie a tuturor lucrurilor”, care să explice întreaga Existență – de la microcosmos, la macrocosmos și megacosmos.

Teoria Marii Unificări reprezintă diverse încercări de  a descrie printr-un formalism teoretic comun forțele electromagnetică, slabă și tare. Se speră că Teoria Marii Unificări va fi extinsă la o  Teorie a Totului care va unifica cele trei tipuri de interacțiuni fundamentale cu cea gravitațională.

Una dintre aceste concepții unificatoare este Teoria Stringurilor (String Theory), în care particulele elementare sunt modelate  prin  stringuri (corzi, sfori sau bucle) vibrante, închise sau deschise, care plutesc în spațiu-timp și se află în stare de excitație.

Proprietățile fizice ale particulelor care fac parte din Modelul standard reprezintă diverse moduri în care stringurile pot să vibreze, altfel spus, oscilațiile stringurilor generează proprietățile constituenților fundamentali ai  materiei în stare de substanță sau de câmp.

După părerea lui Burt Ovrut, profesor la Universitatea Statului Pennsylvania din University Park,  particulele sunt  coarde mici și invizibile, care emană  materia, precum muzica  din coarde: “Dacă o ciupești (coarda) într-un anumit fel, obții o frecvență anume, dar, dacă o ciupești în alt fel, poți obține mai multe frecvențe, așa ai note diferite.”  O altă exprimare sugestivă  este  cea a lui Michio Kaku, profesor la City University din orașul New York, care afirmă că  „universul este o simfonie, iar legile fizicii sunt armonii ale unei supercoarde.” Au fost concepute cinci variante pentru teoria stringurilor, într-un hiperspațiu cu zece dimensiuni, nouă spațiale și una temporală.

Teoria stringurilor asigură punți de legătură între teoria cuantică și teoria generală a relativității, care sunt incompatibile în forma actuală. În cadrul teoriei superstringurilor, multitudinea de  particule cuantice sunt descrise ca note pe o supercoardă, ansamblul de particule fiind asociat cu spectrul de vibrații.

Pentru a pune în concordanță teoria superstringurilor cu teoria supergravitației, la cele zece dimensiuni a fost adăugată a unsprezecea dimensiune, obținându-se  o concepție extinsă, care este cunoscută sub numele de  “teoria membranei”(Teoria M), în care membrana devine constituentul fundamental al universului.

Teoria M este o teorie supersimetrică care a apărut în anul 2008, cele cinci variante ale teoriei corzilor fiind considerate diverse manifestări ale teoriei membranei. Spre deosebire de teoria corzilor, în care șase, din cele zece dimensiuni, sunt “strânse” într-o regiune a spaţiului (spaţiu Calabi-Yau),  mult  prea mică pentru a fi pusă în evidență, în Teoria M unele din aceste dimensiuni ar putea fi foarte mari, chiar infinite.

Pe lângă numeroși adepți, teoria stringurilor a avut și critici care au remarcat  unele lipsuri. Unul dintre critici este Peter Woit, fizician la Universitatea Columbia, care afirmă: “Postularea unor corzi (strings) care se mișcă într-un spațiu cu 10 dimensiuni a apărut în 1974 și a devenit paradigma dominantă din 1984 încoace. După patruzeci de ani de cercetări și după publicarea a zeci de mii de lucrări științifice știm că aceasta este o idee goală. [Teoria stringurilor] prezice nimic despre nimic, câtă vreme se alege cu grijă felul în care sunt compactificate cele șase dimensiuni suplimentare, astfel încât să devină invizibile”.

Deși modelele  geometrice al teoriei corzilor și teoriei membranei sunt inacceptabile, este corectă ipoteza că mulțimea particulelor elementare poate fi pusă în corespondență cu o mulțime de oscilații în care frecvențele armonicelor sunt corelate cu  frecvența fundamentalei.

Afirmația precedentă poate fi justificată în cadrul teoriei dipolilor vortex, concepție dialectică unitară despre Existență. În teoria dipolilor vortex, particulele elementare și câmpurile fundamentale de forțe  sunt abordate unitar prin configurații de particule universale primordiale.

Dipolul  vortex  este  modelul  fizic  pentru  unitatea  dialectică  particulă-antiparticulă  prin  care se face schimb  de particule universale primordiale între Universul nostru şi Universul complementar.  Oricărei microparticule  din Universul nostru, împreună cu câmpurile de forţă generate, i se asociază un dipol vortex,  care reprezintă  o configuraţie de particule universale primordiale mai mult sau mai puţin complexă.

Se poate afirma că dipolul vortex  nu este  localizat cu precizie în spaţiu, având în vedere că particulele universale primordiale implicate sunt distribuite în întreg spaţiul. Pentru corelarea teoriei dipolilor vortex cu teoria cuantică  se  utilizează ipoteza că funcţia de undă pentru un sistem cuantic  descrie distribuţia spaţio-temporală a particulelor universale primordiale implicate în dipolul vortex  asociat.

În această interpretare, densitatea de probabilitate  pentru un sistem cuantic este proporţională cu concentraţia de particule universale primordiale implicate în dipolul vortex asociat. Materia se poate afla atât în stare structurată prin dipoli vortex pe diverse nivele de organizare a substanței, cât și în stare nestructurată în cazul vidului.

Desigur, Universul nostru  şi Universul complementar  reprezintă doar  una dintre  posibilităţile  infinite  de  manifestare  dialectică  a  Existenţei într-un Multivers format din  universuri duale  paralele.

Sarcina electrică şi  inducţia  câmpului electric  pentru o particulă  elementară –  modelată printr-un dipol vortex – sunt proporţionale cu valorile medii pentru intensitatea fluxului de fotoni, respectiv densitatea intensităţii fluxului de fotoni printr-o suprafaţă închisă în care se află vortexul asociat, iar masa şi intensitatea câmpului gravitaţional sunt proporţionale cu valorile medii pentru intensitatea fluxului de gravitoni, respectiv densitatea intensităţii fluxului de gravitoni printr-o suprafaţă închisă în care se află  vortexul asociat.

Teoria dipolilor vortex permite determinarea masei, impulsului, sarcinii electrice și energiei particulelor universale primordiale, dar și dimensiunea aproximativă, vârsta și perioada expansiunii spațio-temporale a Universului nostru. Se constată că există legături indisolubile între  mărimile fizice care caracterizează structurarea materiei la nivelele de microcosmos și macrocosmos. Timpul mediu de viață, sarcina electrică și masa particulelor elementare sunt corelate cu perioada expansiunii Universului nostru. Se impune o abordare sistemică a Universului nostru,  în sensul că părțile sale structurale de bază se integrează în întreg prin nivele ierarhice de organizare, dar și sistemul ca totalitate acționează prin feedback asupra componentelor sale de bază.

Este posibil ca ecuațiile obținute în teoria dipolilor vortex pentru  fluxul de particule universale primordiale printr-un dipol vortex și expansiunea spațio-temporală locală să permită determinarea maselor particulelor elementare cunoscute și necunoscute, nu numai din Universul nostru și Universul complementar, ci și din allte universuri duale care sunt componente ale Multiversului.

Spre deosebire de teoria stringurilor și Teoria M,  structura elementară a materiei poate fi  abordată unitar în teoria dipolilor vortex, fără să fie nevoie de  introducerea unor noțiuni dificil de  acceptat, precum cele de “string”, “superstring” sau “membrană”.

Este fascinant că Existența se manifestă dialectic ca unitate în diversitate, la granița dintre cauzalitate și întâmplare, actualitate și posibilitate, armonie și dezordine.
Pentru mai multe informații, cei interesați de varianta actualizată a teoriei dipolilor vortex pot accesa următoarele link-uri:
http://forum.portal.edu.ro/index.php?act=Attach&type=post&id=2698188
http://forum.portal.edu.ro/index.php?act=Attach&type=post&id=2698096
http://vasiletudor6.academia.edu/

Bibliografie
1. Bodnariuc N.,  Biologie generală, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979
2. Chpolski E.,  Physique atomique, Ed. Mir, Moscou, 1977
3. Dulcan D. C.,  Inteligența materiei,  Ed. Eikon, Cluj-Napoca, 2009
4. Einstein A.,  Teoria relativității, Ed. Tehnică, București, 1957
5. Enescu Gh., Fundamentele logice  ale  gândirii, Ed. Științifică şi Enciclopedică, București, 1980
6. Feynman R. P.,  Fizica modernă, vol. I și II, Ed.  Tehnică, București, 1969, 1970
7. Fock  V. A.,  Teoria spaţiului, timpului şi gravitaţiei, Ed. Academiei, Bucureşti, 1962
8. Hawking St.,  O mai scurtă istorie a timpului, Ed. Humanitas, Bucureşti, 2007
9. Landau  L., Lifchitz  E.,  Mécanique quantique, Ed. Mir, Moscou, 1980
10. Lapcik, V.,  The vortex theory of Matter and Energy, Madding Crowd Publishing, 2007
11. Longo M. S.,  Fundamentals of Elementary Particles Physics, Mc.Graw-Hill, 1973
12. Mihoc Gh.,  Micu N., Teoria probabilităţilor şi statistică matematică, Ed. Didactică şi
Pedagogică, Bucureşti, 1980
13. Mittelstaedt P.,  Probleme filozofice ale fizicii moderne, Ed. Ştiinţifică, Bucureşti, 1971
14. Muscalu St.,  Fizica atomică, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980
15. Novacu V.,  Electrodinamica, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1966
16. Novacu V. ș. a.,  Teoria particulelor elementare, Ed. Academiei, Bucureşti, 1970
17. Segre E.,  Nuclei and Particles,  W. A. Benjamin Inc., New York, 1965
18. Pal A.,  Ureche V.,  Astronomie, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982
19. Toro I.,  Fizica și filozofia, Ed. Facla, Timișoara, 1972
20. Țițeica Ș.,  Mecanica cuantică, Ed. Academiei R.S.R., București, 1984
21. Ureche V.,  Universul, Ed. Dacia, Cluj-Napoca,1987
22. Vasiu M.,  Electrodinamica şi teoria relativităţii, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980
23. Vlăducă  G.,  Elemente  de  Fizică  Nucleară,  partea I (1988), Partea II-a  (1990), Tipografia
Universității din București.

prof. Vasile Tudor

Profil iTeach: iteach.ro/profesor/vasile.tudor

Articole asemănătoare