Repere în fizică

Spre deosebire de filosofie, implicată în cunoaşterea generalizată a Existenţei, ştiinţa se raportează prin cauze şi legi la analiza proceselor şi fenomenelor din realitatea obiectivă. Un loc aparte în știință îl are fizica (din cuvântul grec physis = natură), disciplină care studiază structura, proprietăţile, legile, formele de mișcare (mecanică, termică, electromagnetică) și transformările materiei.

Primele cunoștințe sistematizate de fizică trebuie căutate la gânditorii din Grecia antică, precum încercările lui Thales și Democrit de înțelegere a semnificației materiei, ajungând apoi la “Fizica” lui Aristotel, în care acesta a analizat și definit mișcarea din punct de vedere filosofic.

De fapt, fizica a fost cunoscută ca filosofie naturală până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, devenind progresiv o disciplină distinctă de filosofie, având propria metodă de cercetare. Se poate afirma că, în evoluția cunoașterii științifice, bazele fizicii moderne au fost puse în perioada Renaşterii (sec.XV-XVI) și amplificate în secolele următoare, pe măsura apariției și dezvoltării sistemului capitalist, care a promovat încrederea în om şi în posibilităţile sale creatoare, dreptul său la gândire şi acţiune liberă, cercetarea cu veneraţie a operelor marilor gânditori din cultura greacă şi romană, aspirația la libertate și fericire, schimbul de idei la scară planetară, dezvoltarea fără precedent a tehnicii și tehnologiei.

În faza inițială, s-a pus accent pe  ramurile ştiinţei legate de formele simple ale mişcării cereşti şi terestre. Nicolaus Copernicus a inițiat heliocentrismul, concepţie care atribuie un rol central Soarelui în Univers, fiind un pas important în separarea ştiinţei de religie.

Galileo Galilei a formulat conceptul de lege ştiinţifică, a subliniat valoarea experimentului în cercetare, a descoperit legile pendulului şi principiul inerţiei, a pus bazele cinematicii. Confecționându-şi o lunetă, a studiat corpurile cereşti, munţii de pe Lună, sateliţii planetei Jupiter, petele solare.

Legile mişcării planetelor au fost descoperite de Kepler, iar explicarea acestora a fost dată de către Isaac Newton (1642 -1727), savantul care domină întreaga gândire modernă, prin cercetări profunde în diverse domenii (matematică, fizică, chimie, astronomie, filosofie). În celebra lucrare „Principiile matematice ale filozofiei naturale”, prin formularea principiilor dinamicii şi a legii atracţiei universale, a fundamentat mecanica terestră şi a corpurilor cereşti. Împreună cu Leibniz, este considerat creatorul calculului diferenţial şi integral.

În domeniul opticii, Newton a studiat dispersia luminii (descompunerea luminii albe în componente monocromatice) şi a construit telescopul cu oglindă, care are avantajul că nu prezintă aberaţii cromatice. Pentru meritele sale deosebite a fost ales membru la Royal Society din Londra, precum şi membru fondator al Academiei de Ştiinte din Franţa. La Trinity College, unde a ţinut regulat cursuri de matematică, i s-a ridicat un monument pe care s-a săpat un text din opera lui Lucrețiu “Qui genus humanum supervit” (Cu mintea lui depăşea speţa omenească).

Tot în Epoca modernă se descoperă legea transformării izoterme a gazelor (Robert Boyle, Edme Mariotte), legea refracţiei luminii (Snellius, Descartes), se măsoară presiunea atmosferică (Evangelista Toricelli), se studiază transmiterea presiunii prin fluide (B.Pascal), deformaţiile elastice ale corpurilor (Robert Hooke), bazele mecanicii analitice sunt puse odată cu calculul variaţional (L.Euler, J.L. Lagrange, A. Legendre). Se fac cercetări în teoria cinetico-moleculară a gazelor de către Daniel Bernoulli, fizician care are şi meritul fundamentării hidrodinamicii, prin studiul curgerii lichidelor din conducte, iar în domeniul electricităţii se exprimă cantitativ interacţiunile dintre purtătorii de sarcini electrice (legea lui Coulomb), se construieşte pila galvanică de către Alessandro Volta, considerată cea dintâi sursă practică de curent electric.

Bazele electromagnetismului au fost puse de fizicianul englez James Clerk Maxwell (1831-1879), care este considerat, alături de Isaac Newton şi Albert Einstein, unul din cei mai prodigioşi savanţi din toate timpurile. Pornind de la ideile lui M. Faraday, J.C. Maxwell a elaborat în lucrarea “Tratat despre electricitate şi magnetism” teoria macroscopică a câmpului electromagnetic pentru corpurile în repaus, teorie pe care H. Hertz a extins-o apoi la corpurile în mişcare.

Secolul  al XX-lea  reprezintă un salt calitativ în istoria ştiinţei, prin cercetările din teoria relativităţii, mecanica cuantică şi termodinamica proceselor ireversibile. Au fost puse în evidenţă aspecte inedite ale Existenţei, precum: relativitatea fenomenelor fizice, dependenţa structurilor spaţio-temporale de materia în mişcare, dualismul corpuscul-undă şi cuantificarea energiei la nivelul microparticulelor, comportamentul structurilor disipative ca totalităţi organizate.

Albert Einstein (1879-1955) este un deschizător de drumuri în cercetarea ştiinţifică a realităţii obiective, fiind savantul care a revoluţionat cunoaşterea printr-o nouă viziune despre spaţiu, timp, cauzalitate, gravitaţie, radiaţie, univers. În demersul cognitiv a pus în evidenţă rolul modelelor matematice, al experienţei şi intuiţiei în abordarea realităţii obiective, a analizat natura ipotetică a principiilor ştiinţei şi a corelat conceptul de obiectivitate cu invarianţa legilor fizice. Anul 1905 poate fi luat ca reper în activitatea de cercetare ştiinţifică a lui Einstein. Pe lângă susţinerea doctoratului cu o dizertaţie despre dimensiunile moleculelor, a publicat trei articole ştiinţifice importante, prin care a fundamentat teoria mișcării browniene, a explicat efectul fotoelectric extern pe baza ipotezei propagării luminii sub formă de flux de fotoni, a elaborat teoria relativităţii restrânse – prin generalizarea principiului relativității mecanice la întreaga fizică şi postularea invarianţei vitezei față de orice sistem de referință inerțial.

Genialul savant a fost capabil să descrie unitar şi coerent fenomenele fizice în diverse sisteme de referinţă inerţiale, prin abordarea novatoare a spaţiului şi timpului  într-un spaţiu pseudoeuclidian cu patru dimensiuni (univers Minkovski), fără să se raporteze la natura concretă a substanţei şi a radiaţiei, precum şi la modul cum acestea interacționează. Einstein a depăşit cu succes contradicția dintre mecanica newtoniană și teoria Maxwell a câmpului electromagnetic, mai precis, faptul că legile mecanicii clasice sunt invariante faţă de transformările Galilei, spre deosebire de legile electrodinamicii clasice, a căror formă este dependentă de viteza de mişcare a sistemelor de referinţă inerţiale.

În teoria relativităţii restrânse, trecerea de la un sistem de referinţă inerţial la altul este exprimată analitic prin transformările lui Lorentz. Unele consecinţe ale acestor transformări, precum contracţia lungimilor pe direcţia de mişcare şi dilatarea timpului, sunt dificil de înțeles  la nivel intuitiv.

În anul 1916, Einstein a prezentat teoria relativităţii generalizate, concepţie care extinde studiul fenomenelor fizice la sisteme de referinţă accelerate, având la bază două afirmaţii:

1). Postulatul covarianţei generale a legilor fizicii. Ecuaţiile prin care se exprimă legile fizicii au aceeaşi formă în toate sistemele de referinţă, indiferent de starea lor de mişcare.
2). Postulatul echivalenţei locale. Într-un domeniu infinitezimal, câmpul gravitaţional este echivalent cu câmpul forţelor de inerţie al unui sistem de referinţă local, accelerat convenabil.

Teoria relativităţii generale a fost verificată experimental prin unele consecinţe ale sale, precum: curbarea razelor de lumină în câmpuri gravitaţionale intense, deplasarea gravitaţională spre roşu a liniilor spectrale, deplasarea gravitaţională a periheliului planetelor, efect care face ca traiectoriile acestora să capete forma unei rozete.

Fenomenele fizice din microcosmos în care se manifestă aspectul corpuscular al luminii(efectul fotoelectric, efectul Compton, emisia şi absorbţia radiaţiei de către substanţă), comportarea ondulatorie a microparticulelor şi cuantificarea mărimilor fizice, în particular a energiei, sunt fenomene care nu pot fi explicate riguros în cadrul fizicii clasice, ci doar al fizicii cuantice, teorie modernă care a marcat secolul al XX-lea prin schimbări fundamentale în cunoașterea comportamentului microparticulelor.

Extinderea dualismului undă – corpuscul de la radiaţie la substanţă a fost sugerată în 1923 de fizicianul francez Louis de Broglie: “Dacă în teoria luminii s-a neglijat aproape un secol aspectul corpuscular pentru a i se ataşa în exclusivitate doar aspectul de undă, oare nu s-a comis eroarea inversă în cazul substanţei? Nu s-a greşit oare, neglijând aspectul de undă pentru a se considera aspectul corpuscular al substanţei?”. Ideea genială la care a ajuns savantul francez se referă la posibilitatea de a  descrie comportarea microparticulelor cu ajutorul undelor asociate.

Verificarea experimentală a undei asociate a fost făcută în anul 1927 de către Davisson şi Germer, prin difracţia pe un cristal de nichel a unui fascicul de electroni obţinuţi de la un tun electronic, rezultate pentru care ingenioşii cercetători au fost răsplătiţi cu premiul Nobel.

Pasul hotărâtor în elaborarea mecanicii cuantice a fost făcut de Erwin Schrödinger, care a propus în 1926 o ecuaţie diferenţială cu derivate parţiale pentru determinarea funcţiei de undă.

Semnificaţia fizică a funcției de undă a reprezentat o provocare cognitivă pentru fizicieni. Schrödinger a propus o interpretare materială a funcţiei de undă (particula fiind identificată cu un pachet de unde), însă s-a impus în final interpretarea statistică dată de M. Born şi W. Heisenberg, conform căreia modulul la pătrat al funcţiei de undă este proporțional cu probabilitatea de localizare a microparticulei în unitatea de  volum din spaţiu.

Este bine de precizat că, pe lângă varianta ondulatorie (Broglie, Schrödinger), prezentată anterior, există şi varianta matriceală (Heisenberg, Dirac) a mecanicii cuantice. Cele două forme sunt  echivalente, deşi abordarea matematică a mărimilor fizice este diferită.
La nivel microscopic se disting patru tipuri de interacţiuni fundamentale între particulele elementare, și anume: tari, slabe, electromagnetice și gravitaționale.

Dintre acestea, cele mai intense sunt  interacţiunile tari, cu rază scurtă de acţiune, care  asigură stabilitatea nucleelor şi se exercită în general între hadroni (nucleoni, mezoni şi hiperoni), particule care sunt  formate  din  quarcuri (concepute de Gell-Mann în 1964, pentru care au primit premiul Nobel).

Interacţiunile slabe se manifestă în procese de de transmutare a particulelor elementare şi a nucleelor, în care intervin leptoni, ca de exemplu dezintegrarea β.

Interacţiunile electromagnetice au raza de acţiune infinită şi se exercită între particulele încărcate electric, forţa de interacţie electrostatică fiind dată de legea lui Coulomb.

Interacţiunile gravitaţionale sunt de intensitate neglijabilă la nivelul microcosmosului, dar contează în macrocosmos și megacosmos, se exercită între toate particulele cu masa de repaus nenulă, forţa de interacţie fiind dată de legea atracţiei universale descoperite de Newton.

Referitor la structura şi interacţiunile materiei, modelul standard se raportează la două tipuri de particule elementare, şi anume:

  • particule mesager, care transmit interacţiunile fundamentale – fotonul, pentru  interacţiunile electromagnetice, bosonii vectoriali intermediari, pentru interacţiunile slabe, gluonii, pentru interacţiunile tari, gravitonul, pentru interacţiunile gravitaţionale;
  • particule generatoare de câmp, din care fac parte quarcurile (up, down, charm, strange, top, beauty) şi leptonii(electronul,  miuonul,  tauonul,  neutrinul  electronic,  neutrinul  miuonic, neutrinul  tau).

Alte particule, deşi sunt cosiderate elementare, au o structură complexă, ca de exemplu:

  • nucleonii proton şi neutron sunt sisteme de trei quarcuri p(uud) respectiv n(udd);
  • hadronii, sunt particule elementare complexe, care interacţionează electromagnetic, tare şi slab, de tipul mezonilor (formaţi din două quarcuri) şi al barionilor (formaţi din trei quarcuri).

Unele asemănări între interacţiunile electromagnetice şi cele slabe, au condus la schema unificării acestora, pentru care S. Weinberg, A. Salam şi S. Glashow au primit premiul Nobel. S-au făcut chiar şi încercări pentru unificarea interacţiunilor electromagnetice, tari şi slabe, cu posibilitatea de cuplare a hadronilor cu leptonii, astfel încât legile de conservare  ale  numerelor  cuantice barionic  şi  leptonic  să  fie  înlocuite  printr-o  singură  lege  de  conservare  a  numărului lepto-barionic.

O dorință deosebit de  ambițioasă a fizicienilor este “superunificarea” tuturor interacțiunilor fundamentale în cadrul unei “teorii a totului” (Theory of Everything).

De remarcat că fiecărei particule îi corespunde o antiparticulă, având aceeaşi masă, dar sarcinile electrică, barionică şi stranietatea sunt de semne contrare. Particulele şi antiparticulele corespunzătoare se pot genera în perechi, la energii suficient de mari, dar şi anihila reciproc, prin emisia a doi fotoni  sau a altor particule identice.

Timpul mediu de viaţă al particulelor variază de la valori foarte mici, pentru particulele de rezonanţă, la valori foarte mari, practic infinite, pentru particule stabile ca fotonul, protonul, electronul şi neutrino.

Este bine de amintit că legile de conservare a unor mărimi fizice admit o abordare interesantă în cadrul mecanicii analitice, fiind intrinsec legate de omogenitatea şi izotropia spaţiului, precum şi de uniformitatea timpului, prin aşa-numitele operaţii de simetrie (translaţia în spaţiu, rotaţia spaţială, translaţia în timp). Conform teoremei Noether, într-un sistem închis fiecărei operaţii de simetrie îi corespunde o lege de conservare a unei mărimi fizice. Din invarianţa funcţiei lui Lagrange faţă de translaţiile infinitezimale în spaţiu, rotaţiile spaţiale infinitezimale  şi translaţiile infinitezimale în timp, rezultă legile de consevare ale impulsului mecanic, momentului cinetic, respectiv energiei mecanice totale. Este o provocare tulburătoare pentru cercetarea teoretică să pună în evidenţă ansamblul complet al operaţiilor de simetrie care să justifice toate legile de conservare din reacţiile nucleare.

Teoria dipolilor vortex  reprezintă un model  gnoseologic unitar, bazat  pe  ipoteze  novatoare  în descifrarea  enigmelor Existenţei, care  nu  contrazic ştiinţa  actuală, ci doar  o aprofundează  printr-o abordare dialectică transdisciplinară.

Ca  punct de  plecare în demersul cognitiv, se menţionează teoremele lui Gauss pentru câmpul gravitaţional şi câmpul electric, care  pun în evidenţă surse de  tip convergent (puţuri) şi divergent (izvoare)  pentru  particulele universale de  tip  gravitoni, respectiv de  tip fotoni.

Referitor  la legea atracţiei universale şi legea lui Coulomb, se  poate  demonstra  teoretic  şi verifica experimental că vortexurile convergente de acelaşi tip se atrag, iar cele divergente de acelaşi tip se resping prin forţe  invers proporţionale cu pătratul  distanţei dintre ele. În acest cadru cognitiv, conceptul de dipol vortex are semnificația de  model  fizic pentru  unitatea dialectică  “particulă–antiparticulă”, singularitate spaţio-temporală prin care se face schimb de particule universale primordiale între Universul nostru (format din materie) şi Universul complementar (format din antimaterie), altfel spus, reprezintă o “punte de legătură” între cele două  universuri.

Particulele universale primordiale sunt cuante, nu numai pentru energie, masă, sarcină electrică sau informaţie, ci şi cuante spaţio-temporale, ipoteză care justifică pe deplin legăturile  profunde  dintre  spaţiu, timp şi materia aflată în permanentă mișcare și transformare. Sarcina electrică şi inducţia câmpului electric pentru o particulă elementară 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.

În esenţă, un dipol vortex are două stări posibile, şi anume:

  • starea  normală, în care  particula se află  în Universul  nostru, iar antiparticula corespunzătoare se manifestă în Universul complementar;
  • starea  inversată, în care polii vortexului au locaţia  schimbată  faţă de cazul  normal.

Spre deosebire de starea normală, care este mai mult sau mai puţin stabilă, cea inversată este instabilă, având o probabilitate foarte mică de realizare. Cele două stări pot exista împreună în Universul nostru numai în condiții speciale, altfel dispar simultan – transformându-se  în fotoni  prin procesul de anihilare; deci fotonii sunt “cărămizi de bază” ale materiei și antimateriei.

Teoria dipolilor vortex  nu contrazice Modelul  Standard  pentru descrierea particulelor elementare, ci îi îmbogăţeşte încărcătura de semnificaţii.  Celor  şase  quarkuri (up, down, charm, strange, top şi bottom)  le corespund dipoli vortex de  bază, ale căror  combinaţii  posibile formează dipolii vortex  prin care se modelează  diverse  tipuri de particule elementare.

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  sistemul corespunzător de dipoli vortex, iar densitatea  curentului de probabilitate este proporţională cu densitatea  intensităţii fluxului acestora.

Teoria dualităţii Existenţei oferă  o nouă înțelegere a derulării proceselor și fenomenelor la scara megacosmosului. Un rol important în evoluția galaxiilor îl au găurile negre și găurile albe, care reprezintă megavortexuri convergente, respectiv sunt megavortexuri divergente  pentru schimbul de particule universale primordiale.

La nivel global, deşi schimbul de particule universale primordiale se desfăşoară în ambele sensuri, fluxul acestora este preponderent spre Universul nostru şi determină expansiunea accelerată a acestuia, precum şi modul de configurare a materiei pe diverse nivele de organizare, modelarea matematică fiind exprimată prin unda staționară de transformare cosmică.

Este fascinant că Existența se manifestă dialectic ca unitate în diversitate, la granița dintre cauzalitate și întâmplare, actualitate și posibilitate, armonie și dezordine.

Într-o exprimare sugestivă, când te afli la frontierele cunoașterii, stimate coleg, trebuie să privești dincolo de orizont, pentru integrarea științei și filosofiei într-o teorie  generală în care spațiul, timpul, substanța, câmpurile fizice, energia și informația pot să fie abordate unitar.

Bibliografie
1. Bunget I. ș. a., Compendiu de fizică, Ed. Științifică și Enciclopedică, Bucureşti, 1988
2. Sterian P., Stan M., Fizica, Ed. Didactică și Pedagogică, București, 1985
3. Tudor V., Alma Lux, Ed. Agora, Călăraşi, 2001
4. Tudor V., Teoria dipolilor vortex, Simpozionul Internaţional „Universul Ştiinţelor”, Iași, 2015
www.academia.edu/49847851/Sinteze_de_stiinta

 

prof. Vasile Tudor

Liceul Tehnologic Duiliu Zamfirescu, Dragalina (Călărași) , România
Profil iTeach: iteach.ro/profesor/vasile.tudor

Articole asemănătoare