Despre o bucata de creta Bufonul:"Stii pentru ce cele sapte stele sunt numai sapte? Lear:"Pentru ca nu sunt opt?" Bufonul:"Bravo,ai stofa de bufon!" William Shakespeare -Regele Lear Creta este alba.De ce?Un raspuns imediat ar fi ca e alba fiindca nu are o alta culoare.Acest raspuns ar fi pe placul bufonului regelui Lear,dar de fapt nu e prea departe de adevar.Inca de acum doua secole,se stia ca fiecarei culori a curcubeului ii corespunde o anumita lungime de unda-lungimi de unda mai mari spre capatul rosu al spectrului si mai scurte spre cel albastru sau violet.Lumina alba era considerata un amestec de lumini de diferite lungimi de unda.Cand lumina cade pe o substanta opaca,precum creta,doar o parte din ea e reflectata,restul fiind absorbit.O substanta de o anumita culoare-cum ar fi compusii albastru-verzui ai cuprului sau compusii violeti ai potasiului-are acea culoare fiindca substanta tinde sa absoarba mai puternic lumina cu anumite lungimi de unda;culoarea pe care o vedem in lumina reflectata de substanta este cea cea asociata lungimilor de unda care nu sunt puternic absorbite.In cazul carbonatului de calciu din care e compusa creta,sunt puternic absorbite doar componentele infrarosii si ultraviolete ale luminii,care sunt oricum invizibile ochiului uman.Deci lumina reflectata de o bucata de creta are aproape aceeasi distributie a lungimilor de unda vizibile ca lumina care cade pe ea.Astfel apare senzatia de alb,fie ca e vorba de nori,de zapada sau de creta. De ce?De ce anumite substante absorb puternic lumina vizibila la anumite lungimi de unda,iar altele nu?Raspunsul se leaga de energiile atomilor si a luminii.In 1905 Einstein a inteles pentru prima data ca o raza de lumina este un flux alcatuit dintr-un numar imens de particule numite fotoni.Fotonii nu au masa sau sarcina electrica,dar fiecare are o anumita energie,invers proportionala cu lungimea de unda a luminii pe care o poarta.Bohr a emis in 1913 ipoteza ca atomii si moleculele pot exista doar in anumite stari,configuratii stabile,avand energii bine definite.Desi atomii sunt deseori asemuiti unor mici sisteme solare,exista o diferenta fundamentala.In sistemul solar,oricarei planete i s-ar putea creste sau scadea putin energia,mutand-o ceva mai aproape sau mai departe de soare,dar starile unui atom sunt discrete-nu putem modifica energiile atomilor decat cu cantitati bine definite.In mod normal,un atom sau o molecula se afla in starea cu energia cea mai joasa.Cand absoarbe lumina,atomul sau molecula sare dintr-o stare de energie mai joasa intr-una de energie mai inalta(si invers cand emite lumina).Considerate impreuna,aceste ideei ale lui Einstein si Bohr ne arata ca lumina poate fi absorbita de un atom sau o molecula numai daca lungimea de unda a luminii are anumite valori.Acestea sunt lungimile de unda care corespund energiilor fotonilor,riguros egale cu diferenta de energie dintre starea normala si una din starile de energie mai inalte.Altminteri energia nu s-ar conserva cand fotonul este absorbit de atom sau molecula.Compusii tipici ai cuprului sunt albastru-verzui deoarece exista o anumita stare a a tomului de cupru avand energia cu 2 electrovolti mai mare decat energia starii normale a atomului si este extrem de usor pentru atom sa sara pe nivelul cu energie mai inalta prin absorbtia unui foton cu energie de 2 electronvolti.Un asemenea foton are o lungime de unda de 0,62 micrometri,corespunzand unei culori rosu-portocaliu,asftel incat absorbia acestor fotoni face ca lumina reflectata sa fie verde-albastruie.Creta e alba deoarece moleculele din care e alcatuita se intampla sa nu aiba stari usor de atins prin absorbtie de fotoni corespunzand unor lungimi de unda vizibile. De ce?De ce atomii si moleculele se afla in stari discrete,fiecare cu o energie bine definita?De ce energia ia exact aceste valori?De ce lumina e alcatuita din particule distincte,fiecare cu o energie invers proportionala cu lungimea de unda a luminii?Si de ce anumite stari ale atomilor sau moleculelor sunt extrem de usor de atins prin absorbtia fotonilor?Particulele dintr-un atom/molecula sunt descrise in mecanica cuantica prin asa-numita functie de unda.Functia de unda se comporta asemanator undei luminoase sau sonore,dar amplitudinea ei corespunde probabilitatii de a gasi particulele intr-o pozitie data.Dupa cum aerul dintr-un tub de orga poate vibra doar in anumite moduri precise de vibratie,fiecare cu propria lui lungime de unda,la fel si functia de unda a particulelor dintr-un atom poate aparea doar in anumite moduri sau stari cuantice,fiecare cu propria sa energie.Cand ecuatiile mecanicii cuantice sunt aplicate atomului de cupru,se dovedeste ca unii dintre electronii de pe orbita exterioara de energie inalta a atomului e slab legat si poate sari usor prin absorbtia luminii vizibile pe urmatoarea orbita.Calculele arata ca diferenta dintre energiile atomului in aceste doua stari este de 2 electronvolti,exact energia unui foton corespunzand luminii rosii-portocalii.Pe de alta parte,moleculele de carbonat de calciu(creta) nu au asemenea electroni liberi care sa absoarba fotoni cu anumita lungime de unda.Cat priveste fotonii,proprietatile lor se explica aplicand in acelasi mod principiile mecanicii cuantice in cazul luminii.Rezulta astfel ca lumina,ca si atomii,se poate afla numai in anumite stari cuantice cu energii bine definite.De exemplu,lumina rosie-portocalie cu o lungime de unda de 0,62 micrometri poate exista doar in stari cu energii de 0,2,4,5 electronvolti si asa mai departe. De ce?De ce ecuatiile mecanicii cuantice care guverneaza particulele din atomi sunt asa cum sunt?De ce materia e alcatuita din aceste particule,electronii si nucleele atomice?Si,la urma urmei,de ce exista lumina?Multe din aceste lucruri au fost intelese odata cu impunerea a ceea ce numim modelul standart al fortelor si particulelor elementare.Fortele dintre particule pot lua nastere doar prin schimbul altor particule.Mai mult,toate aceste particule sunt pachete de energie,sau cuante,ale diferitelor tipuri de campuri.Un camp,cum este cel electric sau cel magnetic,e un fel de tensiune in spatiu,asemanatoare diferitelor tensiuni ce pot aparea intr-un corp solid,dar campul este o tensiune in spatiul insusi.Exista un anumit tip de camp pentru fiecare specie de particula elementara;exista un camp electronic al carui cuante sunt electronii,exista un camp electromagnetic ale carui cuante sunt fotonii;nu exista un camp pentru nucleele atomice sau pentru protoni si neutroni dar exista campuri pentru diferite tipuri de particule numite cuarci,din care sunt alcatuiti protonul si neutronul.Ecuatiile unei teorii a campului cum este modelul standart nu opereaza cu particule,ci cu campuri;particulele apar ca manifestari ale acestor campuri.Materia obisnuita e alcatuita din electroni,protoni si neutroni pur si simplu pentru ca toate celelalte particule grele sunt extrem de instabile,modelul standart reprezinta o explicatie fiindca nu e doar un aranjament ingenios de elemente disparate menit sa functioneze.Dimpotriva,structura sa e in mare masura fixata odata ce precizam campurile pe care trebuie sa le contina si principiile generale care guverneaza interactiile lor. De ce?De ce este lumea constituita exact din aceste campuri:campurile cuarcilor,electronului,fotonului si asa mai departe?De ce au ele proprietatile presupuse de modelul standart?Si,in fond,de ce asculta natura de principiile relativitatii si mecanicii cuantice?Imi pare rau-aceste intrebari sunt inca fara raspuns.Speranta de a gasi raspunsuri la aceste intrebari face ca fizica particulelor sa fie atat de interesanta. Am putea urmari un sir similar de "de ce"-uri pentru fiecare proprietate fizica a cretei-fragilitatea,densitatea,rezistenta electrica.Dar haideti sa incercam sa intram in labirintul explicatiilor pe o alta poarta-considerand chimia cretei.Creta este in cea mai mare parte carbonat de calciu.Aceasta substanta e alcatuita din elementele calciu,carbon si oxigen in raportul fix de 40%,12%,48 %. De ce?De ce exista un compus chimic alcatuiut din calciu,carbon si oxigen exact in acest raport,si in multe altele,cu numeroase alte rapoarte.Raspunsul a fost gasit de chimistii din secolul XIX cu ajutorul unei teorii a atomilor inainte de aparitia unei dovezi experimentale directe privind existenta atomilor.Greutatile atomilor de calciu,carbon si oxigen sun in raportul 40:12:16,iar o molecula de carbonat de calciu e alcatuita dintr-un atom de calciu,un atom de carbon si 3 atomi de oxigen,astefel incat greutatile calciului,carbonului si oxigenului sunt in raportul 40:12:48. De ce?De ce au atomii diferitelor elemente greutatile pe care la observam,si de ce sunt moleculele constituite exact dintr-un anumit numar de atomi din fiecare tip?In secolul XIX se stia deja ca numarul de atomi de fiecare tip de molecule cum e carbonatul de calciu depinde de sarcinile electrice pe care atomii din molecula le schimba intre ele.In 1897 J.J. Thomson a descoperit ca aceste sarcini electrice sunt purtate de particule numite electroni,mult mai usoare decat atomii.Un element se deosebeste de altul doar prin numarul de electroni din atom:unul pentru hidrogen,6 pentru carbon,8 pentru oxigen,20 pentru calciu si asa mai departe.Daca aplicam regulile mecanicii cuantice atomilor din care e compusa creta,se dovedeste ca atomii de calciu si carbon cedeaza usor 2,respectiv 4 electroni,iar atomii de oxigen accepta usor 2 electroni.Astfel,cei 3 atomi de oxigen din fiecare molecula de carbonat de calciu pot accepta cei 6 electroni oferiti de un atom de calciu si un atom de carbon:este exact numarul de electroni necesar pentru schimb.Forta electrica produsa prin acest transfer de electroni,este cea care mentine atomii in molecula.Din cercetarile lui Rutherford din 1911 stim ca aproape intreaga masa a atomului e continuta intr-un mic nucleu incarcat pozitiv in jurul caruia orbiteaza electronii.Acesta nuclee atomice sunt alcatuite din 2 tipuri de particule avand aproximativ aceeasi masa:protonii u sarcini electrice pozitive egale cu sarcina negativa a electronilor,si neutronii care nu au sarcina electrica.Numarul de protoni trebuie sa fie egal cu numarul de electroni pentru a mentine atomul neutru electric,iar neutronii sunt necesari deoarece atractia puternica dintre neutroni si protoni mentine nucleul stabil.Neutronii si protonii au aproape aceeasi masa,iar electronii cantaresc nesemnificativ,astfel incat toata greutatea unui atom poate fi bine aproximata prin numarul de protoni si neutroni ai sai. De ce?De ce exista neutronul si protonul,unul neutru si celalat incarcat,ambii cu aproape aceeasi masa si mult mai grei decat electronul?Explicatia o gasim din nou in detaliile actualului model standard al particulelor elementare.Cei mai usori cuarci se numesc u si d si au sarcinile +2/3 si respectiv -1/3;protonii sunt formati din doi u si un d,deci au sarcina 2/3 + 2/3 - 1/3 = +1;neutronii sunt formati dintr-un u si doi d,deci au sarcina 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0.Masele protonulu si neutronului sunt aproape egale pentru ca acesta mase provin in principal din fortele tari care tin cuarcii impreuna,iar acesta forte sunt aceleasi pentru cuarcii u si d.Electronul este mult mai usor deoarece nu resimte aceste forte tari.Toti acesti cuarci si electroni sunt pachete de energie ale diferitelor campuri,iar proprietatile lor deriva din prprietatile acestor campuri. Iata-ne ajunsi din nou la modelul standard.Intr-adevar,orice intrebare legata de proprietatile fizice si chimice ale cretei ne conduce intr-un mod asemanator printr-u sir de "de ce"-uri spre acelasi punct de convergenta:modelul standard.Dar cu fizica si chimia e simplu.Cum stau lucrurile int-un domeniu mai complicat,ca biologia? Bucata noastra de creta nu e un cristal perfect de carbonat de calciu.Creta e compusa din scheletele unor animale minuscule care au absorbit sarurile de calciu si dioxidul de carbon din fosele marii si au utilizat aceste substante ca materie prima pentru a construi mici cochilii de carbonat de calciu in jurul corpurilor lor.E limpede ca aceasta era in folosul lor-marea nu este un loc sigur pentru mici bulgari de proteine neprotejati.Caracteristcile transmisibile ereditar sunt codate intr-o molecula foarte mare numita ADN,care serveste drept model pentru asamblarea proteinelor din amino-acizi.Molecula de ADN formeaza o spirala dubla care stocheaza informatia genetica intr-un cod bazat pe siruri de unitati chimice de-a lungul celor doua lanturi ale spiralei.Informatia genetica e propagata atunci cand spirala dubla se desface si fiecare dintre cele doua alanturi asambleaza o copie a sa.Important este faptul ca ADN-ul este o molecula organica,dar chimica.Odata ajuns la nivel chimic e relativ simplu sa explciam orice proprietate a oricarui tip de ADN a unei fiinte vii in termenii proprietatilor particulelor modelului standard.Daca ne intrebam de ce ar fi corecte presupunerile pe care le avem despre orice aspect al biologiei,raspunsul trebuie cautat facand apel la consideratii universale,cum ar fi propreitatile ADN-ului,care la randul lor isi gasesc explicatia in chimie si fizica,deci in modelul standard.Acest aspect e oarecum mascat,fiindca in lucrarile de chimie si biologie,savantii folosesc limbaje specifice propriilor domenii,vorbind despre legaturi chimice,sau strategii de reproducere,iar nu limbajul particulelor elementare.Aceasta se intampla nu numai fiindca in realitate ar fi imposibil sa folosim principiile fundamentale pentru a calcula fenomene atat de complicate;este si o relectare a tipului de intrebari pe care vrem sa le punem in legatura cu aceste fenomene. Orice aspect al astronomiei sau geologiei poate fi de asemenea explicat prin principii fizice simple ce rezulta din modelul nostru actual al Big Bang-ului.Vedem deci cum toate stiintele naturale (chimia,biologia,astronomia si geologia),sunt perfect explicabile prin intermediul celei mai fundamentale stiinte:fizica.Din fizica,la scara mare,deriva explicatiile fenomenelor astronomiei,care contine la randul sau geologia ca si clasa mica de fenomene,aplicabile doar Terrei.Din fizica,la scara mica,deriva legile chimiei neorganice si organice,iar din chimia organica prin chimia vietii ajungem la fenomenele biologice explicabile prin chimie. Dintre toate domeniile experientei pe care incercam sa le explicam prin principii fizice,constiinta prezinta cea mai mare dificultate.Ne cunoastem propriile ganduri constiente in mod direct,fara interventia simturilor,deci cum ar putea fi adusa constiinta in sfera fizicii si a chimiei.Brian Pippard pune astfel problema:"Este cu certitudine imposibil ca un fizician teoretician,avand la dispozitie o putere de calcul nelimitata,sa deduca pronind de la legile fizicii ca o anumita structura complexa e constienta de propria ei existenta."Este incert daca vreodata vom avea acces si la aceasta parte a existentei si o vom putea intelege prin intermediul unor principii mai fundamentale. Descoperirea structurii de conexiuni convergente a explicatiilor stiintifice are implicatii profunde nu doar pentru oamenii de stiinta.In afara curentului principal al stiintei exista mici bazine izolate reprezentand ceea ce se pot numi pseudostiinte:astrologia,premonitia,clarviziunea sau telekinezia.Daca s-ar dovedi ca exista o urma de adevar in vreuna din aceste notiuni,ar fi descoperirea secolului,mult mai interesanta si importanta decat ce se intampla azi in cercetearea curenta din fizica.Unii sustin ca asemenea stiinte trebuie minutios studiate inainte de a putea sa le respingem ca fiind superstitii.Dar ceea ce le scapa celor care impartasesc astfel de pareri este ideea de interconexiune a cunoasterii stiintifice.Nu intelegem chiar totul,dar intelegem destul pentru a sti ca in lumea noastra nu e loc pentru astrologie sau telekinezie.Ce semnal fizic emis de creierele noastre ar putea deplasa obiecte indeparteate,fara sa aiba niciun efect asupra vreunui instrument stiintific de masurare?Partizanii astrologiei se refera la rolul indubitabil pe care Luna si Soarele il au prin gravitatie asupra omului.Insa ei pretind ca aceste configuratii ale planetelor nu influenteaza doar mareele,ci si viata,si inca in moduri ce depind de la om la om,in functie de data si ora nasterii sale!De fapt,marea majoritate a celor care cred in astrologie nu isi imagineaza ca in spatele ei s-ar afla gravitatia sau vreun alt agent fizic,ci o privesc ca pe o stiinta de sine statatoare,cu propriile ei legi fundamentale inexplicabile prin fizica.Ori am observat deja ca astfel de stiinte autonome,inexplicabile prin principii mai fundamentale,asemenea stiinte autonome si independente,nu exista in lumea noastra. Acesta este motivul pentru care consider ca cercetarile din domeniul fizicii particulelor sunt extrem de importante pentru intelegerea lumii in care traim,deoarece ele sunt cele mai fundamentale tipuri de cunoastere pe care o putem avea despre aceasta.
Posted on: Thu, 11 Jul 2013 11:49:54 +0000
Trending Topics
Recently Viewed Topics
© 2015