De ce teoria relativității generale ar fi fost descoperită și fără Einstein

Mai jos găsiți transcrierea discursului fizicianului american Sean Carroll, care vorbește despre evoluția ideilor în fizică și modul în care Einstein, deși genial, nu a inventat de la zero fizica relativității generale: videoclipul îl puteți urmări integral aici. 

„Îmi place să spun că Einstein este, dacă e posibil, subapreciat ca fizician, ceea ce e greu de imaginat, având în vedere cât de mult este apreciat. Când povestim istoria fizicii, încercăm să o menținem coerentă și nu putem ține minte totul, așa că atribuim foarte mult credit unui număr relativ mic de indivizi, Einstein fiind unul dintre ei. Realitatea dezordonată este că toți acești oameni foarte inteligenți, inclusiv Isaac Newton, comunicau cu alți oameni. De aceea este întotdeauna interesant să vezi evoluția ideilor, care nu merge în pas cu evoluția persoanelor. Oamenii diferiți au idei diferite, au idei diferite în momente diferite, le preiau din surse diferite – aceasta este realitatea umană dezordonată a activității științifice.

Sunt Sean Carroll, fizician și filosof la Universitatea Johns Hopkins, gazda podcastului „Mindscape” și autorul mai multor cărți, cele mai recente fiind din seria „The Biggest Ideas in the Universe”, inclusiv „Space-Time in Motion” și „Quanta and Fields”. 

Este distractiv să citești istoria modului în care s-au dezvoltat aceste idei, pentru că azi învățăm doar rezultatul final, dar acum două sute de ani ei chiar nu știau ce se întâmplă.

Prima mare revoluție din fizică a fost apariția mecanicii clasice, dezvoltată de Isaac Newton și alții. Înainte de Newton era Aristotel, iar Aristotel spunea: „Lucrurile au locuri naturale în care vor să fie, moduri naturale în care vor să se miște”. 

Newton spune ceva complet diferit. El spune: „Dacă un obiect nu este acționat de o forță, va continua într-o linie dreaptă cu viteză constantă pentru totdeauna. Iar dacă este acționat de o forță, îți pot spune cum se va mișca, am o ecuație pentru asta”.

O parte a mecanicii clasice este ideea că spațiul și timpul există separat și sunt absolute. Aceasta avea un sens. Nu există o poziție privilegiată în univers. Poți fi oriunde vrei, legile fizicii sunt aceleași. Nici măcar nu există o viteză privilegiată în univers. Galileo a descoperit asta, iar Newton a integrat ideea. Dar aceste presupuneri nu sunt chiar corecte. Și până să se descopere asta a fost un drum lung, ca de obicei, început în anii 1800 odată cu inventarea electromagnetismului.

James Clerk Maxwell a pus totul cap la cap după lucrările lui Faraday, Ampère și alții. El a realizat că există două câmpuri pretutindeni în univers: câmpul electric și câmpul magnetic. 

Oamenii erau încântați de existența electromagnetismului și au început să se gândească la ce înseamnă. Au observat că modul în care spațiul și timpul apar în teoria lui Maxwell diferă de felul în care apar în teoria lui Newton. 

În special, ecuațiile lui Maxwell preziceau o viteză specială. În mecanica newtoniană nu există nicio viteză specială, toate sunt echivalente. Maxwell spune: „Există ceva numit viteza luminii. Este viteza cu care se propagă undele în câmpurile electromagnetice”, iar dacă privești ecuațiile, îți dai seama că toată lumea măsoară aceeași valoare pentru viteza luminii. Este o constantă a naturii. Cum este posibil ca toți să măsoare aceeași viteză a luminii, chiar dacă se mișcă relativ unii față de alții?

Decenii la rând, fizicienii și-au bătut capul cu această problemă și au inventat scheme elaborate ca să scape de ea. Einstein, în marele său articol din 1905, a fost primul care a spus: „Ar trebui să renunțați la ideea că undele se propagă printr-un mediu. Ar trebui să considerați undele electromagnetice ca fiind ele însele lucrul real, iar atunci când ecuațiile spun că toată lumea măsoară aceeași viteză a luminii, asta se întâmplă pentru că chiar așa este. Luați asta în serios. Tot ce trebuie să faceți este să vă reconfigurați complet ideile despre ce sunt spațiul și timpul”.

Și abia doi ani mai târziu, Hermann Minkowski, un matematician care fusese profesorul lui Einstein, a spus: „Modul corect de a înțelege teoria lui Einstein este că spațiul și timpul nu mai sunt separate”. Trebuie să ne imaginăm un singur lucru numit spațiu-timp, iar diferiți observatori, mișcându-se diferit prin univers, îl vor împărți în spațiu și timp în moduri diferite. Nu există un adevăr obiectiv despre ce se întâmplă exact acum, la o distanță de ani-lumină – depinde de observator. Totul poate fi explicat elegant dacă ne imaginăm un spațiu-timp cu patru dimensiuni, în loc de spațiu și timp separate.

Einstein însuși nu a fost impresionat la început de această idee. Einstein era un personaj amuzant, pentru că era un fizician în primul rând. Era foarte bun la matematică – nu credeți poveștile că nu se descurca la matematică în școală, era foarte bun – dar nu făcea fizică pentru matematică. Învăța exact atât cât îi trebuia. Așa că atunci când Minkowski a spus: „Am o nouă matematică ce unifică spațiul și timpul pe baza teoriilor lui Einstein”, Einstein a reacționat: „Nu am nevoie de asta, e balast matematic în plus”. Curând și-a schimbat părerea, pentru că această unificare era extrem de utilă.

Când Einstein a formulat ceea ce numim acum teoria specială a relativității – ideea că nu există un sistem de repaus privilegiat în univers, dar toată lumea măsoară aceeași viteză a luminii – totul decurge dacă îți imaginezi că spațiul și timpul sunt lipite unul de altul. Aceasta a fost o restructurare radicală a cadrului fizicii. Concepția lui Newton despre spațiu și timp separate, absolute și identice pentru toți, persistase secole întregi. Odată ce spui: „Voi reinventa complet spațiul și timpul pentru a adapta teoria extraordinară a electromagnetismului”, trebuie să verifici dacă tot ceea ce funcționa în vechea teorie mai funcționează.

Cel mai mare succes al mecanicii clasice newtoniene era gravitația: faimoasa lege a atracției gravitaționale invers proporționale cu pătratul distanței. Newton a postulat că două obiecte cu două mase se atrag cu o forță care scade invers proporțional cu pătratul distanței dintre ele. Această lege, împreună cu mecanica newtoniană, explică cu precizie mișcarea planetelor și permite trimiterea unei rachete spre Lună.

Einstein vine și întreabă: „Pot reinventa teoria gravitației a lui Newton, astfel încât să fie compatibilă cu relativitatea specială?”. După numeroase încercări, concluzionează: „Nu, nu pot. Trebuie să fac ceva mult mai dramatic”. Și își dă seama: gravitația nu este o forță aplicată peste spațiu-timp, ci o proprietate a spațiu-timpului însuși.

Ce proprietate? Ei bine, profesorul lui, Minkowski, spusese deja că spațiul-timp are o geometrie. Poate geometria aceasta nu este plată, ci curbată, deformabilă, dinamică, influențată de masă și energie. Era o idee excelentă. Dar îți trebuie ani de lucru matematic pentru a o duce la capăt. Zece ani mai târziu, în 1915, Einstein finalizează ceea ce numim azi teoria generală a relativității. Aceasta spune: „Spațiul-timp este un obiect cu patru dimensiuni, are o geometrie, iar materia și energia îl deformează, iar noi percepem această curbură ca fiind gravitația”.

L-aș pune pe Einstein alături de Galileo în galeria oamenilor care au intuit profund cum ar trebui să fie universul. Această intuiție i-a permis să facă uriași pași înainte. Dar problema este că, odată ce folosești intuiția și formulezi teoria, ecuațiile devin independente de intuiția ta. 

Îmi place să spun că ecuațiile sunt mai inteligente decât noi. Odată scrise, oricine le poate rezolva. Einstein însuși s-a uitat la ecuația sa și a spus: „Nu știu dacă cineva o va putea rezolva vreodată. Este prea complicată”. Dar alții nu s-au speriat. Cel mai faimos a fost Karl Schwarzschild, astronom german care a asistat la prelegerile lui Einstein la Berlin. S-a întors de pe frontul de est în Primul Război Mondial și i-a spus lui Einstein: „Domnule profesor, am rezolvat ecuațiile dumneavoastră pentru câmpul gravitațional al Soarelui, iar acum putem prezice mișcările planetelor”. Einstein a fost încântat și și-a dat seama imediat că era o soluție profundă.

Cred că este extrem de important că diferitele straturi ale realității depind unele de altele. Stratul particulelor și al forțelor, descris de teoria câmpului cuantic, îl înțelegem foarte bine. Ne-ar plăcea să îl înțelegem și mai bine, dar îl stăpânim bine. El determină stratul chimiei, al atomilor și moleculelor. Stabilitatea scaunului pe care stau acum se reduce, în ultimă instanță, la regulile teoriei câmpului cuantic. Atomii și moleculele formează chimia, chimia formează biologia și tot așa, pe scară. Putem aprecia atât dependența acestor niveluri, cât și nevoia de a le studia separat.

Bănuiesc că dacă William Shakespeare nu ar fi existat, piesele lui Shakespeare nu ar fi fost scrise. Dar sunt aproape sigur că dacă Einstein nu ar fi existat, relativitatea generală tot ar fi fost inventată. Și nu cred că ar fi durat foarte mult. Progresul fizicii depinde de oameni excepțional de inteligenți, dar care se află și în locul potrivit, la momentul potrivit.

La vremea lui Isaac Newton, când el a înțeles că legea inversului pătratului explică mișcarea eliptică a planetelor, construia pe baza muncii altora: Johannes Kepler stabilise deja că planetele se deplasează pe elipse. În plus, nu doar Newton avusese ideea legii inversului pătratului. Christiaan Huygens demonstrase o relație între viteza mișcării și puterea forței, Robert Hooke – viitor membru marcant al Royal Society – discutase cu prietenii ideea că gravitația ar putea urma o lege a inversului pătratului. Dar niciunul nu era la fel de abil matematic precum Newton. Un prieten al lui Hooke era Christopher Wren, arhitectul Catedralei St. Paul; un altul era Halley, astronomul Cometei Halley. Ei l-au convins pe Halley, aflat atunci la început de carieră, să meargă la Cambridge și să-l roage pe Newton: „Ai putea să rezolvi această problemă? Ce se întâmplă dacă o planetă se mișcă sub o forță gravitațională care scade cu pătratul distanței?”. Newton a spus: „Am făcut deja asta. E o elipsă”. Halley l-a rugat să scrie rezultatul, iar Newton a scris „Principia Mathematica”, cea mai importantă carte din istoria fizicii.

Chiar și marile descoperiri atribuite unor indivizi apar dintr-un context social. Iar acest lucru ar trebui să ne facă mai atenți la contextul social necesar pentru descoperiri viitoare.

Uneori ne facem o idee greșită despre teoria „omului genial” în știință, pentru că Newton și Einstein au realizat enorm și merită apreciere. Dar compară dezvoltarea mecanicii cuantice cu dezvoltarea relativității generale. 

Relativitatea generală a fost creația lui Einstein – aproape nimeni altcineva nu concura cu el. Dar mecanica cuantică? A fost opera unei comunități întregi: Planck, Einstein, Rutherford, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Born, Jordan, Schrödinger, Pauli, Dirac, Anderson, Fermi, Bose, Yang, Mills, Lee, Wu, Higgs, Englert, Brout, Anderson, Goldstone, Nambu, Weinberg, Salam, Wilczek, Gross, Politzer, Gell-Mann, Zweig și mulți alții. Iar asta doar până în anii ’70. fizica particulelor este produsul a mii de contribuții interconectate.

Această colaborare amplă, cu multe piese de puzzle puse împreună de oameni diferiți, este de fapt modul obișnuit în care se face fizica – nu povestea unui singur geniu izolat.”