Principiul imuabilității parmenidian invocat în fizica cuantică

“Spre deosebire de adeziunea lui Parmenide la principiul imuabilității, presupunerea apriorică favorizând principiile de simetrie a apărut după mulți ani de experiență în căutarea principiilor fizice care descriu lumea reală, iar simetriile încălcate și cele neîncălcate sunt validate de experimente care confirmă consecințele lor”. (Weinberg)

Parmenide prin ochii fizicianului Steven Weinberg

Parmenide din Elea a valorizat în cel mai înalt grad principiul imuabilitații, principiu care explică, din perspectiva filosofului eleat esența lumii. La el principiul este unul ontologic, este chiar Ființa care este ceea ce este. Această abordare asupra unui principiu identitar este căutat și de fizicieni, dar nu în plan ontologic, ei dorindu-și o teorie simplă și rotundă, adică completă, care să explice lumea.
Iată un extras din poemul „Despre Natură” al lui Parmenide, unde eleatul subliniază perfecțiunea Ființei, simetria Ei, și evidențiază principiul mai sus menționat: “și cum există o limită ultimă, este întreg pe orice parte, ca o minge bine rotunjită, astfel la distanță egală față de centru, întrucât nu poate fi în nici un caz o distanță mai mare sau mai mică într-o direcție sau alta, pentru că nici nu este acolo ceea ce nu este, fapt ce ar putea opri să fie asemenea sieși, nici nu este posibil ca ceea ce există să fie aici mai mult, dincolo mai puțin decât ceea ce este, fiindcă este peste tot neatinsă; și fiind egală cu sine însăși pe toate părțile, ea ajunge la limitele sale uniform”1.
Acest principiu al identității este un scop al fizicii cuantice, repet, nu în plan ontologic. Raportarea la filosoful eleat nu este întâmplătoare, însuși fizicianul Steven Weinberg îl invocă pe Parmenide în cartea sa “Lumea explicată. Descoperirea științei moderne”. Iată ce spune Weinberg: “Vorbind despre prejudecățile filosofilor presocratici nu vreau să spun că raționamentul aprioric nu-și are locul în știință. Astăzi, de exemplu, ne așteptăm să găsim că legile cele mai profunde ale fizicii satisfac principii de simetrie care ne spun că legile nu se schimbă atunci când ne schimbăm perspectiva în anumite moduri bine precizate. La fel ca principiul imuabilității a lui Parmenide, unele principii de simetrie nu sunt imediat vizibile în fenomenele fizice- spunem că sunt încălcate spontan. Cu alte cuvinte, ecuațiile teoriilor noastre prezintă anumite elemente de simplitate, de pildă tratarea nediferențiată a unor specii de particule, dar aceste elemente de simplitate nu sunt împărtășite și de soluțiile ecuațiilor, care guvernează fenomenele propriu-zise. Totuși, spre deosebire de adeziunea lui Parmenide la principiul imuabilitații, presupunerea apriorică favorizând principiile de simetrie a apărut după mulți ani de experiență în căutarea principiilor fizice care descriu lumea reală, iar simetriile încălcate și cele neîncălcate sunt validate de experimente care confirmă consecințele lor”2.
După cum se poate observa, Weinberg nu ignoră intuiția ideii de imuabilitate, ci atrage atenția că s-a vrut explicarea lumii, a fundamentelor ei, însă „nici unul dintre primi fiosofi greci, de la Thales la Platon, fie ei din Milet din Abdera, din Eleea sau din Atena, nu și-au asumat sarcina de a explica în amănunt cum dau socoteală, despre aspectul lucrurilor, teoriile lor privind realitatea ultimă”3.
Odată cu aceste cuvinte ale lui Weinberg expun un drum al cercetătorilor din lumea fizicii cuantice, scopul cercetărilor fiind acela de a întrezări o teorie ultimă a Universului, așa cum și-a dorit și Platon.

Unificarea forțelor fundamentale și theory of everything

Fizica cunoaște astăzi patru forțe fundamentale, iar acestea sunt împărțite în patru clase: “Gravitația- este cea mai slabă din cele patru, dar este o forță cu rază lungă și acționează asupra oricărui lucru din univers ca o atracție. Aceasta înseamnă că, pentru corpurile mari, forțele gravitaționale se însumează și pot domina toate celelalte forțe. Electromagnetismul- este de asemenea o forță de rază lungă, dar mult mai puternică decât gravitația, și actionează doar asupra particulelor având sarcină electrică; sarcinile de același semn se resping, iar sarcinile de semn opus se atrag. Aceasta înseamnă că forțele electrice între corpurile mari se anulează reciproc, dar la scara atomilor și moleculelor ele sunt dominante. Forțele electromagnetice sunt răspunzătoare pentru toată chimia și biologia. Forța nucleară slabă- explică radioactivitatea și joacă un rol esențial în formarea elementelor în stele și în universul timpuriu. Nu intrăm în contact cu această forță în viața cotidiană. Forța nucleară tare- această forță menține laolaltă protonii și neutronii în interiorul nucleului atomic. Ea menține de asemenea laolaltă protonii și neutronii înșiși, lucru necesar pentru că ei sunt alcătuiți din particule încă și mai mici, cuarcii (…). Forța tare este sursa de energie a Soarelui și a centralelor nucleare, dar, la fel ca în cazul forței slabe, nu intrăm direct în contact cu ea în viața cotidiană”4.
Fac precizarea că cercetării mele i-a fost adus un aport important și de tânărul fizician, Adrian Buzatu5, unul dintre românii de succes care sunt implicați la nivel mondial în cercetarea și dezvoltarea fizicii cuantice. Dialogul pe care l-am avut avut cu el s-a axat, printre altele, și pe această filosofie a simetriei. Iată ce mi-a transmis în comunicările personale avute cu el, în acest context al studiului referitor la unificarea forțelor fundamentale prezentate mai sus: “Filosofia simetriei oferă motivare în acest parcurs științitic deloc facil. De ce? Forțele electrice și magnetice au fost unificate în 1865 de teoreticianul James Clerk Maxwell. De asemenea, a fost unificată forța electromagnetică cu forța slabă (Steven Weinberg, Sheldon Lee Glashow și Abdus Salam au fost laureați ai Premiului Nobel pentru Fizică, în 1979, pentru studiile făcute și contribuțiile aduse în domeniul teoriei unificate a interacțiunilor slabă și electromagnetică). Așadar, avem o istorie a unificării de fenomene disparate în modele matematice care le explică simultan, ceea ce ne face să credem că vom putea unifica mai departe forțe care acum par diferite și de necombinat. Și ca un element de culoare, forța nucleară slabă este ceea ce căutau alchimiștii, căci ea permite unui element chimic să se schimbe în alt element chimic, prin transmformarea unei particule elementare în altă particulă elementară prin intermediului bosonului W6, acesta fiind deci faimoasa piatră filosofală”.
În prezent s-a reușit contopirea forței electromagnetice cu forța nucleară slabă, ea primind denumirea de forța electroslabă și are ca miză, după ce va fi unificată cu forța tare, ajungerea la o teorie marii unificări, Grand Unified Theory (GUT). (vezi Fig 1)

Fig.1

Însă fizicienii depun eforturi susținute pentru a se apropia de o teorie generală asupra explicării lumii (Theory of Everything). Cu alte cuvinte, în acest moment al nivelului cercetării științifice se dorește o unificare a forței electroslabe cu forța tare și, ulterior, cu forța gravitațională, astfel încât să se ajungă la o teorie perfectă, completă și egală cu ea însăși (simetrică cu ea însăși, indiferent cum am privi-o), precum principiul imuabilității. (vezi Fig. 2)

Fig. 2

Acest deziderat privitor la o teorie a tot ceea ce există scoate în evidență, potrivit lui Weinberg, faptul că materia trece într-un plan secund, principiile de simetrie având rolul principal. “Din fuziunea relativitații cu mecanica cuantică s-a dezvoltat o nouă perspectivă asupra lumii, în care materia și-a pierdut rolul central. Acest rol a fost prelut de principii de simetrie, unele dintre ele fiind ascunse vederii noastre în stadiul actual al Universului” 7.
Graficele de mai sus nu sunt întâmplatoare, iată cum aprecia fizicianul Steven Weinberg, în cartea sa- Visul unei teorii finale-, drumul spre Marea Unificare. “Căutăm adevărurile universale ale naturii, iar odată descoperite, încercă să le explicăm arătând cum pot fi deduse din adevăruri și mai profunde. Să ne închipuim că spațiul principiilor științifice e plin de săgeți îndreptate de la un principiu la cele care îl explică. Aceste săgeți nu rătăcesc la întâmplare. Dimpotrivă, sunt toate legate și, dacă le parcurgem în sens invers, par să aibă un punct de pornire comun. Acest punct de pornire, sursa tuturor explicațiilor, este ceea ce înțeleg eu prin teorie finală”8, explică Weinberg.
Cercetările și rezultatele de până acum din cadrul fizicii cuantice ne arată că reducționismul face parte din realitatea fundamentală a lumii, adversarilor viziunii reducționiste, Weinberg transmițându-le: “Perspectiva reducționistă asupra lumii este rece și impersonală. Ea trebuie acceptată ca atare, nu pentru că ne place, ci pentru că așa e lumea”9.
Așadar, Theory of Everything nu este doar un vis al filosofilor, ci și al fizicienilor. Dacă marii filosofi ai antichității au “văzut” în forme diferite principiul lumii, fizicienii caută principiul identității la scară universală încercând să unească forțele primare ale Universului, într-una singură și imuabilă. Demersul este însă imposibil de îndeplinit de nici un accelerator de particule pentru că acesta ar trebui să ajungă la energia Planck, energia de la începutul Universului, atunci când simetria era identică cu sine, și nu ascunsă (ruptă) acum în forțele Naturii. Fizicienii apreciază că “toate forțele din natură sunt unificate la o energie de ordinul energiei Planck, de un milion de miliarde de ori mai mare decât cea mai mare energie atinsă în aceleratoarele de azi”10. Iar pentru că Modelul Standard lasă, de nevoie, deoparte gravitația, se consideră la nivel științific că „el reprezintă doar o aproximație la energii joase a unei teorii unificate cu adevărat fundamentale și că el înceteză să mai fie valabil la energii cum este energia Planck”11.
În acest context, Weinberg afirmă că, potrivit „cu cea mai simplă versiune a teoriei cosmologice general acceptate a Big Bangului, a existat un moment în urmă cu zece-douăzeci de miliarde de ani când temperatura Universului era infinită. La aproximativ o zecime de miliardime de secundă după acest moment de început, temperatura Universului scăzuse la câteva milioane de miliarde de grade, iar în acest moment simetria dintre forțele slabe și electromagnetice a fost ruptă (…). Povestea ruperii spontane a simetriei nu se încheie însă aici. Ideea ruperii spontane a simetriei a jucat de asemenea un rol în eforturile noastre de a aduce o a treia forță a Modelului Standard, forța nucleară tare, în același cadru unificat alături de forțele slabă și electromagnetică”12.
Mai mult, “conform relativității generale, gravitația este produsă de energie, la fel cum e produsă de masă și acționează asupra energiei, la fel cum acționează asupra masei. (…) La energii suficient de mari forțele gravitaționale dintre două particule elementare tipice devin la fel de intense ca orice altă forță dintre ele. Energia la care se întâmplă acest lucru e de aproximativ o mie de milioane de miliarde de miliarde de volți. Aceasta poartă numele de energia Planck”13.
Această energie Planck, dacă va fi atinsă vreodată de omenire, ne poate duce către pattern. În volumul său “Arhitectura Existenței”, filosoful român Ilie Pârvu, scoate în evidență, în urma cercetării unor studii ale lui D. Bohm, E. Lazlo și R. Thom, ceea ce ar putea însemna această unitate: “în evoluția și auto-organizarea lumii se manifestă o invarianță ce se conservă. fundamental subiacent multipicității lumii experienței este invarianța patternului evoluției”14. Potrivit lui Ilie Pârvu, Thom aprecia că unitatea existenței “este un , în cadrul căruia numai acea perspectivă poate fi considerată că ar avea o mai mare reușită care ar încerca să pătrundă, în același timp la a organizării lumii”15.
Radiația de fond, argument pentru Big Bang
Big Bangul amintit mai sus este mai mult decât o ipoteză pentru fizicieni. Dovada existenței lui, adică a unui moment zero, este radiația cosmică de fond: “Cercetând Universul cu cele mai puternice telescoape, astronomii pot vedea lumina care a fost emisă de galaxii și cuasari la doar câteva miliarde de ani după Big Bang. Aceasta le permite să verifice expansiunea Universului prezisă de teoria Big Bangului până în fazele de început ale Universului, iar potrivirea pare perfectă. Pentru a testa teoria pentru perioade mai timpurii, fizicienii și astronomii trebuie să folosescă metode indirecte. Una dintre cele mai sofisticate abordări implică radiația cosmică de fond (…) Fizicienii și astronomii au confirmat cu precizie faptul că universal este umplut cu microunde (dacă ochii noștri ar fi sensibili la microunde, am observa o radiație difuză în jurul nostru) corespunzând unor temperature de aproximativ 2,7 grade peste zero absolut, exact așa cum prevăzuse teoria Big Bangului. Mai concret, în fiecare metru cub de Univers, inclusiv cel pe care-l ocupăm fiecare dintre noi în acest moment, există aproximativ 400 de milioane de fotoni care alcătuiesc întinsul ocean cosmic de microunde care constituie un ecou al creației. (…) Concordanța între teorie și datele de observație confirmă imaginea cosmologică a marii explozii până în timpurile când fotonii se mișcau pentru prima dată liberi prin univers, cu aproximativ câteva sute de mii de ani după Big Bang”16.
Simetria, la “energia planck”?
Fizicianul Cristian Presură explică și el faptul că unificarea forțelor din Modelul Standard cu forța gravitațională are loc odată ce se interacționează cu energia Planck: “Energiile Planck au fost atinse efectiv de particule la începutul Universului, imediat după Big Bang. În acele momente, curbura spațiu-timp era atât de mare, încât contribuia la interacțiunile dintre particulele elementare. Ne așteptăm să scoatem în evidență efecte ale gravitației atunci când accelerăm particule la energii Planck, anume de- 1019 GeV. Or, cu alte cuvinte, la aceste energii nu numai că cele trei forțe vor fi unificate (forța de culoare, electromagnetică și slabă), dar la ele se va adăuga și gravitația. (…) La energiile Planck particulele pot testa direct structura microscopică a spațiului-timp. Cum la aceste valori ale energiei forțele fundamentale ar fi unificate, structura spațiului timp va căpăta o formă cuantică (pentru că celelalte forțe sunt prin natura lor cuantice). (…) Este de așteptat ca spațiul să-ți piardă forma regulată” 17. Însă “noile rezultate sugerează că este posibil ca nici măcar la energii foarte înalte (de 1014 mai mari decât energia Planck!) gravitația să nu poată fi unificată cu celelalte forțe fundamentale, care sunt în esență de natură cuantică. Cu alte cuvinte, visul nostru de a uni teoria generală a relativității generale cu mecanica cuantică (așa-numita gravitație cuantică) s-ar putea să fie mai îndepărtat decât credeam noi”18.
Carl Friedrich von Weizsäcker denumea acest deziderat al unității- validitatea universală a unei teorii fundamentale. Această unitate vizează unitatea multiplicității care trebuie să se supună aceleiași legi. Iată ce spune el: “Mai întâi vine unitatea legii. Aceasta nu este decât o altă expresie pentru ceea ce fizicienii numesc validitatea universală a unei teorii fundamentale. O teorie de acest fel constă dintr-un număr de termeni, precum și din propoziții fundamentale care leagă acești termeni și din care se pot deduce, în mod logic, propoziții suplimentare (…). Validitatea este <universală> dacă se extinde la toate obiectele posibile ale unei teorii; adică la toate obiectele acoperite de termenii teoriei (…). Vom numi o teorie <fundamentală> dacă se extinde la toate posibilele obiecte ale naturii. Validitatea universală a unei teorii fundamentale înseamnă că toate obiectele naturii se supun uneia și aceleiași scheme ale unei legi; în acest sens este ceea ce noi numim această validitate . (…). Avem o astfel de teorie fundamentală, și anume teoria cuantică”19.
Abordarea lui Weizsäcker trimite la conceptul de simetrie, la unitate. Iată ce susține în acest sens și David Peat, un fizician de renume, un fizician de tip holistic, despre faptul că principiile de simetrie iau locul la nivel fundamental particulelor elementare, așa cum credea și Werner Heisenberg.
David Peat face analogie cu grecii din antichitate pentru care formele fundamentale ale naturii preced particulele: “Începe să pară că particulele elementare nu sunt scopul final, ci mai degrabă manifestarea unor principii fundamentale de simetrie (…). Lumea cuantică se află într-un proces constant de schimbare și transformare. În aparență, toate procesele și transformările ar putea avea loc, însă principiile de simetrie stabilesc limite în privința arbitrariului în transformări. Numai acele procese care nu încalcă anumite principii fundamentale de simetrie sunt permise în lumea naturală. Așa cum grecii antici credeau că formele fundamentale și arhetipurile sunt mai adânci decât atomii, tot așa și fizicienii contemporani așază principiile de simetrie înaintea particulelor elementare” 20.

Note
1 Guthrie, W.K.C, O Istorie a filosofiei grecești, volumul 2, traducere de Diana Roșculescu, Editura Teora, 1999, pag. 45.
2 Weinberg, Steven, Lumea explicată. Descoperirea științei moderne, traducere Dan Nicolae Popescu, Editura Humanitas, 2017, pag. 23 și urm.
3 Ibidem, pag. 22.
4 Hawking, Stephen W; Mlodinow, Leonard. Marele Plan, traducere de Anca Vișinescu și Mihai Vișinescu, Editura Humanitas, 2015, pag. 87 și urm.
5 Detalii despre cercetătorul român Adrian Buzatu: http://www.adrianbuzatu.com/overview.html
6 Bosonii W sunt particule elementare din familia bosonilor din care face parte și bosonul Higgs, pe care îl voi analiza din perspectivă filosofică într-un capitol ulterior.
7 Weinberg, Steven, Visul unei teorii finale. În cautarea legilor ultime ale naturii, traducere de Bogdan Amuzescu, Editura Humanitas, 2010, pag. 8.
8 Ibidem, pag. 10.
9 Ibidem, pag. 51.
10 Ibidem, pag. 182.
11 Ibidem, pag. 183.
12 Ibidem, pag. 176 și 177.
13 Ibidem, pag. 179.
14 Pârvu, Ilie, Arhitectura Existenței, vol 1, Editura Humanitas, 1990, pag 239.
15 Ibidem, pag. 240.
16 Greene, Brian, Universul Elegant. Supercorzi, dimensiuni ascunse și căutarea teoriei ultime, traducere de Dragoș Anghel și Anamirela-Paula Anghel, Editura Humanitas, 2015, pag. 364, 365 și urm.
17 Presură, Cristian. Fizica Povestită. Prefață de Mircea Penția, Editura Humanitas, 2014, pag. 543.
18 Ibidem, pag. 544.
19 Drieschner, Michael (editor), Carl Friedrich von Weizsäcker: Major texts in philosophy, Springer, 2014, pag 109. și urm. – ”The unity of the law comes first. This is merely another expression for what physicists call the universal validity of a fundamental theory. A “theory” of this type consists of a number of terms, as well as of fundamental propostions can logically be deducted (…) The validity is ‘universal’ if it extends to all possible objects o a theory; i.e., to all objects covered by the terms of the theory (…). We will call a theory ‘fundamental’ if it extends to al possible objects of nature. The universal validity of a fundamental theory means the all objects of nature are subject to one and the same lawful scheme; It is in this sence that we term this validity the ‘unity of the law’ (…). We do have such a fundamendal theory- namely, quantum theory”.
20 Peat F. David, From Certainty to Uncertainty. The story of sience and ideas in the Twentieth Century, Jhoseph Henry Press, Washington DC, 2002, pag. 58 și urm.- “It begins to look as if the elementary particles themselves are not the final goal but rather the manifestation of underlying principles of symmetry. (…) The quantum world is in a constant process of change and transformation. On the face of it, all possible processes and transformations could take place, but nature’s symmetry principles place limits on arbitrary transformation. Only those processes that do not violate certain very fundamental symmetry principles are allowed in the natural world. Just as the ancient Greeks believed that fundamental forms and archetypes lay deeper than supposed atoms, so too contemporary physicists contrast elementary particles with more basic symmetry principles”.