Micuților mei troli

Introducere

O călătorie în lumea gravitației

Gravitația. Un concept atât de familiar, prezent în toate limbile și culturile, dar pe care oamenii de știință se străduiesc să îl înțeleagă de milenii. Este miracolul suprem care leagă totul, pretutindeni și pentru totdeauna în Univers. Universală în toate sensurile. Ne putem gândi la ea ca la forța ascunsă care ne ține bine ancorați pe Pământ, la motivul pentru care Pământul se rotește pe orbită în jurul Soarelui sau la interacțiunea care a permis formarea Căii Lactee și a sutelor de miliarde de stele. Dar acest lucru abia dacă sugerează adevărata sa semnificație. Gravitația este motivul pentru care Universul însuși poate exista și evolua. Ea transformă spațiul și timpul din simple piese de decor în actori centrali ai dramei realității în desfășurare. Pe măsură ce acceptăm gravitația, nu ne putem abține să nu ne confruntăm cu ea: sărind, plutind sau zburând în timp ce urmărim scurte momente de eliberare de sub comanda ei. În ceea ce mă privește, am urmărit gravitația toată viața mea, căutând, ca mulți oameni de știință care m-au precedat, să-i deslușesc cele mai profunde mistere.

Imaginează-te singur în cabina de pilotaj a unui avion mic, monomotor, așteptând cu răbdare pe pista de rulare semnalul de la controlul traficului aerian. Trei cuvinte simple, „liber la decolare“, rezonează ca o parolă magică, deblocând o serie precisă de evenimente care vor realiza ceea ce ar fi fost imposibil cu 120 de ani în urmă: ridicarea și menținerea în aer a unui obiect de o tonă. În timp ce aeronava se deplasează pe pistă, ești împins în spătarul capitonat al scaunului, accelerând pe orizontală până la o viteză de 100–200 km/h. În mod ironic, această viteză orizontală este cea care va permite presiunii de sub aripi să învingă atracția verticală a gravitației și să te ridice spre cer. Pe măsură ce urci la altitudinea de croazieră, chiar și cea mai mică turbulență zguduie micul avion. Pentru o clipă, te simți ca și cum ai fi prins în capcană într-un glob de zăpadă care e scuturat de mâna unui uriaș — până când îți amintești că o mică mișcare a cârmei, o ușoară reechilibrare sau o răsucire subtilă a eleroanelor este tot ce ai nevoie pentru a prelua controlul și a naviga lin pe curentul de aer, împins simultan în sus de presiune și tras în jos de gravitație.

Dacă să te înalți deasupra norilor nu e pe gustul tău, poate că ai prefera să te imaginezi scufundat în albastrul adânc, amestecându-te cu mii de pești din reciful de corali, la câteva zeci de metri sub suprafața apei. În timp ce contempli seninătatea acestei lumi subacvatice, ești cufundat într-o liniște întreruptă doar de sunetele pocniturilor vibrante ale recifului de corali și de propria ta respirație, pe măsură ce inspiri încet din rezervorul de oxigen și expiri bule mici care ies la suprafață. Cu fiecare respirație, corpul tău se balansează ușor în sus și în jos cu câțiva centimetri, în timp ce presiunea aerului din plămâni încearcă să compenseze forța gravitațională și masa coloanei de apă care apasă pe fiecare celulă din corpul tău.

Zborul la altitudine înaltă și scufundările în adâncul mării sunt două dintre cele mai palpitante moduri de a sfida gravitația, cel puțin aici, pe Pământ. Dar, pentru a obține senzația supremă de imponderabilitate, nimic nu se compară cu plutirea în spațiu, când pare că ai scăpat cu totul din ghearele gravitației. Sentimentul de libertate nu mai este o iluzie — nu există sfori de care să tragi sau presiuni pe care să le contracarezi. Observând Pământul de pe orbită, poți savura libertatea absolută a căderii libere, un concept adânc înrădăcinat în modul în care înțelegem gravitația, chiar dacă rămâne un lux de care puțini au avut ocazia să se bucure.

În viața mea, am cunoscut bucuria de a zbura și de a face scufundări și am fost la un pas de a ajunge în spațiul cosmic. Dar, până la urmă, nu avem nevoie de un avion de lux, de un echipament de scufundare sau de o navetă spațială pentru a experimenta gravitația. De fapt, fie că facem ceva simplu ca aruncarea unei mingi, legănatul într-un hamac sau aruncarea de pietre pe suprafața apei, suntem cu toții oameni de știință care desfășoară propriile experimente personale și trag propriile concluzii despre acest fenomen universal, dar misterios.

Dar ce se întâmplă mai exact în acele momente? Ce este gravitația? Pare o întrebare atât de naivă, dar răspunsul pare să fie mereu ascuns în spatele unor legi abstracte ale fizicii. Fenomenele fizice sunt adesea prezentate ca un set de reguli fundamentale obscure — principiul lui Arhimede, legea inversului pătratului a lui Newton, principiul lui Bernoulli și altele asemenea — pe care natura trebuie să le respecte în mod incontestabil și rigid. Aceste legi sunt, bineînțeles, esențiale pentru modul în care înțelegem lumea și structura realității. Ele au dezvăluit modul în care flotabilitatea permite bărcilor să plutească și cum diferența de presiune cauzată de mișcarea aerului sub aripi permite păsărilor și avioanelor să navigheze pe cer. Acest lucru ne-a permis să trimitem pe Lună un bărbat și, sperăm, în curând o femeie. Totuși, prezentarea acestor legi ca fiind cioplite în piatră contrazice istoria noastră științifică. Departe de a fi imuabile, înțelegerea și aprecierea noastră cu privire la aceste legi — ce înseamnă ele, de unde provin și ce se află în spatele lor — se dezvoltă continuu sub ochii noștri.

Galileo Galilei, Johannes Kepler, Sir Isaac Newton, Albert Einstein, Stephen Hawking, Sir Roger Penrose, Andrea Ghez și nenumărați alți oameni de știință străluciți au adus fiecare o nouă perspectivă asupra înțelegerii gravitației, dar călătoria noastră este departe de a se fi încheiat. Așadar, gândește-te la această carte ca la o invitație de a mi te alătura în încercarea de a descoperi semnificația gravitației, de a înțelege legătura ei cu structura realității. Din fericire, în cea mai mare parte nu vom întreprinde această aventură singuri. În schimb, vom fi ghidați de unele dintre cele mai luminate minți din știința ultimelor secole — asta cel puțin până când vom ajunge la marginea hărții, unde vom face câțiva pași de explorare în necunoscut. Călătoria noastră va începe, totuși, pe un teritoriu bine cartografiat, cu câțiva tovarăși de încredere.

Realizând că gravitația trebuie să fie o forță universală, care acționează asupra tuturor și îi accelerează pe toți în același mod, indiferent de masa lor, Galileo, Kepler și Newton au furnizat prima piesă crucială a acestui puzzle. Această percepție a fost posibilă datorită unei noi perspective asupra a ceea ce înseamnă să fii liber, o perspectivă care a renunțat la secole întregi de dogmă aristotelică și a transformat radical conceptul de inerție.

Această nouă perspectivă a ieșit la iveală în 1632, odată cu publicarea lucrării astronomului și fizicianului italian Galileo Galilei Dialog despre cele două sisteme principale ale lumii (Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo). În acest dialog, Galileo a susținut o nouă revoluție copernicană, care nu se limita la simpla negare a faptului că Pământul ar ocupa un loc central în sistemul solar, ci respingea complet ideea că vreo persoană sau vreun obiect ar putea deține vreodată o poziție privilegiată în ceea ce privește legile naturii.

Pentru a susține acest argument, Galileo a privit lumea prin ochii unui marinar închis în cabina principală de sub puntea unei nave în mișcare. Incapabil să vadă lumea de afară, marinarul s-a distrat urmărind mișcarea „unor muște și fluturi“ cu care împărțea cabina. Galileo a realizat că marinarul nu ar fi putut să-și dea seama dacă nava se afla în repaus sau în mișcare cu viteză constantă, cel puțin nu observând aceste mici animale zburătoare. De ce? Pentru că, dacă nava se mișcă cu viteză constantă, la fel se întâmplă și cu tot ce se află la bord, inclusiv cu aerul în care zboară muștele și fluturii. Marinarul, prins sub punte, poate observa doar mișcarea creaturilor zburătoare în raport cu interiorul cabinei navei. Galileo a folosit acest experiment mental, care a evidențiat importanța mișcării relative, pentru a explica cum se poate ca Pământul să se rotească fără ca noi să simțim acest lucru. Mai mult, odată ce recunoaștem că nu putem face diferența între puntea inferioară a unei nave în repaus și cea a unei nave în mișcare uniformă, putem deduce că legile fizicii ar trebui să fie aceleași pentru orice observator care se mișcă având o viteză constantă, indiferent de valoarea acesteia.

Tocmai această noțiune de „relativitate galileeană“ — conștientizarea faptului că legile naturii sunt aceleași, indiferent de cine le descrie — este consacrată de prima lege a mișcării a lui Newton, care susține că orice obiect va rămâne în repaus sau în mișcare uniformă pe o linie dreaptă, cu excepția cazului în care este obligat să-și schimbe starea prin acțiunea unei forțe externe.* Newton a înțeles că a fi liber înseamnă privilegiul de a continua nestingherit, urmându-ți călătoria cu aceeași viteză, în mod uniform. Pornind de la lucrarea lui Kepler, care a dezvoltat legile mișcărilor planetare, această perspectivă avea să conducă mai târziu la legea gravitației universale a lui Newton din 1687, cunoscută și sub numele de legea inversului pătratului. Conform acestei legi, forța de gravitație exercitată între două particule masive (adică particule care au masă) este o forță universală și instantanee, a cărei intensitate scade proporțional cu pătratul distanței dintre cele două particule.