Forţele fundamentale, energia vacuumului, lipsa masei... Gaura neagră din inima atomului. Descoperirea care revoluţionează fizica. (articol din NEXUS MAGAZINE FRANCE, nr. 89, noiembrie-decembrie 2013)
În interiorul materiei există foarte mult vid
Dacă luăm valoarea de 1,32 fm ca rază Schwarzschild a unui proton (un femtometru este egal cu 10⁻¹⁵ metri), obţinem un proton gaură neagră cu masa de 8,85 x 10¹⁴ grame (masa Schwarzschild sau masa holografică a protonului). Această masă holografică este, de asemenea, în concordanţă cu restul masei estimate a universului. Tabelul de mai jos arată că protonul gaură neagră se aliniază pe dreapta maselor, spre deosebire de masa protonului măsurată în laborator (10⁻²⁴ grame).
Prima noţiune care trebuie înţeleasă bine este vacuumul. În primul rând, în interiorul materiei există foarte mult vid. Simplificând lucrurile, mărimea unui atom este de aproximativ 10⁻¹⁰ metri, adică o zecime dintr-o milionime dintr-un milimetru. Nucleul unui atom are cam 10⁻¹⁵ metri, ceea ce îl face de o sută de mii de ori mai mic decât atomul însuşi. Volumul nucleului (dimensiune la puterea a treia) este de un cvadrilion de ori mai mic decât cel al atomului. Prin urmare, volumul atomului este vid în proporţie de cel puţin 99,999%! Într-adevăr, materia este alcatuită din spaţiu vid, din moment ce există goluri uriaşe între diferitele nuclee ale atomilor uniţi între ei pentru a forma molecule. Un exemplu, pentru a înţelege mai bine: dacă s-ar mări nucleul unui atom până la dimensiunea unei sfere cu diametrul de un metru, electronii s-ar afla la 50 de kilometri distanţă de acesta. Dacă doi atomi ar fi împreună, cele două nuclee ar fi la o distanţă de 100 de kilometri unul de celălalt. Două sfere cu diametrul de un metru la 100 de kilometri una de cealaltă! Prin urmare, vacuumul este omniprezent atât în interiorul materiei, cât şi în afara ei.
A doua noţiune - vacuumul nu este gol. El conţine energie sub formă de fluctuaţii, de vibraţii. Această energie este gigantică, deoarece densitatea fluctuaţiilor vacuumului la nivel cuantic, numită densitatea Planck, este de 5,16 x 10⁹³ g/cm cub. Imaginaţi-vă cifra 1 urmată de 93 de zerouri în contul dumneavoatră bancar!
Legea scalară pentru organizarea materiei. Masa în funcţie de rază
Când luăm dimensiunile diferitelor corpuri din univers, mai precis masa şi raza fiecăruia dintre ele, obţinem pe grafic o linie dreaptă. Masa Planck, cea mai mică valoare din univers, este punctul de plecare din stânga jos, iar masa universului este punctul de sosire din dreapta sus. Pe această linie găsim Pământul, Soarele, galaxiile, pulsarii, quasarii... dar nu şi protonul standard, ci mai degrabă protonul Schwarzschild. Când încercăm să punem protonul standard, el cade sub linie, în timp ce protonul gaură neagră se află pe linie. Asta ne arată că universul este organizat matematic, de la infinit de mare, la infinit de mic.
Max Planck şi dezvoltarea mecanicii cuantice
Dezvoltarea mecanicii cuantice a început în 1894, odată cu munca de pionierat a lui Max Planck, care a studiat problema radiaţiei emise de corpurile negre. În fizică se consideră că un corp negru este un corp care absoarbe radiaţia electromagnetică, oricare ar fi frecvenţa sau incidenţa acesteia. Un astfel de obiect, în echilibru termic, va emite însă radiaţie electromagnetică. Apare astfel o problemă majoră: spectrul radiaţiei electromagnetice a unui corp negru arată o emisie infinită de energie în regiunea sa ultravioletă - a fost numită catastrofa ultravioletă.
La acea vreme, Planck a susţinut punctul de vedere potrivit căruia lumina pe care radiaţia o emite există doar în numere întregi. Întreaga cantitate de energie sare continuu de la o valoare la alta, creând un pachet de energie mai degrabă cuantificat, decât continuu şi infinit. Cu alte cuvinte, Planck a emis ipoteza conform căreia energia pe care o undă o poate schimba cu materia este granulară, discretă. Rezultatele sale teoretice şi-au dovedit valabilitatea atunci când el a prezis valoarea experimentală corectă pentru spectrul unui corp negru şi a rezolvat în mod natural catastrofa ultravioletă.
Legea lui Planck ne spune că energia electromagnetică poate fi emisă numai în pachete discrete de energie, proporționale cu frecvența. Datorită rezultatelor mai precise pe care le-a obţinut ulterior în mod experimental, el a putut să stabilescă parametrii cunoscuţi sub numele de constantele Planck, deduse dintr-un set de mărimi care reprezintă un moment unghiular sau lungimea de undă a pachetului de energie inițial. Ideea a fost considerată absurdă până când Einstein a aplicat-o efectului fotoelectric, descriind lumina ca fiind o particulă, care mai tarziu avea sa fie numită foton. Max Planck a primit în cele din urmă Premiul Nobel, în 1918, pentru contribuţia sa la înţelegerea acestui efect, contribuţie care a consolidat revoluţia cuantică.
În 1899, Max Planck și-a extrapolat unitățile fundamentale, cunoscute acum sub numele de unități Planck. Cantităţile Planck sunt unităţi naturale, fără concepte arbitrare, bazate pe constantele fundamentale ale fizicii. De exemplu, timpul Planck este definit ca fiind timpul necesar pentru ca un foton (un pachet de energie) să acopere o lungime Planck. Prin urmare, o lungime Planck este lungimea minimă a câmpului electromagnetic sau, dacă doriți, cea mai mică vibrație posibilă a radiației electromagnetice.
Este important de remarcat că teoria iniţială a corpurilor negre a fost construită cu mult timp înainte de conceptualizarea şi descoperirea găurilor negre, care sunt ele însele nişte corpuri negre aproape perfecte. Aceasta sugerează în mod clar că pot exista anumite mijloace specifice mai adecvate prin care forța gravitațională și masa unei găuri negre pot fi exprimate sub formă de numere întregi discrete pe scara cuantică. Este exact ceea ce ne arată Nassim Haramein!
Emisia spontană nu a putut fi explicată folosind parametrii mecanicii cuantice. Mecanica cuantică nu a putut explica acest comportament, în contextul unei teorii în care dinamica atomului este cuantificată, dar câmpul electromagnetic nu (când s-au făcut calcule cu abordarea inițială, nu s-a găsit nicio probabilitate pentru emisiile spontane).
A fost necesar, pe de o parte, să se generalizeze mecanica cuantică, să se ia în considerare emisiile spontane și alte dinamici observate în lumea cuantică și, pe de altă parte, să se găsească un mijloc care să permită legarea relativitatăţii speciale la scara cuantică. Mecanica cuantică trebuia să-și extindă cadrul pentru a exprima câmpurile electromagnetice ca moduri cuantificate de oscilații în fiecare punct al spațiului, ceea ce a condus la dezvoltarea teoriei câmpului cuantic, lansată de Paul Dirac, la începutul anilor '20, împreună cu ecuația sa devenită de atunci faimoasă.
Cu alte cuvinte, teoria câmpului cuantic descrie spațiul ca și cum ar fi umplut cu pachete discrete, neconectate, atât de energie cât și de unde, ca niște mase mici legate prin arcuri. În 1913, Albert Einstein și Otto Stern au stabilit că vacuumul cuantic, structura spațiu-timp la scară cuantică, manifestă excitații majore chiar și la o temperatură de zero kelvin (zero absolut), ceea ce i-a adus denumirea de "energia punctului zero”.
(continuarea în partea a şaptea)