Aspecte inedite în cunoașterea științifică a lumii fizice – Partea 1

Ordine și simetrii în Univers

Anumite aspecte, comune în faptul științei, privite mai atent, se arată a fi ieșite din comun! Încercăm câteva considerații sumare cu privire la unele dintre ele.

Natura are legi, ce se pot exprima printr-un limbaj logico-matematic. Ceea ce a descris în mod semnificativ știința ultimelor secole, ceea ce a scos ea la iveală despre dinamica fenomenelor naturii a fost exprimat, în cea mai mare parte, prin matematică. Faptul este comun în istoria științei, dar, luat ca atare, este extraordinar! Cum și de ce natura conține fenomene și procese ordonate? Întrebarea este îndreptățită, natura dovedind chiar faptul că respectă anumite principii și legi.

Pretutindeni în ea și în Univers găsim cu ușurință situații, lucruri sau obiecte care sunt caracterizate de ordine sau, altfel spus, care respectă legi descriptibile matematic. Fagurii albinelor, dungile tigrilor, curcubeul de pe cer, halourile lunare, cristalele de gheață, fulgii de nea și multe altele reflectă ordine, simetrie, frumusețe.

Vulcanii sunt conici, fulgii de zăpadă desenează stele simetrice de mare complexitate, iar stelele de mare seamănă cu figurile geometrice, aștrii sunt sferici, galaxiile sunt spiralate precum cochiliile melcilor. Până la urmă, și simplele observații privind natura, și măsurătorile și descrierea celor cuprinse în ea, incluzând aici și calculele complexe, pot surprinde felul ordonat în care ea construiește forme, corpuri, sisteme sau procese.

Explicațiile nu sunt întotdeauna simple. De exemplu, se observă un fapt foarte interesant în privința petalelor florilor: numărul lor urmează o anumită secvență cunoscută: 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89 etc. Ce este atât de special în acest șir de numere? Ei bine, fiecare dintre termenii lui se obține prin însumarea celor două numere care îl precedă. Astfel, 8 este 3 plus 5, 13 este 5 plus 8, și așa mai departe.

Experiența arată că, în privința petalelor florilor, nu se întâlnesc în general alte numere în afara acestora. Aceeași structură poate fi identificată și în formele spirale ale semințelor de floarea-soarelui. Aceste forme, descoperite cu multe secole în urmă, au primit o explicație satisfăcătoare deloc trivială abia în 1993.[1]

În prezent, se cercetează cu multă atenție o serie întreagă de soluții inginerești pe care organismele vii din natură le folosesc pentru cele mai diverse probleme, de la zborul în condițiile golurilor de aer sau deplasarea eficientă în mediul acvatic, până la păstrarea curățeniei într-un mediu cu mult praf.

În foarte multe situații, păsările, rechinii, frunzele de lotus sau alte organisme vii trec cu succes cele mai pretențioase teste de optim, dovedind faptul că natura “utilizează” într-un mod eficient soluții bine descrise de matematici deosebit de complexe. În multe laboratoare din lume, inginerii fac în prezent eforturi pentru preluarea și introducerea pe scară largă a acestor soluții găsite în natură.[2]

Avem în vedere aici rezultatele descoperirilor din bionică sau biomimetică, domenii care încearcă să utilizeze soluții din natură în inginerie, cu largi aplicații în diverse ramuri industriale. De curând s-a dovedit, de exemplu, că frunza de lotus are o textură care îi permite să rămână curată (efectul frunzei de lotus), încât nu permite nici apei, nici substanțelor cu grad mare de viscozitate, precum mierea albinelor, să se lipească sau să se impregneze în ea.

În prezent, se încearcă introducerea acestei texturi, prin folii care să păstreze aceeași structură, în materialele textile sau în cele folosite în construcții, în special pentru fațadele clădirilor. În acest caz, nici vestimentația, nici ferestrele clădirilor nu ar mai reține praful sau alte impurități pentru mai mult timp.

Un alt rezultat din bionică arată că pielea rechinilor nu este perfect netedă, ci prezintă asperități care respectă un anumit tipar. Cercetările au arătat că acestea, departe de a îngreuna deplasarea prin apă, produc turbioane, care îmbunătățesc parametrii de viteză și manevrabilitate, în regim de consum de energie redus cu până la 10% comparativ cu unele corpuri cu volume similare, dar cu suprafață netedă.

Există multe alte efecte studiate de bionică sau biomimetică:

• stabilitatea zborului păsărilor în prezența unor goluri de aer, cu aplicații în industria aeronautică;
• irizațiile fluturilor și gândacilor și învelișul antireflectorizant al ochilor moliilor, utilizabile în tehnologiile de construcție a ecranelor luminoase ale telefoanelor celulare;
• striațiile microscopice de pe aripile unor specii de muște, ce reduc reflectarea luminii, care pot fi aplicate în construcția panourilor solare;
• protuberanțele de pe marginea cozii de balenă, pentru forma aripilor de avion;
• penajul principal al răpitoarelor, pentru geometria variabilă a avioanelor militare;
• tubulatura mușuroaielor termitelor, care reglează temperatura, umiditatea și fluxul de aer din mușuroi, pentru creșterea gradului de confort în imobilele supraetajate;
• trompa țânțarului cu margini fin zimțate, pentru designul unor ace care să reducă durerea provocată de injecții (hipodermice) etc.

Omului i-au trebuit secole de progres științific și munca mai multor generații ca să „cuprindă” matematica ascunsă în aceste procese.

Pe de altă parte, la nivelul sistemului solar există alte regularități semnificative. De exemplu, cei trei sateliți ai lui Jupiter, Io, Ganymede și Europa, prezintă perioade de revoluție în rezonanță. Ganymede face o mișcare de rotație de 7,16 zile în jurul lui Jupiter. Perioada satelitului Europa este foarte apropiată de jumătatea acestei perioade, iar cea a lui Io ajunge la un sfert din ea.[3] Sistemul solar abundă în astfel de rezonanțe.

Satelitul nostru natural, Luna, are o mișcare de rotație în jurul propriei axe care coincide ca durată cu rotația în jurul Pământului, motiv pentru care noi vedem mereu aceeași parte a Lunii. Planeta Mercur prezintă și ea regularități: dublul perioadei ei de rotație în jurul axei proprii face exact de trei ori perioada de revoluție în jurul Soarelui. În acest fel, când Mercur a sfârșit cea de-a treia rotație în jurul propriei axe, a terminat și două rotații în jurul Soarelui.[4]

Felul acesta ordonat, plin de simetrii de tot felul, se găsește și în lumea dimensiunilor mici. De exemplu, multe dintre moleculele pe care le formează diverși atomi de substanță sunt simetrice. Molecula de metan este un tetraedru, o piramidă cu fețe triunghiulare, în care atomul de carbon este în centru și cei patru atomi de hidrogen în vârfuri. Benzenul are simetria hexagonală, regulată.

Există simetrii și la nivelul celulelor, de exemplu centrozomii (denumiți astfel de la cuvintele grecești κέντρον [kéntron] = „centru” și σόµα [sóma] = corp; formațiuni din interiorul nucleelor celulare care au un rol esențial în organizarea și diviziunea celulară). Aceștia au în interiorul lor două formațiuni (centriole) așezate perpendicular una față de alta.

Fiecare dintre aceste centriole este alcătuită din 27 de microtuburi lipite unul de altul pe lungime și formând trei mănunchiuri aranjate după o simetrie perfectă de poligon regulat cu nouă laturi. La fel, simetriile caracterizează și virușii, formele cel mai des întâlnite fiind elicele si icosaedrele.[5]

Exemplele ar putea continua, însă ne oprim aici. Esențial în toate acestea este faptul neașteptat, dar dovedit, că natura posedă structuri identice cu unele construcții matematice.[6] Într-o carte intitulată The Loom of God (într-o traducere aproximativă Ghergheful lui Dumnezeu), apărută în 1997 în SUA, un matematician de la IBM scria:

Nu știu dacă Dumnezeu este matematician, dar matematica este războiul de țesut la care Dumnezeu făurește structura universului. […] Faptul că realitatea poate fi descrisă sau aproximată prin expresii matematice simple îmi sugerează că natura are matematică în miezul ei.[7]

Desigur, un rol esențial în evidențierea acestor simetrii l-a avut însuși observatorul, însă este greu de stabilit cu precizie cât anume din matematica naturii este rodul propriilor lui proiecții. Aceasta pentru că în multe situații și oamenii au învățat matematică de la natură.[8] Faptul că legile naturii sunt susceptibile de matematizare arată că ordinea acesteia nu este doar impresia unui poet sau artist care o idealizează, reținând din ea ceea ce pare a fi armonios.

Regularitățile și matematica naturii sunt pur și simplu consistente[9] și, într-un fel aproape inevitabil, situația aceasta naște unele întrebări: cum și, mai ales, de ce există atâta matematică în natură? Fizicianul Paul Davies, provocat de întrebări de acest fel, declara într-un discurs că „este imposibil să fii om de știință, chiar om de știință ateu, și nu fii izbit de frumusețea, armonia și ingeniozitatea naturii”.[10]

Autor: Diac. dr. Adrian Sorin Mihalache

Sursa: Lumina celui nevăzut: o privire teologică în raționalitatea Creației și teoriile științifice recente despre Univers, vol. 1, p. 25-30

---

[1] I. Stewart, Numerele Naturii…, p. 13.

[2] Câteva date despre acestea, în: National Geographic Romania, apr. 2008, pp. 98-120.

[3] I. Stewart, Numerele Naturii…, p. 35.

[4] I. Stewart, Numerele Naturii…, p. 35.

[5] I. Stewart, Numerele Naturii…, p. 97.

[6] Clifford D. PICKOVER, „Neoreality and the Quest for Transcendence”, în: Charles L. HARPER Jr. (ed.), Spiritual Information. 100 Perspectives on Science and Religion, Templeton Fundation Press, West Conshohocken, PA, 2005, p. 241.

[7] Mario Livio, Secțiunea de Aur. Povestea lui phi, cel mai uimitor număr, Ed. Humanitas, București, 2005, p. 277.

[8] D. RATZSCH, The Battle of Beginnings…, p. 103.

[9] Pentru o prezentare a principalelor curente din diversele ramuri ale filosofiei ce abordează aceste legături, vezi: Ilie PÂRVU, Introducere în epistemologie, Ed. Polirom, Iași, 1998, pp. 143-178 și 203-253. Pentru o abordare minuțioasă cu privire la implicațiile relativității restrânse, ale relativității generale și ale mecanicii cuantice “in modul cum sunt înțelese și reprezentate spațiul, timpul sau energia în știință și filosofie, vezi: Peter MITTELSTAEDT, Probleme filosofice ale fizicii, Ed. Științifică, București, 1971. Pentru o abordare exhaustivă a modelelor cosmologice vehiculate până, la mijlocul secolului trecut, vezi: Jacques MERLEAU-PONTY, Cosmologia secolului XX: studiu epistemologic istoric al teoriilor cosmologice contemporane, Ed. Științifică și Enciclopedică, București, 1978. Pentru abordarea filosofică a mecanicii cuantice în chestiunea determinismului, vezi: Ernst CASSIRER, Determinism and Indeterminism in Modern Physics: Historical and Systematic Studies of the Problem of Causality, trad. Theodor Benfey, Yale University Press, New Haven, 1956. Pentru alte considerații privind relația dintre matematică, fizică și filosofie, într-o prezentare accesibilă și cuprinzătoare, vezi: M. HELLER, “Esential Tension…”, p. 42-52. Din perspectivă teologică, așa cum se va vedea, faptul că învățăm și din natură arată că lumea ne-a fost dată ca o „școală” spre creșterea noastră spirituală. Relația dintre ordinea naturii, legile fizicii, matematică și mintea umană este un subiect analizat în detaliu în filosofie, în special în filosofia științei, filosofia matematicii sau filosofia fizicii.

[10] „Ceea ce mă impresionează cel mai mult – continuă Paul C.W. Davies în discursul de la decernarea premiului Templeton – este tocmai substratul matematic al naturii” (apud Joseph M. ZYCINSCKI, Between Mathematics and Transcendence„ Search for the Spiritual Dimension of Scientific Discovery, în: Charles L. HARPER Jr. [ed.], Spiritual Information, p. 209).