Curceanu, despre fizică și astronomie, un interviu dedicat tinerilor pasionați de știință

Cătălina Curceanu se „joacă” cu „nevăzutul”. Îl măsoară, îl pune să interacționeze, îl descoperă. Un om de știință pasionat, care vrea să explice teoriile, să popularizeze fizica, Cătălina Curceanu ne vorbește despre găurile negre, mecanica cuantică, neutrini, într-un interviu despre fizică și astronomie, un interviu pe care îl dedică tinerilor pasionați de știință din România și Ucraina.

Sorin Ion, Planetariul Brașov: Cum ați fost atrasă de fizică?
Cătălina Curceanu: Încă de mică eram foarte curioasă – întrebam mereu ce, cum, de ce. Știința m-a pasionat practic dintotdeauna. Bunica mea locuia într-o casă izolată la Mediaș și petreceam acolo verile cu familia. În nopțile de vară – departe de luminile orașului – se vedeau mii de stele. Le priveam cu tatăl meu și continuam să îl întreb din ce sunt făcute, cât de departe sunt, dacă mai există alte ființe în Univers. Mi-a fost clar încă de atunci că voi studia știința. Am avut și norocul să am profesori minunați. Liceul l-am făcut la Măgurele, București, faimosul Liceu de Matematică și Fizică numărul 4, care era lipit de Facultatea de Fizică. Pasiunea mea pentru știință nu a făcut decât să crească și am ajuns așa la Facultatea de Fizică de la Măgurele (București), practic mutându-mă, față de liceu, în clădirea apropiată. La facultate, m-am specializat în fizica particulelor elementare și fizica nucleară. Ah, fizica nucleară este cea care explică, printre altele, ce se petrece în inima stelelor, unde au loc procese de fuziune nucleară care le mențin în viață pe o durată mai mult sau mai puțin lungă, în funcție de masa stelei.

Ce e fizica, mecanica cuantică și de ce avem nevoie de ea?
Nu e vorba că avem nevoie de ea – fizica cuantică este acolo, în natură și în univers. Mecanica cuantică, teoria care s-a născut acum circa 100 de ani, explică comportamentul particulelor, al atomilor și al moleculelor – sisteme pentru care nu mai funcționează așa-numita mecanică clasică (cea a lui Galileo Galilei și a lui Newton). Faptul că am reușit să „descoperim” această teorie ne ajută să o folosim inclusiv în diverse tehnologii – precum tranzistorul – sau – se speră – viitorul computer cuantic. Din acest punct de vedere, avem nevoie de ea – în sensul că acest lucru ne demonstrează cât e de importantă cercetarea fundamentală, care descopera legile Naturii și ale Universului. Atunci când le descoperi, reușești și să le folosești.

Alături de Sir Roger Penrose (maetematician și fizician distins cu Premiul Nobel în 2020)
Alături de Sir Roger Penrose (matematician și fizician distins cu Premiul Nobel în 2020)

Să fie fizica, mecanica cuantică o sperietoare pentru oameni pentru că e greu de înțeles sau pentru că nu este explicată îndeajuns la școală sau prin alte mijloace de diseminare?
Bună întrebare! Fizica cuantică nu este așa de ușor de explicat, comportamentul particulelor – inclusiv dualismul undă-corpuscul, sau suprapunerea de stări, sunt fenomene cuantice cu care inclusiv noi, cercetătorii, încă ne luptăm să le înțelegem semnificația. Știm că este așa și că funcționează, însă așa-numita interpretare a mecanicii cuantice este dezbătută. Cred însă că, într-adevăr, mecanica cuantică nu este deloc bine explicată – nici la școală, nici largului public. Ba mai mult, mulți sunt cei care dau explicații… aiurea sau chiar înșelătoare. Precum vindecarea cuantică, creierul cuantic și așa mai departe. O lume de șarlatani cuantici. Ar fi necesară o educație cuantică, încă de pe băncile școlilor. Pentru aceasta însă avem nevoie de profesori pregătiți – capabili să explice această teorie minunată.

Cum credeți că este făcută promovarea științei în zilele noastre?
Lumea este din ce în ce mai orientată spre o pseudoştiinţă de larg consum. Promovarea ştiinţei de multe ori este o pseudo-promovare – de exemplu multe din transmisiunile de la TV care chipurile ar vorbi despre ştiinţă sunt senzaţionaliste, false sau, şi mai rău, mistice! S-au reîntors ghicitorii şi magii… Politicienii, care mai de care, vorbesc despre importanța ştiinţei – puțini însă ştiu ce este şi ce face ştiinţa… şi asta, pe lângă a fi un păcat, este un pericol!!!

La ce proiecte lucrați în acest moment?
Unul de fizică nucleară – cu un experiment, SIDDHARTA-2, la acceleratorul DAFNE de la laboratorul la care lucrez de la Frascati la INFN-LNF. În acest experiment generăm atomi exotici, înlocuind electronii cu kaoni (particule generate la accelerator formate din cuarci – unul dintre aceștia este așa-numitul cuarc „strange”, care nu există în materia normală). Studiul acestor atomi exotici ne ajută să înțelegem mai bine interacțiunea nucleară puternică între cuarci, inclusiv stelele de neutroni, care ar putea avea în interior cuarci „strange”.
Al doilea experiment este de mecanică cuantică, la laboratorul subteran de la Gran Sasso. Experimentul VIP are obiectivul de a măsura eventuale semnale ale unei teorii dincolo de mecanica cuantică. Încercăm să formăm atomi care nu respecta bine-cunoscutul Principiu de Excluziune a lui Pauli (n.n. – doi fermioni identici nu pot ocupa aceeași stare cuantică simultan) și să descoperim semnale ale unei teorii care modifică actuala teorie cuantică (așa-numitele modele de colaps dinamic).

De ce credeți că s-a ”speriat” Albert Einstein de principiul incertitudinii?
Lui Albert Einstein nu i-a plăcut în final noua teorie la care a contribuit în mod semnificativ (prin explicația pe care a dat-o efectului fotoelectric) întrucât mecanica cuantică este o teorie probabilistică – nu putem ști, de exemplu, când o particulă se dezintegrează – putem doar calcula viața medie. Adică, unele particule se pot dezintegra într-un minut, altele în 10 zile. Einstein dorea o teorie care să fie deterministică, o teorie obiectivă, crezând că există variabile ascunse care – dacă le-am cunoaște – ne-ar ajuta să avem această nouă teorie în locul mecanicii cuantice. Ar fi multe de spus, dar nu vreau să scriu un tratat.

Să însemne un Model Standard complet o revoluție la fel de mare în fizică ca și relativitatea generală? Ar avea același impact pentru lucruri pe care le vom inventa sau inova în viitor?
Modelul Standard are la bază teoria relativității și mecanica cuantică. Nu sunt teorii diferite!!! Deci, când vorbim de Modelul Standard implicit vorbim de teoria relativității restrânse. Relativitatea generală pe de altă parte este o teorie care are de-a face cu gravitația – aceasta nu este conținută în Modelul Standard care explică trei din patru interacțiuni pe care le cunoaștem: nucleara tare, nucleara slabă și electromagnetică. Relativitatea generală leagă spațiul și timpul de conținutul de materie și energie din Univers.
Modelul Standard este o teorie pe care o folosim să explicăm materia și „forțele” (mai puțin gravitația) pe care le cunoaștem. În acest sens, o folosim deja în înțelegerea fenomenelor naturii și, de exemplu, în multe aplicații mai mult sau mai puțin direct, precum ar fi acceleratoarele de particule, care sunt folosite atât pentru studiul legilor naturii dar și în terapia cancerului, în așa-numita tehnică de terapie cu protoni (sau ioni de carbon). O altă aplicație indirectă este cea a tomografiei cu emisie de pozitroni, care reconstruiește o imagine tri-dimensională a interiorului corpului nostru folosind pozitronii (antiparticulele electronilor) emiși în procese radioactive (și aici ar fi multe de povestit).

De câteva decenii putem vedea lumea și altfel, nu numai cu ajutorul undelor electromagnetice, măsurând undele gravitaționale sau vizualizând urmele lăsate de neutrini. Ce au adus în plus cele două noi posibilități de observație a cosmosului?
Este într-adevăr o revoluție: posibilitatea de exemplu de a observa Universul cu unde gravitaționale ne ajută să vedem lucruri care erau invizibile cu undele electromagnetice, precum sisteme binare de găuri negre. O hartă a Universului în unde gravitaționale (sau neutrini)! Cine știe ce descoperim? Poate vom vedea un Univers diferit față de cel electromagnetic. Este foarte interesant – așa-numita astronomie multi-mesager.

Am primit o întrebare la Planetariul Brașov, care m-a lăsat fără răspuns: ”De ce există neutrini?”…
La fel de bine am putea să ne întrebăm de ce există electroni sau cuarci! Întrebarea nu este de ce există, ci care sunt proprietățile și interacțiunile. Neutrinii sunt cele mai fascinante particule din Modelul Standard. Știm că au masă (oscilația neutrinilor) dar este atât de mică că nu am fost capabili să o măsurăm până în prezent. Nu știm dacă neutrinii și antineutrinii sunt particule diverse sau una și aceeași particulă. Răspunsul la aceste întrebări are de a face inclusiv cu misterul dispariției antimateriei din Univers imediat după Big Bang. Acesta este explicat prin posibila diferență între legile de comportament ale materiei față de cele ale antimateriei. Încă nu știm cum se comportă neutrinii și mai multe experimente încearcă să descopere acest lucru.

Este gravitația o forță? Sau este o deformare a spațiu-timpului generată de obiectele cu masă? Ce ar însemna de fapt descoperirea particulei purtătoare a interacțiunilor gravitaționale?
Depinde de teorie. În cea a lui Newton este o forță. În cea mai recentă, a lui Einstein, este o deformare a geometriei spațiului și a timpului generată de materie și energie. În viitor – dacă vom reuși să descoperim o teorie cuantică a gravitației – ar putea fi o interacțiune care are un intermediar: gravitonul! Relativitatea generală nu este o teorie cuantică, ci clasică! Nu știm încă deci dacă există o teorie cuantică a gravitației – dacă am descoperi gravitonul ar fi implicit o demonstrație a existenței acestei teorii. Există mai multe versiuni: precum teoria corzilor (string) sau quantum loop, însă nu știm dacă una dintre ele este corectă sau nu. Sunt înca multe de făcut și de descoperit și multe experimente la ora actuală încearcă să facă pași înainte în această direcție.

Se vorbește despre găurile negre că au singularități, zone ce nu pot fi descrise de ecuații… Totuși sunt găuri negre de mai multe mărimi, drept urmare ar părea normal ca în centru să aibă singularități diferite. Este vorba de un punct de singularitate, de o zonă cu densitate și masă uriașe, de un obiect comprimat foarte puternic dar care nu ajunge niciodată un punct sau de o ruptură a spațiu-timpului?
Nu știm! Teoria actuală nu este capabilă să ne spună ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre, tocmai pentru că se ajunge la o singularitate – o deformare fără limite a spațiului și a timpului asociată cu gravitație infinită. Gravitație infinită este fără sens! Aceasta este o limită a teoriei – relativitatea generală a lui Einstein. Până când nu vom cunoaște teoria capabilă să descrie găurile negre nu vom avea răspunsul la această întrebare fascinantă.

Undeva în cartea lui Martin Bojowald, Ce a fost înainte de Big Bang, se spune că găurile negre sunt de fapt singularități temporale, un punct în timp și nu un punct în spațiu așa cum este de fapt centrul unei stele. Explică asta mai bine spațiu-timpul din jurul și din interiorul găurii negre?
Cum spuneam, nu știm ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre. De îndată ce trecem de orizontul evenimentelor teoria noastră nu mai are valabilitate. Putem specula – dar nu știm cât de mare adevar există în aceste speculații. Trebuie să descoperim noua teorie.

Dacă trimitem pe cineva într-o gaură neagră, noi cei de pe Pământ nu vom ști niciodată când cel aflat la orizontul evenimentelor a trecut dincolo, ni se va părea o infinitate. Cum am putea afla în situația asta ce se întâmplă lîngă orizontul evenimentelor și în gaura neagră?
Da, bună întrebare. La fel ca în filmul Interstellar – unde 1 oră pe planeta respectivă erau 7 ani pentru cei de acasa. Din acest motiv se speră la studiul găurilor negre microscopice – dacă există (și nu suntem deloc siguri că ar exista). Acestea se evaporă (radiația lui Hawking) – în timpi scurți, și ne-ar ajuta să studiem găurile negre practic în laborator. Dar la ora actuală este science-fiction și nu suntem deloc siguri că vom reuși să studiem acest gen de găuri negre. Totuși, nu avem nevoie să mergem noi înșine către găurile negre, studiul radiației emise de materia capturată de găurile negre precum și al undelor gravitaționale este suficient. Cu experimente din ce în ce mai precise vom reuși să studiem găurile negre din ce în ce mai bine și cine știe ce surprize vom avea!

Gravitația cuantică cu bucle, teoria corzilor (cu variantele sale), cosmologia ciclică conformă (conformal cyclic cosmology, modelul lui Roger Penrose). Care pare a descrie mai bine evoluția Universului?
Nu am preferințe. Eu mi-aș dori să putem dezvolta experimente în laborator sau observații astronomice care să ne îndrume.

Credeți că teoretic am ajuns foarte sus dar încă nu putem să fim acolo și din punct de vedere tehnic? Lipsesc doar banii, investițiile masive în cercetare/dezvoltare, pentru a face aceste ”upgrade-uri”?
Cred că da. Dacă s-ar investi mai mult în cercetare am putea face lucruri minunate. O călătorie mai rapidă spre Marte sau am putea trăi mai bine inclusiv pe Pământ. Cercetarea fundamentală este un adevărat motor al viitorului – doar așa o țară poate progresa. Din acest punct de vedere România este mult în urmă – investește în cercetare o parte extrem de mică din buget, de circa 10 ori mai mică decât statele avansate din acest punct de vedere. Și se vede!

Nimic nu poate călători cu o viteză mai mare decât cea a luminii, ba mai mult, nici măcar nu se poate atinge viteza atâta timp cât ”călătorul” are masă. Să rămânem pesimiști că nu putem circula nici măcar spre sisteme solare apropiate să nu mai vorbim de alte galaxii?
Nimic nu este imposibil (atâta vreme cât e compatibil cu legile fizicii). Rămâne ca tinerii care ne citesc să devină pasionați de aceste întrebări – poate chiar ei vor descoperi metoda de a călători prin Univers cu viteze mult mai mari!

Cătălina Curceanu este o fiziciană română născută la Brașov (stabilită în Italia), absolventă a Facultății de Fizică din cadrul Universității București (șefă de promoție), cu specializare în fizica particulelor elementare și fizica nucleară. Este cercetător principal în fizica experimentală la Laboratori Nazionali di Frascati – Institutul Național de Fizică Nucleară din Italia, unde s-a axat pe studiul experimental al fizicii nucleare și al cromodinamicii cuantice de energii joase, fiind autoarea a peste 300 de articole științifice. Deține numeroase premii importante printre care Emmy Noether Distinction for Women in Physics acordat de European Physical Society, Visiting International Scholar Awards (VISAs), Ordinul „Meritul Cultural” în grad de Cavaler conferit de președintele României Klaus Iohannis sau Tusculanae Scientiae. Popularizează și promovează cu pasiune știința, fiind și autoarea unei cărți, Dai buchi neri all’adroterapia. Un viaggio nella fisica moderna, în italiană, pe care speră să o publice într-un viitor și în limba română.