Dumnezeu este lumina, asa cum marturisim în Crez despre Fiul Sau, Domnul Iisus Hristos, ca este "lumina din lumina". Lumina este pomenita în rugaciunile noastre aproape în fiecare fraza. Dumnezeu este "Lumina cea neapropiata si pururea fiitoare" (Sf. Vasile cel Mare) sau "Lumina cea în trei straluciri" (Sf. Simeon Noul Teolog), caruia ne rugam "lumineaza haina sufletului meu, Datatorule de lumina". Iar în Doxologie cântam "întru luminaTa vom vedea lumina" (Psalmul 35), cuvinte cu profunde întelesuri, ce stau la baza marii teologii isihaste a luminii si a energiilor necreate pe care a aparat-o si formulat-o Sfântul Grigorie Palama în secolul al XIV-lea. Una este lumina ce nu e data spre vedere pe pamânt decât sfintilor, lumina ce nu poate fi înteleasa si alta lumina creata, lumina de zi cu zi pe care o vedem cu totii din mila Domnului. Aceasta lumina fizica creata, cu profunzimile ei impresionante, ne poate da o "impresie" pamânteasca a luminii necreate. Fascinatia fizicii fata de lumina si fenomenele ei este inegalabila, iar folosul practic al luminii este desigur evident pentru toata lumea. Asta a determinat ca anul 2015 sa fie numit "Anul International al Luminii"1. Viteza luminii este declarata una din unitatile de masura de referinta ale lumii fizice, metrul ca unitate de lungime deducându-se din viteza luminii si unitatea de timp, secunda, aceasta, la rândul ei având ca baza de definitie tranzitii atomice cu emisie si absorptie de lumina.
Istoria investigatiilor asupra luminii are desigur aceeasi vârsta cu omul, însa aceste investigatii au devenit realiste si precise abia în ultimele trei secole. Faptul ca lumina este "compusa" din culori a fost descoperit în sec. al XVII-lea (1666) de catre Newton, studiind fenomenul de difractie. Curcubeul este ilustrarea acestui fenomen, culorile fiind separate la trecerea luminii prin picaturi de apa, precum în nori sau ploaie (de asta curcubeul este observat cel mai adesea dupa ploaie, când soarele îsi trimite razele printr-o crapatura de nori). Este interesant ca abia în anul 1855 s-a reusit (de catre Maxwell) demonstratia ca orice variatie de culoare poate fi produsa pe baza a trei culori fundamentale. Studiile fizice au aratat în sec. al XIX-lea ca lumina este absorbita si emisa de materie si ca fiecare element chimic îsi lasa o amprenta specifica, unica, în lumina.
Lumina a fost înteleasa timp de câteva secole ca si fenomen de unde, la fel cum sunetele sau valurile sunt unde de materie, de compresie sau, respectiv, de simpla deplasare. Prezicerea matematica (de catre Maxwell, în anul 1864) si apoi descoperirea undelor radio (de catre Hertz, în 1888), cu viteza de propagare egala cu cea a luminii (de aproximativ 300 de mii de km pe secunda), a dus la concluzia ca lumina vizibila este doar o parte din fenomenele pe care le numim "electromagnetice". Acestea sunt descrise teoretic ca oscilatii cuplate ale câmpurilor electric si magnetic, oscilatii care au loc de aproximativ un milion de miliarde de ori pe secunda (pentru comparatie, frecventa sunetelor audibile este de câteva mii de ori pe secunda, iar frecventa undelor radio este de pâna la 100 de milioane de ori pe secunda).
Lumina si în general radiatia electromagnetica a dus la primul formalism matematic modern de descriere a naturii, ecuatiile lui Maxwell, formalism care, cuplat la începutul secolului XX cu mecanica cuantica si mult adâncit si completat în ultima jumatate de secol, este la baza întelegerii moderne a materiei, luminii si fortelor fundamentale: teoria cuantica a câmpurilor.
Razele X, descoperite de Roentgen în anul 1896, sunt un exemplu de lumina invizibila în mod direct, dat fiind ca este caracterizata de o frecventa de oscilatie mai mare decât domeniul de sensibilitate a ochiului uman. Razele X pot fi înregistrate pe film sau cu detectori specializati si sunt de mai mult de un secol în serviciul medicinii. Caldura este o alta forma de lumina, o lumina cu frecventa de oscilatie mai mica decât cea perceputa de ochi (de aceea, radiatia caldurii este numita radiatie infrarosie). Este însa usor de constat vizual ca un material la temperatura înalta, cum ar fi lemnul care arde, sau filamentul unui bec, emite, pe lânga caldura, si lumina.
Când toate aceste fenomene au devenit clare, la sfârsitul secolului al XIX-lea, a ramas misterul propagarii luminii. Se stia ca sunetul are nevoie pentru a se propaga de materie, ca aerul sau apa, însa lumina parea ca se propaga si în absenta materiei. S-a presupus ca ar fi nevoie de un mediu special de propagare pentru lumina, care a fost numit "eter", însa experimentele au aratat convingator absenta eterului. Einstein a fost acela care a postulat ca lumina se propaga în vid, viteza ei fiind viteza maxima posibila. Pe aceasta baza Einstein a construit în anul 1905 celebra sa teorie a relativitatii. Aceasta avea sa se dovedeasca esentiala pentru întelegerea ulterioara a structurii lumii subatomice, dar si la nivel macroscopic, de exemplu în sistemul de pozitionare GPS si în telecomunicatii în general.
În anul 1900, Planck a ajuns, printr-o analiza teoretica a datelor experimentale, la concluzia ca radiatia electromagnetica, deci lumina, nu poate fi absorbita sau emisa continuu, ci în multipli ai unei cantitati minime, care este dependenta de (proportionala cu) frecventa de oscilatie. Aceasta cantitate minima, sau cuanta de energie, cu toata dimensiunea ei infinitezimala, sugereaza caracterul limitat al rezolutiei noastre de percepere si manipulare a energiei la nivel (sub)atomic.
Anumite caracteristici neîntelese ale absorbtiei luminii l-au determinat pe Einstein sa propuna în 1905 ca explicatie faptul ca lumina este compusa din particule individuale, corpusculi numiti fotoni. Neavând masa, fotonii sunt energie pura - si numai ei pot atinge viteza maxima, viteza luminii. Aceasta propunere îndrazneata a fost apoi confirmata de multiple experimente si, împreuna cu ipoteza cuantica a lui Planck, a stat la baza crearii mecanicii cuantice, teoria fenomenelor la scala atomica. Dupa descoperirea nucleului atomic de catre Rutherford si Geiger în anul 1912, Bohr a propus un model al atomului în care lumina si aspectul ei cuantic joaca un rol fundamental. Nivelele energetice ocupate de electronii unui atom determina frecventa de absorbtie si emisie a luminii. Acest pas în întelegerea structurii cuantice a materiei a dus la întelegerea legaturii intime între lumina si materie. În planul practic, avem exemplul iluminarii cu neon, a diodelor luminiscente (LED), sau a laserului, exemple clare ale fenomenelor cuantice.
Întelegerea cuantica a luminii a adus si un mister, cel al dualitatii unda-corpuscul: lumina se manifesta în anumite conditii ca unda (ca de exemplu în fenomenul de interferenta) iar în alte conditii ca particula (ca în efectul fotoelectric explicat de Einstein prin inventia fotonului). O propunere îndrazneata a lui de Broglie (1924), ca si particulele de materie se comporta ca unde, a fost verificata initial pentru electroni apoi si pentru alte particule, devenind astfel un principiu al fizicii cuantice, principiu misterios, acceptat din respect pentru lumea observata experimental. Acest mister l-a facut probabil pe Einstein sa declare în anul 1916 ca "pentru restul vietii as vrea sa ma gândesc la ce este lumina". Cum "cele nevazute ale Lui prin cugetare se vad din fapturi" (Rom, 1, 20), putem crede ca aceasta misterioasa dualitate unda-corpuscul este fenomenul natural prin care putem întelege, sau mai degraba accepta, crede în, misterul unirii neamestecate a firii lui Dumnezeu cu cea umana în persoana Mântuitorului Hristos.
Mecanica cuantica a mai adus o noutate misterioasa: concluzia ca particulele subatomice nu pot fi localizate cu precizie, ci doar cu o anumita probabilitate. În plus, cu toata evidenta legaturii profunde dintre lumina si materie, cele doua entitati ramân distincte în ce privestelegile ce le guverneaza abundenta la nivel cuantic, asa numita statistica cuantica, propusa de Bose în anul 1924. Aceasta face distinctie pe baza unui numar cuantic numit spin, care este egal cu unu pentru foton (lumina) si semi-întreg (1/2, 3/2, etc.) pentru particulele elementare de materie, cum ar fi electronii sau cuarcii ce compun protonii si neutronii din nucleul atomic.
Lumina si caldura ne vin de la soare si ne sunt de neaparata trebuinta pentru viata. Luna, "luminatorul mic" dupa cum o numesc rugaciunile noastre, nu produce lumina ea însasi, ci doar reflecta lumina soarelui. Stelele ce le vedem pe cer sunt sori ca si soarele nostru, unele chiar de zeci de ori mai mari decât soarele, aflate însa la distante enorme, de pâna la zeci de ani-lumina. Astfel, comparatia lui Eminescu, "cum e Fecioara între sfinti / si luna între stele" asa inspirata pentru a ilustra unicitatea, sau o diferenta esentiala, apare nu tocmai adecvata în lumina cunostintelor actuale ale stiintei.
Cum este lumina produsa în soare si în alte stele? În centrul soarelui, unde temperatura este de aproximativ 10 milioane de grade, au loc reactii de fuziune nucleara, prin care materia este convertita în energie (pe baza unei celebre formule a lui Einstein, E = mc2, în care E este energia, m masa, iar c este viteza luminii). Aceasta se petrece într-un lant de procese, în care este implicata dezintegrarea (transformarea) protonului în neutron pentru a forma deuteriul, precum si anihilarea antimateriei cu materia pentru a produce lumina. Emisa cu o energie mult prea mare pentru a fi detectata de ochiul omenesc sau pentru a fi de folos vietii pe pamânt, lumina "calatoreste" spre periferia solara, cam 600 de mii de km, timp de o suta de mii de ani. Aceasta calatorie este un imens zig-zag în care lumina este absorbita de materia solara si emisa la loc de un numar imens de ori, proces prin care energia i se micsoreaza cam de un milion de ori, facând ca energia din fenomenul de fuziune nucleara sa ne parvina sub forma de lumina vizibila. Lumina calatoreste apoi prin spatiul gol de la soare la pamânt, aproximativ 150 milioane de kilometri, în doar 8 minute.
Este interesant de stiut ca soarele, ca si oricare alta stea, are o durata limitata de viata, chiar daca aceasta este foarte mare, de cam 10 miliarde de ani. Moartea stelara este un fenomen universal. Stelele mor la terminarea combustibilului nuclear (în principal protoni).
Fenomenele complexe ale mortii stelare au fost întelese abia în a doua jumatate a secolului XX. Cu un secol mai înainte, Eminescu ne-a dat, în poezia La steaua, o imagine poetica plina de exactitate: Icoana stelei ce-a murit / Încet pe cer se suie: / Era pe când nu s-a zarit, / Azi o vedem si nu e. Stelele cu masa cam de 10 ori mai mare decât a soarelui mor într-o explozie uriasa (stagiu numit supernova), în care emit, pe o durata de câteva saptamâni, o cantitate de lumina echivalenta cu a 100 de miliarde de stele.
Mai mult, aceasta lumina este produsul fenomenelor nucleare în care se formeaza elementele chimice mai grele decât fierul, elemente ce sunt vitale tehnologiei lumii moderne. Elementele chimice pâna la fier, vitale corpului uman, sunt produse prin fenomenul de fuziune nucleara în interiorul stelelor si ne-au fost puse la dispozitie în sistemul solar de catre supernove.
Lumina, fotoni de energie mult mai mare decât a luminii vizibile, produsi la interactia electronilor cu nuclee sau cu constituentii lor, protonii si neutronii, ne-a ajutat sa descoperim si sa studiem doua noi nivele ale structurii sub-nucleare: distributia protonilor si a neutronilor în nucleul atomic si prezenta cuarcilor în protoni si neutroni. Cei trei cuarci din interiorul protonului poarta fiecare o valoare diferita a unui numar cuantic abstract, care poate avea trei valori distincte, dându-i-se, prin analogie cu lumina, numele de culoare. Mai mult, în aceste studii s-au demonstrat prezenta gluonilor, particule ce leaga, tin, cuarcii în protoni si neutroni. Gluonii sunt cei care transmit forta nucleara, asa cum lumina transmite forta electromagnetica. Este interesant ca gluonii au aceleasi proprietati cuantice ca si lumina, deci putem afirma ca sunt un fel de lumina "ascunsa" în materie. Aceasta pseudo-lumina, care este energie pura, confera într-o mare masura masa (greutatea) materiei, dupa aceeasi formula, E = mc2. Trebuie spus ca gluonii, ca si cuarcii, nu pot exista liberi, sunt adica pentru totdeauna ascunsi în materie, in asa-numitii hadroni, particule compuse din cuarci si/sau anticuarci. Hadronii pot fi produsi "artificial" din energie si exista liber, dar, cu exceptia protonului, se dezintegreaza în timpi foarte scurti.
Un al treilea fel de lumina este cel al particulelor elementare care guverneaza dezintegrarea nucleara, bozonii W± si Z0. Dezintegrarea nucleara este un fenomen universal în care particulele elementare îsi schimba identitatea. Acest fenomen este caracterizat de asanumita forta nucleara slaba, una din cele patru interactii fundamentale (alaturi de gravitatie, electromagnetism si forta nucleara tare, ce tine protonii si neutronii în nucleele atomice).
Studiul dezintegrarii bozonului Z0 au demonstrat ca exista trei generatii de constituenti fundamentali ai materiei, cuarci si asa-zisii leptoni, cum ar fi electronul si neutrinul. O generatie este stabila, formând materia atomica a lumii vizibile, celelalte 2 generatii pot fi produse din energie în acceleratori de particule (cum ar fi cel de la CERN, Large Hadron Collider) sau în atmosfera terestra prin coliziuni ale razelor cosmice cu nuclee atomice ale aerului. Cu aceleasi proprietati cuantice ca si lumina si direct legati de lumina într-un formalism teoretic ce unifica interactia slaba cu cea electromagnetica, bozonii W± si Z0 sunt totusi fundamental diferiti de lumina prin aceea ca poseda masa. Greutatea lor a fost imaginata ca provenind dintr-o rupere de simetrie petrecuta în universul primordial, într-o infima fractiune (o miliardime) de secunda a Creatiei. Aceasta idee teoretica, propusa în anul 1964 de catre Higgs si alti cercetatori, duce la existenta unui bozon special, numit bozonul Higgs, ce a primit si denumirea mediatica de “particula lui Dumnezeu", prin asocierea cu primele momente ale Creatiei. Descoperit experimental la CERN în 2012, dupa un imens efort de zeci de ani la care au participat mii de cercetatori, bozonul Higgs confirma întelegerea de detaliu pe care fizica moderna a acumulat-o asupra structurii si interactiei materiei si luminii. Remarcabil, bozonul Higgs are o greutate comparabila cu a unui nucleu atomic mediu si se dezintegreaza (printre alte posibilitati) în 2 fotoni, deci în lumina. Vedem aici din nou legaturi profunde între lumina si alte particule elementare, legaturi pâna de curând ascunse.
O mare surpriza, o descoperire cu totul neasteptata si întâmplatoare a fost descoperirea în anul 1965 a unei lumini ascunse a universului, invizibila ochiului, dar detectabila cu instrumente speciale. Numita radiatia cosmica de fond, a fost curând înteleasa ca fiind o lumina primordiala, produsa în primele momente ale Creatiei. Deci o lumina diferita de cea emisa de stele, ce nu existau înca în acele momente. Dealtfel, Psalmistul ne aminteste zicând “Tu ai întemeiat lumina si soarele" (Psalmul 73) ca în Cartea Facerii ni se spune ca întâi a fost lumina si apoi au fost creati "luminatorii", adica soarele, stelele si luna. Aceasta lumina, învechita de miliarde de ani, este poate "haina lui Dumnezeu", daca ne gândim la cuvintele Psalmistului "Cel ce te îmbraci cu lumina ca si cu o haina" (Psalmul 103).
Fizica actuala întelege aceasta lumina primordiala ca rezultat al anihilarii materiei si antimateriei ce ar fi existat în proportii aproape egale la crearea universului. Materia a fost însa cu o fractiune de unu într-un miliard mai abundenta decât antimateria, aceasta infima fractiune ducând la universul format doar din materie a carui parte suntem si pe care-l cunoastem si studiem azi. Legile fizicii nu fac distinctie între materie si antimaterie, deosebirea fiind doar la nivelul numerelor cuantice ce caracterizeaza particulele elementare.
Astfel, în fizica, prefixul "anti" nu are nici o conotatie negativa, este un simplu nume care denota opusul din punct de vedere al numerelor cuantice (numerele cuantice sunt pozitive sau negative; de exemplu, electronul are sarcina electrica negativa, iar antielectronul, numit deasemenea pozitron, are sarcina pozitiva). Abundenta luminii primordiale în comparatie cu abundenta materiei în univers ne demonstreaza excesul primordial de materie asupra antimateriei, însa acest exces, asa infim cum este, ramâne un mister al fizicii contemporane, fara o explicatie plauzibila.
În urma expansiunii universului primordial si racirii lui, lumina primordiala a suferit o scadere a frecventei de unda, ce o face astazi invizibila. Este însa prezenta, o demonstreaza masuratorile sofisticate efectuate pe durata a câtorva zeci de ani, care au dus la o cunoastere detaliata a universului primordial, dar si la mistere adânci. S-a ajuns astfel la concluzia ca universul este isotrop (are aceasi compozitie în orice directie am privi) si aproape perfect omogen la scara cosmica. S-a putut masura o deviatie de la omogenitate în radiatia cosmica de fond de 1 la 100000 si ipoteza cea mai plauzibila este ca aceasta deviatie este rezultatul unor fluctuatii cuantice la momentul Creatiei (foarte aproape de începutul timpului). Acea mica deviatie de la omogenitatea perfecta a fost suficienta pentru ca mai târziu, puternic amplificata de expansiunea universului si de caracterul atractiv al fortei gravitationale, sa duca la aglomerari de materie care au dat nastere actualelor galaxii, grupuri de câte aproximativ 100 de miliarde de stele.
Structura luminii primordiale ne da posibilitatea de a determina vârsta actuala a universului, care este de 14 miliarde de ani. Aceasta vârsta ne duce cu gândul la cuvintele Psalmului 89: "Ca o mie de ani în ochii Tai, Doamne, sunt ca ziua de ieri care a trecut si cât o straja în noapte". Stiind din studiile secolului XX temperatura la care lumina s-a putut separa de materie, putem spune ca asta s-a întâmplat când universul avea vârsta de 380000 de ani. De atunci, lumina vizibila, corespunzând temperaturii de 3000 de grade, s-a învechit ajungând la actuala temperatura de -270 de grade, care este temperatura medie a universului (prin comparatie, vecinatatea noastra de soare este ceva remarcabil de diferit de restul universului). Aceasta "învechire" a luminii primordiale se datoreaza, explica fizica actuala, expansiunii universului, care a ajuns sa aiba actualmente o raza gigantica de 14 de miliarde de ani-lumina si o densitate mult mai mica decât aceea de la Creatie. Profetia universului dinamic o avem exprimata cu o forta extraordinara în Psalmul 101: "Cerurile sunt lucrurile mâinilor tale; ele vor pieri, dar Tu ramâi si toate ca o haina se vor învechi; ca pe o velinta le vei împatura si se vor schimba, dar Tu acelasi esti si anii Tai nu se vor sfârsi."
Lumina primordiala a fost nu numai o descoperire suprinzatoare prin ea însasi, ci ne-a oferit mai de curând o surpriza de proportii: ne arata ca materia atomica din care sunt facute stelele si planetele si noi însine este doar 5% din totalul energetic al universului. Restul de 95% este cam un sfert asa-numita "materie întunecata" si trei sferturi "energie întunecata", numele semnificând faptul ca aceste componente nu interactioneaza defel cu lumina. Originea acestor doua componente este cu totul necunoscuta, fiind obiectul cercetarilor de vârf din fizica actuala.
Aceste descoperiri sofisticate asupra luminii, a interactiei ei cu materia si a unor forme speciale de lumina, descoperiri care, înca o data, se refera doar la a 20-a parte din totalul energetic al universului, ne duc cu gândul la remarca Sfântului Ioan Gura de Aur asupra Creatiei: "Nimic nu s-a facut în zadar, nimic nu s-a facut fara rost!" (Omilii la Facere) si la Psalmul 18, al carui început este: "Cerurile povestesc marirea lui Dumnezeu si facerea mâinilor Lui o vesteste taria! Ziua-i spune zilei cuvânt si noaptea-i vesteste noptii cunoastere." Noaptea noastra de cunoastere, ignoranta noastra, este luminata de întunericul interstelar prin radiatia cosmica de fond, amprenta luminoasa, desi vizibila doar cu detectori sofisticati, a Creatiei.
Cu toata incapacitatea actuala de a sti mai mult asupra a 95% din componenta universului, putem spune însa ca aceste componente, cunoscute sau înca misterioase, precum si taria fortelor fundamentale nu pot avea alte valori decât cele pe care le masuram. Orice mica deviatie de la aceste valori ar face existenta universului fizic imposibila. Putem spune ca legile fizicii au fost facute astfel încât noi sa le putem studia. Dealtfel, simpla existenta a unor legi fizice, aceleasi acum ca si la începutul Creatiei, precum si capacitatea noastra abstracta (matematica) de a le exprima este un mister, un dar unic pentru care trebuie sa fim recunoscatori Creatorului, "Tatal atottiitorul, Facatorul cerului si al pamântului, a tuturor celor vazute si nevazute". Desigur ca nu numai bozonul Higgs este particula lui Dumnezeu, ci si toate celelalte particule elementare, precum si legile ce le guverneaza - si noi oamenii, încununare a Creatiei.
Dr. Anton Andronic, Darmstadt, 7.04.2015
