2
A LA TERRA COM EN EL CEL

Fins que sir Isaac Newton no va escriure la llei de la gravitació universal, ningú no tenia cap raó per suposar que les lleis de la física d’aquí eren les mateixes que per a tota la resta de l’univers. A la Terra hi passaven coses terrenals i al cel hi passaven coses celestials. Segons els ensenyaments cristians de l’època, Déu controlava el cel, convertint-lo en un fet indesxifrable per a les nostres febles ments mortals. Quan Newton va trencar aquesta barrera filosòfica fent comprensible i predictible tot moviment, alguns teòlegs el van criticar perquè no deixava res per fer al Creador. Newton va descobrir que la força de la gravetat que fa caure les pomes dels arbres també guia els objectes llançats al llarg de la seva trajectòria corba i dirigeix l’òrbita de la Lluna al voltant de la Terra. La llei de la gravetat de Newton també guia planetes, asteroides i cometes en les seves òrbites al voltant del Sol, i manté centenars de milers de milions d’estrelles en òrbita dins de la nostra Via Làctia.

Aquesta universalitat de les lleis de la física va impulsar el descobriment científic de manera excepcional. I la gravetat tot just era el principi. Imagina’t l’emoció dels astrònoms del segle XIX quan els prismes per a laboratori, que trenquen els feixos de llum en un espectre de colors, es van dirigir per primera vegada cap al Sol. Els espectres no només són preciosos, sinó que contenen un munt d’informació sobre l’objecte que emet la llum, incloent-hi la seva temperatura i composició. Els elements químics es posen de manifest amb els seus patrons únics de franges clares o fosques que travessen l’espectre. Per gran delit i sorpresa de tothom, les signatures químiques del Sol eren idèntiques que les del laboratori. Ara que ja no era una eina exclusiva dels químics, el prisma va mostrar que malgrat que el Sol és tan diferent de la Terra pel que fa a la mida, la massa, la temperatura, la ubicació i l’aspecte, tots dos contenen la mateixa matèria: hidrogen, carboni, oxigen, nitrogen, calci, ferro, etc. Però a part de la llista d’ingredients compartits, el més important va ser el fet de reconèixer que les lleis de la física que establien la formació d’aquestes signatures espectrals en el Sol eren les mateixes lleis que s’aplicaven a la Terra, a gairebé 150 milions de quilòmetres de distància.

Aquest concepte d’universalitat era tan fèrtil que es va aplicar amb molt d’èxit a la inversa. Una anàlisi més exhaustiva de l’espectre del Sol va revelar la signatura d’un element que no tenia cap equivalent conegut a la Terra. Com que era del Sol, a aquesta nova substància se li va donar un nom derivat de la paraula grega helios (‘el Sol’), i no va ser fins més endavant que es va descobrir al laboratori. D’aquesta manera, l’heli es va convertir en el primer i l’únic element de la taula periòdica que es va descobrir en un lloc que no era la Terra.

Molt bé, les lleis de la física funcionen en el sistema solar, però es poden aplicar a tota la galàxia? A tot l’univers? A través del temps? De mica en mica, les lleis es van posar a prova. Les estrelles més properes també van revelar substàncies químiques conegudes. Les estrelles binàries llunyanes, unides en una òrbita mútua, sembla que ho sàpiguen tot sobre la llei de la gravetat de Newton. I pel mateix motiu, també es pot dir de les galàxies binàries.

De la mateixa manera que els sediments estratificats dels geòlegs serveixen per fer una cronologia dels esdeveniments terrestres, com més lluny mirem en l’espai, més enrere veiem en el temps. Els espectres dels objectes més llunyans de l’univers mostren les mateixes signatures químiques que veiem més a prop en l’espai i en el temps. És veritat que els elements pesants eren menys abundants aleshores —es van produir principalment en posteriors generacions d’explosions d’estrelles—, però les lleis que descriuen els processos atòmics i moleculars que van crear aquestes signatures espectrals es mantenen intactes. En concret, una quantitat coneguda com la constant d’estructura fina, que controla l’empremta bàsica de cada element, s’ha mantingut igual durant milers de milions d’anys.

Per descomptat, no totes les coses ni tots els fenòmens del cosmos tenen equivalències a la Terra. Probablement no has caminat mai a través d’un núvol de plasma brillant a un milió de graus, i estic segur que no t’agradaria gens trobar-te un forat negre pel carrer. El que compta és la universalitat de les lleis físiques que els descriuen. Quan l’anàlisi espectral es va aplicar per primera vegada a la llum emesa per les nebuloses interestel·lars, es va descobrir una signatura que, de nou, no tenia equivalència a la Terra. En aquell moment, la taula periòdica dels elements no tenia cap lloc on poder-hi encabir un nou element. Com a resposta, els astrofísics es van inventar el nom de nebuli de manera provisional, fins que esbrinessin què estava passant. Va resultar que a l’espai, les nebuloses gasoses són tan enrarides que els àtoms passen llargs trams sense col·lidir. En aquestes condicions, els electrons poden fer coses dins dels àtoms que no s’havien vist mai en els laboratoris de la Terra. El nebuli era simplement la signatura de l’oxigen ordinari fent coses extraordinàries.

Aquesta universalitat de les lleis de la física ens diu que si aterrem en un altre planeta amb una civilització extraterrestre pròspera, es regirà per les mateixes lleis que nosaltres hem descobert i hem posat a prova aquí a la Terra, encara que els extraterrestres tinguin creences socials i polítiques diferents. D’altra banda, si volguessis parlar amb els extraterrestres, pots estar segur que no saben anglès, ni francès ni mandarí. I tampoc sabries si encaixar-los la mà —si és que tenen un apèndix que faci de mà— seria considerat un acte de pau o de guerra. Per tant, el millor que podries fer és mirar de trobar una manera de comunicar-t’hi utilitzant el llenguatge de la ciència.

Un intent com aquest es va dur a terme a la dècada de 1970 amb la Pioneer 10 i 11 i la Voyager 1 i 2. Les quatre naus espacials estaven dotades de prou energia, amb l’ajuda de la gravetat dels planetes gegants, per sortir completament del sistema solar.

La Pioneer duia una placa daurada encastada que mostrava, en pictogrames científics, el disseny del nostre sistema solar, la nostra ubicació en la Via Làctia i l’estructura de l’àtom d’hidrogen. La Voyager va anar més lluny i també incloïa un disc d’or amb diversos sons de la Terra, com per exemple el batec del cor humà, el «cant» de les balenes i una selecció musical d’arreu del món, incloent-hi obres de Beethoven i de Chuck Berry. Malgrat que això humanitzava el missatge, no està clar si l’oïda dels extraterrestres haurien sabut desxifrar què estaven escoltant, suposant d’entrada que tinguessin orelles. La meva paròdia preferida sobre això és una breu sàtira que es va fer al Saturday Night Live de l’NBC, poc després del llançament de la Voyager, en la qual mostraven una resposta escrita dels extraterrestres que havien recuperat la nau espacial. El missatge simplement deia: «Envieu més Chuck Berry».

La ciència s’alimenta no només de la universalitat de les lleis físiques, sinó també de l’existència i la persistència de les constants físiques. La constant de la gravitació, coneguda per la majoria de científics com la «gran G», proporciona a l’equació de la gravetat de Newton la mesura de la intensitat que tindrà la força. D’aquesta quantitat, se n’han comprovat implícitament les possibles variacions durant milions d’anys. Si fas els càlculs, pots determinar que la lluminositat d’una estrella depèn moltíssim de la gran G. Dit d’una altra manera, si la gran G hagués estat lleugerament diferent en el passat, aleshores la producció d’energia del Sol hauria estat molt més variable del que indiquen els registres biològics, climatològics o geològics.

Tal és la uniformitat del nostre univers.

Entre totes les constants, la velocitat de la llum és la més famosa. Per molt ràpid que vagis, mai no avançaràs un feix de llum. Per què no? Cap experiment realitzat ha posat de manifest un objecte de la forma que sigui que pugui arribar a la velocitat de la llum. Les lleis provades de la física prediuen i justifiquen aquest fet. Ja sé que aquestes afirmacions semblen de ment tancada. Algunes de les proclames ridícules basades en la ciència del passat han subestimat l’enginy dels inventors i dels enginyers: «No podrem volar mai». «Volar no serà mai comercialment viable». «Mai no dividirem l’àtom». «Mai no trencarem la barrera del so». «Mai no arribarem a la Lluna». El que tenen en comú és que cap llei de la física ho va impedir.

L’afirmació «Mai no anirem més ràpid que un feix de llum» és una predicció qualitativament diferent. Sorgeix dels principis físics bàsics provats amb el temps. Els senyals de trànsit per als viatgers interestel·lars del futur diran, amb raó:

Així com a les carreteres de la Terra et poden enxampar per excés de velocitat, el que tenen de bo les lleis de la física és que no requereixen les forces de l’ordre per fer-les respectar, tot i que jo abans tenia una samarreta que proclamava: «OBEEIX LA GRAVETAT».

Tots els càlculs suggereixen que les constants fonamentals conegudes, i les lleis físiques que les esmenten, no depenen ni del temps ni del lloc. Són realment constants i universals.

Molts fenòmens naturals manifesten múltiples lleis físiques que operen alhora. Aquest fet sovint complica l’anàlisi i, en la majoria dels casos, requereix eines informàtiques d’alt rendiment per calcular què passa i per fer un seguiment dels paràmetres importants. Quan el cometa Shoemaker-Levy 9 es va submergir en l’atmosfera rica en gasos de Júpiter el juliol del 1994, i després va explotar, el model d’ordinador més precís va combinar les lleis de la mecànica de fluids, la termodinàmica, la cinemàtica i la gravitació. El clima i el temps representen altres exemples dels principals fenòmens complicats (i difícils de predir). Però les lleis bàsiques que els regeixen continuen funcionant. La Gran Taca Vermella de Júpiter, un violent anticicló que s’ha anat reforçant durant almenys 350 anys, està impulsada pels mateixos processos físics que generen les tempestes a la Terra i a qualsevol altre lloc del sistema solar.

Un altre tipus de veritats universals són les lleis de la conservació, en les quals la mesura d’una quantitat determinada es manté invariable passi el que passi. Les tres més importants són la conservació de la massa i l’energia, la conservació del moment lineal i angular i la conservació de la càrrega elèctrica. Aquestes lleis són visibles a la Terra, i a tot arreu on se’ns ha acudit mirar: des del camp de la física de partícules fins a l’estructura a gran escala de l’univers.

Malgrat això, no tot és perfecte al paradís. Resulta que no podem veure, ni tocar ni provar la font del vuitanta-cinc per cent de la gravetat que es calcula a l’univers. Aquesta misteriosa matèria fosca, que no es percep excepte per la seva atracció gravitatòria sobre la matèria que veiem, podria estar composta per partícules exòtiques que encara hem de descobrir o identificar. No obstant això, una petita minoria d’astrofísics no n’estan convençuts i suggereixen que no existeix la matèria fosca —només cal modificar la llei de la gravetat de Newton. Simplement, afegeix uns quants components a les equacions i tot sortirà bé.

Potser algun dia ens adonarem que la llei de la gravetat de Newton efectivament requereix algun ajustament. No passa res. Ja ha passat altres vegades. La teoria general de la relativitat d’Einstein del 1916 va ampliar els principis de la gravetat de Newton en un sentit que també s’aplicava a objectes de massa extremament elevada. La llei de la gravetat de Newton fracassa en aquest àmbit tan ampli, que per a ell era desconegut. Aquí la lliçó és que la nostra confiança es basa en la varietat de condicions en les quals una llei s’ha provat i verificat. Com més àmplia és la varietat, més potent i poderosa esdevé la llei a l’hora de descriure el cosmos. Per a la gravetat domèstica ordinària, la llei de Newton funciona perfectament. Ens va portar a la Lluna i ens va tornar sans i estalvis a la Terra el 1969. Per als forats negres i per a l’estructura a gran escala de l’univers necessitem la relativitat general. I si afegim massa baixa i velocitat baixa a les equacions d’Einstein, literalment (o més aviat matemàticament) es converteixen en equacions de Newton: tot plegat bones raons per adquirir confiança en la nostra comprensió de tot el que afirmem que entenem.

Per al científic, la universalitat de les lleis de la física converteix el cosmos en un lloc meravellosament simple. En comparació, la naturalesa humana —l’àmbit del psicòleg— és infinitament més descoratjadora. Als Estats Units, els comitès escolars locals voten les assignatures que s’ensenyaran a les aules. En alguns casos, els vots s’emeten segons les tendències culturals, polítiques o religioses puntuals. Arreu del món, els diferents sistemes de creences condueixen a unes diferències polítiques que no sempre es resolen pacíficament. El poder i la bellesa de les lleis físiques és que s’apliquen arreu, independentment de si tu decideixes creure-hi o no.

Dit d’una altra manera, després de les lleis de la física, tota la resta són opinions.

No és que els científics no discutim. Ho fem. I molt. Però quan ho fem, sovint expressem opinions sobre la interpretació de dades insuficients o incompletes just a la frontera del nostre coneixement. Sempre que una llei física es pugui invocar durant la discussió, està garantit que el debat serà breu: no, la teva idea d’una màquina de moviment perpetu no funcionarà mai; viola les lleis provades de la termodinàmica. No, no pots crear una màquina del temps que et permeti tornar enrere i matar la teva mare abans que tu naixessis; viola les lleis de la causalitat. I sense violar les lleis del moment, no pots levitar i surar per sobre del terra de manera espontània, encara que estiguis assegut en posició de lotus.^[3]

El coneixement de les lleis de la física, en alguns casos, et pot proporcionar prou seguretat per plantar cara a persones barrudes. Fa uns quants anys, m’estava prenent una tassa de xocolata en un local de Pasadena, Califòrnia. La vaig demanar amb nata per sobre, per descomptat. Quan me la van servir a la taula, no hi havia ni rastre de la nata. Quan li vaig comentar al cambrer que no m’havia posat nata a la xocolata, em va assegurar que no la veia perquè s’havia enfonsat. Però la nata té una densitat baixa, i sura en tots els líquids que consumim els humans. Per tant, li vaig oferir dues possibles explicacions al cambrer: o bé algú s’havia oblidat de posar-me nata a la xocolata, o bé les lleis de la física eren diferents en aquell restaurant. Poc convençut i amb aire desafiador, va posar una cullerada de nata a la tassa per demostrar la seva afirmació. Després de gronxar-se una mica, la nata va pujar a la superfície i es va quedar surant.

Quina prova millor necessites per demostrar la universalitat de les lleis físiques?