Top Model

“Greșești!” îmi spuse el. “Este incorect ce spui: atomul nu este 99,99999% gol, pentru că electronii se plimbă într-un nor de probabilitate, deci practic nu e spațiu gol!” continuă. O făcuse, reușise să le arate interlocutorilor mei că e mai deștept ca mine. Pe mine nu mă anunțase nimeni că facem întrecere în deșteptăciune, dar fie. Medalia era pe drum. Gagicile îi erau acum la picioare. Deja se alegeau materialele pentru statuia lui. Acum rămânea doar să le explice oamenilor ălora care nu știu o boabă de fizică elementară ce e ăla nor de probabilitate. I-am urat baftă.

 Problema

Mi s-a întâmplat de câteva ori să le povestesc anumitor oameni de pe Internet despre cât de mișto e că suntem făcuți în mare parte din spațiu gol, că practic 99,99999% din atom este spațiu ocupat de nimic. Așa, că pur și simplu venise vorba. Nu este o informație care să te ajute în viața de zi cu zi, dar dacă vrei să știi mai multe despre tine și Univers, este esențială.

Nu o fac ca să par inteligent (pentru asta am ochelarii), ci chiar mi se pare o informație interesantă pe care omul care nu mănâncă știință pe pâine o poate reține și din care poate învăța și alte lucruri. Invariabil se întâmplă câteodată să apară vreunul care vrea să facă întrecere de Care are creierul mai mare? și îmi spune că mă înșel și că așa induc în eroare oameni: că spațiul gol oricum nu are sens la nivel atomic (adică nici măcar nu poți să-i mai spui așa), că de fapt spațiul ăla e ocupat de norii de probabilitate ai electronilor și că atomul în nici un caz nu arată cum crezi tu sau eu că arată.

Acu’ ce să zic? Că se înșală? Nu, are dreptate în privința asta, și nu doar când vine vorba de atomi: sunt o grămadă de lucruri din știință pe care le știm dar care nu sunt 100% corecte. Lucruri pe care ți le-am mai spus și eu, pe care ți le-a spus orice profesor din școală sau liceu și pe care or să ți le tot zicem. De ce? Din greșeală? Că suntem niște jeguri de oameni care caută să te inducă în eroare? Nu, din contră! Stai să îți explic.

 Sistem Solar în miniatură

Era 1909, iar atomul abia fusese descoperit, deci îți dai seama că toată comunitatea științifică era călare pe el să îl studieze. Printre oamenii ăia era și Ernest Rutherford, împreună cu asistenții săi Ernest Marsden și Hans Geiger (el avea să inventeze mai târziu contorul Geiger), care a conceput un experiment prin care să studieze interiorul unui atom:

• Au pus pe o masă o foiță de aur care avea doar câțiva atomi grosime (adică era foarte foarte subțire), care atârna de ceva;
• În fața foiței au pus un tub care “scuipa” ca o mitralieră niște particule alfa dintr-o sursă radioactivă (o bucată de radiu);
• Diametral opus acelui tub au pus o placă fosforescentă care se aprindea când era lovită de vreo particulă alfa.

Rutherford i-a pus pe tinerii asistenți să facă un lucru: să numere particulele care treceau prin foița de aur și se loveau de placa fosforescentă. Ai zice că nu e mare brânză, dar asta însemna să stea pe întuneric și să se holbeze la niște sclipiri aproape invizibile pe placa fosforescentă. Dar au făcut-o, iar ce au observat o să te șocheze și o să te dea pe spate!!! Ei, nu, nu chiar. De fapt particulele alfa treceau prin foița de aur ca un cuțit printr-o bucată de unt pusă la cuptorul cu microunde. Nu părea să se întâmple nimic deosebit. Într-una din zile, unul din cei doi asistenți s-a întâlnit cu Rutherford pe holurile facultății și i-a spus că după câteva săptămâni, rezultatele erau aceleași. Nici o noutate, nimic nu se schimbase. La un moment dat, însă, Rutherford a zis oarecum absent și într-o doară:

Puneți placa fosforescentă pe aceeași parte cu tubul cu radiu și vedeți dacă se întoarce vreo particulă alfa.

Cerința asta părea să aibă fix zero sens. De ce s-ar fi întors particulele alfa din drum, dacă până acum s-a văzut clar că ele trec prin foița de aur fără nici o problemă? Dar cei doi asistenți au făcut fix cum li s-a spus pentru că Rutherford era un om inteligent, iar ei aveau toată încrederea în mentorul lor. Așa că au urmat alte săptămâni de holbat pe întuneric la placa fosforescentă, numai că de data asta nu se mai aprindea deloc…

Stai!

Aparent azi era ziua lor norocoasă: pentru prima oară în câteva săptămâni pe placa fosforescentă se văzuse o licărire. Imposibilul se întâmplase! Geiger a intrat val-vârtej în biroul lui Rutherford și i-a spus vestea: ocazional, extrem de rar, o particulă alfa se lovea de foița de aur și ricoșa, întorcându-se din din drum! Rutherford a zis mai târziu că era:

La fel de incredibil ca și cum ai fi tras cu un obuz de 15 țoli într-o bucată de șervețel, iar obuzul s-ar fi întors și te-ar fi lovit.

Până în momentul ăla tot ce se știa despre atom era că: avea electroni (care aveau sarcină electrică negativă și au fost descoperiți de Joseph John Thompson cu câțiva ani înainte) și că avea sarcină electrică neutră. Thompson și-a dat seama că fiind neutru ca sarcină electrică, atomul trebuie să aibă ceva în el ca să fie de sarcină electrică pozitivă, ca să se anuleze cu sarcina negativă a electronilor (adică + cu – ne dă 0). [Mai ești aici? E mai ușor de înțeles decât pare.] Astfel, el și-a imaginat că atomul ar fi o sferă cu sarcină electrică pozitivă în care se află electronii cu sarcină electrică negativă. Ca niște stafide într-o prăjitură. Modelul său de atom se numește modelul budincii cu prune.

Dacă atomul ar fi fost ca o budincă de prune, nici o particulă alfa nu ar fi trebuit să se întoarcă din drum sau să devieze de la drumul său, dar uite că ceva părea să îi abată din drum. În mod clar era ceva acolo. Ce descoperiseră Rutherford, Marsden și Geiger acum avea să schimbe total modul în care vedeam atomul: aparent particula asta era în mare parte goală, DAR avea în mijlocul său un nucleu foarte mic din protoni în care era concentrată și toată masa, iar în jurul acelui nucleu orbitau electronii la o anumită distanță. Adică fix atomul la care te gândești când auzi că se vorbește atom (numai că ei nu știau de neutroni pe vremea aia): un fel de Sistem Solar în miniatură.

Firește, de atunci s-au făcut o grămadă de descoperiri și nici modelul lui Rutherford nu mai este de actualitate. De când și-a luat avânt fizica cuantică atomul a devenit și mai ciudat, iar acum știm că nu arată chiar cum ne-a arătat Ernest Rutherford. Au mai apărut modificări ale modelului atomului de către Niels Bohr, iar apoi de Erwin Schrödinger și mai târziu Werner Heisenberg, modificări importante care au ajuns să reprezinte mult mai ok ce se întâmplă în atom.

Carevasăzică ideea noastră despre atom și felul în care îl reprezentăm s-a schimbat cu timpul.

 Fata mea este model

Dar în viața de zi cu zi, atomul nu este privit doar ca un mini Sistem Solar, ci și ca niște mingi (atunci când ai de a face cu molecule). Lumina însăși ne este prezentată fie ca niște particule (niște mici sfere), fie ca o undă (un soi de val). Moleculele ne sunt prezentate ca niște sfere care sunt conectate între ele cu niște bețe. Nici una din reprezentările astea nu fac dreptate realității, chiar ai putea zice că o simplifică grotesc de mult. Care-i faza? Chestiile enumerate aici sunt niște modele științifice.

În știință, un model este reprezentarea unei idei, a unui obiect sau chiar a unui proces. Îl folosim pentru a descrie sau a explica diverse fenomene peste care nu dai în viața de zi cu zi. Sunt absolut esențiale pentru oamenii de știință, pentru că îi ajută în cercetări și în comunicarea explicației lor. Un model științific are țelul de a face un lucru sau o idee mai ușor de înțeles, definit, cuantificat, vizualizat și simulat. Cu toate astea, cu cât un model științific devine mai ușor de înțeles, se vede nevoit să renunțe la acuratețe. Nici un model nu poate să explice fiecare detaliu dintr-un fenomen științific. Adică uită-te doar la atom sau la molecula de ADN. În molecula de ADN se întâmplă mult mai multe chestii, iar modelul pe care îl știm cu toții nu poate să le ilustreze sau explice pe toate.

De asemenea, nici un model științific nu este complet: când Cristofor Columb a vrut să navigheze către subcontinentul indian, s-a folosit de modelul Pământului sferic, care era în esență corect, doar că avea o eroare: Pământul din acest model avea raza mult mai mică decât o are Pământul real. Așa că domnul Columb a subestimat circumferința Pământului și durata călătoriei sale (din fericire a dat de un alt continent până să i se termine proviziile). Modelul era corect, dar parametrii săi au trebuit rafinați puțin, fiind incomplet.

Ce face un model științific să fie bun și folositor? Păi de preferat trebuie să explice cât mai multe caracteristici ale observațiilor, DAR să fie cât mai simplu posibil. De exemplu, modelul Pământului sferic explică foarte bine de ce vapoarele par să se “scufunde” în momentul în care trec de orizont, dar și de ce această iluzie are loc în orice direcție s-ar duce vaporul.

O altă caracteristică a unui model bun este că trebuie să explice fenomene care aparent sunt diferite de cele care au fost folosite pentru a crea acel model. Par example, chiar dacă modelul Pământului sferic a fost conceput ca să explice fenomene ce țineau de navigat, oamenii educați au putut să facă legătura dintre ideea asta și eclipsele de Lună. Dacă acceptăm că Pământul este sferic, ar trebui ca atunci când este eclipsă de Lună (când Pământul se poziționează între Soare și Lună) umbra Pământului să fie rotundă, pe măsură ce trece în fața Lunii. Și chiar așa e! Modelul Pământului sferic poate explica și asta.

Un model științific poate să și prezică diverse lucruri care nu s-au întâmplat încă sau despre care nu știm mare lucru. Cel mai bun exemplu este cu încălzirea globală. Habar n-avem care este efectul ei asupra Pământului, dar știm o grămadă despre ciclul carbonului în natură, ciclul apei în natură și despre vreme. Folosindu-se de informația furnizată de acestea și înțelegerea felului în care interacționează între ele, ne putem da seama cam ce s-ar întâmpla. De exemplu, putem folosi informațiile furnizate de ciclul apei și carbonului în natură și de vreme pentru a ne da seama cum o să fie clima peste 20 de ani dacă e să continuăm să producem la fel de mult dioxid de carbon, mai mult dioxid de carbon sau mai puțin dioxid de carbon.

Toate modelele sunt greșite, dar unele sunt folositoare. – George E.P. Box

Capitolul precedent cu povestea lui Rutherford, Marsden și Geiger este importantă pentru că îți arată cum apare un model și cum evoluează pe parcurs. Vrei mai multe exemple de modele științifice? USDA Pyramid Food care îți arată ce și cât să mănânci ca să fii sănătos este un model compilat din numeroase studii. Tabelul Periodic al Elementelor Chimice este un model științific care prezice proprietățile diverselor elemente chimice. Modelul Derivei Continentelor arată pozițiile din trecut ale continentelor. Când vezi o reprezentare a Sistemului Solar, și ăla e un model științific. Un lucru e cert: nici unul nu e corect 100%.

 De ce? De ce? De ce?

Acum adu-ți aminte de ce am scris în primul capitol. I-am dat dreptate tipului care a zis că am greșit când am spus că atomul e 99,99999% gol…dar doar pe jumătate. Întrebarea rămâne: de ce mă încăpățânez să vorbesc în stânga și în dreapta de chestia asta? Și mai mult de atât, de ce reprezentăm de multe ori atomul ca un mini Sistem Solar, dacă e un model învechit? De ce, atunci când vine vorba de molecule, reprezentăm atomii ca niște sfere legate una de cealaltă cu niște bețe? De ce am tot zis de Pământ că e o sferă, când o sferă e perfectă, iar planeta noastră e de fapt ca “o minge bombată la ecuator și turtită la poli”? Pentru că în mod clar știm cum arată chestiile astea cu adevărat. Capitolul ăsta este ceva mai subiectiv, pentru că vorbesc despre motivul pentru care aleg să reprezint unele chestii cum le reprezint (și prin extensie, de ce evit să vorbesc despre anumite chestii mai complexe).

Păi în primul rând hai să ne gândim la noi doi, dacă vrem să răspundem la întrebarea asta. Eu sunt un om care nu știe chestii extraordinar de avansate în ceea ce privește știința. Pentru că sunt unele chestii pe care chiar nu le poți înțelege dacă nu ai în spate ani buni de educație formală într-un anumit domeniu. Tu ești un om care nu știe chestii extraordinar de avansate despre știință. De exemplu, e prima oară când auzi mai multe chestii despre atom. Așa că mă apuc să îți povestesc despre el, lucruri de bază, motiv pentru care, având în vedere că faci primii pași în lumea asta, trebuie să mă folosesc de unul din modelele atomului:

Dacă nu poți explica un concept în termeni simpli, atunci nu l-ai înțeles cu adevărat.

Dacă vreau să mă folosesc de modelul lui J.J. Thompson, este pur și simplu greșit, pentru că sunt omise niște chestii esențiale chiar și la nivelul ăsta de începători la care discutăm noi. Modelul grecesc nu are sens aici, pentru că vreau să îți spun un pic mai multe decât “imaginează-ți că sfera asta e un atom”. Modelul lui Niels Bohr este ok (deși nici el nu se împacă 100% cu ce am mai descoperit din 1913 până acum), dar modelul ăsta încearcă să facă legătura dintre lumină și atomi. Nu sunt chestii mega complicate, dar momentan n-am ajuns la nivelul ăla. Eu încă încerc să îți explic care-i structura atomului.

Să ne folosim de modelul lui Erwin Schrödinger, cu norii de electroni? Da, sigur! Numai că e și mai complicat decât modelul lui Bohr: în cazul ăsta trebuie neapărat să vorbim despre norii ăia de probabilitate prin care se plimbă electronii și despre principiul incertitudinii al lui Werner Heisenberg. Și cu asta deja intrăm în fizica cuantică, un domeniu foarte avansat pe care nici eu nu îl înțeleg (nu, lasă prostiile, nu o să înțelegi care-i faza cu fizica cuantică citind postări de pe I fucking love science sau de pe ScienceAlert). Deși este incomplet și nu este o interpretare 100% corectă a unui atom, modelul lui Ernest Rutherford este perfect pentru nivelul la care discutăm noi.

La fel discutăm și pentru toată treaba cu “atomul e 99,99999% gol”. Adevărat, la scara subatomică conceptul de gol pur și simplu nu are sens. Adevărat, nici vidul nu este complet gol, la nivel cuantic se întâmplă mereu ceva pe acolo (e o întreagă nebunie). Dar nu este nici complet incorect. Este pur și simplu o versiune foarte simplificată, astfel încât să înțelegem și noi. Doi fizicieni or să discute altfel despre atomi, or să folosească modelul lui Schrödinger, dar noi (nefiind fizicieni și neînțelegând întreaga frumusețe a unui atom) trebuie să ne mulțumim pentru moment cu un model învechit, dar mai simplu de înțeles. Dar asta doar la început!

Nu mi se pare o crimă să începi cu un model științific de genul ăsta, atâta timp cât știi că nu este 100% corect și că sunt de fapt mai multe secrete de aflat. Ba chiar cred că e mai bine, îți cultivă curiozitatea: te face să vrei să afli mai multe. Și în plus, așa vezi un pic și cum e în știință: începi cu un concept, apoi afli că e greșit (relativ greșit în cazul nostru) și adopți un nou model, unul mai bun, care e ceva mai corect și mai complet.

Dar dacă tu crezi că a considera Pământul sferic e la fel de greşit ca a-l considera plat, atunci viziunea ta e mai greşită decât cele două laolaltă. – Isaac Asimov

Dar chiar și la un nivel avansat apar astfel de simplificări care îi pot face pe snobi să strâmbe din nas: biologii știu prea bine că molecula de ADN nu arată exact cum tot vedem noi reprezentările, ăștia din fizică, astronomie, geografie, astrofizică știu prea bine că Pământul nu este o sferă perfectă, și totuși chestiile astea tot apar la un nivel avansat, adică sunt folosite de oamenii ăștia. De ce?

Un model științific nu este o afirmație de adevăr; nu trebuie să fie 100% adevărat ca să fie folositor. Modelul minge-cu-bețe al moleculelor nu poate arăta puterea diverselor legături chimice, de exemplu. Le oferă oamenilor de știință un mod prin care se pot gândi la un aspect al naturii, dar nu trebuie să fie adevărat și precis în fiecare detaliu.

Când folosești un model științific este foarte important să reții că e limitat. Pentru că e nevoie de ceva care să comunice mai ușor un concept, o idee sau să reprezinte un obiect într-un mod ușor de înțeles. Cum ai reprezenta o moleculă de ADN la câte se întâmplă în ea și câte se întâmplă doar într-un singur atom?