Albert Einstein a publicat prima sa comunicare în care expunea teoria relativității în 1905, și apoi a dezvoltat-o, între 1907 și 1915, în teoria relativității generalizate. Cu toate acestea, a trebuit să aștepte Premiul Nobel pentru fizică până în anul 1921 și, de fapt, premiul i-a fost decernat abia în anul 1922. Nu, nu este vorba despre vreo exemplificare a paradoxurilor temporale legate de relativitate, ci despre obtuzitatea și invidia colegilor săi de generație, și în special a unui personaj pe nume Allvar Gullstrand (1862-1930). Oftalmologul și opticianul suedez câștigase în 1911 Premiul Nobel pentru medicină sau fiziologie, pentru cercetări legate de aplicarea metodelor fizicii matematice în studiului imaginilor optice și al refracției luminii în ochi, ceea ce îi adusese un loc în comisia de atribuire a Premiilor Nobel pentru fizică. Numele său ar fi fost uitat astăzi dacă nu și-ar fi câștigat dubioasa glorie de a fi pus un veto vreme de mulți ani atribuirii premiului Nobel lui Einstein. Gullstrand, pur și simplu, considera că teoria relativității este greșită. Când, în fine, premiul i-a fost atribuit lui Einstein, nu a fost pentru relativitate, ci pentru contribuțiile sale în explicarea efectului fotoelectric, adică generarea de electricitate pe bază de lumină. Disputele au fost atât de aprige, încât în 1921 premiul nu a fost atribuit, în schimb în 1922 au fost atribuite două premii pentru cei doi ani – un fel de compromis pentru ca Einstein să nu se bucure singur de glorie. Retrospectiv, episodul poate părea amuzant, dar există și o răzbunare a istoriei. Dintre toate descoperirile și invențiile lui Einstein, cele legate de natura luminii sunt cele care au o aplicabilitate imediată. Domeniul este în plin avânt, și revista ‘The Economist’ a decis să dedice suplimentul său tehnologic trimestrial progreselor legate de lumina. Voi trece și eu în revistă câteva dintre ele, în acest articol al rubricii noastre CHANGE.WORLD.
Contribuția lui Albert Einstein la explicarea naturii luminii a fost descrisă de el însuși ca ‘revoluționară’. Modelele precedente reușiseră să explice, fiecare parțial, aspecte ale fenomenelor luminoase, dar nu reușeau să ofere o înțelegere a ansamblului fenomenelor. Teoria câmpurilor electric și magnetic, enunțată în 1864 de fizicianul și matematicianul scoțian James Clark Maxwell (1831-1879), fusese extinsă pentru a descrie lumina ca o formă a acestor radiații, dar undele electromagnetice sunt fenomene continue, în timp ce anumite particularități ale luminii aveau o natură discontinuă. Einstein formulează (tot în anul său mirific 1905) teoria particulelor de energie, care, ceva mai târziu, vor primi denumirea de fotoni, și să o completeze cu o strălucită demonstrație matematică a legii care avea să-i aducă Premiul Nobel peste 17 ani: cantitatea de energie a fiecărei particule determină culoarea (sau ‘lungimea de undă’) a luminii produse. Cu cât particula are mai multă energie, cu atât lungimea de undă este mai scurtă. Această strălucită sinteză nu numai că furniza o explicație completă a fenomenelor cunoscute în acel moment, dar și lega diferitele forme de energie – electrică, magnetică, luminoasă și termică, într-un ansamblu coerent. Trebuie menționat însă că Einstein nu a fost în acea perioadă complet împăcat cu propria sa teorie – îi lipsea ceva pentru a explica până la capăt această dualitate undă-particulă a luminii. Elementul de legătură avea să fie furnizat la sfârșitul anilor ’40, de teoria completă a luminii și materiei, numită electrodinamica cuantică (QED), enunțată de fizicianul american Richard Feynman (1918 – 1988). Conform acestei teorii, atât materia, cât și radiațiile sunt descrise ca stări energetice de natură cuantică. De la publicarea acestei teorii și până astăzi nu a apărut nicio altă demonstrație teoretică, fenomen observabil sau măsurătoare cantitativă care să o contrazică.
Inginerii nu i-au așteptat pe matematicieni și pe fizicieni, nici măcar pe Einstein, pentru a experimenta generarea de curent electric. Werner von Siemens (1816 – 1892), strălucitul inginer și inventator german și întemeietorul firmei care îi poartă numele până în zilele noastre, a deschis calea producției industriale de panouri de seleniu generatoare de curent electric. Asta se petrecea prin deceniul al 9-lea al secolului al 19-lea, cu vreo 20 de ani înainte de explicațiile teoretice ale fenomenelor de către Einstein. Care sunt motivele pentru care această sursă de energie curată și practic inepuizabilă (cel puțin cât timp va străluci Soarele) nu a devenit încă sursa principală de energie a pământenilor? Bateriile solare fuseseră lansate pe scară industrială încă din 1954, de Laboratoarele Bell ale firmei americane AT&T, și ele produceau energie electrică oricând panourile cu celule fotoelectrice erau expuse luminii solare. Problema a fost însă, în cele aproape șapte decenii care au trecut de atunci, costurile instalațiilor și modelul economic. Energia solară cere o investiție inițială care este departe de a fi neglijabilă, iar randamentul producției de energie electrică din surse solare este dependent de ciclurile zi-noapte și, în multe părți locuite ale planetei, de fenomenele meteorologice. Costul redus al combustibililor care produc energie prin ardere a determinat ca, în diferite perioade de timp, unul sau altul dintre aceștia să fie preferați energiei solare (și din alte surse ‘verzi’). Cu alte cuvinte, omenirea dă atenție surselor neconvenționale doar în perioade de criză: așa s-a întâmplat când a avut loc boicotul țărilor producătoare de petrol în 1973 și anii care au urmat, așa se întâmplă de la începutul noului mileniu încoace, de când alerta ecologică a devenit o prioritate mondială. Rolul intervenției guvernamentale este determinant și se pot vedea diferențele în cazurile unor țări industrializate care au politici energetice diferite cum sunt Germania și Statele Unite. Subsidiile oferite de guvernele germane reflectă influența ecologiștilor și a social-democraților, dar ele încep să aibă și un impact economic sesizabil, prin vânzarea excesului de energie produsă de surse particulare spre rețea, care, paradoxal, reduce prețurile energiei din surse convenționale și prelungește viața acestora. Rezultatul este că avem mai multe șanse să vedem ferme de panouri solare sau captatori pe acoperișurile caselor în noroasele și ploioasele zone ale munților Bavariei sau Pădurea Neagră decât în însoritele deșerturi din Arizona sau California. Pentru a complica și mai mult peisajul, piața de panouri solare este în momentul de față dominată de producători din China (care se bucură de puternic sprijin guvernamental), iar conflictele comerciale și barierele vamale între China, pe de-o parte, și Statele Unite și alte țări occidentale, de cealaltă parte, cresc costurile acestor utilaje, esențiale în instalarea globală a generatoarelor solare.
Competiția produce inovație. Forța industriei și a cercetării tehnologice din țări ca Statele Unite sau Israel constă în libertatea de a inventa și de a furniza soluții la cele mai dificile și mai complexe probleme în momentul când există motivațiile economice. Este și ceea ce cred că începe să se întâmple și în domeniul generării de energie electrică din lumină. După multe decenii de stagnare, tehnologia panourilor solare a înregistrat în ultimul deceniu progrese spectaculoase în ceea ce privește reducerea dimensiunilor panourilor, creșterea eficientei acestora, stocarea energiei și returnarea ei înspre rețea. Cea mai mare uzină americană care transferă fotonii în energie electrică se află în deșertul Mojave din California, cam la 100 km la nord de Los Angeles. Se numește Solar Star și este compusă din 1,7 milioane de module solare, dispuse pe o suprafață de 13 km pătrați, generând peste o jumătate de terawatt. Tehnologia folosită se numește cea a cristalelor de siliciu. O altă tehnologie bazată pe o peliculă de cadmiu și teluriu (CdTe) este folosită de fermele solare Desert Sunlight și Topaz, care necesită 9 milioane de celule fiecare pentru a genera cantități aproape similare de energie. Ceea ce este esențial, aceste tehnologii și echipamentele aferente sunt ‘made în USA’. În Israel, țară binecuvântată cu peste 300 de zile însorite anual, energia solară este prezentă în majoritatea caselor, legea obligând instalarea de captatori solari și de instalații de încălzire a apei pentru consum casnic oriunde este posibil. Ca rezultat, peste 1,3 milioane de locuințe sunt dotate cu astfel de instalații. Este vorba încă despre doar câteva procente din totalul producției de electricitate. Tendința însă este clară.
Telecomunicațiile sunt un alt domeniu în care lumina joacă un rol esențial. Transmisia informației prin intermediul diodelor emițătoare de lumină (LED) și a amplificatoarelor de lumină prin emisie stimulată de radiație (LASER) în fibre optice a fost demonstrată teoretic și apoi experimentată încă din anii ’60 ai secolului trecut. Charles Kao (Hong Kong, 1933-2018) a demonstrat posibilitatea folosirii laserelor în fibre optice, iar americanul Donald Keck (n. 1941), de la firma Corning Glass, a demonstrat practic, la începutul anilor ’70, posibilitatea transmisiei informației în fibre optice, cu pierderi suficient de mici pentru a putea fi folosită eficient la distanțe mari. A mai durat un deceniu până când cablurile optice au devenit suficient de flexibile și de robuste pentru a fi produse industrial. Dar și comutatoarele (switch) care direcționează informația pe magistralele Internetului sunt din ce în ce mai mult bazate pe principii optice, locul releelor electronice fiind luat de trasee optice de frecvențe variabile. Conceptual, în loc de fire, traseele de semnal pot fi reprezentate ca fiind formate din raze luminoase de culori diferite. Infrastructura internetului este alcătuită astăzi dintr-o rețea de magistrale și intersecții care transmit informația sub formă de lumină între țări și continente. Primul cablu optic transoceanic, TAT-8, instalat în 1988 între Statele Unite, Marea Britanie și Franța, avea o capacitate de 280 de megabiți pe secundă (Mbps). Cel mai recent cablu transatlantic, Dunant, dat în funcțiune în 2020, are o capacitate de peste un milion de ori mai mare. În 1988, beneficiarii erau companiile de telefoane. În 2020, este Google.
Cu doar câteva săptămâni în urmă, în articolul dedicat lui Nikola Tesla, am menționat faptul că inventatorul și vizionarul american născut în Serbia s-a ocupat vreme de mulți ani de proiectarea unei ‘raze a morții’, o armă ultimativă care, pusa în slujba forțelor binelui, ar fi putut pune capăt războaielor. Viziunea i-a fost preluată mai întâi de Hollywood, pentru filmele despre războaiele spațiale, și nu este întâmplător, poate, că președintele american Ronald Reagan, fost actor la Hollywood, a fost cel care a inițiat în anii ’80 ai secolului trecut programul ‘Războiului stelelor’. Un alt președinte, Donald Trump, a pus la 20 decembrie 2019 bazele Forțelor Spațiale (Space Force) americane, echivalentul spațial al Forțelor Aeriene (Air Force). Inginerul și fizicianul Theodor Maiman, creditat ca inventator al laserului, menționase, de altfel, potențialul folosirii acestuia ca armă. Viziunile acestora ar putea deveni realitate în viitorul mai mult sau mai puțin apropiat. Nu știu dacă ar trebui să consemnăm aceste progrese de tehnologie militară ca progrese ale omenirii, știind că există întotdeauna și riscul ca armele să ajungă în mâini nedorite. Până atunci însă, putem să trecem în revistă alte aplicații benefice ale laserelor, cum sunt transferul optic de informații menționat mai sus, prelucrarea precisă a materialelor, intervențiile chirurgicale de mare precizie și citirea informației optice de pe medii de mare densitate. Și în spațiu se petrec evoluții semnificative ale tehnologiilor legate de lumină. Una dintre cele mai interesante și mai promițătoare este propulsia solară. Vor fi navele spațiale ale viitorului împinse de vânturile solare? Imaginea aceasta are șanse să devină mai mult decât o metaforă și să ofere soluții pentru depășirea unuia dintre obstacolele principale ale călătoriilor spațiale de durată între planete. Deja însă intrăm într-un domeniu pe care merită să-l abordam în detaliu, într-un articol viitor. Până atunci, să urmărim evenimentele, să le explicăm și să le înțelegem. Să fie lumină.
(Articolul a apărut iniţial in revista culturală ‘Literatura de Azi’ – http://literaturadeazi.ro/)