Despre originea Universului
Teoria Big Bang
Pentru a construi un univers standard, de moda veche, cu Bing Bang, ar trebui adunat tot ce exista, pana la ultimul fir de praf si particula de materie de aici si pana la marginile creatiei. Si totul trebuie ingramadit intr-un punct atat de infinitezimal compact, incat sa nu aiba niciun fel de dimensiuni. Acest punct este un punct de singularitate.
Tot asa de bine s-ar putea ingramadi cateva zeci de grame de materie intr-un proton micsorat de un miliard de ori. Un proton, particica infinitezimala a unui atom, este atat de minuscul, incat un punct, tastat pe un document, ar putea contine cca. 500 de miliarde de protoni, adica un numar aproximativ egal cu numarul de secunde din care sunt alcatuiti 15 000 de ani.
In ambele cazuri, materia atat de concentrata se va elibera printr-un Bing Bang adevarat.
In jurul punctului de singularitate nu exista nimic, nici spatiu, nici vid intunecat. Universul in expansiune nu umple un spatiu gol, preexistent, ci el creeaza spatiul pe masura ce se extinde. Punctul de singularitate nu are un trecut din care sa se fi nascut (poate a aparut de curand sau a fost acolo dintotdeauna, asteptand momentul potrivit), caci timpul nu exista. Astfel, din nimic, in afara spatiului si timpului se naste Universul. Intr-un unic impuls orbitor, punctul de singularitate capata dimensiuni, devine spatiu.
Prima secunda de viata a Universului, a dat nastere gravitatiei si tuturor celorlalte forte ce guverneaza fizica.
In mai putin de 1 minut, Universul se extinde pe mii de miliarde de kilometri si creste vertiginos.
Temperaturile sunt enorme, sunt vreo 10 miliarde de grade, astfel incat reactiile nucleare se pot declansa, generand elementele mai usoare, mai ales hidrogen si heliu, si putin litiu (1 atom la 100 de milioane).
98% din materia care exista a fost creata odata cu Big Bang-ul, fiind alcatuita aproape exclusiv din gaze usoare: heliul, hidrogenul si litiul si nici o singura particula din elementele mai grele, necesare vietii, carbon, azot, oxigen.
In 3 minute, s-a format cca. 98% din toata materia care exista sau va exista vreodata. Astfel, a luat nastere Universul acum 13,7 miliarde de ani (unii cosmologi sustin ca momentul creatiei Universului ar fi fost acum 10 miliarde, 20 de miliarde sau 15 miliarde de ani) .
Ceea ce se stie insa cu certitudine este faptul ca in trecutul foarte indepartat, intr-o perioada nedeterminata si din motive necunoscute a aparut momentul t = 0, in care timpul incepe sa existe.
Radiatia cosmica de fond, o descoperire de Premiul Nobel
Astrofizicienii americani Arno Penzias si Robert Wilson, au descoperit, mai mult din intamplare, la antena de comunicatii din New Jersey, radiatia cosmica de fond, cea mai straveche relicva de la nasterea Universului. Descoperirea acesteia le-a adus Premiul Nobel pentru Fizica in 1978.
Ideea de Big Bang este destul de recenta, aparand prin anii 1920, cand a fost propusa, timid, pentru prima data, de preotul (astronom si fizician) belgian Georges Lemaître. Abia pe la mijlocul anilor 1960, a devenit o notiune activa in cosmologie, cand doi tineri radioastronomi au facut o descoperire extraordinara, dar continand o inadvertenta.
In 1965, Arno Penzias si Robert Wilson, incercau sa foloseasca o antena enorma de telecomunicatii din cadrul Laboratoarelor Bell din Holmdel, New Jersey. Orice experiment insa devenea imposibil din cauza unui zgomot de fundal persistent si difuz, un fel de sasait constant si consistent ce venea din toate punctele, zi si noapte, pe orice vreme.
Tinerii astronomi au incercat timp de un an sa localizeze si sa elimine zgomotul; au testat fiecare sistem electric, au reasamblat instrumentele, au verificat circuitele, au curatat prizele, au infasurat in banda izolanta fiecare imbinare si fiecare nit, dar totul a fost in zadar.
In acelasi timp, la numai cincizeci de kilometri distanta, la Universitatea Princeton, o echipa de cercetatori, condusa de Robert Dicke, incerca sa descopere exact fenomenul pe care Penzias si Wilson doreau sa-l elimine. Cercetatorii din Princeton dezvoltau o idee sugerata in anii 1940 de astrofizicianul de origine rusa George Gamow. Acesta considera ca, daca se cerceteaza suficient de profund spatiul, ar trebui descoperita o radiatie cosmica de fond ramasa dupa Big Bang.
Conform calculelor lui Gamow, dupa parcurgerea imensitatii cosmosului, radiatia ar trebui sa ajunga pe Pamant sub forma de microunde. Gamow, sugerase, ulterior, chiar si un instrument care ar fi putut pune in evidenta aceasta radiatie: antena cornet din Holmdel, numai ca nici Penzias, nici Wilson si nici membrii echipei din Princeton nu citisera aceasta lucrare, iar zgomotul pe care il auzeau Penzias si Wilson era zgomotul postulat de Gamow. Acestia, descoperisera, fara sa stie, marginea Universului, sau cel putin partea sa vizibila, la 90 de miliarde de mii de miliarde de mile distanta si “vedeau” primii fotoni (cea mai straveche lumina din Univers) transformati datorita timpului si distantei in microunde, asa cum prezisese Gamow.
Alan Guth, in cartea sa Universul inflationar, ofera o analogie a acestei cercetari a Universului in adancime. Daca cercetarea profunzimii Universului ar fi similara cu cercetarea de la etajul o suta (momentul prezent) a nivelului strazii (momentul Big Bang-ului), in momentul descoperirii lui Penzias si Wilson, cele mai indepartate galaxii descoperite vreodata de cineva, se aflau cam pe la etajul saizeci, iar cele mai indepartate lucruri, quasarii – galaxii foarte tinere, aflate in stadiul incipient de formare, se aflau cam pe la etajul douazeci. Astfel, descoperirile celor doi au impins cunoasterea despre Universul vizibil pana la doi centimetri deasupra parterului.
Wilson si Penzias, ignorand in continuare cauza zgomotului, i-au telefonat lui Dicke la Princeton, descriindu-i problema lor, in speranta de a li se sugera o solutie. Dicke si-a dat seama imediat ce anume descoperisera cei doi tineri.
La scurt timp dupa aceasta convorbire, Astrophysical Journal a publicat doua articole: unul semnat de Penzias si Wilson, descriind experienta lor cu zgomotul, iar celalalt de echipa lui Dicke care explicau natura zgomotului. Desi cei doi tineri nu cautasera radiatia de fond remanenta, nu stiau ce era in momentul in care au descoperit-o si nici nu descrisesera si nu interpretasera natura acesteia in vreo lucrare, in 1978 au primit Premiul Nobel pentru Fizica. Descoperirea a fost facuta din intamplare, iar semnificatia acesteia nu a fost inteleasa pe deplin de Penzias si Wilson pana cand nu au citit despre ea in New York Times.
Un exemplu de turbulente provocate de radiatia cosmica de fond: daca se lasa deschis televizorul pe un canal pe care nu se receptioneaza nimic, circa 1% din “parazitii” receptionati se explica prin aceasta straveche remanenta a Big Bang-ului.
Ce este de fapt, Big Bang-ul?
Big Bang-ul nu este o explozie in sensul conventional, ci o expansiune vasta si subita la o scara colosala.
Unii cercetatori presupun ca singularitatea ar putea fi relicva unui alt Univers anterior, care s-a prabusit, Universul nostru fiind doar o etapa in ciclul etern al expansiunii si prabusirii universurilor.
Altii pun producerea Big Bang-ului pe seama unui “vid fals”, a unui “camp scalar” sau “energiei vidului”, care a introdus un anumit grad de instabilitate in nimicul existent.
Desi pare imposibil sa obtii ceva din nimic, totusi din nimic a luat nastere si exista astazi un Univers. Este posibil ca Universul nostru sa fie doar o parte din multe alte universuri mai mari, unele aflate in alte dimensiuni, si, permanent si peste tot, sa aiba loc Big Bang-uri.
Si tot asa, este posibil ca spatiul si timpul sa fi avut alte forme, complet diferite, inainte de Big Bang, forme pe care nici nu ni le putem imagina. Big Bang-ul poate sa fi reprezentat o forma de tranzitie, in care Universul nostru a trecut de la o forma incomprehensibila la una aproape inteligibila.
Teoria Big Bang-ului nu se refera atat la momentul exploziei, cat la ceea ce s-a intamplat imediat dupa aceea, dupa primele minute.
Prin calcule complicate si urmarind ce se intampla in acceleratoarele de particule, oamenii de stiinta cred ca se pot intoarce la 10 -43 secunde dupa momentul creatiei, atunci cand Universul era microscopic, neputand fi vazut cu ochiul liber. Aceasta cifra este uluitoare si inimaginabila, reprezentand a zecea milioana de mii de miliarde de mii de miliarde de mii de miliarde parte dintr-o secunda.
Dar majoritatea lucrurilor cunoscute despre momentele de inceput ale Universului sunt datorate teoriei inflationiste, o idee ce apartine tanarului fizician Alan Guth, specialist in fizica particulelor. Guth a expus aceasta teorie pentru prima data in 1979, pe cand se afla la Universitatea Stanford din California. Avea 32 de ani, iar ideea i-a venit dupa ce a asistat la o prelegere despre Big Bang tinuta de Robert Dicke. De atunci, si-a indreptat atentia spre cosmologie si mai ales spre nasterea Universului, elaborand ulterior teoria inflationista. Aceasta sustine ca la o fractiune de secunda dupa momentul creatiei, Universul a suferit brusc o expansiune dramatica, dublandu-si in mod succesiv dimensiunile la fiecare 10-34 secunde. Si tot acest proces este posibil sa nu fi durat decat 10-30 secunde, adica a milioana milioana milioana milioana milioana parte dintr-o secunda, transformand Universul din ceva ce putea fi cuprins in palma, in ceva de peste 1025 de ori mai mare.
Teoria inflationista explica undele si vartejurile din Universul nostru, fara de care nu ar exista aglomerarile de materie si nu ar fi posibila existenta stelelor, existand doar gaze in deriva si o obscuritate eterna.
Conform teoriei lui Guth, forta gravitationala s-a nascut la a zecea milioana parte dintr-a mia miliarda parte dintr-a mia miliarda parte dintr-a mia miliarda parte dintr-o secunda. Ceva absolut de neimaginat. Dupa un alt interval de timp la fel de minuscul, au aparut forta electromagnetica, forta nucleara slaba si forta nucleara tare.
O clipa mai tarziu, s-au nascut gramezi de particule elementare, roiuri de fotoni, protoni, electroni, neutroni etc, intre 1079 – 1089 din fiecare.
Intr-o singura clipa, din nimic, a aparut un Univers vast, cu un diametru de cel putin 100 de miliarde de ani lumina, care s-ar putea extinde oricat pana la infinit si din care se vor naste stelele, galaxiile si alte sisteme complexe.
O cat de mica modificare a cifrelor si n-am mai fi fost aici
Dar cel mai uimitor lucru este faptul ca totul s-a petrecut cu o precizie matematica. Daca Universul s-ar fi format cat de putin altfel, daca forta gravitationala ar fi fost cu o fractiune mai mare sau mai mica, daca expansiunea s-ar fi derulat putin mai repede sau mai incet, poate nu s-ar fi creat niciodata elementele stabile necesare aparitiei vietii pe Pamant.
Daca forta gravitationala ar fi fost doar cu o idee mai mare, Universul insusi ar fi putut sa se prabuseasca, neavand valorile exacte care sa-i confere o dispunere perfecta, dimensiunile, densitatea si partile componente necesare. Daca ar fi fost mai mica, nimic nu s-ar fi coagulat, iar Universul ar fi ramas un vid monoton si haotic pentru eternitate.
Se prea poate ca nasterea Universului nostru sa fi fost o reusita din numeroase alte incercari esuate, sa fi existat multe alte Big Banguri, poate chiar miliarde si miliarde care au avut loc in decursul eternitatii. Sau asa cum afirma Edward P. Tryon de la Universitatea dinColumbia: “Universul nostru este pur si simplu unul dintre acele lucruri care se intampla la rastimpuri.” Iar Guth a adaugat: “Desi crearea unui Univers este destul de improbabila, Tryon a subliniat faptul ca nimeni nu a stat sa numere incercarile esuate.”
Martin Rees, astronomul casei Regale Britanice, considera ca exista numeroase universuri, poate chiar un numar infinit, fiecare cu atributele sale specifice si in combinatii diferite, iar omenirea traieste intr-unul ce combina lucrurile intr-un mod ce ne permite sa existam. Daca exista mai multe universuri, trebuie sa existe si unul a carui structura este compatibila cu viata.
Rees sustine ca exista sase numere principale care guverneaza Universul nostru, si, daca oricare dintre acestea s-ar modifica cat de putin, viata pe Pamant nu ar mai fi posibila. (vezi Cele sase numere fundamentale care guverneaza Universul)
Pentru ca Universul sa existe in forma actuala, este nevoie ca hidrogenul sa se transforme in heliu intr-o maniera exacta, astfel incat 0,007 (7 miimi) din masa sa se transforme in energie. Daca aceasta cifra s-ar modifica oricat de putin, de exemplu ar fi de 6 miimi, nu ar mai avea loc nicio transformare: Universul ar fi compus doar din hidrogen si nimic altceva. Daca aceasta valoare ar creste la 8 miimi, legarea atomilor de hidrogen ar fi atat de frenetica incat acesta s-ar epuiza rapid.
Pana acum, totul a fost asa cum trebuia sa fie. Pe termen lung insa, forta gravitationala s-ar putea dovedi un pic prea puternica, ceea ce ar putea opri expansiunea Universului, conducandu-l spre o prabusire in sine insusi (colaps gravitational). Universul se autostriveste, ajungand intr-un alt punct de singularitate, reluand intregul proces de creare a Universului.
In cazul in care forta gravitationala ar deveni prea slaba, Universul s-ar extinde in eternitate, ajungand atat de vast incat toate ar fi atat de departe unele de altele incat nicio interactiune a materiei nu ar mai fi posibila. Universul ar deveni extrem de vast, dar inert si mort. In cazul nostru, forta gravitationala s-a intamplat sa fie perfecta, aceasta “densitate critica” mentinand in echilibru Universul coagulat la dimensiunile exacte, incat sa-si poata continua existenta la infinit.
Citeste si… Care este forma Universului?