Astronomie | Citate celebre & Enciclopedie

Laureatul Premiului Nobel pentru Fizică, Michel Mayor, afirmă că omenirea este sortită să rămână pe Pământ pentru totdeauna.

Michel Mayor, astrofizician elvețian

Michel Gustave Édouard Mayor s-a născut pe 12 ianuarie 1942 la Lausanne, cantonul Vaud, Elveția și este un astrofizician elvețian, profesor emerit la Universitatea din Geneva și cercetător la Observatorul din Geneva. În 2019, a fost distins cu Premiul Nobel pentru Fizică, alături de James Peebles și Didier Queloz, „pentru contribuții la înțelegerea evoluției Universului și a locului Pământului în Cosmos”.

Membru al Observatorului de la Geneva și profesor onorific la Universitatea din Geneva, a descoperit, împreună cu Didier Queloz, prima planetă extrasolară din jurul unei stele din secvența principală, 51 Pegasi b, în 1995. A obținut, împreună cu Didier Queloz, Premiul Nobel pentru Fizică, în 2019, pentru această descoperire.

***

La un moment dat, în următorii cinci ani sau mai mult, NASA intenționează să trimită din nou oameni pe Lună. Privind spre viitor, NASA pune bazele și pentru călătoriile cu echipaj pe Marte și toată această explorare spațială incitantă i-a determinat inevitabil pe mulți să se întrebe peste cât timp oamenii se vor instala într-o altă lume.

Michel Mayor, om de știință, câștigător al Premiului Nobel în domeniul fizicii, nu este prea dornic să vorbească despre oamenii care părăsesc Pământul pentru pajiști mai verzi. De fapt, într-un interviu recent acordat AFP (Agenția France-Presse), Mayor spune că nu vede nici o modalitate prin care oamenii să colonizeze vreodată exoplanete asemănătoare Pământului și că ar trebui mai degrabă să ne cheltuim resursele considerabile menținând Pământul sănătos, decât să visăm să-l părăsim.

[O exoplanetă (sau planetă extrasolară) este o planetă care ori își are orbita în jurul unei alte stele decât Soarele, aparținând deci unui alt sistem planetar decât Sistemul nostru Solar, ori se mișcă liber prin galaxie.]

Mayor își argumentează declarația făcând observația că distanța dintre planeta noastră și sistemele solare vecine este absolut enormă. Are dreptate, desigur, și chiar și acele exoplanete care par potențial locuibile din punctul nostru de vedere sunt încă mult prea îndepărtate de noi pentru a fi o certitudine.

Chiar dacă am ști cu certitudine că o planetă este locuibilă și că oamenii ar putea exista liber și în siguranță pe suprafața ei, nu avem o modalitate reală de a ajunge acolo. Distanța, timpul și siguranța sunt factori prohibitivi, iar dezrădăcinarea civilizației noastre în favoarea unui loc nou nu este nici măcar o posibilitate îndepărtată.

„Aceste planete sunt mult, mult prea departe. Chiar și în cazul foarte optimist al unei planete locuibile care nu este prea departe, spun câteva zeci de ani-lumină, ceea ce nu este mult, adică se află în apropiere, timpul pentru a ajunge acolo este considerabil.”, a declarat Mayor pentru AFP. „Vorbim despre sute de milioane de zile folosind mijloacele pe care le avem astăzi disponibile. Trebuie să avem grijă de planeta noastră, este foarte frumoasă și încă absolut viabilă.”

Mayor are o problemă specială cu ideea că, atunci când oamenii vor distruge complet Pământul, putem pur și simplu să mergem mai departe, pe alte planete, numindu-o, mai exact, o idee „complet nebunească”.

Omenirea nu are o barcă de salvare în acest moment și este posibil să nu o aibă niciodată. Tehnologia ne poate permite să explorăm alte lumi și, eventual, chiar și alte sisteme solare, dar este extrem de puțin probabil ca omenirea să-și facă bagajele și să plece vreodată. Având în vedere acest lucru, cel mai bine este să păstrăm singura noastră planetă în stare de funcționare.

Citește și… Cât timp îi mai rămâne omenirii pentru a supraviețui

>>>

Un sfat adresat tinerilor oameni de știință care caută o motivație a cercetărilor lor este să se angajeze în subiecte importante pentru societate, cum ar fi moderarea schimbărilor climatice, eficientizarea dezvoltării vaccinurilor, satisfacerea nevoilor energetice sau alimentare, crearea unei baze durabile în spațiu sau găsirea de relicve tehnologice ale civilizațiilor extraterestre. În general, societatea finanțează știința, iar oamenii de știință ar trebui să răspundă intereselor publicului.

Cea mai vitală provocare societală este extinderea longevității umanității. La o prelegere recentă adresată absolvenților de la Harvard, s-a discutat despre cât timp va supraviețui civilizația noastră tehnologică. Răspunsul s-a bazat pe faptul că ne găsim în partea de mijloc a vieții noastre, așa cum a susținut inițial jurnalistul și istoricul britanic Richard Gott. Șansa de a fi sugar în prima zi după naștere este de zeci de mii de ori mai mică decât aceea de a fi adult. Este la fel de puțin probabil să trăim doar un secol după începutul erei noastre tehnologice, dacă această perioadă va dura milioane de ani în viitor. În cazul cel mai probabil în care asistăm în prezent la maturitatea vieții noastre tehnologice, este posibil să supraviețuim câteva secole, dar nu mult mai mult. Acest verdict statistic presupune într-adevăr o previziune îngrozitoare. Dar este inevitabilă soarta noastră din punct de vedere statistic?

Există totuși și o parte bună a lucrurilor. Aceasta implică faptul că posedăm liberul arbitru și putem răspunde la deteriorarea condițiilor prin promovarea unui viitor mai lung decât câteva secole. O politică publică înțeleaptă ar putea atenua riscul cauzat de catastrofele tehnologice asociate schimbărilor climatice, pandemiilor auto-provocate sau războaielor.

Nu este clar dacă decidenții politici vor răspunde efectiv provocărilor care urmează și ne vor salva de verdictul statistic de mai sus. Oamenii nu sunt buni în a face față riscurilor pe care nu le-au mai întâlnit până acum, după cum exemplifică politica schimbărilor climatice.

Acest lucru ne aduce din nou la viziunea fatalistă. Modelul standard al fizicii particulelor elementare (care reprezintă consensul actual asupra constituenților de bază ai materiei și asupra forțelor fundamentale care descriu interacțiunile dintre aceștia) presupune că suntem cu toții formați din particule elementare fără constituenți suplimentari. Ca astfel de sisteme compozite, nu posedăm libertatea la un nivel fundamental, deoarece toate particulele și interacțiunile lor respectă legile fizicii. Având în vedere această perspectivă, ceea ce interpretăm ca „liber arbitru” cuprinde doar incertitudinile asociate cu ansamblul complex de circumstanțe care afectează acțiunile umane. Aceste incertitudini sunt esențiale la scara unui individ, dar sunt medii atunci când se ocupă de un eșantion mare. Oamenii și interacțiunile lor complexe se sustrag simțului predictibilității la nivel personal, dar poate că destinul civilizației noastre în ansamblu este modelat de trecutul nostru într-un sens statistic inevitabil.

Previziunea despre cât timp ne-a mai rămas în viitorul nostru tehnologic ar putea rezulta din informațiile statistice despre soarta civilizațiilor ca a noastră care ne-au precedat și au trăit sub constrângeri fizice similare. Majoritatea stelelor s-au format cu miliarde de ani înaintea soarelui și poate că au favorizat civilizații tehnologice pe planetele lor locuibile care au dispărut până acum.

Dacă am avea date istorice despre durata de viață a unui număr mare dintre ele, am putea calcula probabilitatea civilizației noastre de a supraviețui pentru diferite perioade de timp. Abordarea ar fi similară cu calibrarea probabilității ca un atom radioactiv să se descompună pe baza comportamentului documentat al multor alți atomi de același tip. În principiu, am putea aduna date conexe angajându-ne în arheologia spațială și căutând pe cer relicve ale civilizațiilor tehnologice moarte. Acest lucru ar presupune că soarta civilizației noastre este dictată de constrângerile fizice.

Dar, odată confruntat cu distribuția probabilității de supraviețuire, spiritul uman poate alege să sfideze toate șansele și să se comporte ca o excepție a statisticii. De exemplu, șansa noastră de supraviețuire s-ar putea îmbunătăți dacă unii oameni aleg să se îndepărteze de Pământ. În prezent, avem toate ouăle într-un singur coș. Aventurarea în spațiu oferă avantajul de a ne păstra civilizația ferind-o de un dezastru pe o singură planetă. Deși Pământul oferă o casă confortabilă în acest moment, în cele din urmă vom fi nevoiți să ne mutăm, deoarece soarele va fierbe toată apa lichidă de pe suprafața planetei noastre în decurs de un miliard de ani. Înființarea de comunități multiple de oameni pe alte planete ar semăna cu duplicarea Bibliei de către tipografia Gutenberg în jurul anului 1455, care împiedica pierderea conținutului prețios printr-o catastrofă într-un singur punct.

Desigur, chiar și o călătorie pe distanțe scurte de la Pământ la planeta Marte creează pericole majore pentru sănătate din cauza radiațiilor cosmice, a particulelor solare energetice (particule de mare energie provenind de la Soare), a radiațiilor UV, a lipsei unei atmosfere respirabile și a gravitației reduse. Depășirea provocărilor de a ne stabili pe Marte ne va îmbunătăți, de asemenea, capacitatea de a recunoaște planetele terraformate în jurul altor stele pe baza propriei experiențe.

Terraformarea planetei Marte în patru etape de dezvoltare

[Terraformarea (de la „Terra” și „formare”) este o idee, devenită ulterior un concept, lansat inițial de autorii de literatură științifico-fantastică, îmbrățișat ulterior de adepții ingineriei planetare și ai celei galactice, care presupune modelarea geografică, atmosferică și ecologică a unor planete asemănătoare Pământului în scopul colonizării și locuirii acestora de către oameni. Terraformarea sau transformarea unei planete poate avea loc printr-un proces de ecosinteză.

Ecosinteza este un proces prin care se introduc anumite specii biologice special alese într-un mediu străin cu scopul de a realiza existența unui ecosistem, oricât de minimal ar fi acesta, imediat după realizarea unei atmosfere de tip asemănător cu al celei terestre. Ecosinteza ar începe pe porțiuni mici, necesitând timp și având ca rezultat final modificarea întregului corp ceresc într-un cămin terestru, propice vieții.]

În ciuda acestei viziuni, conștientizarea provocărilor de pe Pământ ar putea descuraja omenirea să adopte o perspectivă îndrăzneață asupra călătoriilor spațiale. Se poate argumenta că avem suficiente probleme acasă și ne putem întreba: „De ce să pierdem timp și bani valoroși în aventuri spațiale care nu sunt dedicate celor mai urgente nevoi ale noastre chiar aici, pe planeta Pământ?”

Înainte de a capitula în fața acestei premise, ar trebui să recunoaștem că respectarea strictă a obiectivelor lumești nu ne va oferi setul mai larg de abilități necesar pentru a ne adapta la circumstanțele în schimbare pe termen lung. O concentrare îngustă asupra provocărilor temporare seamănă cu obsesii istorice care au ajuns să fie irelevante, cum ar fi „Cum putem elimina volumul tot mai mare de bălegar de cal de pe străzile orașului?” înainte de inventarea automobilului sau „Cum construiești o rețea fizică imensă de linii telefonice fixe?” înainte de a fi inventat telefonul mobil.

Este adevărat, trebuie să ne concentrăm atenția imediată asupra problemelor locale, dar avem nevoie și de inspirație care să ne ridice perspectiva la o scară mai mare și să deschidă noi orizonturi. Limitarea perspectivei conduce la conflicte, deoarece amplifică diferențele și resursele limitate.

În schimb, o perspectivă mai largă favorizează cooperarea ca răspuns la provocările globale. Și nu există o potrivire mai bună pentru o astfel de perspectivă decât știința, „jocul cu sumă infinită” care poate prelungi durata de viață a umanității. Orizontul nostru de oportunități devine nemărginit, pe măsură ce extindem suprafața prețioasei insule de cunoaștere din oceanul ignoranței. După cum a remarcat Oscar Wilde: „Suntem cu toții în noroi, dar unii dintre noi privesc spre stele”. Sperăm că tot mai mulți dintre noi vor privi către stele. Inspirația obținută din această viziune ne-ar putea duce mult dincolo de prognozele statistice care sugerează alternativa fatalistă.

Limitele terraformării

Chiar dacă mediul unei planete ar putea fi modificat în mod deliberat, fezabilitatea creării unui mediu planetar fără restricții, care imită Pământul, pe o altă planetă, nu a fost încă verificată. În timp ce Mercur, Venus, Pământ, Marte și chiar Luna au fost studiate în legătură cu acest subiect, Marte este de obicei considerat a fi cel mai probabil candidat pentru terraformare.

S-au făcut multe studii cu privire la posibilitatea încălzirii planetei și a alterării atmosferei sale, iar NASA a găzduit chiar dezbateri pe această temă. Mai multe metode potențiale pentru terraformarea lui Marte pot fi în limitele capacităților tehnologice ale umanității, dar în prezent, resursele economice necesare pentru a face acest lucru sunt cu mult mai mari decât cele pe care orice guvern sau societate ar fi dispus să le aloce.

Perioada lungă de timp și realizarea practică a terraformării fac, de asemenea, obiectul dezbaterii. Pe măsură ce subiectul a câștigat adepți, cercetările s-au extins la alte posibilități, inclusiv terraformarea biologică, paraterraformarea și modificarea oamenilor pentru a se potrivi mai bine mediilor planetelor și lunilor. În ciuda acestui fapt, întrebările rămân încă în domeniile legate de etică, logistică, economie, politică și metodologie de modificare a mediului într-o lume extraterestră, prezentând probleme de implementare a conceptului.

Citește și… Omenirea este sortită să rămână pe Pământ pentru totdeauna

>>>

Cum se va sfârși Universul? „Nu cu o explozie, ci cu un suspin”, a scris poetul american T.S. Eliot, referitor la sfârșitul lumii. Dar dacă doriți un răspuns mai clar, veți constata că fizicienii au petrecut nenumărate ore răspunzând, în mintea lor, la această întrebare și s-au potrivit perfect la cele mai plauzibile ipoteze ale câtorva categorii de scenarii.

„În manuale și la ora de cosmologie, se învață că există trei posibilități de bază pentru sfârșitul universului”, a spus Robert Caldwell, cosmolog la Universitatea Dartmouth din Hanovra, New Hampshire.

1.Într-unul dintre scenarii, cosmosul ar putea continua să se extindă în eternitate, în timp ce toată materia se va dezintegra în energie, în ceea ce este cunoscut drept „moarte termică”, spune Caldwell.

2.Alternativ, gravitația ar putea face ca universul să se re-prăbușească, creând un Big Bang invers, numit Big Crunch (Marea Implozie).

3.Sau există posibilitatea ca energia întunecată să determine ca expansiunea universului să se accelereze din ce în ce mai repede, evoluând într-un proces scăpat de sub control, cunoscut sub numele de Big Rip (Marea Ruptură).

Înainte de a discuta despre sfârșitul universului, să începem de la nașterea lui. Cunoașterea noastră actuală afirmă că timpul și spațiul au început în timpul Big Bang-ului, când un punct subatomic, ultra-fierbinte și super-dens a explodat spre exterior. Odată ce temperatura a scăzut suficient, particulele au început să formeze structuri mai mari precum galaxiile, stelele și toată viața de pe Pământ. În prezent trăim la aproximativ 13 miliarde de ani de la începutul universului, dar, având în vedere diferitele scenarii pentru dispariția sa, nu este clar cât timp va persista universul.

1.În primul scenariu – universul se retrage din existență din cauza morții termice – toate stelele din cosmos, de masă medie, își vor arde combustibilul, majoritatea lăsând în urmă rămășițe dense cunoscute sub numele de pitice albe și stele neutronice. Cele mai mari stele, cu o masă de ordinul a sute de mii până la miliarde de ori masa Soarelui, s-ar prăbuși formând găuri negre supermasive, cel mai mare tip de gaură neagră. Atracția gravitațională masivă a acestor fioroase găuri negre ar atrage cea mai mare parte a materiei în abisul lor devorator.

“Atunci s-ar putea întâmpla ceva spectaculos”, declară Caldwell.

Se consideră că găurile negre degajă un tip special de emisie numit radiație Hawking, numit după regretatul fizician Stephen Hawking, care a postulat prima dată teoria. Această radiație, de fapt, sustrage fiecărei găuri negre un pic din masa ei, ceea ce face ca gaura neagră să se evapore încet. După 10¹⁰⁰ ani (adică numărul 1 urmat de 100 de zerouri), toate găurile negre se vor disipa, fără a lăsa în urmă nimic altceva decât energie inertă, potrivit lui Kevin Pimbblet, astrofizician la Universitatea din Hull din Regatul Unit.

2.În schimb, în scenariul Big Crunch, prin contrast, atracția gravitațională a stelelor și galaxiilor ar începe, într-o bună zi, să atragă din nou întregul univers. Procesul s-ar derula ca un Big Bang în sens invers, cu clustere galactice (roiuri de galaxii) care se prăbușesc și se contopesc, apoi stelele și planetele se contopesc și, în final, totul din univers ar forma din nou un punct dens de dimensiuni infinit de mici.

Un astfel de rezultat oferă o oarecare simetrie temporală cosmosului. “Este ordonat și curat”, spune Caldwell. “Este ca atunci când pleci din camping; nu lași nimic în urmă.”

3.Posibilitatea finală de bază pentru sfârșitul universului este cunoscută sub numele de Big Rip. În acest scenariu, energia întunecată – substanța misterioasă care acționează în opoziție cu gravitația – ca o presiune negativă sau o gravitaţie repulsivă – sfâșie totul bucată cu bucată. Expansiunea cosmosului se accelerează până când galaxiile îndepărtate se îndepărtează atât de repede încât lumina lor nu mai poate fi văzută. Pe măsură ce expansiunea se accelerează, obiectele din ce în ce mai apropiate încep să dispară în spatele a ceea ce Caldwell a descris drept un “zid al întunericului”.

“Galaxiile se desprind, sistemul solar se destramă”, spune el. “Planetele, și apoi în cele din urmă atomii, apoi universul în sine se destramă.”

Ce scenariu al „sfârșitului” va avea loc?

Deoarece proprietățile energiei întunecate nu sunt încă bine înțelese, cercetătorii nu știu care dintre aceste scenarii vor predomina. Caldwell a spus că speră ca observatoarele în dezvoltare, precum Telescopul de cercetare infraroșu pe teren larg al NASA (Wide Field Infrared Survey Telescope, WFIRST) sau Telescopul de sondaj mare sinoptic (Large Synoptic Survey Telescope, LSST), care urmează să fie implementate, vor ajuta la elucidarea comportamentului energiei întunecate, oferind poate o mai bună înțelegere a sfârșitului universului.

Există și alte perspective exotice cu privire la modul în care cosmosul ar putea să sfârșească. În conformitate cu legile cunoscute ale fizicii, este posibil ca bosonul Higgs (numit așa după fizicianul britanic Peter Higgs și supranumit „particula lui Dumnezeu”) – o particulă elementară din familia bosonilor, care face parte din mecanismul de rupere spontană a simetriei, particulă ce conferă masă tuturor celorlalte particule elementare cunoscute – ar putea într-o zi să distrugă totul.

Când a fost descoperit, în 2012, s-a constatat că bosonul Higgs avea o masă de aproximativ 126 ori mai mare decât a unui proton. Dar teoretic este posibil ca această masă să se schimbe. Acest lucru se datorează faptului că universul ar putea să nu se afle în cea mai scăzută configurație energetică posibilă în acel moment. Întregul cosmos ar putea fi în ceea ce este cunoscut ca un vid fals instabil, spre deosebire de un vid adevărat. Dacă bosonul Higgs s-ar descompune cumva într-o masă mai mică, universul ar cădea într-o stare de vid adevărat cu energie mai mică.

Dacă bosonul Higgs ar trece deodată la o masă mai mică și ar avea proprietăți diferite, atunci orice altceva din univers ar fi afectat în mod similar. Ar fi posibil ca electronii să nu mai poată orbita în jurul protonilor, ceea ce ar face ca existența atomilor să fie imposibilă. De asemenea, fotonii ar putea dezvolta masă, ceea ce ar însemna că lumina soarelui s-ar putea simți ca un duș de ploaie. Nu se știe dacă vreo viețuitoare ar putea supraviețui sau nu unei astfel de stări.

“Aș clasifica asta ca un fel de catastrofă de mediu a fizicii particulelor”, a spus Caldwell. „Nu provoacă în mod direct dispariția universului – ci doar îl face un loc neplăcut în care să trăiești.”

>>>

Universul ar putea avea mai multe dimensiuni decât ne dăm seama?

Teoria corzilor, sau teoria stringurilor, este o pretinsă teorie a totului prin care fizicienii speră că într-o bună zi vor explica… totul.

Toate forțele, toate particulele, toate constantele, toate lucrurile sub un singur acoperământ teoretic, în care tot ceea ce vedem este rezultatul unor minuscule corzi vibrante. Teoreticienii lucrează la această idee încă din anii 1960, iar unul dintre primele lucruri de care și-au dat seama este că pentru ca teoria să funcționeze, trebuie să existe mai multe dimensiuni decât cele patru obișnuite.

Dar această idee nu este atât de hazardată pe cât pare.

Dezastru dimensional

Premisa de la care se pornește este simplă: deoarece o particulă punctuală ridică probleme, se poate imagina că aceasta are o extensie spațială (dar foarte, foarte, foarte mică), astfel încât ceea ce este descris ca fiind o particulă sa fie, de fapt, dacă este privită (de foarte, foarte, foarte aproape), rezultatul vibrației unui mic filament de materie, o coardă.

Există două tipuri de bază ale teoriilor corzilor: cele cu bucle ale corzilor închise care se pot rupe în corzi deschise (corzi deschise) și cele cu bucle ale corzilor închise care nu se pot rupe în corzi deschise (corzi închise).

În teoria corzilor, mici bucle care vibrează fără excepție (în teorie, ele sunt obiectul fundamental al realității) se manifestă ca particule diferite (electroni, quarci, neutrino etc.) și ca purtători de forță¹ai naturii (fotoni, gluoni, gravitoni etc.). Modul în care fac acest lucru este prin vibrațiile lor. Fiecare coardă este atât de minusculă, încât ni se pare că este doar o particulă asemănătoare punctului, dar fiecare coardă poate vibra în moduri diferite, la fel cum se pot produce note diferite dintr-o coardă de chitară. (Teoria corzilor în sprijinul tentativei de unificare)

[¹Purtător de forță: în teoria cuantică a câmpurilor, purtătorii de forță sau particulele mesager sau particulele intermediare sunt particulele care dau naștere forțelor între particule. Aceste particule sunt pachete de energie (cuante) ale unui anumit tip de câmp. Există un tip de câmp pentru fiecare tip de particule elementare. De exemplu, există un câmp electromagnetic a cărui cuantă este fotonul (cuantă de lumină).]

Fiecare mod de vibrație se crede că se referă la un alt tip de particulă. Deci, toate corzile care vibrează într-un fel sunt electroni, toate corzile care vibrează într-un alt mod sunt fotoni și așa mai departe. Ceea ce înțelegem ca fiind coliziuni de particule sunt, din punctul de vedere al teoriei corzilor, mai multe corzi care se unesc și se scindează.

Dar pentru ca matematica să funcționeze, trebuie să existe mai mult de patru dimensiuni în universul nostru. Acest lucru se datorează faptului că spațiu-timpul nostru obișnuit nu oferă corzilor suficiente „camere” pentru a vibra în toate modurile de care au nevoie pentru a se exprima pe deplin în toate varietățile de particule din lume. Acestea sunt pur și simplu prea limitate.

Cu alte cuvinte, corzile nu doar vibrează, ci vibrează hiperdimensional.

Coardă închisă

Coardă deschisă

Versiunile actuale ale teoriei corzilor necesită 10 dimensiuni în total, în timp ce o teorie și mai ipotetică, cunoscută sub denumirea de Teoria M, necesită 11. Dar când privim în jur universul, vedem doar cele trei dimensiuni spațiale obișnuite, plus dimensiunea timpului. Suntem destul de siguri că, dacă universul ar avea mai mult de patru dimensiuni, am fi observat până acum.

Cum se poate reconcilia cerința teoriei corzilor pentru dimensiuni suplimentare cu experiențele noastre cotidiene din univers?

Dimensiune înfășurată și compactă

Din fericire, teoreticienii corzilor au putut să indice un antecedent istoric pentru această noțiune aparent radicală.

Teoriile moderne Kaluza-Klein unifică Teoria electromagnetică a lui Maxwell cu Teoria einsteiniană a Relativităţii Generale şi Gravitaţiei. Această teorie (Kaluza-Klein modernă, 5-D), furnizează informaţia ştiinţifică şi baza tehnică, pentru elaborarea de modele ale galaxiilor, sistemelor solare, prefigurând călătoria spre stele.

Povestea sus-amintitei teorii, a început în 1919, când Theodor Kaluza a unificat Electromagnetismul maxwellian cu Relativitatea Generală şi Gravitaţia, prin adăugarea unei a cincea dimensiuni spaţiului-timp minkowskian.

Ideea i-a venit lui Kaluza după modelul elaborat de Hermann Minkowski, care a utilizat a patra dimensiune, suplimentară, pentru a rezolva probemele Teoriei Generale a Relativităţii şi Gravitaţiei, formând astfel fascinantul continuum spaţio-temporal în patru dimensiuni, prin adăugarea la spaţiul tridimensional a unui timp complex.

[Timpul complex este, desigur, exprimat în numere complexe; dar orice număr complex are două părţi: una reală şi una imaginară. Ideea de timp cu două dimensiuni sau bi-dimensionalitatea timpului este sugestivă ca justificare, prin intuire, a Planului Temporal. Două dimensiuni temporale formează, firesc, un plan temporal.

Oamenii îşi imaginează timpul ca pe o axă trecut-prezent-viitor. Un timp complex, geometric vorbind, este un plan complex, cu traiectorii temporale curbe, mai ales pentru lumea particulelor elementare, care se deplasează cu viteze foarte mari, frizând viteza luminii, adică pentru mecanica cuantică, relativitate, gravitaţie, astronomie, cosmologie.]

În 1919, la scurt timp după ce Albert Einstein și-a publicat teoria Relativității Generale, matematicianul și fizicianul Theodor Kaluza se juca cu ecuațiile, doar pentru a se distra. Și a găsit ceva deosebit de interesant când a adăugat o a cincea dimensiune la ecuații – nu s-a întâmplat nimic. Într-adevăr, ecuațiilor relativității nu le pasă de numărul de dimensiuni; este altceva ce trebuie adăugat pentru a face teoria să se aplice universului nostru.

Dar apoi Kaluza a adăugat o distorsiune specială la acea a cincea dimensiune, făcând-o să se înfășoare în jurul său, în ceea ce el a numit „condiția cilindrului” (o extra dimensiune rulată cilindric). Această cerință a făcut să apară ceva nou: Kaluza a refăcut ecuațiile obișnuite ale relativității generale în cele patru dimensiuni obișnuite, plus o nouă ecuație care reproducea expresiile electromagnetismului.

Se părea că, prin adăugarea dimensiunilor, legile fizicii ar fi putut fi unificate.

Privind retrospectiv, aceasta era o pistă falsă.

La rândul său, Oskar Klein (1926), a aplicat teoria lui Kaluza asupra Mecanicii Cuantice, care se foloseşte în teoria modernă a stringurilor.

Mai bine de 70 de ani, oamenii de ştiinţă au avut dificultăţi în a corela teoria Kaluza-Klein cu realitatea fizică, cu toate că folosea o extra dimensiune.

Astfel, fizicianul Oskar Klein, a încercat să dea ideii lui Kaluza o interpretare în termeni de mecanică cuantică. El a descoperit că dacă această a cincea dimensiune exista și era responsabilă în vreun fel de electromagnetism, acea dimensiune trebuia să fie ghemuită, înfășurându-se în jurul ei înseși (la fel ca în ideea inițială a lui Kaluza), dar mult mai mică, până la 10^-35 metri.

Presupunerea iniţială a unei extra dimensiuni rulată cilindric, şi de aceea nesesizabilă, a fost modificată, dar teoriile stringurilor şi super stringurilor nu au dus la interpretări acceptabile ale lumii fizice.

Abia în 1998, savanţii Wesson şi Overduin, au demonstrat că a cincea dimensiune soluţionează „Space-Time-Matter Continuum“, Continuumul Spaţiu-Timp-Materie.

Numeroasele varietăți ale teoriei corzilor

Dacă o dimensiune suplimentară (sau dimensiuni) este într-adevăr atât de mică, este normal faptul că nu am observat-o până acum. Este atât de mică încât nu am putea spera să o analizăm direct prin experimentele noastre cu energii înalte (fizica particulelor elementare este cunoscută și ca fizica energiilor înalte).

Și dacă aceste dimensiuni sunt înfășurate pe ele însele, atunci de fiecare dată când te deplasezi în spațiul cu patru dimensiuni, te deplasezi într-adevăr în jurul acestor dimensiuni suplimentare de miliarde de miliarde de ori.

Și acestea sunt dimensiunile în care trăiesc corzile din teoria corzilor.

Odată cu o perspectivă matematică suplimentară, s-a constatat că cele șase dimensiuni spațiale suplimentare necesare în teoria corzilor trebuie să fie înglobate într-un set particular de configurații, cunoscute sub denumirea de varietăți Calabi-Yau, după numele a doi fizicieni proeminenți. Dar nu există o varietate unică care să fie permisă de teoria corzilor.

Există în jur de 10 ^200.000 de varietăți.

O varietate Calabi-Yau din nenumăratele varietăți posibile

Se pare că atunci când ai nevoie de șase dimensiuni pentru a te înfășura pe tine însuți și le oferi aproape orice modalitate posibilă de a o face, acestea… se adaugă.

Există o mulțime de moduri diferite de a se înfășura aceste dimensiuni în sine. Și fiecare configurație posibilă va afecta modul în care vibrează corzile în interiorul lor. Întrucât modul în care vibrează corzile determină modul în care se comportă aici în lumea macroscopică, fiecare alegere a varietății conduce către un univers distinct, cu propriul set de legi ale fizicii.

Deci o singură varietate poate da naștere lumii așa cum o experimentăm noi. Dar care?

Din păcate, teoria corzilor nu poate da un răspuns, cel puțin nu încă. Problema este că teoria corzilor nu este finalizată – avem doar diverse metode de aproximare prin care sperăm să ne apropiem de realitate, dar acum nu avem idee cât de aproape suntem de realitate. Deci, nu avem o tehnologie matematică pentru urmărirea lanțului, de la o varietate specifică la o vibrație specifică a corzii și până la legile fizicii universului.

Răspunsul teoreticienilor corzilor este ceva numit “Peisaj”, un multivers al tuturor universurilor posibile prezise de diferitele varietăți, cu universul nostru care este doar un punct printre multe altele.

Și aici se află astăzi teoria corzilor, undeva în acest “Peisaj”.

>>>

O simulare a unei coliziuni proton-proton în „Marele Accelerator de Hadroni” (Large Hadron Collider, LHC, accelerator de particule construit la Centrul European de Cercetări Nucleare, CERN, între Munții Alpi și Munții Jura, lângă Geneva). Detectoare precum Solenoidul Compact de Muoni sau CMS vor înregistra traseele create de sute de particule care apar din fiecare coliziune.

Roger Briggs este autorul lucrării “Călătorie către civilizație” (“Journey to Civilization: The Science of How We Got Here”, Collins Foundation Press, 2013). În cartea sa, acesta prezintă o nouă versiune a creației universului, a Pământului, a vieții și a umanității bazată pe dovezile și scepticismul științei.

Una dintre realizările neașteptate ale științei moderne este aceea că poate oferi acum o versiune coerentă a originii umanității, lucru care nu era posibil doar cu câteva decenii în urmă. Odată cu noile descoperiri în astrofizică, biologie evolutivă, genetică moleculară, geologie și paleoantropologie, a apărut o descriere coerentă a acesteia pornind de la Big Bang. Aceasta constituie atât o nouă cosmologie, în care este încorporată umanitatea, cât și un mare tur de forță al științei. Iată topul celor 10 evenimente care stau la baza istoriei originii umanității, în ordine cronologică.

1. Marele Flash (The Big Flash): originea Radiației Cosmice de Fond

Această hartă prezintă cea mai veche lumină din Universul nostru, detectată cu cea mai mare precizie de misiunea Planck. Cea mai străveche lumină din Univers sau cea mai străveche relicvă de la nașterea Universului, numită Radiație Cosmică de Fond, a fost imprimată pe cer când Universul avea 370.000 de ani. Harta prezintă fluctuații minuscule de temperatură ale radiației termice cosmice și polarizarea acesteia care corespund regiunilor cu densități ușor diferite, reprezentând “semințele” întregii structuri viitoare: stelele și galaxiile de astăzi. Aceste informații sunt esențiale pentru cosmologie, deoarece permit reconstituirea cu mare precizie a conținutului material al Universului. Imaginea a fost lansată pe 21 martie 2013.

Când Universul avea aproximativ 380.000 de ani, se răcise până la aproximativ 3000 de grade Kelvin (cca. 2727 de grade Celsius), fiind suficient de rece pentru ca electronii să se atașeze de nuclee și să formeze materie atomică în stări extrem de excitate (instabile), atomi de hidrogen. Aceasta a produs un flux masiv de fotoni în apropierea domeniului vizibil (tipic atomilor excitați) care au umplut universul timpuriu. Pe măsură ce universul și spațiul în sine s-au extins, lungimea de undă a acestei lumini s-a deplasat în domeniul microundelor pentru a deveni Radiația Cosmică de Fond (Cosmic Microwave Background, CMB) pe care Penzias și Wilson au descoperit-o din întâmplare în 1964. (Radiația Cosmică de Fond, o descoperire de Premiul Nobel)

George Gamow a afirmat că doar un Big Bang ar fi putut produce o astfel de radiație de fond, iar CMB a devenit una dintre primele dovezi care susțin teoria Big Bang. De atunci, studiul CMB cu instrumente spațiale precum COBE, WMAP și acum cu telescopul spațial Planck continuă să fie o sursă bogată de informații despre universul timpuriu și structura sa cea mai profundă.

2. Sfârșitul Epocii Întunecate: se nasc primele stele

Acest frumos fundal spațial prezintă galaxia spirală Messier 100, situată în partea de sud a constelației Coma Berenices – care, în traducere, înseamnă Părul Berenicei sau Cosița Berenicei – aflată la aproximativ 55 de milioane de ani-lumină de Pământ.

După aproximativ 400 de milioane de ani de expansiune ca urmare a Big Bang-ului, Universul a devenit suficient de rece pentru ca gravitația să înceapă să aglomereze nori de praf și hidrogen, formând nori moleculari sau nebuloase din care au luat naștere stelele. În interiorul stelelor, au avut loc, pentru prima dată, reacții de fuziune nucleară, hidrogenul transformându-se în heliu. Energia rezultată şi emanată din miezul primelor stele a dus la extraordinara revărsare de radiații luminoase care a marcat sfârșitul Epocii Întunecate. Temperaturile extreme și presiunea înaltă au creat o stare a materiei (din apropiera norilor de hidrogen), puternic ionizată (ioni și electroni în stare liberă), numită plasmă.

Această reionizare reprezintă amprenta primelor stele și poate fi văzută în semnăturile spectrale ale quasarilor, în polarizarea CMB și în linia de emisie a hidrogenului cu lungimea de undă de 21 de centimetri.

Nașterea primelor stele a marcat un punct de cotitură în viața Universului: de aici înainte Universul a preluat caracteristicile pe care le vedem astăzi, cu galaxii pline de stele înconjurate de sisteme planetare. Stelele îndeplinesc unele dintre cele mai importante activități din Cosmos: ele fabrică elementele mai grele decât hidrogenul, creează planete ca parte a propriei lor formări și furnizează energie acestor planete, așa cum face propriul nostru Soare pentru noi.

O schemă a istoriei cosmice

3. Formarea sistemului solar: neobișnuită sau nu?

Viziunea unui artist referitor la o planetă tânără, pe o orbită îndepărtată, în jurul stelei sale gazdă. Steaua încă mai păstrează un disc de resturi, material rămas de la formarea stelei și a planetei, în interiorul orbitei planetei.

Stele galbene, din clasa G, precum Soarele, se găsesc cu zecile în întregul Univers, dar doar o fracțiune dintre ele există ca stele singure și conțin toate cele 92 de elemente care apar în mod natural, precum Soarele nostru. Astronomii dețin acum dovezi puternice, din cercetările efectuate asupra exoplanetelor, că practic toate stelele formează sisteme planetare ca parte naturală a propriei lor formări, iar acest lucru este în acord cu teoriile actuale ale formării stelelor. Dar majoritatea sistemelor planetare observate până acum par stranii și neospitaliere pentru viață – de exemplu, având planete de dimensiunea lui Jupiter orbitând mult mai aproape decât Mercur orbitează Soarele sau cinci planete înghesuite într-un spațiu mai mic decât orbita lui Mercur. Astronomii nu au văzut încă un sistem solar care să fie atât de bine ordonat ca al nostru, cu o frumoasă planetă stâncoasă situată în locul optim pentru a putea avea apă lichidă și viață.

Cât de specială este situația Pământului?

Mass-media a fost în plină efervescență când cercetătorii au estimat (în cadrul lucrărilor de la Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS, 26 noiembrie 2013) că în galaxia noastră ar putea exista 8 sau 9 miliarde de stele cu planete asemănătoare Pământului – aproximativ 5% din stele – ceea ce ar face ca șansele să fie foarte mari pentru existența vieții inteligente și în alte părți. Cu toate acestea, nici o formă de viață, sau dovezi ale existenței vieții, nu a fost găsită vreodată dincolo de Pământ, astfel încât nu se poate răspunde încă la întrebările despre cât de rar sau comun este Pământul și cât de unică poate fi sau nu umanitatea.

4. Apariția vieții odată cu moleculele organice (marele salt al trecerii de la anorganic la organic)

ADN-ul: codul genetic care stochează întreaga informație genetică a ființelor vii

Prezența izotopului 12 al carbonului (Carbon-12 sau ¹²C) în rocile străvechi sugerează că viața a început pe Pământ acum aproximativ 3,8 miliarde de ani. Aceasta înseamnă că ADN-ul sau o moleculă precursoare s-a asamblat și a putut începe autoreplicarea sa neobosită care a condus la evoluția vieții. Dar cum s-a asamblat o moleculă atât de fragilă și de complexă?

Moleculele organice au început să apară în univers. Ele pot fi găsite în semnăturile spectrale ale stelelor și norilor de gaz, iar meteoritul Murchison, care a căzut pe Pământ în 1969, conținea 92 de aminoacizi diferiți, majoritatea nefiind văzuți vreodată pe Pământ. Cu toate acestea, este un salt uriaș de la aminoacizi la un organism viu, cu un sistem metabolic care furnizează energie și un sistem genetic care stochează informații, direcționează construcția proteinelor, reglează fiecare funcție a organismului și se reproduce în sine, toate închise într-o membrană.

Viața ar fi putut fi însămânțată din altă parte? Sau poate a fost doar șansa de a se uni moleculele între ele, lucru care trebuia să se întâmple undeva. Sau ar putea exista un principiu fundamental de organizare în Univers care conduce materia spre complexitate? Nu știm răspunsul, iar originea vieții rămâne unul dintre cele mai mari mistere din toată știința.

5. Marea Catastrofă a Oxigenului, Pământul – Bulgăre de Zăpadă și Apariția lui Eukarya

Pământul – Bulgăre de Zăpadă (Snowball Earth), în viziunea unui artist

Viața pe Pământ s-a confruntat cu cea mai mare criză de supraviețuire, în urmă cu aproximativ 2,5 miliarde de ani, atunci când atmosfera a trecut de la faza dominanței dioxidului de carbon la faza bogată în oxigen. Până în acest moment, viața a fost de tip procariot (organisme primitive – viruși, bacterii, alge albastre – monocelulare, cu structură simplă, lipsite de nucleu) sau asemănătoare bacteriilor și a prosperat pe baza dioxidului de carbon (CO₂). Dar bacteriile fotosintetizante foloseau CO₂ și produceau oxigen (O₂) otrăvitor, care a umplut în cele din urmă atmosfera. Pentru ca lucrurile să se înrăutățească și mai mult, după scăderea concentrației CO₂ atmosferic, Pământul a fost cuprins de un îngheț profund și masiv, care a ajuns să fie denumit Evenimentul Pământului – Bulgăre de Zăpadă. Planeta noastră a fost acoperită în întregime de straturi groase de gheață, cu excepția zonei din apropierea ecuatorului, iar viața în oceanele întunecate a fost aproape de dispariție. Cu toate acestea, undeva în mijlocul acestei crize cu două capete, a apărut o formă de viață nouă și mai complexă: Eukarya.

[Eukarya, Archaea și Eubacteria constituie cele trei ramuri majore ale organismelor vii (cu excepția virusurilor). Eucariotele sunt organisme constând dintr-una sau mai multe celule eucariote, cea mai distinctivă caracteristică fiind prezența unui nucleu legat de membrană care conține informațiile genetice ale celulei. Acest grup divers include plante, animale, ciuperci și protiste (organisme unicelulare). Oamenii de știință cred că eucariotele au evoluat probabil dintr-un strămoș procariot (celulă fără nucleu) acum 1,6 – 2,1 miliarde de ani în urmă. Astfel, ele se disting și prin alte complexități ale structurii celulare, inclusiv un citoschelet bogat în proteine și compartimente separate de membrană, cum ar fi ribozomii și mitocondriile (organite celulare întâlnite în toate tipurile de celule eucariote), care îndeplinesc funcții celulare specializate. Până la 60 de linii genealogice de eucariote au fost identificate până în prezent, dar relațiile între multe dintre ele rămân neclare.

Cele două tipuri de celule: eucariote, formate din membrană, citoplasmă și nucleu și procariote, formate din membrană și citoplasmă (fără nucleu)

Citoschelet: schelet celular, comun tuturor celulelor eucariote (celule cu nucleu), ca de exemplu neuronul.

Ribozom: organit celular granular din citoplasmă, important în biosinteza proteinelor, în transmiterea caracterelor ereditare etc., format din proteine și acizi ribonucleici.

Mitocondrie: organit citoplasmatic la plante și animale alcătuit din proteine, lipide și enzime care asigură celulei energia necesară.

Organit: fiecare dintre elementele constitutive permanente din celula vie.]

În 1967, microbiologul american Lynn Margulis a fost primul care a recunoscut faptul că unele organisme procariote au fost capabile să se unească într-un aranjament de cooperare pe care a numit-o endosimbioză care le-a ajutat să supraviețuiască crizei. Înțelegem acum că mitocondriile din celulele animale și cloroplastele din celulele plantelor au fost odată organisme individuale înainte de a fi asimilate pentru a deveni organite eucariote. Ele poartă încă genomii primitivi din vremea lor sub formă de procariote. Apariția vieții eucariote a deschis calea pentru toate formele superioare de viață care au urmat – inclusiv pentru noi!

6. Din fericire pentru noi: a avut loc extincția dinozaurilor în Cretacicul-Terțiar (KT)

O ilustrare a unui asteroid masiv care se prăbușește pe Pământ. Poate Pământul a experimentat astfel de impacturi gigantice în tinerețea sa, dar, din fericire, astăzi nu există „proiectile” atât de mari care să ne amenințe planeta.

Timp de aproape 200 de milioane de ani, dinozaurii au stăpânit Pământul. Apoi, destul de brusc, acum aproximativ 65 de milioane de ani, au dispărut. Luis și Walter Alvarez, tată și fiu, au explicat, pentru prima dată în 1980, ce s-a întâmplat cu dinozaurii. Aceștia au găsit straturi subțiri de iridiu în roci care datau de acum 65 de milioane de ani și, întrucât iridiul este, în mod natural, foarte rar pe Pământ, au presupus că sursa a fost un meteorit care a lovit Pământul în acea vreme. Teoria lor a fost la început controversată și a generat multe îndoieli, dar alți cercetători au început să găsească straturi de iridiu similare în roci din alte locuri de pe Pământ, sugerând un eveniment global, iar în final, un crater de meteorit a fost găsit, în apropierea Peninsulei Yucatan, având cam aceeași vârstă.

Meteoritul Chicxulub trebuie să fi avut o mărime de 10-15 km și să fi călătorit cu o viteză de aproximativ 10.000 m/h, sau 10 km/h, când a avut loc impactul, declanșând o iarnă globală care a fost devastatoare pentru aproape toate plantele și animalele terestre. Însă micile mamifere cu blană, care erau îngropate sub pământ, au supraviețuit. Acestea trăiau tot timpul în umbra dinozaurilor, dar odată ce dinozaurii au dispărut, puteau acum să prospere și să crească ca mărime, devenind noii stăpâni ai Pământului. În cele din urmă, linia genealogică a mamiferelor a evoluat în primate, apoi în maimuțe, apoi în hominizi și, în cele din urmă, linia genealogică a genului Homo a produs ființe umane. Dacă nu ar fi avut loc întâlnirea întâmplătoare a Pământului cu un meteorit, în urmă cu 65 de milioane de ani, ar fi fost puțin probabil să mai fim aici.

7. Apariția genului Homo (ordinul Primate, familia Hominide, cu speciile Homo neanderthalensis, Homo heidelbergensis, Homo habilis, Homo erectus, Homo sapiens etc.

Reconstituirea unei femele din specia Homo erectus (bazată pe fosila ER 3733) de către paleoartistul John Gurche, parte a Programului Originii Omului al Muzeului Național de Istorie Naturală Smithsonian.

În urmă cu aproximativ 5 milioane de ani, unele maimuțe din Africa stăpâneau arta mersului pe verticală – acestea erau hominizii. În următoarele câteva milioane de ani, aceste maimuțe, denumite Australopithecus, împreună cu cel puțin 7 specii diferite, au început să cutreiere Africa. Dar peste ceva timp, în urmă cu aproximativ 2,5 milioane de ani, o nouă linie genealogică s-a ramificat din Australopithecus: genul Homo. Există încă o dezbatere aprinsă despre când și cum s-a întâmplat această divergență și despre ce specii de hominizi au fost implicate. Dar cea mai răspândită părere este că Homo habilis a fost primul membru în această nouă linie genealogică, iar în urmă cu aproximativ 2,0 milioane de ani, un strămoș pe care acum îl numim Homo erectus a prosperat în Africa de Est și va începe curând să populeze Eurasia și Asia.

Uneltele de piatră apar și ele în registrul fosilelor, pentru prima dată, în urmă cu aproximativ 2,5 milioane de ani în apropiere de rămășițele fosile ale primilor membri ai genului Homo. Nici o altă formă de viață nu a fabricat și nu a folosit unelte din piatră transmițându-și meșteșugul, de-a lungul timpului, următoarelor generații. Acest lucru a reprezentat nașterea culturii adevărate și apariția tehnologiei. În paralel, dezvoltarea uneltelor a condus la o expansiune rapidă a volumului creierului, posibil triplându-se la Homo neanderthalensis și la Homo sapiens cu aproximativ 200.000 de ani în urmă. Dar neanderthalii păreau să stagneze în dezvoltarea lor tehnologică, în timp ce Homo sapiens a continuat să evolueze în tehnologie, cultură și conștiință, transformându-se într-o forță aproape geologică pe Pământ. În cele din urmă, fiecare specie de hominid a dispărut – cu excepția uneia, Homo sapiens. Suntem urmașii ultimului și singurului hominid supraviețuitor.

8. Prieteni sau inamici: cine au fost Neanderthalii?

O familie de neanderthali în viziunea unui artist

Cu aproximativ 1 milion de ani în urmă, hominidul care trăia în Africa, numit Homo ergaster (numit și Homo erectus) a început să evolueze spre o nouă specie. Aceasta a fost Homo heidelbergensis, probabil cel mai apropiat strămoș al umanității. Unii membri ai acestei noi specii au rămas în Africa, în timp ce alții au ieșit din Africa și s-au îndreptat spre Europa, unde au apărut în registrul fosilelor din urmă cu aproximativ 800.000 de ani. Populația europeană de heidelbergensis, adaptându-se la condițiile mult mai reci, a evoluat în Homo neanderthalensis în urmă cu aproximativ 400.000 de ani.

Neanderthalii, care aveau un creier mare și erau foarte inteligenți, s-au răspândit în toată Asia Centrală și Europa, în timp ce verii lor, care au rămas în Africa, au evoluat spre oamenii moderni, Homo sapiens. În urmă cu aproximativ 100.000 de ani, Homo sapiens a început să părăsească Africa pentru prima dată, intrând în contact cu neanderthalii, mai întâi în Asia Centrală și mai târziu în Europa, interacționând între ei în mod misterios și în moduri care nu sunt încă pe deplin înțelese.

Cu aproximativ 30.000 de ani în urmă, neanderthalii s-au retras în Spania și Portugalia, unde au dispărut în cele din urmă. Nu există dovezi reale că umanoizii i-au ucis pe neanderthalii, iar asemănarea instrumentelor lor sugerează unele suprapuneri de culturi. Însă studiile genomice publicate de Svante Pääbo și colegii săi de la Max Planck Institute dezvăluie faptul că unii oameni de origine europeană poartă astăzi până la 4% din ADN-ul Neanderthalian, rămânând fără îndoială faptul că cele două populații au interacționat undeva pe parcurs.

9. Marele salt înainte

Diferențele craniene între omul modern și omul de Neanderthal. În stânga se află craniul unui Neanderthal din Franța, iar în dreapta este craniul unui om modern din Polinezia.

Jared Diamond a popularizat acest descriptor în cartea sa “Al treilea cimpanzeu” (“The Third Chimpanzee”, 1992), iar Richard Klein a numit acest fenomen „big bang-ul culturii umane” în “The Dawn of Human Culture”, 2002. Arheologii au dovezi solide din cultura uneltelor care indică un salt uluitor în inteligența umană produs cu aproximativ 100.000 și 60.000 de ani în urmă.

În mod bizar, geneticienii au descoperit că, în acel moment, populația umană totală de pe Pământ a scăzut, probabil, doar cu câteva mii de indivizi. Nu se știe exact ce a cauzat acest blocaj al populației, dar ar fi imposibil de ignorat supererupția Vulcanului Toba în urmă cu 73.000 de ani pe insula Sumatra. Acesta a fost cel mai mare eveniment vulcanic din ultimii 30 de milioane de ani, depunând straturi de cenușă groase de 30 de metri în India și declanșând o iarnă globală care poate să fi durat o mie de ani.

Se pare că oamenii care trăiau în Africa de Est, care au supraviețuit evenimentului Toba, erau o versiune nouă și mai bună a lui Homo sapiens, probabil capabili de limbajul vorbit și de puterile culturii colaborative pe care au dobândit-o. Acești oameni noi, uneori numiți oameni moderni comportamental, au fost curând capabili să părăsească Africa și să se răspândească pe toate continentele locuibile de pe Pământ într-un timp relativ scurt, împingând Neanderthalii și toate celelalte specii de hominizi, rămase, la dispariție. Nicio altă ființă vie nu a avut șanse egale să concureze cu noi încă de la Marele Salt.

10. Apariția civilizației

Lămpi (opaițe) străvechi de seu, cioburi de ceramică și figurine feminine au fost găsite în timpul unor săpături arheologice în Orașul / Cetatea lui David din Ierusalim.

Timp de peste 2 milioane de ani, strămoșii noștri au fost vânători-culegători nomazi. Acest lucru s-a schimbat pentru prima dată în urmă cu aproximativ 11 500 de ani, deoarece clima Pământului a devenit mai caldă și mai blândă.

Oamenii din Orientul Mijlociu au început să facă experimente cu plante comestibile, să selecționeze semințele dintre cele mai bune plante și să le planteze în arii protejate. Acest tip de grădinărit, numit horticultură, a impus ca oamenii să rămână într-un singur loc pentru a-și îngriji culturile, iar treptat stilul de viață nomad a fost înlocuit cu așezări umane mai sedentare, permanente. De asemenea, animalele erau domesticite pentru companie, pentru utilitate sau ca surse alimentare. În urmă cu aproximativ 10.000 de ani, în registrul arheologic apar mari așezări permanente precum Ierihon și Catalhoyuk. Aceste „proto-orașe” nu erau încă orașe adevărate, ci mai mult niște aglomerări dezorganizate de sate cu puține indicii de război, stratificare socială, bogăție, conducători sau orice alte niveluri de statut. Dar a urmat o altă schimbare în dezvoltarea umană, la fel ca Marele Salt.

În urmă cu aproximativ 5200 de ani, primele orașe-state apar pentru prima dată în mai multe locuri din Orientul Mijlociu. Pentru prima dată, registrul arheologic arată dovezi clare ale stratificării sociale și ale unei elite conducătoare care deținea aproape toată averea și puterea. Aceasta etapă a însemnat apariția civilizației.

Odată cu inventarea scrierii, cunoștințele umane au putut fi înregistrate permanent și controlate. Cele mai multe caracteristici ale lumii actuale au apărut acum, inclusiv guvernarea și puterea centralizată, forțele militare și războiul, religia instituționalizată, patriarhatul, sistemele monetare, sărăcia, agricultura pe scară largă, rețelele comerciale și imperiul. În scurt timp, civilizația a devenit independentă în multe locuri din întreaga lume, inclusiv în China, India, Egipt, Peru, Creta și Mexic. Nu s-au schimbat prea multe dintre acestea în ultimii 5000 de ani, cu excepția numelor și a locurilor. Dar se poate spune că acest model ne servește bine încă sau umanitatea este pregătită pentru ceva nou, pentru următorul Mare Salt?

>>>

Conceptul de gaură neagră a apărut la sfarsitul secolului al XVIII-lea, in cadrul gravitației universale a lui Isaac Newton. Problema care se punea atunci era aceea de a sti dacă exista obiecte a caror masa este suficient de mare încât viteza lor de eliberare sa fie mai mare decât viteza luminii.

Abia la începutul secolului XX, odată cu apariția relativității generale a lui Albert Einstein, conceptul de gaura neagra a devenit mai mult decât o curiozitate. Într-adevăr, la scurt timp după publicarea lucrărilor lui Einstein, a fost publicata de catre Karl Schwarzschild o soluție a ecuației lui Einstein care implica existența unei găuri negre centrale.

Lucrarile fundamentale cu privire la găurile negre dateaza din anii 1960, cu puțin timp înaintea primelor dovezi observationale solide in favoarea existenței lor. Prima “observație” a unui obiect care conținea o gaură neagră a fost aceea a sursei de raze X, Cygnus X-1, prin intermediul satelitului Uhuru, în 1971. Termenul de “gaură neagră” a apărut în cursul anilor 1960, datorita fizicianului american Kip Thorne. Anterior, se foloseau termenii de “corpuri Schwarzschild” sau de “astre ocluzate”. Termenul de “gaură neagră” a intampinat reticente din partea unor comunități lingvistice care il considerau oarecum nepotrivit.

Deși termenul a fost consacrat abia în anul 1967 de către fizicianul John Wheeler de la Princeton, ideea unui obiect în spațiu atât de masiv și dens încât lumina nu poate evada din el exista de secole. Găurile negre au fost prezise de teoria relativității generalizate a lui Einstein, care a arătat că atunci când moare o stea masivă, ea lasă în urmă o ramasita de nucleu mic si dens. Daca masa nucleului este de aproximativ trei ori mai mare decât masa Soarelui, ecuațiile au arătat ca forța gravitaționala striveste toate celelalte forțe și produce o gaură neagră.

Posibilitatea existenței găurilor negre nu este o consecință exclusivă a relativității generale: aproape toate celelalte teorii ale gravitatiei, permit existența acestora. Cu toate acestea, teoria relativității generale, spre deosebire de cele mai multe dintre alte teorii ale gravitatiei, a prezis nu numai faptul că pot exista gauri negre, ci si faptul ca ele se vor forma oriunde suficient de multa materie poate fi compactata într-o zona a spațiului. De exemplu, daca Soarele s-ar comprima într-o sferă cu o rază de aproximativ trei kilometri (sau aproximativ patru milionimi din marimea sa), ar deveni o gaură neagră (raza Soarelui: 0,696×10⁶ km= 696 000 km). Daca Pământul s-ar comprima într-un volum de câțiva milimetri cubi, ar deveni, de asemenea, o gaură neagră.

Prin urmare, nu trebuie ca numele să induca in eroare: o gaură neagră este altceva decât un spațiu gol. Mai degrabă, este o mare cantitate de materie impachetata într-un volum foarte mic – de exemplu, o stea de zece ori mai masiva decât Soarele comprimata într-o sferă cu diametrul aproximativ cat New York City. Rezultatul este un câmp gravitațional atât de puternic încât nimic, nici măcar lumina, nu poate scăpa.

O gaura neagra este un obiect sau corp ceresc dens, compact, a cărui atracție gravitațională este atât de puternica încât – pana la o anumită distanță de ea – nimic nu poate scăpa, nici măcar lumina. Se presupune ca se formeaza ca urmare a mortii si disparitiei unei stele cu o masa de cel putin trei ori mai mare decat masa Soarelui.

Daca o stea are de trei ori sau de mai multe ori masa de bază a Soarelui si se prabuseste, ea poate forma o gaură neagră. Aceste obiecte bizare se gasesc prin Univers – in sistemele binare de stele (stele duble) si in centrele galaxiilor in care se dezvolta gauri negre gigantice (supermasive). Stelele cu o masa mai mica se transforma in stele pitice albe sau stele neutronice.

Prin urmare, in astrofizica, o gaura neagra desemneaza un obiect ceresc atât de compact încât intensitatea câmpului său gravitațional împiedică orice formă de materie sau de radiație sa evadeze. Aceste obiecte nu pot emite și nici nu reflecta lumina si sunt negre, ceea ce în astronomie înseamnă că sunt invizibile. Astfel, gaurile negre nu pot fi observate in mod direct, deoarece sunt mici si nu emit lumina.

Cu toate acestea, campurile lor gravitationale enorme afecteaza materia din imediata lor apropiere, care este atrasa de catre acestea si emit radiatii X atunci cand intra in coliziune, la o viteza mare, cu un orizont de evenimente din exterior.

Astfel, mai multe tehnici de observație indirectă, în diverse lungimi de undă, au fost dezvoltate și utilizate pentru a studia fenomenele pe care le provoacă. Materia capturata de o gaură neagră este încălzita la temperaturi semnificative înainte de a fi “înghițita” și emite cantități mari de raze X.

Telescoapele de raze X, precum Chandra, pot detecta materia supraîncălzita care formeaza un turbion spre orizontul evenimentelor unei găuri negre. Chandra a dezvăluit modul în care găurile negre au impact asupra mediului lor, modul în care acestea se comportă și rolul lor in modelarea evoluției cosmosului.

Luata in considerare inca din secolul al XVIII-lea, în contextul mecanicii clasice, existența lor – prezisa de relativitatea generală – este o certitudine pentru aproape toti teoreticienii astrofizicieni și fizicieni. Gravitatia fiind singurul efect care poate veni dintr-o gaură neagră, o observație cvasi-directă a găurilor negre a fost detaliata în februarie 2016, prin prima observație directă a undelor gravitaționale.

În cadrul relativității generale, o gaură neagră este definită ca fiind o singularitate gravitațională ascunsă de un orizont absolut numit orizont de evenimente. Conform fizicii cuantice, o gaură neagră este susceptibila să se evapore prin emiterea unei radiații de corp negru numita radiație Hawking.

Astronomii presupun ca gaurile negre supermasive din centrul quasarilor si al multor galaxii sunt sursa activitatii energetice observate. Stephen W. Hawking a emis teorii despre aparitia a numeroase gauri negre mici, nu mai mari decat un asteroid, in timpul Big-Bang-ului. Aceste gauri negre miniaturale primordiale au pierdut din masa de-a lungul timpului si au disparut ca urmare a radiației Hawking.

Detalii ale structurii unei gauri negre au fost calculate plecand de la teoria relativitatii generale a lui Albert Einstein: o singularitate cu volum zero si densitate infinita atrage toata materia si energia care provin de la un orizont de evenimente definit de raza Schwarzschild, din jurul sau.

O gaură neagră are o masă dată, concentrata intr-un punct numit singularitate gravitațională. Această masă permite definirea unei sfere numită orizontul evenimentelor găurii negre, centrată pe singularitate și a cărei rază este o limită maxima sub care gaura neagră impiedica orice radiație și orice materie de a evada din ea.

Această sferă este un fel de extensie spațială a găurii negre. Astfel, termenul de “gaura neagra” pare sa fie inadecvat: ar fi mai corect să se vorbeasca de o “bilă neagră” pentru a conceptualiza concret forma sa fizica reala care este tridimensională în spațiu. Pentru o gaură neagră de masă egală cu cea a Soarelui, raza sa este de aproximativ 3 kilometri.

La o distanța interstelara (in milioane de kilometri), o gaură neagră nu exercită o atracție mai mare decât orice alt corp de aceeași masă; așa că nu este un “aspirator” irezistibil. De exemplu, daca Soarele ar fi înlocuit cu o gaură neagră de aceeași masă, orbitele corpurilor care se învârtesc în jurul ei (planete și altele) ar rămâne în mod esențial neschimbate (numai trecerile in apropierea orizontului de evenimente ar induce o modificare semnificativă).

Există mai multe tipuri de găuri negre. Atunci când se formează ca urmare a colapsului gravitațional al unei stele masive, este numita gaura neagra stelara a carei masă este echivalenta cu câteva mase solare. Cele care se afla în centrul galaxiilor au o masă mult mai mare, de până la mai multe miliarde de ori mai mare decât a Soarelui; aceasta se numește gaură neagră supermasivă (sau gaură neagră galactica). Între aceste două scari ale masei, exista si găuri negre intermediare cu o masă de câteva mii de mase solare. Găurile negre de masă mult mai mici, formate la inceputul istoriei Universului, la scurt timp după Big Bang, sunt numite găuri negre primordiale. Existența lor, pana în prezent, nu a fost insa confirmata.

Prin definiție, este imposibil sa se observe în mod direct o gaură neagră. Cu toate acestea, este posibil să se deduca prezența sa prin diverse metode indirecte: din acțiunea sa gravitaționala, prin efectele asupra traiectoriilor stelelor din apropiere, în interiorul microquasarilor și nucleelor active ale galaxiilor sau al materiei aflate în proximitate care, cazand în gaura neagră vor fi in mod considerabil încălzite și emit radiații X puternice. Observațiile permit astfel decelarea existenței obiectelor masive și foarte mici. Singurele obiecte care corespund acestor observații și se încadreaza in relativitatea generala sunt găurile negre.

Cum arata, de fapt, o gaura neagra?

O gaură neagră este un loc în spațiu în care gravitatia “trage” atât de mult încât nici chiar lumina nu poate ieși. Gravitatia este atât de puternică deoarece materia a fost “stoarsa”, comprimata într-un spațiu minuscul. Acest lucru se poate întâmpla atunci când o stea este pe moarte.

Pentru că nici lumina nu poate ieși afară, oamenii nu pot vedea gauri negre, astfel ca acestea sunt invizibile. Telescoapele spațiale cu instrumente speciale pot ajuta la identificarea găurilor negre. Aceste instrumente speciale pot vedea cum stele care sunt foarte aproape de găuri negre acționează diferit față de alte stele.

O gaura neagra, numita Cygnus X-1, care s-a format atunci când o stea de mari dimensiuni s-a prabusit. Aceasta gaura neagra trage materie din steaua albastră de lângă ea.

Daca găurile negre sunt “negre”, cum știu oamenii de știință ca sunt acolo?

O gaură neagră nu poate fi văzuta, deoarece gravitația puternică trage toată lumina în centrul găurii negre. Dar oamenii de stiinta pot vedea modul în care gravitatia puternică afectează stelele și gazele din jurul găurii negre. Acestia pot studia stelele pentru a afla dacă acestea plutesc în jurul unei gauri negre sau o orbiteaza.

Atunci când o gaură neagră și o stea sunt apropiate, se produce lumina de energie inalta. Acest tip de lumină nu poate fi văzuta cu ochii umani. De aceea, oamenii de știință folosesc, în spațiu, sateliți și telescoape pentru a vedea lumina de energie inalta.

Cât de mari sunt găurile negre?

Gaurile negre pot fi mari sau mici. Cercetatorii cred ca cele mai mici găuri negre sunt la fel de mici cat un atom. Aceste găuri negre sunt foarte mici, dar au masa unui munte de mari dimensiuni. Masa este cantitatea de materie, sau “umplutura”, dintr-un obiect.

Un alt tip de gaură neagră se numește “stelar“. Masa acesteia poate fi de până la 20 de ori mai mare decât masa Soarelui. Pot exista multe, multe găuri negre de masă stelara in galaxia Pământului, numită Calea Lactee.

Cele mai mari găuri negre se numesc “găuri negre supermasive.” Aceste găuri negre au mase mai mari decat 1 milion de sori împreună. Oamenii de stiinta au gasit dovezi ca fiecare galaxie de mari dimensiuni conține o gaură neagră supermasivă în centrul său. Gaura neagra supermasiva din centrul galaxiei Calea Lactee se numeste Sagittarius A. Aceasta are o masă egală cu cea a aproximativ 4 milioane de sori și ar încăpea într-o minge foarte mare, care ar putea conține câteva milioane de planete Pamant.

Imaginea curentă a galaxiei Calea Lactee. Dovezile științifice arată că, în mijlocul Caii Lactee se afla o gaură neagră supermasivă.

Gaura neagra supermasiva, din centrul galaxiei Calea Lactee, numita Sagittarius A

Imagine a centrului galaxiei Calea Lactee, detectată de Observatorul de raze X, Chandra

Sagittarius A – gaura neagra din centrul galaxiei Calea Lactee

Cum se formează găurile negre?

Cercetatorii cred ca cele mai mici găuri negre s-au format odata cu începutul Universului.

Găurile negre stelare se formeaza atunci când centrul unei stele foarte mari colapseaza, adica se prabuseste in ea insasi. Atunci când se întâmplă acest lucru, se formeaza o supernovă. O supernovă este o stea care explodează imprastiind o parte a stelei în spațiu.

Cercetatorii cred ca gaurile negre supermasive s-au format în același timp cu galaxia in care se afla.

Ar putea o gaură neagră sa distruga Pământul?

Gaurile negre nu strabat spațiul inghitind stele, luni și planete. Pământul nu va cădea într-o gaură neagră, deoarece nici o gaură neagră nu este destul de aproape de sistemul solar din care face parte Pământul pentru a se intampla acest lucru. Chiar dacă o gaură neagră de aceeași masă cu soarele ar fi să-i ia locul, Pământul tot nu ar cădea în ea. Gaura neagră ar avea aceeași gravitatie ca si soarele. Pământul și celelalte planete ar orbita gaura neagră asa cum orbitează soarele acum.

Soarele nu se va transforma niciodata într-o gaură neagră deoarece nu este o stea suficient de mare pentru a o produce.

Oamenii de știință nu pot observa în mod direct găurile negre cu telescoape care detectează raze X, lumina, sau alte forme ale radiației electromagnetice. Totusi, acestia pot deduce prezența găurilor negre și sa le studieze prin detectarea efectului lor asupra materiei din apropiere. De exemplu, daca o gaură neagră trece printr-un nor de materie interstelar, va atrage materia in interior printr-un proces cunoscut sub numele de acreție.

Materia “curge” de la steaua companion în discul de acreție, în jurul găurii negre și apoi este încălzita și cade spre interior. Emisia de la materia mai fierbinte si profunda fotoionizeaza materialul din discul de acreție. Se poate observa emisia din această materie fotoionizata.

Un proces similar poate avea loc daca o stea normala trece aproape de o gaură neagră. În acest caz, gaura neagră poate face bucati steaua in timp ce o atrage spre sine. Pe măsură ce materia atrasa accelerează și se încălzește, emite raze X care iradiaza în spațiu. Descoperirile recente oferă dovada că găurile negre au o influență dramatică asupra vecinatatilor din jurul lor – emitand explozii puternice de raze gamma, devorand stelele din apropiere și stimulând aparitia de noi stele, în unele zone, în timp ce în alte zone le atrage si le face sa dispara.

Emisii intense de raze X considerate a fi cauzate de o gaură neagră care “devorează” o stea.

Etapele “devorarii” unei stele de catre o gaura neagra

1.O stea asemanatoare soarelui, pe o orbită excentrica, plonjează spre o gaura neagra supermasiva din centrul unei galaxii îndepărtate.

2. Forțele mareice puternice din apropierea gaurii negre distorsioneaza steaua din ce în ce mai mult. Daca steaua trece prea aproape, este trasa spre gaura neagra.

3. Partea stelei orientata spre gaura neagră “curge” spre ea și formează un disc de acreție. Restul stelei se extinde în spațiu.

4. În apropierea găurii negre, câmpurile magnetice pun in miscare un jet îngust de particule care se deplasează cu o viteza apropiata de viteza luminii. Acest jet este o sursă de raze X și unde radio.

Sfarsitul unei stele inseamna inceputul unei gauri negre

Cele mai multe găuri negre se formează din rămășițele unei stele mari care moare într-o explozie de supernova (stea muribunda care explodeaza). Stelele mai mici devin stele neutronice dense, care nu sunt suficient de masive pentru a retine lumina. Daca masa totală a stelei este suficient de mare (aproximativ de trei ori mai mare decât masa Soarelui), se poate demonstra teoretic că nici o forță nu poate feri steaua de prăbușirea sub influența gravitației. Cu toate acestea, atunci cand steaua se prăbușește (colapseaza), se întâmplă un lucru ciudat. Pe măsură ce suprafața stelei se apropie de o suprafață imaginară numită “orizontul evenimentului”, timpul pe stea incetineste relativ la timpul petrecut de un observator aflat departe de aceasta. Atunci când suprafața atinge orizontul evenimentelor, timpul se oprește, iar steaua nu se mai poate prăbuși – devine un obiect înghețat în colaps.

Chiar si gaurile negre mai mari pot rezulta din coliziuni stelare. La scurt timp după lansarea sa în decembrie 2004, telescopul Swift a observat flash-uri puternice si rapide de lumină cunoscute sub numele de explozii de raze gamma. Obsevatorul Chandra și Telescopul Spațial Hubble au colectat, mai târziu, date din “amurgul” evenimentului și, împreună, observațiile au condus astronomii la concluzia că puternicele explozii pot avea loc atunci când o gaură neagră și o stea cu neutroni (stea neutronica) se ciocnesc, producând o altă gaură neagră.

Bebelusi și Giganti

Deși procesul de bază al formarii gaurilor negre este înțeles, un vesnic mister în știința găurilor negre este faptul că ele par să existe pe două scări de dimensiuni radical diferite. Pe de o parte, există nenumăratele găuri negre care sunt resturile stelelor masive. Presărate de-a lungul Universului, aceste găuri negre de “masă stelara” sunt, în general, de 10 până la 24 de ori mai masive decât Soarele. Astronomii le identifica atunci când o altă stea se apropie suficient pentru ca o parte din materia sa înconjurătoare să fie prinsa în cursă de gravitația găurii negre, producand raze X în timpul acestui proces. Cu toate acestea, cele mai multe gauri negre stelare, duc vieți izolate și sunt imposibil de detectat. Totusi, judecând după numărul de stele suficient de mari pentru a produce astfel de găuri negre, oamenii de știință estimează că există un numar de zece milioane pana la un miliard de astfel de găuri negre numai in Calea Lactee.

Pe de alta parte, in spectrul lor de marime se afla giganții, cunoscuți ca găuri negre “supermasive”, care sunt de milioane, dacă nu de miliarde de ori mai masive decat Soarele Astronomii cred că găurile negre supermasive se află practic în centrul tuturor galaxiilor mari, chiar si in propria noastră Cale Lactee. Acestia le pot detecta prin observarea efectelor lor asupra stelelor și a gazelor din apropiere.

De-a lungul timpului, astronomii au crezut multa vreme că nu există si găuri negre de marime medie. Cu toate acestea, recent, au aparut dovezi de la observatoarele Chandra, XMM-Newton și Hubble care intăresc convingerea ca există găuri negre de marime medie. Un mecanism fezabil pentru formarea găurilor negre supermasive implica o reacție în lanț de coliziuni de stele in clustere de stele compacte, care are ca rezultat acumularea de stele extrem de masive, care apoi colapseaza pentru a forma găuri negre de masă intermediara. Clusterele de stele (roiuri de stele) se scufunda apoi spre centrul galaxiei, unde găurile negre de masa intermediara fuzionează pentru a forma o gaură neagră supermasivă.

Orizontul evenimentelor

Zona sferică care delimitează regiunea din care lumina și materia nu pot evada se numește “orizontul evenimentelor”. Se vorbeste uneori de “suprafața” găurii negre, deși termenul este oarecum impropriu (nu este vorba de o suprafață solidă sau gazoasă, cum ar fi suprafața unei planete sau a unei stele). Aceasta nu este o zonă care are caracteristici speciale: un observator care ar traversa orizontul evenimentelor nu ar simți nimic special in acel moment. Cu toate acestea, el si-ar da seama că nu poate să scape din această regiune dacă încearcă să se întoarcă. Este un fel de punct fără întoarcere. În esență, este o situație oarecum similară cu cea a unui înotător care se indeparteaza de coastă. Dacă, de exemplu, înotătorul poate înota doar doi kilometri, el nu va simți nimic dacă se indeparteaza la mai mult de un kilometru de coastă; dar, daca trebuie să se întoarcă, își va da seama că nu are suficientă energie pentru a ajunge la mal.

Cu toate acestea, un observator situat în vecinatatea orizontului va remarca faptul că timpul trece în mod diferit pentru el și pentru un observator situat departe de gaura neagra. Daca acesta din urma ii trimite semnale luminoase, la intervale regulate (de exemplu, o secundă), observatorul aflat aproape de gaura neagra va primi mai multe semnale luminoase (frecvența semnalelor luminoase va fi mai mare, ca urmare a deplasarii spre albastru (blueshift) suferite de lumina care cade spre gaura neagră) și intervalele de timp dintre două semnale consecutive vor fi mai scurte (deci mai puțin de o secundă). Prin urmare, acest observator va avea impresia că timpul trece mai repede pentru colegul său rămas departe de gaura neagră decât pentru el. Pe de altă parte, observatorul rămas departe de gaura neagra il va vedea pe colegul său evoluand din ce in ce mai lent, timpul dându-i impresia ca se scurge mai încet.

Daca observatorul aflat la distanță vede un obiect care cade într-o gaură neagră, cele doua fenomene de dilatare a timpului si de deplasare spre rosu (redshift ) se vor combina. Eventualele semnale emise de obiect vor fi din ce in ce mai rosii si din ce in ce mai putin luminoase (lumina emisă pierde din ce in ce mai multă energie înainte de a ajunge la observatorul aflat la distanță) și din ce in ce mai distantate. În practică, numărul de fotoni recepționați de către observatorul aflat la distanță va scădea foarte rapid, devenind nul: in acel moment, obiectul care urmează sa cada în gaura neagră a devenit invizibil. Chiar daca observatorul aflat la distanță încearcă să se apropie de orizont pentru a recupera obiectul pe care a avut impresia ca-l vede oprindu-se chiar înainte de orizont, acesta va rămâne invizibil.

Pentru un observator care se apropie de o singularitate, efectele fortei mareice vor deveni considerabile. Aceste efecte, care determină deformarile unui obiect (corpul unui astronaut, de exemplu), datorită eterogenităților câmpului gravitațional, vor fi în mod inevitabil resimțite de un observator care se apropie prea mult de o gaură neagră sau de o singularitate.

Regiunea în care aceste efecte mareice devin importante este situata în întregime în orizontul evenimentelor pentru găurile negre supermasive, dar vor fi semnificative dincolo de orizontul evenimentelor găurilor negre stelare. Astfel, un observator care se apropie de o gaură neagră stelara va fi nimicit înainte de trecerea orizontului, în timp ce același observator care s-ar apropia de o gaură neagră supermasivă ar trece orizontul fara probleme. La fel, ar fi in mod inevitabil nimicit de efectele mareice, apropiindu-se de singularitate.

Singularitatea gravitationala

În centrul unei găuri negre exista o zona în care câmpul gravitațional și distorsiunile (deformarile) spațiu-timpului (mai precis curbura spațiu-timpului) devin infinite. Această zonă se numește singularitate gravitațională. Descrierea acestei zone este foarte dificilă în contextul relativității generale, deoarece aceasta nu poate descrie zone în care curbura devine infinita.

In plus, relativitatea generală este o teorie care nu poate încorpora, in general, efecte gravitaționale de origine cuantica. Dar când curbura tinde spre infinit, se poate demonstra că aceasta este în mod necesar obiectul unor efecte de natură cuantica. Prin urmare, doar o teorie a gravitației care încorporează toate efectele cuantice (gravitatia cuantică) este capabila să descrie corect singularitățile gravitaționale.

Descrierea unei singularitati gravitaționale este problematică la ora actuala. Cu toate acestea, atata timp cat aceasta se află în interiorul orizontului găurii negre, ea nu poate să influențeze ceea ce este în afara acestui orizont, în același mod în care materia situata în interiorul orizontului unei găuri negre nu poate sa iasa din ea. Astfel, asa misterioase cum sunt singularitatile gravitaționale, incapacitatea noastră de a le descrie, dovada existenței limitărilor relativității generale in a descrie toate fenomenele gravitaționale, nu împiedică descrierea găurilor negre pentru partea situata in orizontul evenimentelor.

>>>

La prima vedere, nu există nici cea mai mică îndoială: pentru noi, universul arată tridimensional. Dar una dintre teoriile cele mai fructuoase ale fizicii teoretice, din ultimele două decenii, este contestarea acestei ipoteze. “Principiul holografic” afirmă că o descriere matematică a universului necesită de fapt o dimensiune mai putin decât pare. Ceea ce percepem ca fiind tridimensional poate fi doar imaginea a două procese bidimensionale pe un orizont cosmic imens.

Până în prezent, acest principiu a fost studiat doar în spații exotice cu curbura negativa. Acest lucru este interesant din punct de vedere teoretic, dar astfel de spații sunt destul de diferite de spațiul din propriul nostru univers. Rezultatele obținute de oamenii de stiinta de la TU Wien (Universitatea Tehnică din Viena) sugerează acum că principiul holografic este valabil chiar și într-un spațiu-timp plat.

Principiul holografic

Toata lumea stie cum arata hologramele de la cardurile de credit sau de la bancnote. Ele sunt bidimensionale, dar noua ne apar ca fiind tridimensionale.

Holograma unui card

Universul nostru s-ar putea comporta în mod similar: “In 1997, fizicianul Juan Maldacena a propus ideea că există o corespondență între teoriile gravitaționale în spații anti-de-Sitter, pe de o parte, si teoriile campului cuantic in spatii cu o dimensiune mai puțin, pe de alta parte”, spune Daniel Grumiller (TU Wien).

Daca fenomenele gravitaționale sunt descrise într-o teorie cu trei dimensiuni spațiale, comportamentul particulelor cuantice este calculat într-o teorie cu doar două dimensiuni spațiale – și rezultatele ambelor calcule pot fi transpuse unul pe altul. O astfel de corespondență este destul de surprinzătoare. Este ca și cum ai afla că ecuațiile dintr-un manual de astronomie pot fi folosite si pentru a repara un CD-player. Dar această metodă s-a dovedit a fi de mare succes. Peste zece mii de lucrări științifice despre corespondenta anti-de Sitter/ teoria conforma a campurilor (corespondenta AdS/CFT) numita si dualitatea lui Maldacena au fost publicate până în prezent.

Corespondenta chiar și în spații plate

Pentru fizica teoretică, acest lucru este extrem de important, dar nu pare să aibă prea mult de a face cu propriul nostru univers. Aparent, nu trăim într-un astfel de spațiu anti-de Sitter. Aceste spații au proprietăți destul de ciudate. Ele sunt curbate negativ, astfel ca orice obiect aruncat pe o linie dreaptă se va întoarce în cele din urmă. “Universul nostru, prin contrast, este destul de plat – și, pe distanțe astronomice, are curbură pozitivă”, spune Daniel Grumiller.

Cu toate acestea, Grumiller a suspectat ceva timp faptul că un principiu de corespondență ar putea fi, de asemenea, valabil și pentru universul nostru adevărat. Pentru a testa această ipoteză, teoriile gravitaționale trebuie să fie elaborate, ceea ce nu necesita spații exotice anti-de Sitter, ci trebuie sa te afli într-un spațiu plat. Timp de trei ani, el si echipa sa de la TU Wien au lucrat la aceasta, în colaborare cu Universitatea din Edinburgh, Harvard, IISER Pune, MIT si Universitatea din Kyoto. Acum Grumiller si colegii din India și Japonia au publicat un articol in revista “Physical Review Letters”, confirmând valabilitatea principiului corespondenței într-un univers plat.

Calculat de două ori, același rezultat

“Dacă gravitația cuantică într-un spațiu plat permite o descriere holografică printr-o teorie cuantică standard, atunci trebuie descrise prin mărimi fizice, care pot fi calculate în ambele teorii – iar rezultatele trebuie să se potriveasca”, spune Grumiller. Mai ales o caracteristică esențială a mecanicii cuantice – entanglementul cuantic (inseparabilitatea cuantica) – trebuie să apară în teoria gravitațională.

Atunci când particulele cuantice sunt entanglate (cuplate), ele nu pot fi descrise în mod individual. Ele formează un singur obiect cuantic, chiar dacă acestea sunt situate departe unul de altul. Există o măsură pentru cuantificarea entanglementului într-un sistem cuantic, numita “entropia entanglementului”. Împreună cu Arjun Bagchi, Rudranil Basu și Max Riegler, Daniel Grumiller a reușit să demonstreze că această entropie a entanglementului ia aceeași valoare în gravitația cuantică in spatiu plat și într-o teorie a campului cuantic cu o dimensiune mai putin.

“Acest calcul confirmă ipoteza că principiul holografic poate fi, de asemenea, realizat în spații plate. Este o dovadă pentru validitatea acestei corespondențe în universul nostru”, spune Max Riegler (TU Wien). “Faptul că putem vorbi chiar despre informații cuantice și entropia entanglementului într-o teorie a gravitației este uluitoare în sine și acest lucru ar fi fost greu de imaginat doar cu câțiva ani în urmă. Faptul că acum suntem capabili sa utilizam aceasta ca un instrument pentru a testa validitatea principiului holografic, și că acest test funcționează, este remarcabil”, spune Daniel Grumiller.

Totusi, acest lucru încă nu dovedește faptul că într-adevăr trăim într-o hologramă – dar se pare că există tot mai multe dovezi pentru validitatea principiului corespondenței în propriul nostru univers.

Universul-holograma

Poate ca aceasta a treia abordare este cea corecta. Exista numeroase teorii, dar una dintre ele este deosebit de frapanta: aceasta este teoria holografica pentru care legile fizice sunt diferite in interiorul unui volum si la suprafata sa, dar, cu toate acestea, echivalente prin proiectie holografica. Astfel, Universul nostru ar fi o holograma in care fizica marginii (frontiera cu exteriorul) este fizica cuantica, iar fizica interiorului ar face sa apara, intr-un fel de iluzie, forta gravitationala.

Holograma spatiu-timpului

Reprezentarea tridimensionala (in lipsa posibilitatii de a desena o reprezentare 4-dimensionala), la un moment dat, a unui univers holografic, caracterizat printr-un spațiu-timp cu curbura negativa a carui margine este un spațiu-timp plat. Pe acesta din urma se aplica teoria cuantica numita si teoria campurilor conforme (deoarece spatiul este aici bidimensional), in timp ce in interior se aplica teoria corzilor, incluzand gravitatia. Aici se formeaza si gauri negre, nepericuloase, rezultand din interactiunea particulelor de pe margine.

Pentru o mai mare exactitate, fizicienii teoriei holografice considera un spatiu-timp a carui curbura este negativa. Nu trebuie incercata vizualizarea unui astfel de spațiu, ci mai degraba trebuie vazute reprezentarile spațiilor hiperbolice (bidimensionale) precum seria de Limite ale Cercului (Escher, artistul “hiperbolic” si matematica vizuala (1)) a lui Maurits Escher, pentru a avea o idee despre ceea ce poate fi un spatiu-timp (in patru dimensiuni), cu curbura negativa, numit spatiu-timp anti-de Sitter (William de Sitter a fost primul care a introdus spatiul-timp cu curbura pozitiva) si va veti convinge de faptul ca poate exista acest tip de obiect. Matematic, acesta este, in orice caz, perfect legitim.

Gravitatia apare in dimensiunea suplimentara

Marginea acestui spațiu-timp anti-de Sitter (a se vedea diagrama de mai sus) este un spațiu-timp plat (cu curbura zero). Pe aceasta margine, se foloseste teoria cuantica a particulelor si gravitatia nu exista. Aceasta din urmă, într-un univers holografic (un spațiu-timp anti-de Sitter), este in intregime echivalentă cu o teorie cuantică a gravitației și a materiei, precum teoria corzilor. Interacțiunea particulelor pe margine produce fenomene in interior: corzi, gravitatie, chiar și găuri negre efemere care emit o radiatie termică.

Cu alte cuvinte, gravitația apare în mod natural, într-un univers cu patru dimensiuni spatiale, din fizica particulelor cu trei dimensiuni spațiale (care este fizica noastră cuantică). Ceea ce numim gravitație ar fi, prin urmare, consecința geometriei universului nostru, în cazul în care acesta este un univers holografic. Astfel, gravitația este în cele din urmă doar o iluzie: este necesara, pentru a o descrie, cunoasterea teoriei particulelor și sa se dispuna de cadrul universului-holograma. Unificarea este facuta.

Traim intr-o holograma?

Universul nostru este o hologramă, adică este inzestrat doar cu două dimensiuni spațiale, in loc de trei?

Nimanui nu-i trece prin gand să se îndoiască de faptul că evoluam într-un spațiu cu trei dimensiuni spațiale. Și totuși, teoria avansată la sfârșitul anilor 1990, cunoscuta sub numele de “principiul holografic”, sugerează că, pentru a descrie universul din punct de vedere matematic, o a treia dimensiune spațială nu este, oarecum, “necesara”.

Cu alte cuvinte, potrivit acestei teorii, universul nostru ar fi, de fapt, inzestrat doar cu două dimensiuni spațiale. A treia ar fi un fel de iluzie, constând din evenimente bidimensionale care au loc la orizontul universului nostru în două dimensiuni, exact ca o hologramă. Cam in genul celei pe care o putem vedea pe cardurile noastre bancare, în care mica vinieta holografica, în două dimensiuni, ofera o senzatie de “relief” atunci cand o privim.

Dacă această teorie nu ar fi fost testată până acum decat în configurații foarte speciale (spații cu o curbură denumita negativă), noi cercetări sugerează că această teorie este valabilă în ipoteza unui spațiu-timp plat (adică cu două dimensiuni spațiale, plus o dimensiune temporala). Cu alte cuvinte, această teorie ar fi într-adevăr capabila să descrie universul existent.

Si daca universul ar fi o holograma gigant?

Holograma, această tehnică constand in a da iluzia de tridimensionalitate (3D) prin proiecția imaginilor, ar putea guverna întregul nostru univers. Cu alte cuvinte, am trăi fără sa stim intr-o lume “plata”, in doua dimensiuni (2D)? Tridimensionalitatea ar fi doar o iluzie.

Conform unui studiu recent publicat in revista “Physical Review Letters”, universul nu ar exista în trei dimensiuni, cum ar fi de așteptat a priori, ci doar in două. Tridimensionalitatea ar fi doar o chestiune de percepție.

Conform acestei teorii, suprafața plană a universului ar conține toate elementele necesare pentru ca noi să avem impresia că lumea se prezinta în trei dimensiuni. Exact cum ar face o hologramă. De aici și numele de “principiu holografic”. Totul ar avea loc în teoria corzilor: potrivit acesteia din urmă, gravitatia, care guvernează universul nostru, ar consta din “corzi” subțiri si vibrante numite “gravitoni”.

Aceste corzi ar fi cele care ar da naștere asa-numitelor holograme care dau universului nostru aceasta aparenta 3D. Un concept foarte greu de imaginat, fata de care oamenii de știință sunt încă foarte precauți.

Ideea unui univers în două dimensiuni, un univers holografic într-un fel, nu este nouă. Această teorie a fost introdusă de Gerard Hooft (fizician din Noua-Zeelandă), în 1994.

Cercetarea publicata in Physical Review Letters nu este o teorie nouă, ci un mic pas spre o explicație mai matematica, mai clara a conceptelor vechi.

Inițial, hologramele erau legate de cercetarile asupra teoriei găurilor negre, din care s-a constatat că orizontul în două dimensiuni avea proprietăți care erau de obicei atașate obiectelor în trei dimensiuni.

Care este legătura cu holograma?

În acest caz, termenul holografie înseamnă pur și simplu că informația referitoare la un obiect poate fi codificata într-o teorie care evoluează într-un număr de dimensiuni mai mici decât obiectul în sine. “Principiul holografic” se referă la hologramele care pot fi realizate în viața “reală”, și anume că o informație în două dimensiuni poate fi utilizata pentru a construi iluzia unui obiect tridimensional.

Când ar putea sa fie verificată această teorie?

In general, teoriile exprimate in fizica nu sunt “demonstrate”, ci comparate cu alte cercetări, și acceptate daca oamenii de știință convin sa se puna de acord. În cazul de față, cercetarea prezentata în “Physical Review Letters”, are, în principal, o valoare teoretică, care consta in testarea unei echivalențe holografice presupusa in raport cu teoriile în două sau trei dimensiuni. În realitate, nimeni nu se așteaptă ca aceste teorii descriu o realitate fizică. Ar putea fi posibil să se furnizeze dovada unei astfel de echivalențe, dar până acum nimeni nu a fost în măsură să o faca.

Verificare? Lipsa experimentelor.

Teoriile unificarii suferă, așa cum s-a văzut, de lipsa confirmării experimentale. Cu siguranță, ele nu sunt respinse, dar niciodată nu este bine pentru o teorie științifică sa fie irefutabilă: fizica speculativa ar risca atunci sa alunece în metafizică.

De aceea, cercetatorii lucreaza pentru a concepe dispozitive experimentale care sa poata, în mod direct sau indirect, sau cel putin să decidă între diferitele teorii candidate și, astfel, sa reduca confuzia creată prin proliferarea modelelor explicative.

Supersimetria

O posibila pistă ar putea fi supersimetria. Acest concept, născut nu din observațiile experimentale, ci din considerente matematice, este esențial în tentativele de unificare a relativității generale și a mecanicii cuantice, și deci a forțelor fundamentale. Supersimetria apare în special în teoria corzilor.

Despre ce este vorba? Supersimetria asociază particulelor de spin semi-întreg (spinul este, impreuna cu masa și sarcina electrică, una dintre cele trei caracteristici intrinseci ale unei particule, fiind un număr pozitiv întreg sau semi-întreg) “superparteneri “de spin întreg, și invers. Ea postulează deci existența unor noi particule care fac posibilă unificarea interacțiunilor tari, slabe și electromagnetice.

Prin urmare, dacă se vor putea detecta aceste particule noi, și, astfel, sa se demonstreze supersimetria, se va face un pas important în sprijinul unei teorii a totului. Acest lucru va putea fi posibil incepand din 2007, datorită LHC-ului, noul accelerator de la CERN.

Acceleratoare de particule precum Fermilab, de lângă Chicago, vor putea oferi primele confirmari experimentale indirecte ale unei teorii a totului

Observarea dimensiunilor suplimentare?

Sa se observe dimensiuni suplimentare va fi mai dificil, cu excepția cazului în care acestea ating mărimea unui milimetru, asa cum sugerează unele modele teoretice. Daca, dimpotriva, dimensiunile suplimentare au, precum corzile, dimensiuni de ordinul scarii lui Planck (10 ^-35 m), tehnologia noastră este astăzi (și pentru mult timp de aici incolo, dacă nu pentru totdeauna), în imposibilitatea de a le accesa.

Așa că totul va depinde de ceea ce vor găsi sau nu acceleratoarele de particule, și chiar și atunci poate nu va fi inca posibil să se faca distinctia intre aceasta teorie si o alta. În orice caz, este nevoie de răbdare.

Constante variabile

Unul dintre principiile fundamentale ale fizicii este urmatorul: marimile fundamentale, precum viteza luminii sau masa electronului, trecand prin constanta lui Newton (constanta gravitațională universală, constanta atracției universale, G), se presupune că nu se modifica in timp, și sunt aceleasi peste tot în spațiu.

În caz contrar, fizica ar avea o putere de predictie mult mai limitata: constante fundamentale care variază puternic în timp, de exemplu cele din principiul echivalenței care este baza relativității lui Einstein. Asta inseamnă că in acest moment invariabilitatea este gravata în piatră?

Măsurarea rapoartelor adimensionale

Ar trebui totuși să se observe variații, ceea ce nu este o sarcină ușoară. Pentru că, dacă te gândești, instrumentele pe care le folosim pentru a măsura constantele fizice sunt ele însele guvernate de fizică, ceea ce ar demonstra că orice detectare a unei schimbări este imposibilă. Desigur, cu excepția cazului in care intereseaza rapoartele “adimensionale”, adică independente de unitatea de masura care se alege.

De exemplu, cazul raportului dintre masa protonului si masa electronului. Acesta este 1836 (și ceva) și este una dintre constantele fundamentale ale naturii. Totusi se întâmplă ca echipele de cercetatori conduse de Patrick Petitjean la Paris, Alexander Ivanchik la Sankt-Petersburg, și Wim Ubachs la Amsterdam, sa colecteze date (în acest caz, liniile de absorbție, în spectrul a doi quasari, ale hidrogenului molecular, prin comparație cu măsurătorile efectuate în laborator), care prezintă o variație a raportului de mase proton / electron.

Prin observarea radiației unui quasar – quasarii sunt o„radio-sursă cvasi-stelară”, printre cele mai vechi obiecte din universul nostru – a putut fi măsurată o variatie infima in timp a raportului masa proton / masa electron.

Quasar

Această variatie este incredibil de mica (0,002% în ultimele 12 miliarde de ani), dar ar putea avea repercusiuni semnificative asupra modelului nostru de Univers. Acest lucru reiese din condițiile inițiale, atat de fin “reglate” incat o modificare chiar infima a uneia dintre ele ar conduce la un rezultat complet diferit.

Variația constantelor și teoria totului

O alta constanta, constanta structurii fine, care caracterizează modul în care lumina și electronii interacționează, a fost obiectul observațiilor astrofizice permitand să se presupună că, de asemenea, aceasta a variat de-a lungul timpului, ceea ce da de gândit oamenilor de știință interesați de “marea unificare”.

De ce? Pentru ca o variație a constantelor fundamentale ale naturii se inscrie armonios în peisajul unei teorii precum cea a corzilor. Să ne amintim că, în acest context, fizica se desfasoara în mai mult de trei dimensiuni ale spațiului: prin urmare, daca toate sau o parte din dimensiunile suplimentare au evoluat în timp, același lucru este valabil si pentru constantele fundamentale…

Și apoi?

Unde vor conduce toate acestea? Unii cercetători nu au așteptat răspunsul pentru a merge chiar mai departe în speculații.

Sa luam un exemplu, dar pentru aceasta sa revenim la teoria corzilor: s-a spus că acest constituent ultim (și încă ipotetic) ar determina realitatea noastră prin diferitele sale moduri de vibrație. Dar nu s-a spus dacă corzile erau închise sau nu.

De fapt, teoria prevede ambele cazuri, iar în al doilea (corzile deschise), se concentrează si pe constrângerile care sunt atașate la extremitati.

O lume a branelor

Teoria denumeste “p-brana” structura de dimensiune p în cadrul căreia este permisa deplasarea extremitatii unei coarde. Dacă coarda nu poate să vibreze decat pe o curbă, aceasta curba va fi o 1-brana (o brana unidimensionala) etc.

În consecință, unii fizicieni au postulat că universul nostru ar putea fi o 3-brana. Extremitatea fiecărei coarde nu se poate deplasa decat în spațiul tridimensional, ceea ce corespunde experienței noastre. Dar corzile vibrează in atatea dimensiuni suplimentare cate sunt necesare, dimensiuni la care niciodata, din cauza “condiției la limită”, impusa de 3-brana, nu vom avea acces.

O coarda la care fiecare extremitate vibreaza pe o 2-brana. Universul nostru poate fi o 3-brana extrem de extinsă.

Și cealalta extremitate? Ar putea, de asemenea, sa se deplaseze pe o 3-brana? S-ar putea ca universul nostru sa aiba, prin urmare, drept vecin un alt univers, o alta 3-brana, situata la o fracțiune de milimetru de noi, la fiecare moment și in fiecare punct, si niciodată, dar absolut niciodată, sa nu o putem atinge sau percepe?

Teoria finală?

În orice caz, dacă este posibil să se descopere o “teorie a totului” realizand unificarea celor patru forțe fundamentale și reconciliind teoria cuantica și relativitatea generala, ce va mai rămâne de descoperit pentru știință? Descoperirea va marca sfârșitul fizicii?

Probabil că nu. Cu toate cunostintele din teoria cuantica, încă nu se înțelege, mai ales, cum a putut sa contribuie aceasta la apariția vieții și a conștiinței. Si, in general, identificarea constituentului indivizibil al materiei și / sau al spațiului nu va permite cu nimic rezolvarea problemelor spinoase și, în egală măsură, fundamentale ale umanitatii.

Inceputul articolului: In cautarea unei teorii a totului

>>>

Stelele sunt stramosii nostri; suntem praf de stele: este una dintre marile descoperiri ale astronomiei contemporane.

(Interviuri cu Colette Mesnage)

Trinh Xuan Thuan

>>>

Cosmologia cuantica este o ramura oarecum speculativa a cosmologiei care incearca sa studieze efectul mecanicii cuantice in formarea Universului sau să descrie primele momente ale evolutiei Universului (originea informatiilor fizice in Univers, adica informatiile continute intr-un sistem fizic), imediat dupa producerea Big-Bang-ului, considerandu-l drept un obiect cuantic, adica, descris de legile mecanicii cuantice și de teoria cuantica a campului. Această disciplină poate fi văzuta ca o ramură a gravitației cuantice, deși cunoașterea unei teorii cuantice a gravitației nu este esențială pentru unele rezultate ale cosmologiei cuantice.

Ideea de a utiliza un formalism bazat pe o funcție de undă pentru a descrie întregul Univers se bazează pe lucrarile fizicienilor americani John Archibald Wheeler (1911-2008) și Bryce DeWitt (1923-2004) la sfârșitul anilor 1960 (ecuația Wheeler-DeWitt). Subiectul a fost dezvoltat mai ales in anii 1980, prin activitatea fizicianului american James Hartle și a fizicianului si cosmologului britanic Stephen Hawking.

Cu mult înainte de nașterea gravitației cuantice cu bucle (loop quantum gravity), care pentru moment este interesata în primul rând de problemele locale și nu de un fenomen atat de global precum cosmologia, ideea de cosmologie cuantica a fost deja explorata de diversi fizicieni. Abordarea propusă era totusi diferita, bazandu-se pe cuantificarea “canonica” a unui Hamiltonian.

[In mecanica cuantică, Hamiltonianul este un operator matematic ce corespunde energiei totale a sistemului, fiind notat cu H. Spectrul său este un set de rezultate posibile atunci când se măsoară energia totală a unui sistem. Datorită relației sale apropiate cu evoluția in timp a unui sistem, este de o importanță fundamentală în cele mai multe formulări ale teoriei cuantice.]

Prima descriere de acest gen a fost realizata în 1967 de către fizicienii americani John Wheeler și Bryce de Witt care au formulat o “ecuație a lui Schrödinger” pentru funcția de undă a Universului, ecuația Wheeler-de Witt. Această ecuație permite, în teorie, prezicerea probabilitatii ca Universul sa aiba o anumită formă (și sa o pastreze), dar, în practică, cazul general este greu de rezolvat, ecuația fiind mult prea complexă. Au fost propuse diverse modele simplificate, in special de rușii A. Linde și A. Vilenkin, și de Jim Hartle și Stephen Hawking.

[Ecuația lui Schrödinger, conceputa de fizicianul austriac Erwin Schrödinger, în 1925, este o ecuație fundamentală în mecanica cuantică. Aceasta descrie evoluția în timp (starea cuantica, numită și funcția de undă sau vectorul de stare) a unei particule masive non-relativiste, și îndeplinește, astfel, același rol ca și Legile lui Newton în mecanica clasică.]

Ambele modele propuse sunt foarte diferite, Universul lui Linde și Vilenkin fiind un fel de spuma haotica veșnica, avand un număr de dimensiuni necunoscute (un “super-Univers”), în care fluctuații “locale” ar forma la fel Universuri similare cu al nostru, dar în care constantele fizice nu ar fi neapărat aceleași.

De altfel, în conformitate cu observațiile recente, Universul si-ar fi început existenta printr-o fază de expansiune foarte rapida (pe care unele teorii o explica cu ajutorul existenței unui “dilaton“), fenomen pe care Linde si colegii sai l-au luat in considerare in mod evident în modelele lor cele mai recente (imaginea de mai jos).

Ilustrarea unui “model” posibil al Universului inflaționist în care mai multe Universuri “paralele” apar din fluctuatiile care au loc într-un “Univers-parinte”, fiecare culoare corespunzand unui Univers cu valori diferite ale constantelor fundamentale.

Auto-reproducerea Cosmosului apare ca o ramificatie extinsa a bulelor inflaționiste. Schimbarile de culoare reprezintă “mutatii” în legile fizicii din Universurile-parinte. Proprietățile spațiului în fiecare bula nu depind de momentul în care bula s-a format. In acest sens, Universul ca un întreg poate fi staționar, chiar dacă interiorul fiecărei bule este descris de teoria Big Bang-ului.

In ceea ce-l priveste, modelul inițial Hartle-Hawking este aproape la extrema opusă, deoarece presupune un Univers unic, finit în timp și spațiu si fără limite (o “hipersfera”), ceea ce ar elimina problema singularitatii originare (Big Bang).

Comparatie intre Universul conform modelului Hartle-Hawking și Pământ. Ambele sunt fara margini și nu prezinta singularitate la poli.

Trebuie totusi remarcat faptul că aceasta cosmologie cuantica, ar trebui să ia în considerare, de asemenea, posibilitatea fluctuatiilor în topologia Universului, ceea ce presupune efectuarea unor calcule similare cu cele introduse de Feynman pentru electrodinamica cuantica (integralele traiectoriilor), dar în care fiecare “traiectorie”, ar fi o topologie posibilă a Universului.

[Formularea “integrala traiectoriei”(integrala functionala) din mecanica cuantică, dezvoltata in 1948 de Richard Feynman, este o descriere din teoria cuantica, care generalizează principiul acțiunii din mecanica clasica. Acesta înlocuiește noțiunea clasică a unei singure si unice traiectorii pentru un sistem cu o sumă, sau integrala functionala, pe o infinitate de traiectorii posibile pentru a calcula o amplitudine cuantica.

Această formulare s-a dovedit crucială pentru dezvoltarea ulterioara a fizicii teoretice, deoarece a furnizat baza pentru marea sinteza din anii 1970, denumita grup de renormare, ceea ce a condus la unificarea teoriei cuantice a câmpului cu mecanica statistica. Integralele traictoriei au fost, de asemenea, utilizate în studiul mișcării browniene și al difuziunii.]

De asemenea, trebuie spus că dificultățile sunt imense, iar problema nu a fost încă pe deplin rezolvată, chiar dacă același tip de probleme tehnice survin atunci când, într-o teorie cuantică a interacțiunii între “obiecte” se presupune că acestea din urma nu sunt “particule punctiforme” (in sens cuantic), ci obiecte extinse precum (super)corzile.

[Electrodinamica cuantica relativista (Quantum electrodynamics; abreviat: QED) este o teorie fizică ce vizează concilierea mecanicii cuantice cu electromagnetismul, utilizand un formalism lagrangian relativist. Conform acestei teorii, sarcinile electrice interacționează prin schimbul de fotoni. Teoria interactiunilor electromagnetice dintre particulele elementare electrizate, precum si dintre campul radiant cuantificat si materie.

In esență, aceasta teorie descrie modul în care interacționează lumina si materia și este prima teorie in care s-a realizat un acord deplin între mecanica cuantica și relativitătea speciala (restransa). Din punct de vedere matematic, QED descrie toate fenomenele ce implica particule incarcate electric care interactioneaza prin schimb de fotoni si reprezintă omologul cuantic al electromagnetismului clasic, oferind o imagine completă a interacțiunii dintre materie și lumina. Unul dintre părinții fondatori ai QED, Richard Feynman, a numit-o “bijuteria fizicii” pentru predicțiile sale extrem de precise. In termeni tehnici, QED poate fi descrisă ca o teorie a perturbatiilor vidului cuantic electromagnetic.

Vid cuantic: spatiul dintre nuclee este plin cu radiatii electromagnetice, fotoni, particule virtuale,… intr-o continua agitatie si transformare. Nu exista conexiuni intre acest ocean infinit de radiatii si particule cuantice si propagarea energiei electromagnetice.]

Totusi, trebuie sa se menționeze o “lărgire” a cadrului relativității ce priveste cosmologia și topologia, dar nu în mod direct fizica cuantică. Este vorba de problema topologiei globale a Universului. Astfel, relativitatea generală fiind o teorie locală, nu există nici o cerință pentru a descrie forma globală a spațiu-timpului. Prin urmare, mulți oameni de stiinta, printre care si Friedmann în 1924, s-au concentrat asupra problemei topologiei Universului, unii avand in vedere sa formuleze o nouă teorie a gravitației relativiste, care să încorporeze “condițiile la limită”.

Aceasta activitate teoretica nu a fost incununata de succes, fapt pentru care o echipa internationala (printre care J.P Luminet si altii) a propus recent ca un detaliu, până atunci neînțeles, în cartografierea radiației cosmice de fond poate fi explicat prin faptul că Universul ar avea o topologie “cu gauri”.

Dacă acest rezultat ar fi verificat prin măsurători ulterioare, acest lucru ar putea fi un alt mod important de a sonda aspectele cele mai energetice ale gravitației, deoarece topologia Universului este ceva care ar trebui în mod normal să fie prezis de teoriile corzilor sau de orice alta teorie cuantica, care pretinde că poate trata Universul primordial. Cele mai moderne teorii, aparute din teoriile corzilor, de asemenea, prezic, de altfel, un alt tip de model cosmologic: “modelul branar“.

Ilustrarea Universului lui Poincaré, utilizat în modelul lui Luminet si colab., care poate fi văzut ca un fel de “minge de fotbal” formata din 12 pentagoane curbate.

Ilustrarea diferenței mari fata de mingea convențională: Universul nu este “pur și simplu conex”, și dacă se iese „printr-o fata”, se intra din nou prin partea opusă.

[Conex: descrie un domeniu (suprafata, volum, …) închis printr-o singura si unica frontieră externa (contur, suprafață) și care poate sa contina mai multe frontiere interne. De exemplu, un bloc de spumă poliuretanică cu celule închise constituie un domeniu conex, fiecare cavitate formând o frontieră internă.]

Ilustrarea a ceea ce percepe un observator aflat într-un astfel de Univers: privind într-o direcție dată, el contemplă replici foarte numeroase ale Universului fizic, la fel ca într-un labirint de gheata.

De altfel, într-unele dintre cele mai speculative teorii, există, de asemenea, uneori, ideea că topologia spațiu-timpului ar putea fi complexă, permitand existența unor “scurtaturi prin Univers“, atât în spațiu, cat și în timp, celebrele “gauri de vierme“. Aceste obiecte ipotetice sunt însă foarte speculative, chiar daca una dintre explicațiile actuale posibile ale fenomenului de expansiune accelerată a Universului face apel la o “energie întunecată”, care ar putea asigura supraviețuirea acestor ” tunele din afara spațiu-timpului”.

Ilustrarea conceptului de gaura de vierme (wormhole), care permite apropierea a două puncte îndepărtate ale spațiu-timpului. Cu astfel de obiecte astrofizice, calatoria in timp ar putea fi posibila și acesta este unul dintre motivele pentru care marea majoritate a fizicienilor cred că trebuie să existe un mecanism care previne existența lor la dimensiuni macroscopice (s-a demonstrat ca numai materia “anormala” poate eventual sa împiedice dezintegrarea rapida a gaurii de vierme).

In imagine, sunt trasate două trasee posibile pentru a ajunge pe Pământ de la astrul reprezentat in partea de jos. O nava spațiala capabila sa intre in gaura de vierme, și să supraviețuiască traversarii sale, ar putea, în anumite circumstanțe, sa ajunga pe Pamant inaintea luminii care ar urma traseul standard.

Continuare… Universul-holograma

Inceputul articolului: In cautarea unei teorii a totului

>>>

In primul rând, trebuie eliminata orice ambiguitate: teoria corzilor este o teorie a gravitației cuantice, deoarece reuneste gravitația cu celelalte forțe deja reglementate in cadrul fizicii cuantice.

Dar există alte teorii ce vizeaza cuantificarea gravitatiei și, în mod special, teoria gravitației cuantice cu bucle (LQG, Loop Quantum Gravity), alternativă la (și concurenta a) teoria(teoriei) corzilor, care propune mai direct cuantificarea relativității generale, care este teoria gravitatiei. Celelalte interacțiuni (forte) fundamentale, fără a fi în afara domeniului de aplicare al LQG, nu sunt obiectul său principal.

Gravitația cuantica este o ramură a fizicii teoretice care încearcă să unifice mecanica cuantică, care descrie trei (forța nucleara tare, forța nucleara slabă, forta electromagnetica) din cele patru interactiuni cunoscute cu relativitatea generală, care descrie cea de-a patra interactiune fundamentala, gravitatia (forta gravitationala).

Scopul final este acela de a dezvolta o teorie a gravitației cuantice care ar unifica toate interacțiunile fundamentale într-un cadru matematic unic. Un astfel de model ar descrie toate interacțiunile observabile cunoscute în Univers, atat la scara subatomica, cat si la scara cosmologică.

Atunci când o teorie a gravitației cuantice va realiza o mare unificare a tuturor interacțiunilor cunoscute, aceasta va fi menționată ca o teorie a totului (Theory of Everything, TOE) și, în cazul în care realizează un model de camp care include totul, o teorie unificata a câmpului (Unified Field Theory, UFT).

Cele mai multe dintre dificultățile întâmpinate în tentativa de unificare provin de la ipotezele radical diferite ale acestor teorii cu privire la funcționarea Universului.

O altă dificultate provine din succesul mecanicii cuantice și a teoriei relativității generale. Ambele teorii au fost incununate de succes și nici un fenomen nu le contrazice. Energiile și condițiile in care gravitația cuantică ar putea fi verificata sunt inaccesibile tehnologiei actuale. De asemenea, nici o observație experimentală nu este disponibila pentru a oferi indicii cu privire la modul de a le combina.

Mecanica cuantică se bazează pe particulele de mediere a diferitelor forțe utilizate în spațiu-timpul plat al mecanicii newtoniene sau al relativitatii restranse, în timp ce teoria relativității generale modeleaza gravitatia ca o curbura a spațiu-timpului a cărei rază se schimbă atunci când se materia se deplasează (conform teoriei relativității generale, energia curbează continuumul spațiu-timp).

Modul cel mai banal de a combina aceste două teorii (cum ar fi tratarea gravitației ca un câmp ce poseda o particulă de mediere: gravitonul) se confruntă cu problema renormarii. Intr-adevăr, gravitatia este sensibila la masa, deci în conformitate cu principiul echivalenței masei și energiei din teoria relativității restrânse este, de asemenea, sensibila la energie. Un graviton trebuie deci să interacționeze cu el insusi ceea ce creeaza noi gravitoni, care, la rândul lor, interacționează din nou … Prin urmare, apar valori infinite ale energiei care nu pot fi eliminate.

Abordarea generală folosită pentru a obține o teorie a gravitației cuantice este de a se presupune că teoria subiacenta (care se afla la baza ei) este simpla si eleganta, apoi sa se examineze simetriile și indicii pentru a le combina într-o teorie cuprinzătoare. O problemă a acestei abordari este faptul că nu se știe dacă gravitatia cuantică este o teorie simpla si eleganta.

O astfel de teorie este necesara pentru a se înțelege problemele ce implica mase mari de materie sau de energie și dimesiuni ale spațiului foarte mici, precum gaurile negre sau originea Universului.

Găsirea unei teorii cuantice a gravitației este una dintre cele mai dificile dintre problemele cu care fizicienii teoreticieni s-au confruntat în ultimele decenii. Datorită interpretării geometrice a gravitației, nu este vorba doar de incompatibilitatea dintre două modele ale unei interacțiuni, ci si de cea dintre două cadre conceptuale ale fizicii și a necesitatii de a cauta o “geometrie cuantica“.

Astfel, unul dintre cele mai importante concepte din fizica cuantică este cel de “unitaritate“, conform caruia suma probabilităților unui eveniment trebuie să se conserve în timp, fiind întotdeauna egala cu 1. Dar, relativitatea generală, explică, de asemenea, faptul că notiunea de timp nu poate fi absoluta și că ceea pentru un observator reprezinta timpul, pentru un altul poate fi un amestec subtil intre spatiu si timp, ceea ce complică foarte mult construcția unei teorii unitare care sa fie în concordanță cu “principiile de bază” ale relativității.

[In fizica cuantică, unitaritatea desemneaza faptul că evoluția funcției de undă de-a lungul timpului trebuie să fie compatibila cu interpretarea probabilistă care ii este asociata; unitaritatea este o restricție privind evolutia permisa sistemelor cuantice care asigură ca suma probabilităților tuturor rezultatelor posibile ale oricărui eveniment sa fie întotdeauna 1.]

De altfel, un alt element-cheie al fizicii cuantice este noțiunea “nedeterminarii” (Heisenberg) rezultatului unei măsurări, care este în opoziție cu determinismul relativității generale. Totodata, trebuie subliniat faptul că aceste probleme apar numai atunci când se încearcă să se cuantifice insusi câmpul gravitațional și nu dacă se încearcă să se descrie evoluția unui câmp cuantic într-un spațiu-timp curb stabilit. Aceste două teorii nu sunt în totalitate în dezacord, dificultatile fiind într-adevăr legate de modul în care este modelata structura spațiu-timpului.

[Principiul incertitudinii (nedeterminarii) al lui Heisenberg (enuntat in 1927) afirma ca pozitia si viteza unui obiect nu pot fi masurate simultan cu precizie si ca notiunile de pozitie exacta si de viteza exacta nu au aplicatii in natura (nu pot fi determinate cu precizie, simultan). Se aplica numai la un numar mic de atomi si la particule subatomice (nu este important pentru obiectele macrocosmice, ca, de exemplu, vehiculele aflate in miscare). Deplasarea este rezultatul naturii de unda a particulei. Acest principiu se aplica si altor perechi de variabile, precum energia si timpul.]

Un spatiu discret

Cu toate acestea, dacă se aplică în mod naiv principiile cuantice la noțiunea de spațiu-timp dinamic, reiese ca la scari mici la care nu se pot neglija fluctuațiile cuantice, “textura spațiu-timpului”, care este mai degraba neteda si linistita la scările mari luate în considerare în relativitatea generală, trebuie să fie un fel de turbulenta neîncetata.

Ilustrarea modului în care, conform ideilor geometriei cuantice, spațiu-timpul trebuie să fie “văzut” la scări diferite. La scările cele mai mari, acesta este neted (si, eventual, curb), ca în relativitatea generală. Incepand de la scara lungimii lui Planck (aproximativ 10^-33 cm), este de așteptat ca fluctuațiile sa fie foarte importante si absolut deloc de neglijat. Astfel, spațiul ni se pare continuu, dar la scari incredibil de mici, acesta se dezvaluie a fi o spumă cuantică pe care teoria gravitatiei cuantice își propune să o descrie geometric.

Spuma cuantică (spuma spatiu-timpului) este un concept al mecanicii cuantice inventat de John Wheeler în 1955 (quantum foam, spacetime foam). Aceasta spumă este un mod de conceptualizare a naturii structurii infime a texturii Universului.

Teoria gravitației cuantice cu bucle (LQG, Loop Quantum Gravity) este interesata de geometria spațiului la scara lui Planck (10 ^-35 m sau 10 ^-33 cm), și utilizează, pentru aceasta, instrumente matematice complexe (variabilele “buclei”). Practic, aceasta teorie sugerează că spațiul însusi este cuantificat, adică există “cuanta spațiului”. Astfel, spatiul este discret și nu continuu: ca si ecranul computerului, dacă este privit de aproape, este compus din subdiviziuni indivizibile (pixelii monitorului, cuantele spațiului pentru Universul nostru ).

La scara lui Planck, spațiul nostru nu este neted, ci oarecum “spumos”: fluctuațiile cuantice predomina, și odata cu ele fluctuațiile gravitatiei, deci ale geometriei spațiu-timpului (de amintit Einstein). Prin urmare, teoria gravitației cuantice cu bucle este o teorie geometrică a unui astfel de spațiu spumos.

Totodata, ca si la teoria corzilor, nici o observatie experimentală nu a putut confirma sau infirma LQG sau vreunul dintre aspectele sale. Astfel, dispunem de două abordări diferite (una necesită dimensiuni suplimentare și propune considerarea materiei în mod diferit (corzi), cealalta geometrizeaza spatiul la scara lui Planck), dar care ar putea, după cum credea Lee Smolin, unul dintre părinții LQG, sa fie două aproximări ale uneia si aceleiasi teorii ultime care rămâne să fie descoperite.

O problemă teoretică referitoare la marime, ilustrata în imaginea anterioară, este faptul că pot apărea “gauri” în cursul fluctuațiilor spațiu-timpului, ceea ce este tradus în limbaj matematic ca “modificări de topologie”. Aceste modificări de topologie sunt, de altfel, la scări mici, din punct de vedere tehnic, legate de una dintre dificultățile întampinate in cuantificarea gravitației, si care provine din comportamentul ei vizavi de o procedură matematică utilizata de obicei în cercetarea formularii cuantice a interacțiunii: “renormarea“.

In teoria cuantica a câmpului (Quantum Field Theory, QFT), în mecanica statistică a câmpului, în teoria structurilor geometrice auto-similare, o renormare se referă la un set de tehnici folosite in tratarea infiniturilor ce apar in calcule (marimi cu valori infinite) sau, altfel spus, pentru a limita un continuum.

Atunci când se descrie spațiul și timpul ca un continuum, unele constructe statistice si cuantice devin nedefinite. Pentru a le defini, limitarea continuumului trebuie facuta cu prudenta.

Renormarea stabilește o relație între parametrii teoriei, atunci când parametrii la scara mare difera de valoarea parametrilor la scara mica. Renormarea a fost mai intai dezvoltata în electrodinamica cuantica (QED), în scopul de a interpreta integralele divergente ( a da sens integralelor infinite) in teoria perturbațiilor. La început, ea a fost considerata drept o procedura suspecta si provizorie de către unii dintre autorii săi. In final, renormarea a fost incorporata ca un instrument important și logic coerent în multe domenii ale fizicii și matematicii.

Intr-adevar, se poate demonstra că această procedură, care, in mare, consta in a permite efectuarea de calcule la o scară data, chiar dacă acestea nu se pot face cu o singură formulă valabila la toate scarile, implica în cazul gravitației apariția unor termeni infiniti, din ce in ce mai numerosi atunci cand se avanseaza in efectuarea calculelor. In cazul electromagnetismului sau interacțiunii electroslabe, apar anumiți termeni infiniti, dar acestia pot fi “suprimati” cu ajutorul termenilor ce provin din alte scari. In cazul gravitației, apelarea la alte scari nu face decat sa inrautateasca lucrurile!

Totodata, în linia lucrarilor fizicianului indian Abhay Ashtekar, s-a dezvoltat în ultimii ani o nouă abordare a cuantificarii gravitației care pare foarte promitatoare. Teoria “gravitatiei cuantice cu bucle” (unul dintre protagoniști sai cei mai cunoscuti fiind Carlo Rovelli), presupune, în acord cu primele principii ale fizicii cuantice, ca daca spatiu-timpul este un obiect dinamic “standard”, acesta trebuie fie, de asemenea, “cuantificat”, și sa se prezinte o scară fundamentală. Aceasta ipoteza implica existența unui soi de “cărămizi incasabile” ale spațiu-timpului din care ar fi formata textura globala și care face ca unii termeni infiniti sa fie in mod natural eliminati din calcule. De altfel, din această ipoteză rezultă că principiul constanței vitezei luminii în vid ar trebui să fie încălcat la scări mici.

Intr-adevăr, aceste cărămizi implica neomogenitati locale ale spațiu-timpului, neomogenitati pe care lumina ar trebui să le strabată pe trasee intergalactice foarte lungi. Astfel, una dintre metodele chiar de pe acum utilizate în încercarea de a evidenția aceste efecte, și / sau să constrangă/forteze teoriile care le prezic, consta in a căuta aparente încălcări ale constanței vitezei luminii emise în timpul “exploziilor de raze gamma” (explozii foarte intense și scurte de raze gamma care sunt considerate a fi legate de acretia (acumularea de materie din spațiul cosmic) de materie pe găuri negre supermasive)), principiu care este ilustrat în figura de mai jos.

Două lumini de culori diferite vor interacționa în mod diferit cu structura cuantica a spațiu-timpului, implicand o dispersie a undelor. Acest efect, inevitabil daca spațiu-timpul este cuantificat, nu a fost observat intotdeauna, totusi, incepand din momentul în care se considera spatiu-timpul ca un obiect cuantic dinamic, exista poate un alt domeniu de explorat. In același mod în care teoria relativității generale a condus în mod firesc la cosmologia relativistă, o descriere cuantică a spațiu-timpului poate într-adevăr, a priori, sa implice apariția unei “cosmologii cuantice“.

Ilustrarea mecanismului prin care structura cuantica a spațiu-timpului la scări mici ar putea conduce la o variabilitate a vitezei luminii. Pentru aceasta din urmă, efectul ar fi similar cu o interacțiune cu un “cristal planckian“, celor două culori (lungimi de undă) diferite, neluandu-le acelasi timp pentru a traversa acest cristal.

Continuare… Cosmologia cuantica

Inceputul articolului: In cautarea unei teorii a totului

>>>

Citate cu tagul "astronomie"