Prima pagină Stiinta

Big Bang - cum ştim că aşa a început totul?

Marius Comper | 01.09.2014 | ● Vizualizări: 14984

Care este cea mai importantă întrebare pe care v-o puteţi imagina? Dacă vom studia populaţii din toate colţurile Pământului, vom descoperi că toate au încercat să găsească un răspuns la întrebarea „cum a început totul?”. De-a lungul timpului, fiecare cultură şi-a dezvoltat propriile mituri ale creaţiei. Acestea variază în funcţie de mediul şi de societăţile care le-au dat naştere, însă majoritatea au un element în comun: o forţă supranaturală care joacă un rol crucial în crearea universului.

Mircea Eliade afirmă că însăşi ideea de mit implică o creaţie, deoarece mitul „povesteşte o istorie sacră; el relatează un eveniment care a avut loc în timpul primordial, timpul fabulos al «începuturilor». Altfel zis, mitul povesteşte cum, mulţumită isprăvilor fiinţelor supranaturale, o realitate a venit întru fiinţă, fie că e vorba de realitatea totală, Cosmosul, sau numai de un fragment: o insulă, o specie vegetală, o instituţie umană. E aşadar întotdeauna povestea unei «faceri»: ni se povesteşte cum a fost produs ceva, cum a început «să fie»”. De asemenea, fiecare mit reprezintă adevărul absolut în societatea sa. Cuvântul „mit” îşi are originile în grecesul „mythos”, ce poate să însemne „poveste”, dar şi „cuvânt”, în sensul de „ultimul cuvânt”. De aceea, orice om care contesta aceste explicaţii ale originilor lumii putea fi acuzat de erezie.

În Europa, mitul acceptat era cel al Genezei: „La început, Dumnezeu a făcut cerurile şi pământul”. Credinţa creştină era că Dumnezeu a creat totul, însă acest mit conţinea şi o altă aserţiune, preluată de la Ptolemeu: aceea că Pământul se află în centrul Universului. Pământul era considerat tărâmul imperfecţiunilor, iar el era înconjurat de sfere perfecte pe care se găseau celelalte planete, Soarele şi stelele, iar dincolo de aceste sfere se găsea raiul. Acest model al Universului era acceptat nu doar pentru că era propovăduit de Biserică, ci şi pentru că dovezile pe care oamenii le-au putut acumula studiind cu ochiul liber cerul păreau să sugereze că este adevărat.

Primele probleme pentru perspectiva ptolemeică asupra Universului au început să apară în secolele al XVI-lea şi al XVII-lea, când noile tehnologii precum telescopul au permis descoperirea unor dovezi care o contraziceau. Copernic a adus dovezi puternice în favoarea ipotezei că Pământul se învârte în jurul Soarelui, iar călugărul eretic Giordano Bruno a argumentat că stelele sunt sori, iar universul este probabil infinit. Ulterior, oameni de ştiinţă precum Newton sau Galileo au aprofundat consecinţele acestor idei, încercând însă să păstreze cât se poate de mult din mitul biblic al creaţiei.

În secolul al XVIII-lea, însă, perspectiva ptolemeică asupra Universului s-a prăbuşit. În locul său a apărut o nouă perspectivă, cea a unui Univers care acţionează pe baza unor legi stricte, raţionale şi impersonale care pot fi descoperite de către ştiinţă. Dumnezeu ar fi putut fi creatorul Universului, însă după creaţie El l-a lăsat să funcţioneze conform propriilor sale reguli.  Newton presupunea că timpul şi spaţiul sunt infinite, astfel că universul nu avea nici limite, nici un moment al creaţiei. Această perspectivă îl îndepărta tot mai tare pe Dumnezeu de crearea Universului.

Totuşi, noua perspectivă nu era lipsită de probleme. Prima din ele provenea din teoria termodinamicii, care sugera că totalul energiei folosibile din Univers era în continuă scădere (sau, cu alte cuvinte, că entropia creşte). Într-un univers cu o vârstă infinită, consecinţa ar fi fost că nu ar mai fi existat energie pentru a crea nimic, ceea ce era în mod evident neadevărat. Acest lucru sugera că universul nu putea să fi existat dintotdeauna. 

O altă problemă era faptul că noaptea era întuneric. De ce? Kepler a fost primul care a afirmat că un număr infinit de stele ar face ca cerul nocturn să fie perfect strălucitor. Astăzi, această problemă poartă numele de „paradoxul lui Olber”, astronomul german care a popularizat-o. O posibilă soluţie pentru această problemă ar fi fost ca universul să nu fie infinit în dimensiuni. Acest lucru ar rezolva paradoxul lui Olber, dar ar crea altă problemă, căci Newton observase că, în cazul în care Universul nu ar fi fost infinit, atunci gravitaţia ar fi atras toată materia în centrul universului. Evident, acest lucru nu se întâmplase.

Desigur, aproape toate teoriile ştiinţifice conţin anumite probleme, dar cât timp aceste teorii au un răspuns pentru majoritatea întrebărilor ce li se adresează, dificultăţile pot fi ignorate. De aceea, problemele teoriei newtoniene au fost în mare parte ignorate în secolul al XIX-lea. 

În prima jumătate a secolului al XX-lea au început să fie descoperite tot mai multe dovezi care susţineau o teorie alternativă, care astăzi poartă numele de „cosmologia Big Bang”. Această teorie rezolva atât problema entropiei, sugerând că universul nu există dintotdeauna, cât şi paradoxul lui Olber, descriind un univers finit atât ca timp cât şi ca spaţiu. De asemenea, teoria rezolva şi problema gravitaţiei, arătând că Universul se extinde prea repede pentru a permite gravitaţiei să strângă toată materia într-un singur punct. Cosmologia Big Bang descria un univers care avea un început şi un istoric, scoţând cosmologia din zona mitologiei şi ducând-o în cea a ştiinţei. Conform aceste perspective, universul a început ca o entitate infinitezimal de mică care s-a extins rapid şi care continuă să se extindă şi astăzi.

Cum a apărut ideea Big Bangului?

Ideea că Universul nu este static, ci se află într-o stare de expansiune, a fost propusă încă de la începutul anilor ‘20, însă a fost privită cu o doză mare de scepticism. Unul dintre cei mai mari critici ai acestei idei a fost chiar Albert Einstein, care credea că Universul este static. Primul om care a propus ideea unui univers în expansiune, matematicianul rus Alexander Friedmann, a murit înainte ca ipoteza să fie acceptată.

Cu toate acestea, ideea sa nu a dispărut. Ea avea să reapară la câţiva ani după moartea lui Friedmann, datorită unui preot tânăr din Belgia pasionat de cosmologie, Georges Lemaître. Înzestrat cu două doctorate, în matematică şi fizică, Lemaître tocmai îşi începuse cariera de profesor la Universitatea Catolică din Leuven. Preotul a pornit de la teoria generală a relativităţii a lui Einstein pentru a propune că Universul se află de fapt într-o continuă expansiune. În mod logic, dacă Universul se extinde, înseamnă că în trecut era mai mic decât astăzi. Acest lucru sugerează că, dacă privim suficient de mult înapoi, întregul univers ar fi fost comprimat într-o regiune foarte mică.

Georges Lemaître    

Realizarea cheie a lui Lemaître a fost faptul că teoria generală a relativităţii a lui Einstein sugera existenţa unui moment al creaţiei. Cu siguranţă, această realizare trebuie să-i fi surâs tânărului preot, chiar dacă pasiunea sa ştiinţifică nu era afectată de credinţele sale religioase. Lemaître a concluzionat că universul a început într-o mică regiune compactă care a explodat şi care a evoluat pentru a deveni universul în care trăim astăzi. Belgianul şi-a imaginat că toate stelele erau înghesuite într-un univers super-compact pe care l-a intitulat „atomul primitiv”. Atunci când acest atom atotcuprinzător s-a descompus subit, el a generat toată materia din Univers. 

Lemaître a anunţat teoria sa referitoare la crearea Universului în 1927 într-un jurnal ştiinţific belgian, „Annales de la Société Scientifique de Bruxelles”. Reacţiile nu au fost pozitive, iar însuşi Einstein i-a oferit o replică descurajatoare. „Calculele dumneavoastră sunt corecte, însă fizica dumneavoastră este abominabilă”, i-a spus Einstein în franceză cu ocazia conferinţei Solvay din Bruxelles.

Scepticismul avea să continue timp de câteva decenii, însă eforturile depuse de un alt cercetător, aflat dincolo de Oceanul Atlantic, aveau să susţină ipoteza lui Lemaître. Omul de ştiinţă era astronom, iar numele său avea să intre în istorie: Edwin Hubble.

Observaţiile lui Hubble

Edwin Hubble s-a făcut remarcat de mic: în tinereţe devenise un baschetbalist şi un atlet foarte abil, renumit în Illinoisul său natal, iar ulterior a studiat dreptul la Oxford, îndeplinind o promisiune pe care i-o făcuse tatălui său. După ce acesta a decedat, însă, Edwin Hubble a hotărât să se dedice pasiunii sale: astronomia. 

Edwin Hubble    

Hubble s-a angajat la Observatorul Mount Wilson, aflat în apropiere de Los Angeles, unde aerul curat şi cerul lipsit de nori creau o atmosferă ideală pentru studiat cerul. Edwin a petrecut mii de nopţi observând bolta cerească, iar de-a lungul anilor a făcut câteva descoperiri extraordinare.

Mai întâi, Hubble a observat că există numeroase alte galaxii în afară de a noastră. Corpuri pe care mulţi le crezuseră obiecte din galaxia noastră erau, de fapt, galaxii separate aflate la o distanţă uriaşă de Calea Lactee. Apoi, Hubble a făcut alt lucru remarcabil: a calculat distanţele care ne separă de galaxiile pe care le identificase. În urma acestui efort, astronomul a descoperit un lucru bizar: galaxiile se îndepărtau unele de celelalte. Mai mult, cu cât erau mai îndepărtate, cu atât se distanţau mai repede.

Această observaţie sintetiza exact ceea ce susţinuse Lemaître: Universul se extinde. Practic, galaxiile Universului sunt ca nişte puncte desenate cu carioca pe un balon, iar pe măsură ce balonul se umflă, distanţa între punctele desenate pe el creşte tot mai repede. Această noţiune era destul de bizară, astfel că în ciuda observaţiilor realizate de Hubble, mulţi oameni de ştiinţă care credeau în ideea unui Univers static au continuat să respingă ipoteza Big Bangului. Dezbaterile pe această temă au continuat în următoarele decenii. 

Unul din motivele pentru care ipoteza Big Bangului a întâmpinat rezistenţă în lumea ştiinţei a fost faptul că oamenii ar fi trebuit să accepte un concept greu de înţeles. Acesta a fost detaliat de Lemaître într-o scrisoare publicată în 1931 în jurnalul Nature: „Dacă lumea a început cu o simplă cuantă, noţiunile de timp şi de spaţiu nu ar avea vreun înţeles la început. Ele ar începe să aibă un înţeles abia atunci când cuanta iniţială s-a fragmentat în mai multe cuante. Aşadar, dacă această sugestie este corectă, începutul lumii a avut loc cu puţin înainte de începutul timpului şi a spaţiului”.

„Găinaţul porumbeilor” - descoperirea care a confirmat validitatea Big Bangului

În 1964, la câteva decenii după ce Lemaître îşi publicase lucrarea despre originea Universului, doi oameni de ştiinţă se confruntau cu o mare problemă. Cei doi dispuneau de cel mai sofisticat echipament disponibil la acea vreme, dar cu toate acestea nu reuşeau să audă decât interferenţe.

Cei doi cercetători, Arno Penzias şi Robert Wilson, s-au gândit că de vină ar putea fi numeroşii porumbei care se obişnuiseră să se aşeze pe „trompeta” uriaşă care forma antena radio situată în apropiere de Holmdel, New Jersey. Construită sub forma unui canal auditiv gigantic, antena măsura 15 metri în lungime şi avea o deschidere de 6 metri pe 6 metri. Interiorul foarte neted al instrumentului era conceput pentru a recepţiona semnale radio extrem de slabe, ce proveneau de la distanţe foarte mari. 

Antena-trompetă din Holmdel    

Cei doi oameni de ştiinţă s-au gândit şi au ajuns la concluzia că găinaţul porumbeilor era elementul care le încurca studiul. Ei au solicitat muncitorilor să cureţe găinaţul, iar cineva chiar a ordonat ca porumbeii să fie ucişi. Chiar şi aşa, după ce au îndreptat din nou antena spre spaţiu, oamenii de ştiinţă continuau să audă un bâzâit constant.

Cercetătorii au făcut tot ce le-a trecut prin cap pentru a elimina această problemă. Ei au ajustat echipamentul de amplificare, care era foarte sensibil. Niciun rezultat. Ulterior, au hotărât să asculte doar pe vreme bună, iar apoi doar când afară era frig. Tot fără rezultat. Cei doi au întors antena, îndreptând-o spre oraşul New York, aflat la doar 80 de kilometri distanţă, bănuind că staţiile radio sau altă activitate electronică de acolo interferează cu munca lor. Şi acest efort a fost fără efect.

Indiferent ce încercau, cei doi nu puteau să scape de bâzâit. Ce nu ştiau Arno Penzias şi Robert Wilson era faptul că acel zgomot de fond enervant avea să joace un rol cheie în înţelegerea originilor Universului şi să le aducă Premiul Nobel pentru Fizică.

Atunci când cei doi cercetători se luptau cu zgomotul de fond, în 1964, oamenii de ştiinţă nu reuşiseră să rezolve definitiv dezbaterea dintre conceptul de „Big Bang” şi cel de „univers static”.

Acest lucru avea să se schimbe. Penzias a povestit unui prieten bun, un fizician de la MIT, despre problemele pe care le avea cu antena radio. Prietenul i-a răspuns că citise de curând despre o cercetare a unui fizician de la Universitatea Princeton care afirmase că, în cazul în care Universul s-ar fi extins pentru o perioadă îndelungată de timp, atunci în fazele cele mai timpurii el ar fi fost extrem de fierbinte şi de dens, iar radiaţia produsă în acea stare fierbinte şi densă ar continua să existe şi astăzi sub forma unei radiaţii „de fond” cu microunde prezente în cuprinsul spaţiului. Ceea ce i s-a părut cu adevărat remarcabil lui Penzias atunci când a auzit acest lucru a fost faptul că fizicianul de la Princeton prezisese că acea radiaţie va avea exact frecvenţa zgomotului de fond pe care îl auzea în antena sa radio.

Penzias a decis să îl sune pe Robert Dicke, unul dintre profesorii de la Princeton implicaţi în studierea radiaţiilor cu microunde, şi să îl invite la Holmdel Horn pentru a asculta zgomotul de fond. Spre norocul său, Universitatea Princeton se afla la doar 30 de kilometri de laboratorul său. De altfel, numeroşi alţi oameni de ştiinţă din jurul lumii detectaseră aceeaşi energie ciudată în antenele lor radio, dar nimeni altcineva nu reuşise să îi identifice cauza. Coincidenţa care a făcut ca acest fizician să se găsească la o distanţă mică de Holmdel Horn a facilitat rezolvarea unuia dintre cele mai profunde mistere ale Universului. Atunci când a auzit zgomotul la faţa locului, Dicke a înţeles imediat însemnătatea sa. Bâzâitul nu era altceva decât „jarul” lăsat în urmă de Big Bang. 

„Trăim într-un ocean de şoapte ce datează din vremea creării noastre eruptive. Doar că nimeni nu asculta până acum”, a comentat George Gamow, un astrofizician de origine rusă care s-a numărat printre primii susţinători ai teoriei lui Lemaître. 

Descoperirea radiaţiei cosmice de fond avea să fie dovada decisivă ce i-a convins pe majoritatea astronomilor să accepte teoria Big Bang. Din 1965, puţini astronomi s-au mai îndoit de faptul că teoria Big Bang este cea mai bună explicaţie pentru originea universului. Ea este astăzi ideea centrală a astronomiei moderne, iar radiaţia cosmică de fond joacă un rol cheie în cosmologia modernă. Studierea acestei radiaţii oferă cele mai multe detalii despre Univers, iar cel mai recent efort ştiinţific, misiunea Planck, a ajuns la concluzia că vârsta acestuia este de aproximativ 13,81 miliarde de ani.

Nu putem spune nimic despre Universul dinaintea acestui moment de acum 13 miliarde de ani - nu ştim nici măcar dacă spaţiul şi timpul existau înainte de el. Ştim însă că energia şi materia au explodat din vid, creând atât timpul cât şi spaţiul. Universul timpuriu era extrem de fierbinte şi fantastic de dens, extinzându-se extraordinar de rapid într-un fel de explozie cosmică. Pe măsură ce s-a extins, universul s-a răcit. Materia şi antimateria s-au anihilat una pe cealaltă, lăsând în urmă rămăşiţe de materie. Din tumultul iniţial al universului au apărut entităţi separate — protoni, neutroni, fotoni, electroni — şi forţe distincte, printre care forţa puternică, forţa slabă şi forţele gravitaţiei şi a electromagnetismului. După câteva sute de mii de ani, universul a devenit suficient de rece pentru a permite protonilor şi electronilor să formeze atomi stabili, iar materia din univers a devenit neutră din punct de vedere electric. Drept rezultat, materia şi energia au încetat să mai interacţioneze în mod constant, iar radiaţia a început să circule liber prin univers. Pe măsură ce universul s-a extins, temperatura radiaţiei a scăzut, iar acum este detectabilă ca radiaţie cosmică de fond.

Această poveste bizară ce formează mitul modern al creaţiei este susţinută de o cantitate uriaşă de cercetări ştiinţifice, fiind compatibilă cu majoritatea lucrurilor pe care le ştim astăzi despre astronomie şi fizica particulelor. Nicio altă teorie a originilor nu poate explica atât de multe lucruri precum teoria Big Bangului. De aceea, faptul că oamenii de ştiinţă au reuşit să construiască o teorie logică susţinută de numeroase dovezi şi care ne permite să ştim ce s-a întâmplat în primele minute ale universului reprezintă una dintre cele mai mari realizări ale omenirii.