Big Bang, Graal-ul modern al stiintei

Misterioasele inceputuri 

Teoria generala conform careia Universul a luat nastere in urma unei explozii puternice, cunoscuta sub numele de Big Bang, chiar daca foarte populara, este exact ceea ce pare a fi: o teorie. In fapt, lucrurile ar putea sa stea si altfel, iar oamenii de stiinta ai secolului XXI isi permit sa se joace cu acest puzzle enorm care este nasterea universului. O noua teorie elaborata recent propune o perspectiva usor diferita asupra momentului 0. Daca in loc de Big Bang am avea Big Bounce?

Este posibil ca Universul sa se fi dezvoltat nu in urma unei explozii (Big Bang), ci ca urmare a unei implozii (denumita de catre cercetatori Big Bounce), urmata de o explozie, toate sub puterea unui cuantum de efecte gravitationale. Teoria relativitatii generalizate elaborata de Einstein cu participarea altor oameni de stiinta, promoveaza ideea ca universul a inceput la momentul big bang, moment in care toata materia era concentrata intr-un singur punct de densitate infinita. Insa teoria nu evidentiaza explicit o multime de aspecte, precum o componenta importanta a structurii spatiu-timp, care este limita, cat de strans poate fi materia concentrata si cat de puternica poate deveni gravitatia. Pentru a vedea exact cum s-au petrecut lucrurile, fizicienii au concluzionat ca au nevoie de o noua teorie, care se cuprinda si sa explice toate aceste coordonate. Mai exact, un cuantum de teorii.

O posibila candidata este teoria gravitatiei cuantice in bucle, care este o unificare a teoriei relativitatii generale cu conceptele fundamentale ale fizicii cuantice. Conform acesteia, spatiul este subdivizat in atomi de volum si are o capacitate finita de a inmagazina materie si energie, prevenind existenta unei singularitati. Daca este asa, timpul s-a extins inainte de explozie, evoluand in directia unei iminente implozii catastrofale, care a atins un punct de maxima densitate, dupa care a intervenit reversul procesului: explozia. Cheia descifrarii acestui mister pare sa fie insasi materialul care a “tesut” tot ceea ce putem percepe azi in jurul nostru: atomii.

O introducere in teoria Big Bang:

Lungul drum al atomilor 

In prezent, atomii reprezinta o idee atat de banala, incat este greu sa ne mai aducem aminte de importanta pe care le-o acordam cu numai putin timp in urma. Cand filosofii au teoretizat pentru prima data atomii, cu secole in urma, diversi cercetatori s-au aratat uimiti de existenta a ceva atat de mic, astfel incat au inceput sa se intrebe daca atomii ar putea fi considerati un cu adevarat un concept stiintific. Dovezile existentei atomilor au inceput deja sa se adune in 1905, insa fizicienilor le-a mai luat inca 20 de ani sa dezvolte o teorie care sa explice atomii, mecanica cuantica, si inca 30 de ani pana cand fizicianul Erwin Muller a surprins prima lor imagine. In zilele prezente, toate tehnologiile au la baza proprietatile caracteristice ale atomilor. Explicatia fizica a spatiului si timpului urmeaza o cale asemanatoare, desi nu este nici pe departe elucidata. Intocmai cum comportamentul materialelor indica consistenta lor atomica, comportamentul spatiului si timpului sugereaza de asemenea o structura fina, fie un mozaic atomic al spatiului si timpului, fie o alta “tesatura” la scara foarte mica.

Atomul reprezinta cea mai mica unitate indivizibila a componentelor chimice. Similar, atomii spatiului sunt cele mai mici unitati indivizibile ale distantei. Se crede despre acestia ca au o marime de 10^–35 metri, prea mici pentru a putea fi depistati chiar si de catre cele mai puternice instrumente, care pot masura pana la 10^–18 metri. Privind lucrurile din acest punct de vedere, multi dintre oamenii de stiinta nu sunt de acord cu incadrarea stiintifica a perspectivei atomice asupra spatiului si timpului. In schimb, unii cercetatori incearca sa abordeze alte cai pentru a demonstra existenta lor in mod indirect. Una dintre cele mai promitatoare metode implica observatiile asupra cosmosului. Daca derulam inapoi procesul expansiunii universului, vom vedea galaxiile convergand intr-un singur punct infinitezimal: momentul unic big bang. In acest punct, teoria generala a relativitatii dezvoltata de Einstein sustine ca universul are o densitate si o temperatura infinita. Acest moment este considerat a fi inceputul Universului, nasterea materiei, spatiului si timpului. Interpretarea merge insa prea departe, deoarece valorile infinite indica faptul ca insasi aceasta teorie nu mai poate fi aplicata. Pentru a afla ceea ce s-a intamplat cu adevarat la big bang, fizicienii trebuie sa transceada relativitatea. Pentru acestia a devenit necesara elaborarea si dezvoltarea unei teorii a gravitatiei cuantice, care ar putea ingloba structura fina a spatiului si timpului, fata de care actuala teorie a relativitatii s-a aratat nepasatoare.

Detalii ale acelei structuri ar putea fi evidentiate in conditiile dense ale universului primordial, in vreme ce urme ale acestuia pot supravietui chiar si in aranjamentul actual al materiei si radiatiilor. Prin urmare, daca atomii spatiu-timp ar exista, nu vor mai trece inca cateva secole pentru a le dovedi existenta, asa cum s-a intamplat in cazul atomilor materiali. Fizicienii moderni spera ca vor descoperi adevarul, cu putin noroc, in doar cateva decade.

Timpul dinaintea timpului 

In lipsa unei singularitati pentru a demarca inceputul timpului, istoria Universului se poate extinde cu mult inaintea perioadei pe care cosmologii au crezut-o posibila. Nici una dintre teoriile elaborate in anii trecuti nu a putut explica pe de-a intregul momentul zero al creatiei si ce s-a intamplat imediat dupa. In contrast, gravitatia in bucla reprezinta o posibila interpretare. Scenariile fondate pe aceasta teorie, desi simple, au la baza principii generale si evita introducerea unor noi asumptii ad-hoc. Utilizand ecuatii diferite, putem incerca sa reconstruim trecutul foarte indepartat. Una dintre posibilitati este ca stadiul initial de densitate ridicata s-a produs in momentul in care un univers preexistent s-a prabusit sub forta puternica a gravitatiei. Densitatea a crescut atat de mult, incat gravitatia a devenit repulsiva, iar Universul si-a inceput cea de-a doua expansiune. Cosmologii se refera la acest proces ca la Big Bounce. Una dintre teoriile de plecare mergea pe ideea ca Universul inainte de Big Bounce era remarcabil de similar cu al nostru: guvernat de relativitatea generala si, probabil, ticsit cu stele si galaxii. Daca lucrurile au stat intr-adevar asa, inseamna ca putem calatori, prin extrapolare, pornind de la Universul nostru, inapoi in timp, intocmai cum putem calcula pozitia initiala a doua bile de biliard in functie de traiectoria urmata dupa coliziune. Simularile ulterioare au aratat ca lucrurile nu sunt chiar atat de simple si ca formarea Universului este intr-adevar un caz special, fara a avea un corespondent in lumea actuala, fie el si la scara mica. Fluctuatiile dinaintea si de dupa big bang nu par a fi foarte legate unele de celelalte. Este posibil ca Universul dinainte de big bang sa fi fluctuat intr-un mod diferit decat a facut-o dupa acest eveniment. Daca este asa, aceste detalii nu au supravietuit dupa momentul big bounce. Pe scurt, Universul are probleme grave de memorie. Big bang-ul nu mai reprezinta doar un inceput fizic sau o singularitate matematica, insa pune o limita cunoasterii noastre, deoarece ceea ce a supravietuit nu poate oferi o imagine completa asupra a ceea ce exista inainte.

Mai aproape de adevar? 

Oamenii de stiinta au anuntat recent ca se afla pe punctul de a descoperi o lege care sa explice sensul tuturor fenomenelor din univers, o teorie a corzilor si a super-corzilor, dupa cum este deja numita. Aceasta se afla in curs de formulare si va include toate fortele din natura, combinand legile gravitatiei cu fizica cuantica. Atunci va fi posibila corelarea legilor ce guverneaza obiectele perceptibile cu fenomenele proprii domeniului subatomic. Formularea acestei legi ne va facilita intelegerea structurii, originilor, dar mai ales, a viitorului cosmosului.

Sursa: Scientific American

Teoria corzilor pe intelesul tuturor: