Alex Doppelgänger
Poveștiință
ilustrații Andrei Gamarț
Cum se face un Univers? Unul dintre lucrurile pe care le ai în comun cu un om de acum o sută, o mie, cinci mii sau zece mii de ani este că toți v-ați pus la un moment dat întrebarea “de unde venim?” sau, mai exact,“cum a apărut Universul?”. Din fericire, asta nu e o întrebare grea. Toată lumea are răspunsul! Fie că întrebi un om de acum o sută, o mie, cinci mii sau zece mii de ani, toți o să aibă un răspuns, din fericire. Gata, am rezolvat-o și p-asta, încheiem capitolul? Că mai avem de rezolvat niște...
5
Nu? Mbine... problema e că răspunsurile astea sunt greșite, toate. Fiecare popor al lumii are în mitologia sa un mit al creației, care povestește cum au apărut Universul, Pământul și, firește, omul. Partea proastă e că fiecare dintre aceste mituri ale creației face apel la o ființă supranaturală, a cărei existență nu poate fi verificată și nici dovedită în vreun fel. Sunt mii de mituri pe Pământ, care nu pot fi verificate. De unde știi care e cel corect? Din fericire, oamenii de știință sunt foarte curioși prin definiție, așa că n-au putut sta departe de întrebarea “cum a apărut Universul?”. După mii de ani de umblat pe întuneric, în sfârșit ne aflam pe drumul cel bun, odată ce știința e preluat hățurile. Problema e că e foarte greu să-ți dai seama ce s-a întâmplat în momentul nașterii Universului, asta dacă Universul a luat naștere de undeva și nu cumva a fost așa dintotdeauna. Până și asta era o problemă, și dacă lăsăm deoparte zeii și alte ființe supranaturale. Pfff... de unde să începem? În anii 1920 și 1930, aproape orice cosmolog prefera ca Universul să fie într-o stare echilibrată eternă. Albert Einstein a avut mari bătăi de cap când și-a dat seama prin 6
1917 că noua sa teorie a relativității generale îi spunea că Universul ori se contractă, ori se extinde, dar nu stă locului cum voiau toți să creadă la vremea aceea. Așa că a introdus o constantă cosmologică (un factor de umplutură), care să rezolve “problema” asta. Mai târziu, Einstein avea să scoată această constantă cosmologică, odată ce și-a dat seama că ecuațiile sale chiar spuneau adevărul. Câțiva ani mai târziu a afirmat că modificarea acestor ecuații (adică introducerea constantei cosmologice) a fost cea mai mare prostie din viața sa. Și-a dat seama că a încercat să repare ceva ce nici măcar nu era stricat.
7
Hei, unde fugiți? Tocmai ai ieșit pe afară, fie să te vezi cu prietenii, fie să cumperi pâine. Deodată, pe șosea, din partea dreaptă se aude sirena unei mașini de pompieri, care gonește în direcția ta. Pe măsură ce mașina se apropie de tine, o să observi că sunetul se modifică. El crește în înălțime până în momentul în care mașina ajunge în dreptul tău, când atinge înălțimea maximă. După aia, pe măsură ce se îndepărtează mașina de pompieri, înălțimea sunetului scade din nou. Ce se întâmplă de fapt? Pe măsură ce mașina se apropie de tine, fiecare undă de sunet este emisă dintr-o poziție mai apropiată de tine (observatorul), decât cea dinaintea ei. Undelor le ia din ce în ce mai puțin timp să ajungă la tine, distanța dintre ele se micșorează, iar ele
8
se împing una în cealaltă, se aglomerează. Când se îndepărtează mașina, se întâmplă fix opusul. Ăsta este efectul Doppler, descoperit prima oară de fizicianul austriac Christian Doppler. Sunetul este vibrația care se propagă într-un mediu cum e apa sau aerul, lumina este energie pură. Sunt două lucruri total diferite, ca și cum ai compara o piatră cu sentimentul de nostalgie. Dar și lumina are ceva foarte asemănător efectului Doppler: efectul de red-shift. Prin 1929, la patru ani după ce a demonstrat că Universul este mult mai mare decât ne imaginam, Edwin Hubble a descoperit mai multe galaxii, unele mai apropiate, altele mai îndepărtate. Era dubios, și asta l-a surprins foarte mult, că galaxiile mai îndepărtate aveau culoarea roșiatică și se
9
îndepărtau de noi cu o viteză foarte mare. Erau și unele galaxii care se apropiau, iar ele aveau culoarea albăstruie. Era fix un fel de efect Doppler, dar cu lumină! Galaxiile care se îndepărtau de noi aveau lumina înspre roșu, galaxiile care se apropiau aveau lumina înspre albastru. Hubble știa că descoperise ceva important, dar nu știa exact ce. Se scărpina în cap, nedumerit. Georges Lemaître era un tip foarte inteligent. Belgian, preot romano-catolic, astronom și fizician, avea ochii cât cepele în momentele alea și era atent la tot ce mișcă în domeniul cosmologiei. El a propus că descoperirea lui Hubble confirma ecuațiile lui Einstein (cele inițiale, fără constanta cosmologică) din teoria relativității generale și că Universul de fapt se extinde.
Universul ca un balon. Uite, imaginează-ți că ai un balon pe care desenezi niște puncte cu markerul (punctele alea fiind galaxiile pe care le observase Hubble), apoi umflă balonul. O să observi, firește, că punctele se îndepărtează unul de celălalt, dar dacă privești atent, o să-ți dai seama că ele se îndepărtează pentru că balonul se întinde. Asta a descoperit de fapt 10
Lemaître, când a văzut că formulele lui Einstein și descoperirea lui Hubble se pupă: galaxiile nu zburau de nebune prin spațiu, ci spațiul însuși se întindea, se extindea, îndepărtând galaxiile una de cealaltă și de noi. Ăsta a fost momentul crucial în care și-a dat seama că de fapt Universul se extinde cu totul. De parcă nu era de ajuns, Lemaître a mers și mai departe și a propus că, dacă acum Universul se extinde, înseamnă că, dacă ne întoarcem în timp suficient de mult, Universul devine din ce în ce mai mic, până ajunge un punct. Această ipoteză avea să fie numită Big Bang. Când a fost enunțată de Lemaître, mulți oameni de știință nici n-au vrut să audă de ideea asta caraghioasă, mai ales că le era frică de faptul că așa vor ajunge să fie importate în fizică tot felul de concepte religioase. Era o frică îndreptățită, fie vorba între noi. Știința n-are nevoie de explicații supranaturale la întrebările ei. E ironic că și în ziua de azi sunt o grămadă de oameni ce resping Big Bang-ul, dar de data asta tocmai pentru că le contrazice religia. Dar nu sunt oameni de știință. Este extraordinar de greu ca în ziua de azi să găsești un fizician, un astro11
nom, un cosmolog sau un astrofizician care să respingă Big Bang-ul. Asta pentru că este modelul cosmologic care se potrivește cel mai bine cu ce știm: formule matematice, informații culese de sateliții din spațiu și de telescoape, toate indică faptul că Big Bang-ul a avut loc. Este cel mai bun răspuns pe care îl avem până acum.
Big Bang, invitat special la TV Mulți oameni resping Big Bang-ul pentru că nu-l înțeleg. Da, la fel ca multe concepte din știință, este contraintuitiv și destul de greu de înțeles. Daaar, pentru că nu ești aici degeaba, trage aer în piept și hai să vedem cum îi dăm de cap. Prima chestie pe care trebuie să o știi e că Big Bangul NU a fost o explozie. N-a explodat nimic. Pur și simplu a fost o expansiune a spațiului care s-a produs uniform și peste tot: dintr-un singur punct s-a format tot spațiul și timpul de care dispunem azi. Ce a fost înainte de acel moment? Nu știm. E imposibil să aflăm ce a fost înainte de Big Bang. De asemenea, nicio teorie a fizicii nu poate descrie ce s-a întâmplat în primul moment după ce a început, acest moment fiind numit Era Planck. Iarăși, în 12
momentul de față e imposibil să știm. Dar vorbim doar de primul moment, fiindcă avem o imagine destul de clară a ce s-a întâmplat după. Scala timpului pentru Big Bang se măsoară în ere, iar cuvântul “eră” te poate induce ușor în eroare, pentru că erele astea au venit și trecut foarte, foarte repede: Era Inflației (când spațiul a pornit să se extindă) a început la 10-35 secunde după ce s-a declanșat Big Bangul (adică 0,000.000.000.000.000.000.000.000.000.0 00.000.01 secunde, adică a suta miliarda parte dintr-o yoctosecundă). În timpul ăsta, Universul a ajuns de la un diametru de 10-26 metri la 10 metri. Temperatura era de 1000 de trilioane de trilioane °C, adică foarte cald; Era Cuarcilor a început la 10-32 secunde (a suta milionime dintr-o yoctosecundă). Au apărut particule elementare, cum sunt cuarcii (care compun protonii și neutronii) și anticuarcii. Universul a trecut în mai puțin de o microsecundă de la o mărime de 10 metri la 1 miliard de kilometri. Cele patru forțe fundamentale (forța nucleară tare, forța nucleară slabă, forța electromagnetică și forța gravitațională) s-au format și au ajuns în starea de astăzi în mai puțin de o microsecundă; 13
Era Hadronilor a început la 1 microsecundă după Big Bang. Temperatura era de 10 trilioane °C, Universul avea deja 100 miliarde kilometri în diametru. Atunci s-au format protonii și neutronii; Era Leptonilor a început la 1 milisecundă după Big Bang. Temperatura era de 1 trilion °C, Universul avea 1 trilion Km în diametru. Tot atunci au apărut electronii. Nu e nevoie să ții minte numerele astea, le-am pomenit doar ca să-ți dai seama cât de WOW e totul. Toate astea s-au întâmplat în mai puțin de o secundă de la Big Bang! 14
Pe mine m-a luat deja amețeala. Tu cum te simți? Sper că bine, pentru că n-am terminat. La vreo 200 de secunde după ce a început tărășenia, Universul avea cam 10.000 de ani-lumină în diametru (încă se extindea), avea cam 100 milioane °C și era scăldat în lumină. Numai că particulele își tot făceau de cap și din cauza asta totul era acoperit de o “ceață”, iar fotonii nu puteau ieși. Abia la 300 000 de ani după, Universul s-a răcit destul (2700°C) încât să se formeze atomii de hidrogen și heliu (cele mai abundente elemente chimice din Univers, pentru că sunt și cele mai simple), iar “ceața” s-a disipat. Fotonii puteau acum să călătorească nestingheriți. Dar acum apare o problemă, una pe care mulți oameni de știință au ridicat-o atunci când s-au îndoit de ipoteza lui Lemaître: unde este lumina Big Bang-ului? Ar trebui să fie peste tot acum, dacă Universul s-a extins uniform dintr-un singur punct. Noaptea ar trebui să primim lumină din toate părțile. Unde e lumina? Ce au descoperit mai încolo, avea să-i dea complet pe spate. Ai un televizor vechi prin apropiere? Sau un radio analog? Vreau să-ți arăt ceva absolut incredibil. E foarte important să nu fie televizor sau radio digital, trebuie să 15
fie d-alea vechi. Bun, l-ai adus aici? Pornește-l și dă-l între posturi. Dacă ai adus un televizor, o să vezi niște “purici” și o să auzi un fâșâit (white noise, îi spune); dacă ai adus un radio, o să auzi un fâșâit. În general cauți să scapi cât mai repede de ele – când erai mic și nu mergea televizorul și dădeai numai de “purici” d-ăștia, îl închideai nervos și ieșeai afară. Dar acum, după ce o să-ți spun ce am de zis, o să vrei să tot stai să te uiți la ei. Cam 1% din ce vezi și auzi de la TV și radio în momentul ăsta este lumina Big Bang-ului. Poți vedea la TV și auzi la radio lumina din momentul în care a apărut Universul.
16
IN-CRE-DI-BIL! Pentru a-ți explica de unde până unde auzi și vezi lumina Big Bang-ului la radio (și ca să-ți demonstrez că nu e o gogomănie ce spun), o să am nevoie să mai iei de undeva un elastic. L-ai luat? Bun. Ține-l cu o mână de un capăt, iar cu cealaltă mână de celălalt capăt. Trage de el un pic, dar nu foarte mult. Elasticul ăsta, întins puțin, reprezintă lumina vizibilă. Ce trebuie să știi despre lumina vizibilă este că ea e doar o mică parte din spectrul electromagnetic: adică e radiație, la fel ca razele X, razele gamma, ultravioletele, lumina infraroșie, microundele etc. Aici devine totul interesant: toate numele astea de mai sus au fost puse arbitrar de oamenii de știință, ca să putem să ne referim la ele. E mult mai ușor să spui “radiație ultravioletă” decât “undele electromagnetice cuprinse între 10 nanometri și 100 nanometri”. De fapt și de drept, lumina infraroșie e fix același lucru ca ultravioletele sau lumina vizibilă: o undă. Doar că lumina infraroșie are o lungime de undă și energie diferită decât ultravioletele și lumina vizibilă. Dacă, de exemplu, iei elasticul și-l întinzi ceva mai mult, aia este lumina infraroșie; dacă îl slăbești mai mult decât era inițial, alea sunt ultravioletele. Oricum ar 17
fi, e vorba de același elastic. La început, el e întins puțin (iarăși, să zicem că e lumina vizibilă), dar dacă întinzi elasticul ceva mai mult, nu mai avem lumină vizibilă, ea devine microunde. Odată cu timpul, Universul s-a extins, undele de lumină s-au extins și ele și au trecut de la lumina vizibilă la microunde. Din cauza asta, cerul nu e scăldat în lumină vizibilă, dar aparatele pe care le folosim (TV și radio) captează microundele în care se scaldă Universul și ni le redau sub formă de “purici” și white noise. “Lumina” asta se găsește chiar în momentul ăsta în camera în care te afli. Te înconjoară. Cea mai convingătoare dovadă a fost furnizată de satelitul WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), care a analizat tot cerul și a realizat o hartă a radiației de fond a microundelor (CMBR – Cosmic Microwave Background Radiation, o poți găsi pe Google) în care se vede clar că această radiație este uniformă, oriunde teai uita. Tot în urma analizelor, WMAP a mai descoperit ceva uluitor: Big Bang-ul, adică nașterea Universului, a avut loc acum 13,7 miliarde de ani. 18