Universul lui Einstein după Big Bang

Începuturi la nesfîrşit. Forţînd limitele teoriei şi imaginaţiei în adevăratul stil al lui Einstein, cosmologii se aventurează să speculeze că universul nostru nu este singurul. Big bangul care a creat tot ce ştim despre spaţiu şi timp ar putea fi doar unul dintr-un număr infinit de începuturi, producînd succesiuni fără sfîrşit de universuri. Scenariul, arătat în concepţia acestui artist, are la bază teoria inflaţionistă, un produs al teoriei relativităţii generalizate a lui Einstein. Relativitatea presupune că spaţiul şi timpul se pot dilata la dimensiuni vaste dintr-un punct minuscul de pornire; inflaţia descrie cum s-a extins universul nostru în primele sale momente şi sugerează că acelaşi lucru se poate întîmpla oriunde şi oricînd. Rezultatul: o extindere nesfîrşită a spaţiului, expulzînd bule de energie, sau big banguri, fiecare fiind germenul unui univers. Nu toate universurile vor fi la fel. În timp ce un cosmos ca al nostru străluceşte cu galaxii (dreapta, mai jos), altele pot cuprinde mai multe dimensiuni sau forme diferite de materie. În unele, chiar şi legile fizicii funcţionează diferit (univers răsucit, în stînga sus). Foto: Moonrunner Design

Deşi a trecut un secol, E continuă să fie egal cu mc2 şi încă mai verificăm teoriile despre spaţiu şi timp ale celui mai mare fizician al lumii.

Text: Marcia Bartusiak

În vârf, în acea zi senină de ianuarie, la 51 de ani, Einstein se desfăta cu instrumentele telescopului. Ca un copil la joacă, el se căţăra pe cadrul telescopului, spre uimirea gazdelor sale. În apropiere se afla soţia lui Einstein, Elsa. Când i s-a spus că giganticul reflector a fost folosit la determinarea formei universului, se zice că ea ar fi răspuns: „Păi soţul meu face asta pe spatele unui plic vechi.“

Şi nu era doar mândrie de soţie. Cu câţiva ani înainte ca Hubble să descopere expansiunea cosmică, Einstein a formulat teoria relativităţii generalizate, care explica acest fenomen. În studiile cu privire la cosmos, totul se întoarce la Einstein.


Aproape oriunde scrutează astronomii – de la soarele apropiat la găurile negre din galaxiile îndepărtate –, aceştia pătrund pe tărâmul lui Einstein, unde timpul e relativ, masa şi energia sunt interschimbabile şi spaţiul se poate dilata şi deforma. Urmele paşilor săi sunt cele mai adânci în domeniul cosmologiei, în studiul istoriei şi destinului universului. Relativitatea generalizată „descrie cum s-a născut universul nostru, cum se extinde şi care va fi viitorul lui“ – spune Alan Dressler, de la Carnegie Observatories. Începutul, mijlocul şi sfîrşitul – „toate sunt legate de această idee măreaţă.“

La începutul secolului al XX-lea, cu 30 de ani înainte de întâlnirea lui Einstein şi a lui Hubble la Mount Wilson, în fizică era multă confuzie. Razele X, electronii şi radioactivitatea abia se descoperiseră, iar fizicienii îşi dădeau seama că legile mişcării pe care se bazau, datând de mai bine de 200 de ani, de pe vremea lui Isaac Newton, nu puteau explica cum zburau prin spaţiu aceste stranii particule noi. A fost nevoie de un copil rebel şi îndrăzneţ, care respingea învăţatul pe de rost şi care avea o încredere de nezdruncinat în propriile capacităţi, pentru a deschide o cale prin acest teritoriu nou şi complicat.

Printre înzestrările sale era un puternic instinct fizic, un aproape al şaselea simţ, prin care ştia cum ar trebui să lucreze natura. Einstein gândea în imagini, aşa cum este cea care a început să-l bântuie încă din adolescenţă: dacă un om ar putea ţine pasul cu o rază de lumină, ce ar vedea? Ar vedea el unda electromagnetică ţintuită locului, ca o hulă îngheţată? „Se pare că aşa ceva nu poate exista!“ – îşi aducea aminte mai târziu Einstein.

El a ajuns să îşi dea seama că din moment ce toate legile fizicii rămân aceleaşi, fie că eşti în repaus, fie în mişcare continuă, atunci şi viteza luminii trebuie să fie constantă. Nimeni nu poate ajunge din urmă o rază de lumină. Însă dacă viteza luminii este identică pentru toţi observatorii, mai trebuie dat şi altceva: timpul şi spaţiul absolute. Cosmosul – a dedus Einstein – nu are un ceas universal sau un cadru de referinţă comun. Spaţiul şi timpul sunt „relative“, curgând în mod diferit pentru fiecare dintre noi, în funcţie de mişcarea noastră.

Teoria lui Einstein asupra relativităţii restrânse, publicată acum o sută de ani, a demonstrat şi că energia şi masa sunt două feţe ale aceleiaşi monede, legate pentru totdeauna în ecuaţia sa faimoasă E = mc2. (E reprezintă energia, m reprezintă masa, iar c – viteza luminii.) „Ideea este amuzantă şi ispititoare – a scris Einstein –, dar dacă Atotputernicul mă… duce cu preşul, asta n-o pot şti.“ Era prea modest. Ideea că masa putea fi transformată în energie pură i-a ajutat mai târziu pe astronomi să înţeleagă puterea de durată a Soarelui. Ea a dat naştere şi armelor nucleare.

Însă Einstein nu era satisfăcut. Relativitatea restrânsă era doar atât – restrânsă. Ea nu putea descrie toate tipurile de mişcare, cum ar fi nişte obiecte sub stăpânirea gravitaţiei, forţa pe scară largă care modelează universul. Einstein a completat omisiunea zece ani mai târziu, în 1915, cu teoria relativităţii generalizate, care a îmbunătăţit legile lui Newton prin redefinirea gravitaţiei.

Relativitatea generalizată a demonstrat că spaţiul şi timpul sunt legate într-o structură cvadridimensională flexibilă care este curbată şi concentrată de materie. În această imagine, Pământul se roteşte în jurul Soarelui deoarece e prins într-un gol de spaţiu-timp creat de masa Soarelui, aşa cum o bilă de biliard s-ar învârti în jurul unei bile de popice aflate pe o plasă elastică. Atracţia gravitaţională este doar materie care alunecă de-a lungul curburilor de spaţiu-timp.

Einstein a atins apogeul celebrităţii sale în 1919, când astronomi britanici au măsurat într-adevăr această curbură. Monitorizând o eclipsă solară, ei au văzut fluxuri de lumină stelară curbându-se în jurul Soarelui întunecat. „Toate luminile strâmbe pe cer. Stelele nu erau unde păreau sau unde s-a calculat că sunt, însă nimeni nu trebuie să se îngrijoreze“ – a anunţat titlul din New York Times. Cu această nouă înţelegere a gravitaţiei, fizicienii au putut în cele din urmă să facă predicţii reale despre comportamentul universului, transformând cosmologia în ştiinţă.

Pentru Newton, spaţiul era veşnic în repaus, doar o scenă inertă pe care se mişcau obiecte. Însă cu relativitatea generalizată, scena însăşi a devenit un jucător activ. Cantitatea de materie din cadrul universului sculptează întreaga sa curbură. Şi spaţiu-timpul în sine poate fie să se dilate, fie să se contracte.

Când Einstein a anunţat relativitatea generalizată în 1915, el putea să facă pasul următor şi să declare că universul se află în mişcare, cu mai bine de un deceniu înainte ca Hubble să măsoare direct expansiunea cosmică. Însă la acea vreme astronomii îşi imaginau universul ca o colecţie imensă de stele înţepenite pentru totdeauna în neant. Einstein a acceptat acest cosmos imuabil. De fapt, îi plăcea. Einstein era adesea bănuitor faţă de cele mai multe consecinţe radicale ale ideilor sale. Însă deoarece chiar şi un univers static s-ar prăbuşi în cele din urmă sub propria sa gravitaţie, el a trebuit să strecoare un factor născocit în ecuaţiile relativităţii generalizate – o constantă cosmologică. În timp ce gravitaţia atrăgea obiectele cereşti spre interior, acest efect extragravitaţional – un fel de antigravitaţie – le împingea departe.

Doisprezece ani mai târziu, descoperirea de către Hubble a altor galaxii gonind departe de a noastră, ale căror unde de lumină se întindeau şi se înroşeau din cauza expansiunii spaţiu-timpului, a învins universul static. Asta a eliminat, de asemenea, orice necesitate a unei constante cosmologice care să ţină galaxiile pe loc. În timpul vizitei sale din 1931 în California, Einstein a recunoscut aceasta. „Deplasarea roşie a nebuloasei îndepărtate a izbit vechea mea construcţie ca o lovitură de ciocan“ – a declarat el. Se crede că ar fi spus unui coleg că gafa lui cea mai mare a fost constanta cosmologică.

Cu sau fără acel ingredient în plus, reţeta de bază pentru universul care se dilată a fost a lui Einstein. Însă a rămas altora să identifice o implicaţie revoluţionară: un moment al creării cosmice. În 1931, preotul şi astrofizicianul belgian Georges Lemaître şi-a imaginat opusul expansiunii galaxiilor cu eoni în urmă, înglobarea lor într-o sferă de foc atomică de o strălucire orbitoare – un „atom primar“, după cum a formulat el. Din acest scenariu a apărut Big Bang-ul de azi.

Mulţi au fost îngroziţi de acest concept. Însă mărturiile în favoarea lui s-au adunat încetul cu încetul, atingând apogeul în 1964, când oamenii de ştiinţă de la Bell Telephone Laboratories au descoperit că universul se scaldă într-un ocean de radiaţii de microunde, incandescenţa reziduală a naşterii asurzitoare a acestuia. De atunci încoace, imaginea Big Bang-ului a format şi condus cercetarea cosmologilor, aşa cum sferele cereşti ale lui Ptolemeu i-au influenţat pe astronomii din evul mediu. În 1980, Alan Guth, acum la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, a sprijinit teoria Big Bang, adăugând fizica noilor particule la flexibilul spaţiu-timp al lui Einstein. El a realizat că pentru prima bilionime de bilionime de bilionime dintr-o secundă cosmosul-copil ar fi putut suferi o expansiune supraîncărcată – o clipă de „inflaţie“ – înainte de a se linişti într-o creştere mai temperată.

Inflaţia ar fi ajutat la răspândirea în mod egal a materiei şi energiei în univers şi la aplatizarea întregii lui curburi de spaţiu-timp, aşa cum au descoperit sateliţii prin efectuarea de măsurători precise ale microundelor cosmice. Chiar şi în prezent, unii teoreticieni cred că inflaţia nu a fost doar o străfulgerare. Într-un proces continuu de creaţie, spaţiu-timpul s-ar fi putut extinde în noi universuri pretutindeni şi în permanenţă – o infinitate de big banguri.

În propriul nostru univers, marii preoţi ai astronomiei au continuat cercetarea cosmologică iniţiată de Einstein şi Hubble, mai întâi la Mount Wilson, apoi la telescopul de 508 cm de pe Muntele Palomar, din California, la 145 km spre sud. Cât de repede se dilată universul spre exterior? – s-au întrebat ei. Cât este de bătrân? „Să răspunzi acestor întrebări – spune Wendy Freedman, director la Carnegie Observatories – s-a dovedit a fi mai dificil decât ar fi anticipat oricine.“

Doar la începutul acestui secol, cu ajutorul unui telescop spaţial, pe bună dreptate denumit Hubble, Freedman şi alţii au stabilit cu certitudine rata actuală de dilatare a universului, precum şi vârsta sa. Un tort pentru aniversarea universului ar necesita 14 miliarde de lumânări.

Astronomii au descoperit câteva obiecte ciudate în acest univers în expansiune – şi acestea sânt, de asemenea, copiii lui Einstein. În 1930, un tânăr fizician indian, Subrahmanyan Chandrasekhar, a aplicat relativitatea restrânsă şi noua teorie a mecanicii cuantice unei stele. El a avertizat că dacă aceasta va depăşi o anumită masă, ea nu va mai deveni o pitică albă la sfârşitul vieţii sale (cum va face Soarele nostru). În schimb, gravitaţia o va comprima mult mai mult, poate chiar într-un singur punct. Îngrozit, Eddington a declarat că „ar trebui să existe o lege a Naturii care să prevină un astfel de comportament absurd din partea unei stele!“

N-a existat o astfel de lege. Chandrasekhar a deschis o portiţă pentru ca alţii să constate existenţa celor mai bizari aştri imaginabili. Mai întâi a existat o sferă golaşă de neutroni de numai 20 km lăţime, născută din agonia unei supernove, explozia unui astru uriaş. Densitatea unei stele neutronice ar fi echivalentă cu comprimarea tuturor maşinilor din lume într-un degetar. Apoi a existat obiectul neobişnuit format din prăbuşirea unui astru mai mare chiar sau a unui roi de stele – suficientă masă pentru a crea un gol în spaţiu-timp atât de adânc, încât nimic să nu mai poată ieşi vreodată din el.

Însuşi Einstein a încercat să dovedească faptul că un astfel de obiect – botezat mai târziu gaură neagră – nu putea exista. Ca şi Eddington, el detesta ceea ce s-ar fi găsit în centrul unei găuri negre: un punct cu volum nul şi densitate infinită, unde legile fizicii sunt dărîmate. Descoperirile care ar fi putut să-l forţeze să recunoască rezultatul ciudat al teoriei sale au venit după moartea sa, în 1955. Astronomii au identificat în 1963 primul quasar, o galaxie tânără îndepărtată, care revarsă din centrul său energia unui bilion de sori. Patru ani mai târziu, mult mai aproape, în galaxia noastră, observatorii s-au împiedicat de primul pulsar, un semnal luminos învârtindu-se repede, care emitea unde radio sacadate. Între timp, senzori spaţiali au reperat raze X şi gamma puternice, generate din puncte de pe cer.

Se crede că toate aceste semnale noi, tulburătoare, indică cu precizie obiecte colapsate – stele neutronice şi găuri negre – ale căror gravitaţie în prăbuşire şi rotaţie ameţitoare le transformă în dinamuri. Cu descoperirea lor, universul odinioară netulburat a dobândit o delimitare; s-a metamorfozat într-un cosmos einsteinian, plin de surse gigantice de energie, care pot fi înţelese doar prin prisma relativităţii.

Chiar şi ideile mai puţin acceptate ale lui Einstein au avut o putere remarcabilă de penetrare. În 1912 el şi-a dat seama că un astru îndepărtat poate acţiona ca un binoclu gigantic, gravitaţia sa deviind razele de lumină în trecere şi mărind obiectele din spatele său. În final, el a dedus că acest efect slab sfida „fineţea de percepţie a instrumentelor noastre“ şi avea „valoare neînsemnată.“

Având la dispoziţie telescoapele din zilele noastre, astronomii văd galaxii şi roiuri de galaxii care acţionează ca nişte lentile gravitaţionale puternice, oferind o privire iscoditoare spre galaxiile şi mai îndepărtate. De vreme ce devierea luminii depinde de masa lentilei, efectul permite, de asemenea, observatorilor să determine masa galaxiilor lenticulare. Un efect pe care Einstein l-a crezut nesemnificativ a devenit un instrument astronomic-cheie.

Teoreticienii au revenit la constanta cosmologică, la care el renunţase, pentru a explica o nouă descoperire senzaţională, iar acum „cea mai mare gafă“ începe să arate ca unul dintre cele mai mari succese ale sale. Astronomii au admis că gravitaţia încetineşte treptat expansiunea universului. Însă la sfârşitul anilor 1990, două echipe care au măsurat distanţele până la îndepărtaţii aştri explozivi au descoperit exact opusul. Ca nişte balize desfăşurându-se separat pe curenţi oceanici, aceste supernove au dezvăluit că spaţiu-timpul se dilată înspre exterior în ritm accelerat.

Pentru Einstein, constanta cosmologică a fost o modalitate de a stabiliza universul. Dar dacă efectul său de respingere – numit acum energie întunecată – este suficient de mare, ea ar putea conduce şi acceleraţia. „Necesitatea a revenit, iar constanta cosmologică a fost în aşteptare – spune Adam Riess, de la Institutul de Ştiinţe al Telescopului Spaţial, unul dintre descoperitorii acceleraţiei. Este în întregime un concept al lui Einstein.“

Iată o altă predicţie a relativităţii generalizate care, o dată confirmată, ar putea deschide noi înţelegeri ale cosmosului: bucle în spaţiu-timp numite unde gravitaţionale. Pentru a le detecta, fizicienii au construit trei senzori giganţi, în statul Washington, Louisiana şi la sud de Pisa, Italia. La fiecare dintre aceştia, raze laser urcă şi coboară pe ţevi lungi de kilometri pentru a măsura dilatarea şi comprimarea slabă a spaţiu-timpului, aşteptate în cazul în care o undă de gravitaţie trece pe lîngă ele.

Prin triangularea acestor măsurători, oamenii de ştiinţă ar putea urmări undele de gravitaţie înapoi la originea lor. Numai evenimente violente ameţitoare ar putea determina cutremurarea spaţiu-timpului – o supernovă, de exemplu, sau o ciocnire uriaşă a două stele neutronice ori a două găuri negre. „Dacă două găuri negre ar intra în coliziune, undele gravitaţionale ar fi singurele semnale care ar apărea“ – spune Adalberto Giazotto, om de ştiinţă care lucrează la proiectul Pisa. Puternica zdruncinătură a naşterii cosmice probabil că a generat, de asemenea, unde gravitaţionale, care ar rezona încă prin cosmos. Aceste ondulaţii remanente ar putea sta mărturie directă a momentului trecător, când fizicienii consideră că toate forţele naturii erau unite. Dacă e aşa, undele gravitaţionale ale lui Einstein ar putea în sfârşit oferi indicii pentru ceea ce a încercat şi nu a reuşit să dezvolte: o „teorie a totului“. Fizicienii caută încă o asemenea teorie – o singură explicaţie atât pentru forţa gravitaţională la scară largă, cât şi pentru forţele cu rază mică de acţiune din interiorul atomului.

Captarea acestor ecouri slabe ale Big Bang-ului constituie un obiectiv de mare importanţă pentru următoarea generaţie de misiuni astronomice spaţiale ale NASA, un plan pe care agenţia l-a clasificat „După Einstein“.

După Einstein? Nu, bineînţeles. Einstein ar putea fi surprins de universul aşa cum îl înţelegem noi astăzi. Însă este, fără îndoială, al lui.

(Articol publicat în ediţia revistei National Geographic din mai 2005)

 



1 Comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*