“Lucrul cel mai greu de inteles despre Univers este ca poate fi inteles” este unul dintre cele mai cunoscute aforisme ale lui Einstein, exprimand uimirea lui in fata faptului ca legile fizicii, pe care mintea noastra e oarecum ajustata sa le inteleaga, se aplica nu numai pe Pamant, ci si in cea mai idepartata galaxie.

Lumea fizica contine deopotriva paduri si munti, stele si peste 100 de miliarde de galaxii alcatuite fiecare din peste 100 de miliarde de stele cum e Soarele nostru. Un univers foarte mare dar finit. Se iveste astfel o intrebare dificila: cum a aparut universul, cum a aparut in mod fundamental complexitatea lumii fizice ? Legile fizicii permit sa se construiasca toate acesta din cateva ingrediente, cateva legi si o origine uimitor de simpla.
In ultimile decenii a iesit la iveala o imagine clara a scenariului istoriei cosmice. Cruciale au fost cercetarile astronomului american Edwin Powell Hubble, privind distanta pana la galaxii si miscarile acestora.
Pe baza unor analize spectroscopice a luminii emise de stele si galaxii, Hublle a facut in 1931 observatia cruciala ca oriunde privesti, galaxiile aflate la distanta mare se indeparteaza rapid de noi. Cu alte cuvinte, universul este in expansiune. Hublle a descoperit ceva nou, cu consecinte uluitoare. El a obsevat ca tiparele luminii provenind de la galaxii indepartate-spectrele lor- sunt deplasate spre lungimi de unda mai mari. Este ceea ce se numeste deplasarea spre rosu. Observatia lui Hublle privind deplasarea spre rosu are o interpretare fascinanta, care a revolutionat imaginea noastra despre univers. Interpretarea directa a deplasarii spre rosu (efectul Dopler) este deci ca galaxiile se indearteaza de noi. Mai exact, Hublle a obsevat ca magnitudinea delasarii spre rosu este proportionala cu distanta. Asta inseamna ca galaxiile aflate la mare distanta se departeaza cu viteze proportionale cu distanta pana la ele. Galaxiile nu zboara la intamplare prin cosmos ci exista o legatura matematica intre vitezele si distantele lor, iar cand savantii intalnesc asemenea relatii ei cauta o semnificatie profunda.
Daca ne imaginam ca inversam miscarile galaxiilor pentru a reconstitui trecutul, atunci proportionalitatea capata o semnificatie cu totul noua, spectaculoasa. Inseamna ca, in derulare inversa, galaxiile mai indepartate se vor deplasa spre noi mai rapid, acoperind distanta, asa incat toate sa ajunga la noi in acelasi timp. Inseamna ca la inceput, acum aproximativ patrusprezece miliarde de ani, spun astrofizicienii, materia ar fi fost stransa la un loc si densitatea universului era enorm de mare. Revenind la directia initiala a timpului, lucrurile arata ca o explozie cosmica.
Desigur Hubble ar fi meritat sa primeasca Premiul Nobel pentru fizica. Nu la primit dar, in acea vreme a fost invitatul de onoare al lui Frank Capra la decernarea premiilor Academiei de Film. Frank Capra, presedintele academiei de film, a deschis seara Oscarurilor prezentandu-l pe cel mai mare astronom din lume. Vedetele de la Hollywood l-au inconjurat pe Hubble care primea aplauze sub lumina a trei reflectoare. Hubble isi petrecuse viata privind la stele si minunandu-se, iar acum la ceremonia de film Oscar, STELELE de FILM se roteau in jurul sau si il priveau cu aceiasi veneratie!

Universul a aparut deci dintr-o mare explozie. Aceasta descoperire a adus in discutie problema inceputului universului in domeniul stiintei. A fost primul semn ca s-ar putea sa fi existat un moment al creatiei. Vreme de doi ani astrofizicianul Hubble si asistentul sau Humason si-a continuat munca istovitoare la telescop si au observat ca galaxiile se indeparteaza una de alta. Observatiile lui Hubble sugerau ca a existat un moment numit Big Bang (Marea Explozie), cand universul era infinit de mic si infinit de dens. A fost cea mai mare descoperire a stiintei secolului XX si a confirmat previziunile teoriei generale a relativitatii elaborata de Einstein, cum ca universul nu poate fi static ci intr-o continua miscare. Atractia gravitationala dintre galaxii le-ar aduna laolalta daca nu s-ar indeparta unele de altele.
Astazi dovezile in favoarea notiunii de Big Bang sunt coplesitoare. Folosind imaginea Big Bang-ului se poate calcula dimensiunea universului vizibil. Suntem in masura sa reconstituim in detaliu istoria universului pornind de la o stare intiala fierbinte si densa. Putem reconstitui modul prin care din aceasta stare initiala s-au format atomii, elementele, galaxiile, stelele si universul pe care il vedem astazi. In 2013, observatiile asupra radiatiei care umple universul, efectuate mai ales de satelitul Planck, au confirmat inca o data din plin teoria Big Bang-ului. Folosind imaginea Big Bang-ului se poate calcula dimensiunea universului vizibil. Deruland in sens invers filmul istoriei cosmice, am vazut ca toate galaxiile s-au aflat la un moment dat in acelasi loc. Pentru a calcula timpul scurs de la acel moment, e de-ajuns sa impartim distanta pe care o galaxie trebuie sa o fi strabatut la viteza cu care ea se deplaseaza. Calcule mai precise includ si variatia vitezei in timp datorita gravitatiei si arata ca s-au scurs 13,8 milioane de ani de la Big Bang. Cand privim galaxii din cosmosul indepartat, privim de fapt trecutul lor, le vedem cum aratau in trecut. Pentru ca lumina se propaga cu viteza finita, lumina care ajunge la noi de la o galaxie indepartata trebuie sa fi fost emisa cu mult timp in urma.
Descoperirea lui Hubble privind expansiunea universului, ne obliga sa ne gandim la ce s-a intamplat inainte. Intr-o prima incercare de a reconstitui inceputul, ne putem imagina ca derulam filmul inapoi. Pentru asta, pur si simplu inversam in minte vitezele tutulor galaxiilor si lasam legile fizicii sa actionize (aici ne bazam pe faptul ca aceleasi legi fundamentale ale fizicii se aplica atunci cand timpul curge invers). Galaxiile se inghesuie. Pe masura ce se apropie, incep sa se atraga gravitational, iar miscarea lor accelerata elibereaza energie. Materia se amesteca si se incalzeste. Temperatura creste. Atomii isi pierd electronii, iar sarcinile electrice in miscare rapida radiaza violent. Strans inghesuiti, protonii si neutronii in miscare fierb intr-o supa de cuarci gluoni, electroni si fotoni -un gaz fierbinte omogen. Libertatea asimtotica implica, in particular, o mare simplificare- la energii inalte, complicatiile formidabile ale interactiunii tari dispar. Materia extrem de fierbinte si densa e surprinzator de simplu de inteles, pornind direct de la fundamente.
Incepem asadar cu un gaz foarte fierbinte si foarte omogen. Avand acest punct de pornire-un amestec predictibil al ingredientelor fundamentale-, putem folosi legile fundamentale pentru a prezice ce se intampla mai departe. Pe masura ce mingea de foc se raceste, fotonii inceteaza sa interactioneze semnificativ cu restul materiei. Simplus pus, cerul se limpezeste, asa incat lumina calatoreste mai mult sau mai putin liber de la un capat al universului la altul, cum se intampla azi. Fotonii care faceau parte din mingea de foc nu dispar insa. Ei devin asa-numita radiatie cosmica de fond (cosmic microwave background-CMB), o radiatie remanenta care umple universul.
Doi fizicieni americani de la Universitatea Princeton, Bob Dicke si Jim Peebles, erau interesati de microunde. Ei lucrau la o ipoteza, emisa de fizicianul George Gamow, cum ca universul timpuriu trebuie sa fi fost fierbinte si dens, incandescent, rezultatul Marii Explozii(Big Bang). Dicke si Peebles au argumentat ca ar trebui sa putem vedea inca stralucirea universului timpuriu, deoarece lumina unor parti foarte indepartate ale sale ar ajunge la noi abia acum. Pe masura ce spatiul s-a extins materia s-a diluat si s-a racit, inclusiv fotonii. Dar, spre deosebire de particulele de materie, fotonii nu-si incetinesc miscarea cand se racesc; fiind particule de lumina se deplaseaza intotdeauna cu viteza luminii. In schimb, cand fotonii se racesc le scade frecventa de vibratie, ceea ce inseamna ca isi schimba culoarea. Fotonii violet devin albastrii, apoi verzi, apoi galbeni, rosii, infrarosii, ajungand in spectrul microundelor si in final in cel al frcventelor radio. Asa cum a realizat prima data Gamow si cum Alpher si Robert Herman au calculat cu mare acuratete, aceste lucruri inseamana ca daca teoria Big Bangului e corecta, atunci tot spatiul ar trebui sa fie plin de fotoni ramasi din momentul creatiei, circuland incoace si incolo, ale caror frecvente de vibratie sunt determinate de cat de mult s-a racit universul in miliardele de ani care au trecut de cand au fost emisi. Calcule matematice detaliate au aratat ca acesti fotoni trebuie sa se fi racit pana aproape de zero absolut, ceea ce ii plaseaza in zona de microunde a spectrului. Din acest motiv au fost numiti radiatie cosmica de fond de microunde. Dicke si Peebles se pregateau sa caute aceasta radiatie atunci cand alti doi fizicieni, Penzias si Wilson au auzit despre activitatea lor si au realizat ca ei gasisera deja radiatia Big Bang.
Radiatia cosmica de fond a fost descoperita pentru prima oara de Arno Penzias si Robert Wilson. Penzias si Wilson cercetatori la Laboratoarele Bell din America, testau un detector foarte sensibil la microunde. Penzias si Wilson au fost ingrijorati cand au descoperit ca detectorul lor capta mai mult zgomot decat ar fi trebuit. Zgomotul suplimentar era acelasi indiferent de directia in care era indreptat detectorul, astfel ca el trebuia sa provina din afara atmosferei. Zgomotul era acelasi ziua si noaptea, in tot timpul anului, chiar daca Pamantul se rotea in jurul axei sale si se misca pe orbita in jurul Soarelui. Aceasta a aratat ca radiatia trebuie sa vina de dincolo de sistemul solar si chiar de dincolo de galaxie, deoarece altfel ar fi variat atunci cand miscarea Pamantului indrepta detectorul in directii diferite. De fapt, stim ca radiatia trebuie sa fi calatorit spre noi prin cea mai mare parte a universului observabil si, deoarece pare a fi aceeasi in diferite directii, universul trebuie sa fie de asemenea acelasi in orice directie, cel putin la scara mare. Stim acum ca in orice directie privim, acest zgomot nu variaza niciodata cu mai mult de unu la mie, astfel ca Penzias si Wilson au nimerit fara sa-si dea seama peste o confirmare remarcabil de precisa a ipotezei emise de fizicienii Bob Dike si Jim Peebles privind radiatia cosmica de fond de microunde, radiatia Big Bang. Pentru aceasta, Penzias si Wilson au primit Premiul Nobel pentu fizica in 1978. Dicke, Peebles si desigur si Gamow meritau si ei o parte din premiu dar spre dezamagirea lor nu au primit !
Un alt rezultat este ca in gazul fierbinte, rezultat din Big Bang, particulele incep sa se uneasca. Cuarcii se combina in protoni si neutroni, electronii se leaga de nucleele atomice si asa mai departe. La circa o suta de secunde dupa Big Bang, temperatura ar fi scazut la un miliard de grade. La aceasta temperatura protonii si neutronii nu ar mai avea energie suficienta pentru a scapa de actiunea interactiei nucleare tari si ar fi inceput sa se combine producand nucleele atomului de deuteriu, care contine un proton si un neutron. Nucleele de deuteriu s-au combinat apoi cu protoni si neutroni formand nucleele de heliu, care contin doi protoni si doi neutroni, precum si cantitati mici din doua elemente mai grele, litiu si beriliu. Se poate calcula ca in modelul Big Bang fierbinte circa un sfert din protoni si neutroni ar fi fost convertiti in nuclee de heliu, si o cantitate mica de hidrogen greu si alte elemente. Neutronii ramasi s-ar fi dezintegrat in protoni, care sunt nucleele atomilor de hidrogen obisnuit.
Se poate calcula in cadrul modelului Big Bang abundenta relativa a diferitelor nuclee care apar. Rezulta ca imensa majoritate a materiei nucleare generate de Big Bang este hidrogen obisnuit (un singur proton) si heliu (doi protoni si doi neutroni). Apar, deasemenea, mici amestecuri de deuteriu (un proton si un neutron), tritiu (doi protoni si un neutron) ) si litiu ( trei protoni si patru neutroni). Tote celelalte tipuri de nuclee s-au format in procesele stelare, intr-o etapa mult mai tarzie a istoriei cosmice. Astfel incepe sa prinda forma materia asa cum o cunoastem astazi.
Dupa cateva ore de la Big Bang, producerea heliului si a altor elemente s-ar fi oprit si in urmatorul milion de ani universul ar fi continuat sa se extinda, fara a se intampla prea multe. Universul ca un intreg ar fi continuat sa se extinda si sa se raceasca, dar, in regiuni care erau putin mai dense decat media, expansiunea ar fi fost incetinita de atractia gravitationala suplimentara. Aceasta atractie a oprit in cele din urma expansiunea in unele regiuni si le-a determinal sa produca din nou colapsul. In timp ce se producea colapsul lor, atractia gravitationala a materiei din afara acestor regiuni le-a facut sa inceapa sa se roteasca usor. Pe masura ce regiunea colapsului devine mai mica, ea s-a rotit mai repede. In final, cand regiunea a devenit destul de mica, ea s-a rotit destul de repede pentru a echilibra atractia gravitationala si astfel s-au nascut galaxiile rotitoare in forma de disc. Alte regiuni, care nu au inceput sa se roteasca, au devenit obiecte de forma ovala, numite galaxii eliptice.
Pe masura ce trece timpul, gazul de hidrogen si heliu din galaxii se rupe in nori mai mici care sufera un colaps sub propria lor gravitatie. Cand acestia se contracta si atomii din interior se ciocnesc unii cu altii, temperatura gazului creste, pana ce, in final, el devine destul de fierbinte pentru a incepe reactiile de fuziune nucleara. Acestea convertesc hidrogenul in mai mult heliu si caldura degajata determina cresterea presiunii si astfel oprirea contractiei ulterioare a norilor. Acestia raman stabili in aceasta stare un timp indelungat ca stele asemanatoare Soarelui nostru.
Soarele nostru foloseste combustibil nuclear. Este un gigantic reactor de fuziune. Procesul nuclear de ardere care intretine Soarele e conversia hidrogenului in heliu. Un atom de hidrogen contine un proton si un electron. Un atom de heliu contine doi protoni, doi neutroni si doi electroni. In Soare, un lant de reactii duce la conversia a patru atomi de hidrogen intr-un atom de heliu plus doi neutrino, eliberand energie.
Astfel protonii se pot transforma in neutroni legati, cu un surplus de energie. Transformarile dintre protoni si neutroni, in ambele sensuri, au nevoie de forta slaba, ceea ce face ca aceast proces de dezintegrare sa fie un proces lent. In acest proces de ardere, particulele trebuie sa se apropie una de alta inaite dea ase transforma. Dureaza in medie miliarde de ani pana cand protonii din Soare sunt convertiti in neutroni (legati). Asadar, din fericire, rezerva de combustibil a Soarelui se va epuiza abia peste cateva miliarde de ani.
Stelele transforma hidrogenul in heliu prin fuziune si radiaza energia rezultata sub forma de caldura si lumina. Stelele mai masive ar trebui sa fie mai fierbinti pentru a echilibra atractia lor gravitationala mai puternica, determinand producerea atat de rapida a reactiilor nucleare de fuziune incat ele si-ar epuiza hidrogenul doar intr-o suta de milioane de ani. In final ele s-ar contracta usor si pe masura ce continua sa se incalzeasca ar incepe sa transforme heliul in elemente mai grele cum sunt carbonul sau oxigenul. Aceasta insa nu ar elibera prea multa energie, astfel ca s-ar produce o criza. Ce se intampla apoi nu este complet clar, dar se pare ca regiunile centrale ale stelei sufera un colaps spre o stare foarte densa, cum este o stea neutronica sau o gaura neagra.
Regiunile exterioare ale stelei pot izbucni uneori intr-o explozie teribila numita SUPERNOVA, care emite o lumina extrem de puternica. Unele din elementele mai grele produse spre sfarsitul vietii stelei ar fi azvarlite inapoi in gazul din galaxie si ar reprezenta o parte din materialul brut pentru urmatoarea generatie de stele. Propriul nostru Soare contine circa doi la suta din aceste elemente mai grele, deoarece el este o stea din generatia a doua, formata acum circa cinci miliarde de ani dintr-un nor rotitor de gaz care continea resturile unor supernove anterioare. Majoritatea gazului din nor a format Soarele sau a fost aruncat in afara, dar o cantitate mica de elemente grele s-au grupat si au format corpurile care acum se misca pe orbite in jurul Soarelui, planete asa cum este Pamantul.
Aceasta e prima noastra schita a istoriei cosmice.
Instabilitatea gravitationala este esentiala pentru aparitia complexitatii lumii fizice. Regiunile mai dense din univers exercita atractii mai puternice, deci acumuleaaza mai multa materie si devin si mai dense. Invers, regiunile mai putin dense decat media vor pierde competitia si se vor goli si mai mult. Astfel contrastul dintre densitati se adanceste cu timpul. Asta este instabiltatea gravitationala. Sunt de ajuns mici abateri de la uniformitate la inceput de Big Bang pentru ca ele sa fie amplificated de instabilitatea gravitationala.
Satelitul Cobe si mai apoi satelitii WMAP si Planck au gasit in radiatia Big Bang dovada ca la aproximativ 300.000 ani de la momentul creatiei, existau dea lungul universului infime variatii de densitate de ordinul unei parti la suta de mii, care au crescut cu timpul si au dat nastere in cele din urma galaxiilor pe care le vedem astazi. Aceste sunt germenii primordiali ai structurilor din prezent, galaxii, roiuri de galaxii si asa mai departe. Daca sunteti credinciosi, e ca si cum am vedea semnatura lui Dumnezeu in imaginea obtinuta cu ajutorul satelitilor Cobe, WMAP si Planck. Este descoperirea secolului, daca nu chiar ce mai mare descoperire a tuturor timpurilor!
Detectarea unor neuniformitati atat de mici a fost o victorie a tehnicii experimentale. John Mather si George Smooth au impartit Premiul Nobel in 2006 pentru cercetarile lor de pionierat.
Aceste seminte minuscule sunt amplificate in timp de instabilitatea gravitationala pana la diferente de densitate suficient de mari pentru pentru a evolua in galaxii, stele si structurile pe care le observam acum in univers.
Dar de ce a fost materia din universul timpuriu aproape- dar nu perfect- uniforma? Daca incercam sa asezam teoria Big Bang in cadrul fizicii fundamentale, folosind campurile cuantice, descoperim ca incertitudine cuantica, inerenta campurilor cuantice din universul timpuriu, e responsabila de structura pe care o observam in univers.
Astfel, desi putine ingredient, putine legi si o uimitor de simpla origine, guverneaza cadrul larg si cursul general al istoriei cosmice, ele nu pot prezice nenumaratele detalii locale. Spre exemplu, foarte usoare modificari in istoria timpurie a sistemului solar au putut face ca un asteroid sa loveasca Pamantul, omorand dinozaurii.
Judecand dupa viteza cu care observam ca universul se dilata astazi si ritmul cu care expansiunea e franata, singularitatea initiala Big Bang se gaseste la numai aproximativ 13,8miliarde de ani in urma. Spun “numai” pentru ca aceasta scara a timpului, desi uimitor de lunga dupa criteriile umane, nu este mult mai mare decat scarile de timp legate de planeta noastra. Dinozaurii se plimbau prin Patagonia in urma cu doua sute treizeci de milioane de ani. Cele mai vechi bacterii fosile pe Pamant au circa trei miliarde de ani. Cele mai vechi roci din solul Groenlandei au 3,9 miliarde de ani, iar cele mai vechi relicve de la inceputurile sistemului nostru solar au aprope 4,6 miliarde de ani. Perioada de timp ce ne separa de originea Pamantului este de numai o treime din cea care ne separa de misterele singularitatii Big Bang.

Stim acum, cel putin in linii mari, sa descriem istoria si intamplarile neprevazute care au dus la aparitia noastra aici. Timp de un miliard de ani, organismele primitive au exhalat oxigen, transformand atmosfera otravita a Pamantului tanar si netezind calea pentru viata multicelulara. Marturiile fosile ne spun ca o multitudine de vietati inotatoare si taratoare s-au dezvoltat in timpul Erei Cambriene, acum 550 de milioane de ani. Urmatoarele 200 de milioane de ani au vazut cum Pamantul a inverzit, oferind un habitat pentru fauna exotica unde gasim muste-dragon mari cat pescarusii, miriapode lungi de un metru, scorpioni si amfibii. Si apoi dinozaurii. Ei au fost maturati in cea mai brusca si mai impredictibila dintre toate disparitiile: un asteroid s-a izbit de Pamant, producand uriase valuri de mare si ridicand nori de praf care au intunecat cerul timp de mai multi ani. Aceasta a deschis calea pentru linia descendentei mamiferelor care a condus la oameni. Dovezile concludente pe care le-am vazut atunci cand am avut norocul sa vizitez muzeul (Field Musem) din Chicago, m-au convins ca teoria lui Darwin, destul de radicala, s-a bazat pe observatii generale despre lume si pe o intuitie patrunzatoare.
Cu ceva timp in urma, in 1981, Biserica Catolica a hotarat sa invite fizicieni cu care sa se consulte in probleme de astrofizica si cosmologie in cadrul unei o conferinte organizata de ordinal iezuitilor la Vatican La sfarsitul conferintei participantii au avut o intalnire cu Papa. El le-a spus ca e bine sa studieze evolutia universului dupa Big Bang, dar nu ar trebui sa faca cercetari in ceea ce priveste Big Bang-ul insusi, deoarece acela a fost momentul Creatiei si deci lucrarea Domnului. De fapt, inca din 1952 Vaticanul a imbratisat reprezentarea Universului in expansiune dupa Big Bang, ca pe intelegerea fireasca a ideii crestine de creatie din nimic. La conferinta a participat si celebrul fizician Stephen Hawking care desigur a pus in discutie problema starii initiale a universului.
Scopul final al stiintei este de a da o singura teorie care sa descrie intregul univers. Totusi in realitate abordarea urmata de majoritatea oamenilor de stiinta este de a divide problema in doua parti. In prima parte exista legi ale fizicii care ne spun cum se modifica universul in timp. Daca stim cum este universul la un moment dat, aceste legi ne spun cum va arata in orice moment ulterior. In cea dea doua parte exista problema starii initiale a universului. Unii oameni cred ca stiinta trebuie sa se concentreze numai asupra primei parti-legile care ne spun cum se modifica universul in timp; ei privesc problema starii initiale (a doua parte a problemei) ca pe o chestiune de religie. Ei ar spune ca Dumnezeu, fiind atotputernic si al carui bun gust de obicei excelent, ar fi putut pune in miscare universul in orice fel ar fi dorit. Ar putea fi asa, dar in aces caz el ar fi putut, de asemenea, sa-l faca sa evolueze intr-un mod complet arbitrar. Totusi se pare ca a ales sa-l faca sa evolueze intr-un mod foarte regulat, conform anumitor legi din fizica. Prin urmare, pare tot asa de rezonabil sa se presupuna ca exista legi care guverneaza si starea initiala, asa cum a sustinut celebrul fizician Hawking in conferinta organizata de ordinul iezuitilor la Vatican.

In foto : Variatia radiatiei cosmice de fond de microunde in Univers (date obtinute cu ajutorul satelitilor Cobe ,WMAP si Planck).Daca sunteti credinciosi, e ca si cum am vedea semnatura lui Dumnezeu in imaginea obtinuta cu ajutorul satelitilor Cobe, WMAP si Planck. Este descoperirea secolului, daca nu chiar ce mai mare descoperire a tuturor timpurilor!