Înainte de Big-Bang. Teoria Nimicului

 

Fiecare dintre noi și-a pus măcar odată în viață întrebările acestea: De unde venim? De unde a apărut lumea pe care o știm? De ce existăm? … Și întrebările pot continua la nesfârșit!

Din dorința de a afla cât mai multe despre tot ceea ce ne înconjoară am inventat știința, iar știința va continua să existe atâta timp cât vor exista întrebări la care nu avem răspuns… Ce farmec ar mai avea știința dacă am ști adevărul absolut și nu ar mai exista nimic de adăugat sau nimic de descoperit? Probabil că niciodată nu vom ajunge în punctul în care vom ști tot, stă în firea noastră să ne punem întrebări, iar cu cât aflăm mai multe răspunsuri, cu atât mai multe noi întrebări se nasc în mintea noastră!

Acest articol este dedicat unui subiect controversat și greu de înțeles pentru mulți dintre noi, chiar și pentru oamenii de știință, și anume „momentul zero”, perioada când Universul, așa cum îl știm noi, încă nu exista. De fapt atunci nu exista nimic: nu existau materie, stele, galaxii, nu exista nici măcar timpul.

Dacă studiem cu atenție istoria, observăm că înaintașii noștri pe linia științei au depus eforturi uriașe pentru a afla o parte dintre răspunsurile la întrebările pe care le-am menționat. Mințile luminate ale secolului trecut au reușit să explice parțial – ce-i drept, matematic (teoretic) – originile Universului în care trăim. Dar să nu credeți că astăzi știința cunoaște toate răspunsurile cu privire la originea Universului! Este adevărat, s-au făcut numeroase descoperiri și știința e evoluat foarte mult. Acum avem la dispoziție noi tehnologii ce ne ajută să înțelegem mai bine spațiul cosmic și originile Universului. Ca să aflăm cum a apărut tot ceea ce ne înconjoară – Pământul, viața, stelele și galaxiile – am recurs la un mijloc privilegiat de cercercetare, pe care mințile luminate din istoria omenirii nu au ezitat să îl folosească: matematica. Un domeniu rigid, greu de înțeles. Matematica nu este făcută pentru oricine, ci doar pentru aceia care au o sclipire de geniu. În acest caz ne referim la acei oameni de știință care au pus bazele matematicii și la cei care au inventat matematici speciale pentru explicarea originii începutului timpului.

Un alt domeniu care a avut un rol extraordinar în înțelegerea Universului în care trăim a fost fizica. De fapt, fizica este un fel de matematică aplicată concret la Universul nostru, ca un liant între teoria pură a matematicii și aplicarea ei în lumea noastră. Este util să știm că fizica se bazează pe un anumit număr de constante fundamentale. Una dintre acestea este așa-numita „constantă a lui Planck”. Aceasta este o frontieră dintre fenomenele clasice și cele cuantice. O altă constantă este cea gravitațională, care măsoară forța de atracție. Dar cea mai cunoscută dintre toate constantele fundamentale este viteza luminii. Aceasta stabilește o graniță dintre fizica lui Newton și teoria relativității, elaborată de Einstein. Cele trei constante formează ceea ce numim „lungimea cuantică”, un concept care constituie un „zid” între Universul nostru (cel pe care îl percem noi) și Universul la o scară foarte mică (universul cuantic). Lumea noastră, cea în care trăim, este făcută din peisaje, case, albine, nori, oameni și flori etc., din tot ce putem vedea și atinge în cele trei dimensiuni spațiale: lungime, lățime și înălțime. La aceste trei dimensiuni spațiale este necesar să mai adăugăm și una temporală: timpul. Numai combinând cele patru dimensiuni ajungem să ne croim drumul în spațiu și timp.

Dar mai există și o a treia lume? Ceva care s-ar afla „dedesubtul” lumii cuantice? Un Univers „mai mic decât oricare”, de o mărime practic nulă? Se pare că teoretic (matematic) această lume chiar există. Este foarte greu de înțeles și chiar de imaginat acest aspect, dar se referă la ideea că lumea pe care o știm noi a fost concentrată într-un punct uluitor de mic. Este punctul zero al Universului, o lume fără dimensiuni, în afara timpului… doar informație pură. Acel nivel nu poate fi descris decât prin ceea ce matematicienii numesc „indice topologic”.

După cum am descris mai sus, matematic se poate reprezenta un model al începutului Universului, chiar putem ști ce fost înainte de „momentul zero”, când practic Universul nu exista. În lucrarea fraților Bogdanov, intitulată Înainte de Big-Bang, ei explică detaliat această lume stranie: „Fiecare lume se bazează pe o metrică proprie. De la scara cea mai mare, a galaxiilor, până la cea a lui Planck, mult mai jos decât cea a atomului, vom găsi metrica lui Lorentz, care distinge timpul de spațiu. În acestă lume a noastră, timpul este cât se poate de real. Dedesubt, între scara lui Planck și scara zero, vom găsi o metrică amestecată (complexă), care suprapune timpul și spațiul, fără să le mai distingă cu adevărat. Timpul devine real dar și imaginar totodată. Iar la scara zero vom găsi o metrică euclidiană, unde timpul, așa cum îl cunoaștem, nu mai există: a devenit pur și simplu imaginar!”.

Singularitatea inițială. Teoria nimicului

Poate vă vine greu să credeți, dar și nimicul are o teorie. Da… nimicul acesta poate fi explicat științific! Nimicul este punctul de plecare al Universului și nimicul îi condiționează viitorul! Greu de crezut, dar există oameni de știință care tratează acest subiect. Unul dintre acești savanți este John D. Barrow, care a scris pe această temă lucrarea The book of nothing (Cartea nimicului).

Se pare că nimicul este o chestiune complicată, acesta fiind de fapt „sămânța” Universului pe care îl știm noi. Laureatul premiului Nobel, Frank Wilczek, spunea: „Nimicul este o chestie foarte instabilă”. Nimicul, pe care mulți îl asociază cu vidul, posedă propria sa energie – acest aspect îl știm din mecanica cuantică. Dar cum este posibil ca un spațiu gol să posede energie? Leonard Susskind spune în cartea sa The Cosmic Landscape: „Fizicienii văd vidul ca fiind plin de particule, care apar și dispar atât de repede încât nu pot fi detectate în condiții normale”. Tocmai de aceea fizicienii spun că aceste particule sunt „virtuale”. Explicația existenței acestor particule vine din principiul incertitudinii al lui Heinseberg, care statuează că nu poți măsura cu exactitate și simultan viteza și poziția unei particle cuantice. Acest principiu, al incertitudinii, nu reprezintă doar o dificultate de măsurare, el ilustrează un adevăr specific universului cuantic (acel univers aflat la o scară extrem de mică).

Universul la scară cuantică este definit ca o lume ciudată, ce nu respectă legile fizicii din Universul în care trăim noi. „Spuma cuantică” (așa cum mai este denumită existența la acel nivel) este dată de faptul că la acea scară, timpul și spațiul nu mai au niciun sens, acolo totul este aparent haotic. Dar, se pare că, în mod paradoxal, tocmai această lume dezordonată și neînțeleasă stă la baza Universului nostru și la baza a tot ceea ce știm. De exemplu, să ne imaginăm un spațiu din care am extras toate particulele, și am creat astfel un vid absolut (altfel spus, nu mai avem nimic material acolo… e un spațiu gol). Acum lucrurile încep să devină interesante: acest spațiu gol, unde nu este nimic, începe să prindă „viață”! Chiar dacă pare un non-sens, acolo apar perechi de particule și antiparticule care imediat se anihilează reciproc. Acele particule intră în existență pentru perioade atât de scurte, încât nici nu există mijloace tehnice pentru a le detecta. De aceea ele poartă numele de „particule virtuale”.

Iată deci că dintr-o dată, ciudățenia mecanicii cuantice transformă spațiul gol, vidul, nimicul, în ceva foarte complicat și greu de înțeles. La scara mică a lumii, atunci când ne apropiem de dimensiunile lui Planck (10-35m), spațiul nici nu mai seamană cu ceva ce poate fi imaginat de către intuiția oamenilor obișnuiți. „Fiecare tip de particulă elementară este prezentă în fluctuațiile violente ale mării de particule virtuale pe care noi o numim vid”, spune Susskind. Acesta continuă: „În marea cuantică întâlnim electroni, pozitroni, fotoni, quarci, neutrini și multe alte particule. Energia totală a vidului este suma tuturor energiilor acestor particule virtuale, fiecare tip de particulă aducându-și propria contribuție”.

Un alt aspect interesant al Teoriei Nimicului este acela că particulele virtuale au o anumită energie, care dacă ar fi teoretic însumată, ar rezulta o cantitate uluitoare de energie. După cum spune Susskind: „Prin estimarea dată de mecanica cuantică, întru-un centimetru cub de vid se află o cantitate de energie de 10116 Jouli. Această uriașă cantitate de energie ar face să fiarbă întreaga apă din Univers. Este o cantitate mai mare decât cea pe care toate stelele din Univers ar putea să o producă pe parcursul întregii lor vieți”. Se pare că această energie conținută de vid dictează evoluția Universului, atât la nivel cuantic, cât și în Universul în care trăim noi. O foarte mică modificare a valorii acestei energii ar face ca Universul să fie total diferit, poate chiar să nu mai fie favorabil vieții, cel puțin nu în forma pe care o cunoaștem noi.

Poate că pare un subiect desprins din filmele SF, dar să ne imaginăm cum ar fi dacă am reuși să colectăm măcar o cantitate infim de mică din această energie a vidului și să o folosim în viața noastră de zi cu zi! Probabil am intra într-o nouă eră a evoluției industriale, cu o sursă nelimitată de energie și fără niciun impact negativ asupra mediului. Cine știe ce ne va rezerva viitorul!

Pentru fizicieni, vidul reprezintă spațiul potențial pentru toate evenimentele. Vidul este un mediu în care legile fizicii prind o formă personalizată pentru Universul nostru. Un vid diferit ar putea însemna alte legi ale fizicii. Din acest studiu putem extrage concluzia că Universul în care trăim noi își are originea în lumea cuantică, adică în acel Univers existent la o scară foarte mică. Nimicul din acest vid are un rol fundamental în apariția a tot ceea ce ne înconjoară. Este posibil ca universul cuantic să fi existat înainte de Big Bang, teorie prin care noi urmărim să explicăm apariția și formarea Universului. Altfel spus, se pare că lumea cuantică a existat cu mult timp înainte de singularitatea inițială (explozia Big Bang) de acum circa 13,7 miliarde de ani, iar fluctuațiile de la scară cuantică au dat naștere Universului în care trăim noi. În acest mod putem deduce că este posibil ca Universul nostru să nu fie singurul și să existe mai multe Universuri, iar cel în care trăim noi a evoluat suficient de mult și de specific încât să fie favorabil vieții.

Frank Close exprimă, într-o carte a sa, foarte sugestiv această idee: „Universul este un domeniu al unei structuri mult mai mari”. El continuă și scrie că în momentul de început, la apariția Universului nostru, exista un anume „vid fals”: „Vidul fals diferă de cel real prin faptul că este instabil. Situația seamănă cu cea a unui creion în poziție verticală, care se sprijină pe vârful său”. Creionul se află într-un echilibru extrem de instabil și poziția sa se va modifica rapid, până când va ajunge la o energie potențială minimă (poziția de echilibru). Așa ar fi putut începe totul. O fluctuație care a durat prea mult într-un „vid fals” a dus la materializarea din nimic a Universului nostru.

Viața în Univers nu este o pură întâmplare

O situație extrem de interesantă este dată de faptul că viața pe Pământ se bazează pe două elemente chimice ce se găsesc din abundență în Univers, și anume carbonul și oxigenul. Aceste elemente chimice nu existau de la începutul Universului, ele au fost treptat „fabricate” în interiorul stelelor mari (mult mai mari decât Soarele), prin fuziune nucleară.

Datorită condițiilor extreme de temperatură și presiune, hidrogenul fuzionează în heliu, iar acesta în carbon. Această fuziune nu se face oricum; în cazul carbonului este nevoie să fuzioneze patru nuclee de heliu 4, care mai poartă numele și de „particule alfa”. În continuare mai fuzionează alte două nuclee de heliu 4 (alte două particule alfa) rezultând astfel un izotop instabil al beriliului. Acesta se dezintegrază rapid în două particule alfa. Dar uneori, până se produce procesul de dezintegrare, nucleul de beriliu fuzionează și cu o particulă alfa (nucleu de heliu), rezultând în felul acesta un nucleu de carbon. Pentru a se produce un nucleu de oxigen este nevoie de încă o particulă alfa care să fuzioneze cu nucleul de carbon.

Vedem așadar că procesul de „fabricare” a elementelor chimice care stau la baza vieții nu este deloc simplu. Un aspect și mai interesant este dat de faptul că nucleonii (protonii și neutronii) care formează nucleul atomic sunt, la rândul lor, alcătuiți din trei quarci. Protonul este alcătuit din două quarcuri up și un quarc down, iar neutronul din două quarcuri down și un quarc up. Masa acestor quarcuri are anumite valori ce sunt considerate constante fundamentale universale. Dacă masa quarcilor ar fi fost cu 2-3% mai mică, atunci abudența carbonului în Univers ar fi fost foarte mare, iar Universul ar fi fost mult mai sărac în oxigen. Dacă masa lor ar fi fost mai mare, atunci Universul ar fi fost sărac atât în carbon, cât și în oxigen. În ambele cazuri, viața, așa cum o știm noi, ar fi fost practic imposibilă. Concluzia pe care o putem contura din toate aceste informații este că trăim într-un Univers ale cărui legi de funcționare sunt foarte fin reglate, astfel încât viața să fie posibilă.

Bibliografie:
1. Igor și Grichka Bogdanov – Înainte de Big-Bang, editura Albatros, București 2006
2. John D. Barrow, Mic tratat despre nimic, editura Tehnică, București 2006
3. http://stiintasitehnica.com/despre-nimic/
4. http://stiintasitehnica.com/un-univers-foarte-bine-reglat/
5. https://en.wikipedia.org/wiki/HendrikLorentz
6. http://astronomie.narbonne.free.fr/spip.php?article5l7

Citiți și:

Un «big bang» al fizicii cuantice: universul este un imens gând dumnezeiesc, o conştiinţă colosală

Trăim într-un Univers aflat în plină expansiune. Este acesta cu adevărat infinit?

Ce a fost înainte de Big Bang. Iată ce teorie interesantă susțin oamenii de știință… 

 

yogaesoteric
5 noiembrie 2018

 

Also available in: Français