Ce a fost înainte de Big Bang?

Clic dreapta - View image (pentru o rezoluţie superioară)

Consumăm mult timp gândindu-ne la viitor, dar trecutul este, de asemenea, destul de interesant. În această săptămână, în cadrul rubricii „Întreabă un fizician" vom obţine mai multe ipoteze speculative privind ceea ce ar fi putut exista înainte de începutul timpului.

Ce a existat înainte de Big Bang? A existat ceva înaintea universului nostru? Să vedem ce se cunoaşte în prezent.

În general, doresc să mă concentrez pe opinia generală a fizicienilor pentru a nu intra în domeniul ştiinţei excentrice şi a speculaţiilor pe care le întâlnim atât de des.

Dar uneori oamenii au întrebări arzătoare la care trebuie să se răspundă şi pentru care fizica nu are încă un răspuns competent. Să luăm în considerare o întrebare pe care mi-a pus-o Dave Ranautta şi mulţi alţii. Ei întreabă:

Ce a existat înainte de Big Bang? Îmi dau seama că nu există dovezi referitoare la ceea ce a existat înainte (dacă a existat ceva), dar există teorii preferate ce pot răspunde la această întrebare?

Răspuns standard: Nimic. Deci, vă rugăm să nu mai întrebaţi.

Am vorbit mult despre expansiunea universului în cadrul unui alt articol. Imaginea standard a universului provine din teoria relativităţii generalizate, care descrie un fel de întindere a continuumului spaţiu-timp. Analogia obişnuită este să ne gândim la noi într-un mod similar furnicilor ce se află pe un balon. În trecut, universul (adică „balonul") a fost mai mic decât este acum şi întorcându-ne destul de mult înapoi în timp, universul, probabil, a fost doar un singur punct. Acesta a fost momentul Big Bangului.

Conform imaginii furnizate de teoria relativităţii generale, momentul creaţiei a produs nu numai spaţiul, dar şi timpul, cele două componente ale universului fiind legate între ele într-un mod incredibil. În conformitate cu Einstein, a vorbi despre ceea ce s-a întâmplat înainte de Big Bang este la fel de lipsit de sens ca atunci când se pune următoarea întrebare: ce se întâmplă dacă vă deplasaţi la nord de Polul Nord? Nu există un astfel de loc sau, prin urmare, un astfel de timp.

Acest răspuns, probabil, nu-i va mulţumi pe oameni. În definitiv, dacă nu a existat niciun moment înainte de Big Bang (sau nu a existat spaţiul) noi de unde am venit? Nu ar fi trebuit să existe ceva care să semene cu principiul cauzalităţii din univers?


Care sunt opţiunile?

Totuşi, există unele alternative nesigure. Aşa cum am discutat anterior (mult mai puţin speculativ), nu doar că nu ştim ce s-a întâmplat înainte de Big Bang, dar noi nici măcar nu ştim ce s-a întâmplat în momentul imediat următor după Big Bang.

Cunoştinţele noastre de fizică în primele 10^-44 secunde după Big Bang (care, desigur, este un interval de timp foarte scurt) sunt practic inexistente. Acest interval de timp este cunoscut sub denumirea de timp Planck şi deoarece nu ştim ce s-a întâmplat înainte de perioada Planck atunci, cu siguranţă, nu ştim ce s-a întâmplat înainte de Big Bang. Indiferent de asta, logica ne spune că nu putem avea decât una dintre următoarele două posibilităţi:

1. Universul a avut un fel de început, caz în care rămânem, în primul rând, cu întrebarea foarte neliniştitoare asupra cauzei ce a determinat apariţia universului.
2. Universul există veşnic, caz în care există literalmente o istorie infinită a acestuia, atât înainte, cât şi după noi.

Ambele posibilităţi prezentate sunt nesatisfăcătoare. Să considerăm punctul de vedere ce provine din Vechiul Testament, de exemplu. Noi înţelegem de aici că Dumnezeu a creat lumea. În acest caz, universul nostru are un început clar. Cu toate acestea, Dumnezeu însuşi trebuie să fie veşnic. Ce făcea înainte de a crea universul nostru? Acest punct de vedere nu este mai satisfăcător decât a afirma că universul a fost aici tot timpul. Există literalmente o istorie infinită a acestuia? Această afirmaţie nu are sens.

Ca un trişor deosebit de inteligent (sau teoretician, dacă preferaţi), în anul 1982 Alex Vilenkin din cadrul Tufts University a arătat modalitatea prin care conceptele descoperite din mecanica cuantică ar putea permite înţelegerea modalităţii prin care universul a apărut.

Modelul 1: universul a apărut din nimic

Vilenkin a menţionat că, dacă ar fi să începem cu un mic balon de univers, două lucruri s-ar putea întâmpla. Dacă acesta ar fi suficient de mare, el ar putea suferi o creştere exponenţială, similar cu ceea ce s-a întâmplat cu universul nostru în primele momente după Big Bang. Dacă el ar fi fost prea mic, ar fi colapsat.

Acesta este momentul în care lucrurile devin ciudate. Mecanica cuantică prezice tot felul de lucruri ciudate, inclusiv pisici pe jumătate moarte/pe jumătate în viaţă sau posibilitatea de teleportare. Ea prezice, de asemenea, posibilitatea ca lucruri aparent imposibile să fie, cu adevărat, doar improbabile.

De exemplu, este posibil (dar puţin probabil) ca tu să te poţi teleporta spontan în sistemul solar al stelei Alpha Centauri. O dezintegrare radioactivă obişnuită poate reprezenta o bucată mică dintr-un nucleu atomic care nu ar fi capabilă, într-adevăr, să evadeze printr-un fel de tunel cuantic, aleator, la distanţă. Universul se comportă, uneori, la fel.

În acelaşi mod, un univers mai mic poate trece printr-un tunel cuantic, aleator, într-un univers mai mare. Un aspect uimitor al modelului de univers propus de Vilenkin este că chiar dacă am face universul atât de mic cât am dori, procesul de tunelare cuantică poate apare. El are loc chiar dacă universul nu ar avea nicio dimensiune. Cunoaşteţi cum se numeşte o entitate fără nicio dimensiune?

Nimicul.

Înainte de Big Bang, starea universului a fost reprezentată de ceva având dimensiunea zero şi pentru care timpul a fost, în esenţă, nedefinit. În continuare, universul, printr-un proces de tunelare cuantică, a apărut din nimic şi a devenit universul în expansiune pe care-l ştim şi îl iubim.

Problema este că „nimicul" din care universul a apărut, în realitate nu reprezintă nimic. El trebuia să se supună legilor mecanicii cuantice, într-un anumit mod şi noi am fost întotdeauna învăţaţi să credem că fizica este o proprietate a universului. Ne tulbură afirmaţia că fizica a existat înainte de apariţia universului sau, în consecinţă, înainte ca timpul să înceapă.

Desigur, aceasta este problema de bază privind orice încercare de a stabili originea universului. Într-un anumit mod, toată complexitatea acestuia a fost creată din nimic şi este dificil de a reconcilia aceste concepte.

Altă posibilitate pare la fel de tulburătoare. Universul ar putea fi literalmente veşnic sau cel puţin să aibă o istorie infinită. Deşi nu este clar ce implicaţii teologice ar presupune un univers infinit, putem cel puţin încerca să ne dăm seama cum ar putea funcţiona un univers infinit.


Modelul 2: universul a luat naştere din el însuşi

În anul 1998, J. Richard Gott şi Li Xin Li, ambii din cadrul Princeton University, au propus un model în care universul a apărut din ceea ce poate fi descris ca fiind o maşină a timpului. Gott şi Li au arătat că este posibil să se rezolve ecuaţiile lui Einstein ale teoriei relativităţii generale în aşa fel încât un univers a început să evolueze într-o buclă continuă şi că această buclă ar putea servi drept un „trunchi" de copac care încolţeşte, dând naştere, în acest mod, propriului nostru univers. Şi deoarece o imagine face mai mult decât o mie de cuvinte, reproducem mai jos propria lor imagine ce prezintă acest concept teoretic.

Credit: J.R. Gott şi L.- X. Li

Modul de a interpreta această imagine este acela că timpul evoluează din partea de jos în partea de sus şi că totul începe cu o buclă mică aflată în partea de jos. Aceasta este originea universului. Acest lucru înseamnă că universul nu are nici început şi nici sfârşit, deoarece bucla evoluează de jur împrejur, la infinit.

Putem vorbi despre perioada de „timp după Big Bang" ca fiind timpul necesar pentru ca bucla să încolţească şi să creeze astfel un univers nou-născut. De asemenea, observaţi din imagine că din bucla de timp iniţială nu apare doar un singur univers, ci mai multe. Acest lucru este compatibil în totalitate cu conceptul de multivers, o altă teorie speculativă pe care o introducem în discuţie.


Model 3: acesta nu este primul univers

Timp îndelungat, cosmologii au susţinut ideea că universul s-ar putea prăbuşi, în cele din urmă, în el însuşi. În continuare, în anul 1998, două echipe de cercetători au descoperit energia întunecată care provoacă o expansiune accelerată a universului, arătând că presupunerile anterioare au fost greşite. De asemenea, puteţi să vă reamintiţi faptul că aceşti oameni au câştigat premiul Nobel pentru descoperirea lor în anul 2011.

Chiar dacă observaţiile astronomice arată că universul nostru nu se va prăbuşi sub propria greutate, în cele din urmă există, totuşi, o atracţie privind această imagine a universului. Dacă universul va sfârşi cumva sub forma unui colaps, atunci poate că ceea ce se întâmplă cu adevărat este că acesta suferă veşnic o serie de expansiuni şi contracţii. Universul nostru, în acest caz, este doar unul dintr-o serie infinită de universuri.

O problemă a acestei ipoteze (în afară de faptul că există prea puţină materie în universul nostru pentru a-l face să se contracte) este reprezentată de dezordinea din sistem. Aşa cum am discutat anterior, universul preferă dezordinea. Dacă tu ai stivuit vreodată cutii de suc, există doar o singură modalitate de a le stivui şi aceasta are loc pe verticală. Dar dacă le loviţi, acestea se împrăştie peste tot. Există mai multe modalităţi prin care putem distruge un turn format din cutii de suc decât a construi unul şi pe măsură ce trece timpul, universul găseşte modalităţi de a distruge toate structurile ordonate din cadrul său.

Dacă universul nostru a fost rezultatul unei serii de expansiuni şi de contracţii, atunci Big Bang-ul nostru s-ar fi putut produce după miliarde sau trilioane de ani după apariţia primului univers (şi ce a cauzat asta?), astfel încât universul nostru ar fi avut timp pentru a deveni lipsit de ordine. Dar el nu este aşa. Privind înapoi în timp, universul nostru a fost foarte neted şi cu un grad foarte mare de ordine. Acestă ipoteză cosmologică nu rezolvă problema deloc.

Cu toate acestea, în ultimii ani au fost propuse o serie de noi modele cosmologice ciclice care permit unui univers etern să existe. În anul 2002, Paul Steinhardt, din cadrul Princeton University şi Neil Turok, din cadrul Cambridge University, au conceput un model care utilizează dimensiunile suplimentare din teoria corzilor. Teoria corzilor presupune că universul nostru nu ar avea trei dimensiuni spaţiale, ci ar putea avea până la zece dimensiuni spaţiale. Propriul nostru Univers s-ar putea afla, pur şi simplu, pe o membrană tridimensională care pluteşte prin univers, interacţionând, într-o mică măsură, cu alte universuri.

Cu toate acestea, există posibilitatea ca diferitele membrane (universuri) să poată interacţiona gravitaţional. În acest model, energia întunecată, cea care accelerează universul, nu este un lucru real, ci doar o consecinţă a atracţiei gravitaţionale între membrane, iar materia întunecată nu reprezintă altceva decât materie obişnuită aflată pe o altă membrană din apropiere. Ocazional membranele au posibilitatea să se ciocnească una de alta provocând evenimente tip „Big Bang" în cadrul acestora, ulterior evoluţia universului local având loc aşa cum s-a arătat deja.

Aceste modele sunt extrem de elegante şi tratează problema „creşterii dezordinii" din univers într-un mod cu adevărat nou. Ciclu după ciclu, membranele devin mai elastice, ceea ce înseamnă că dezordinea devine răspândită într-un volum din ce în ce mai mare. Porţiunea locală pe care o numim universul nostru este doar un mic petec din cadrul membranei, astfel încât s-ar părea că totul începe de la zero la fiecare ciocnire. Această teorie sună bine, dar o mare problemă din cadrul ei este că aceste modele teoretice necesită ca teoria corzilor să fie corectă, ceea ce nu s-a dovedit până în prezent.

Există chiar mai multe modele teoretice, unele incluzând dimensiuni suplimentare, concepte precum „gravitaţia cuantică cu bucle" (LQG-loop quantum gravity); unele consideră un interval infinit de timp, iar altele un timp finit. La sfârşit, constatăm că teoria Big Bang are aceleaşi probleme de bază precum noile teorii care evoluează treptat. Toate aceste teorii încearcă să explice cum universul (sau viaţa) au evoluat din momentul apariţiei lor, dar niciuna dintre ele nu poate explica modul prin care au apărut lucrurile pentru prima dată.