Nu cu mult timp în urmă oamenii de ştiinţă au anunţat că au reuşit să observe cu ajutorul unui telescop ecourile de slabă intensitate ale aşa-numitului eveniment Big Bang şi că au descoperit dovezi cu privire la o expansiune aproape instantanee a Universului de la un simplu punct până la o minge densă care conţinea mai mult de 1090 particule. Această descoperire, care a fost obţinută cu ajutorul telescopului BICEP2 aflat la Polul Sud, oferă primele dovezi puternice cu privire la „inflaţia cosmică" ce a avut loc la începutul Universului, atunci când acesta s-a extins de miliarde de ori.

 



Teoria inflaţiei cosmice a fost propusă pentru prima dată în anul 1980 de către Alan Guth, acum profesor de fizică la MIT (Massachusetts Institute of Technology). Inflaţia a devenit o piatră de temelie a cosmologiei bazată pe Big Bang, dar ea a rămas până acum o teorie fără suport experimental.

Guth a discutat despre semnificaţia noilor rezultate obţinute de BICEP2 cu cei de la MIT News.

 

 

Întrebare: Puteţi explica teoria inflaţiei cosmice pe care aţi propus-o pentru prima dată în anul 1980?

Răspuns: De obicei descriu inflaţia ca fiind o teorie a „exploziei" corespunzătoare evenimentului Big Bang: ea descrie mecanismul de propulsie care a provocat expansiunea extraordinară a Universului pe care o numim Big Bang. În forma sa originală, teoria Big Bangului nu a fost niciodată o teorie a exploziei. Această teorie nu a spus nimic despre ce a explodat, de ce a explodat sau ce s-a întâmplat înainte de explozie.

În forma sa originală teoria Big Bangului a fost într-adevăr o teorie a urmelor exploziei iniţiale. Universul era fierbinte şi dens şi el deja se extindea cu o viteză fantastică. Teoria descrie cum Universul s-a răcit datorită expansiunii şi cum expansiunea a fost încetinită de către forţa de atracţie gravitaţională.

Teoria inflaţiei propune că expansiunea Universului a fost condusă de către o formă de gravitaţie repulsivă. Potrivit lui Newton gravitaţia este o forţă pur atractivă, dar acest lucru s-a schimbat odată cu Einstein şi teoria relativităţii generale. Relativitatea generală descrie gravitaţia ca fiind o deformare a spaţiului-timp şi această teorie permite existenţa unei gravitaţii repulsive.

Teoriile moderne ale particulelor sugerează că la energii foarte mari ar trebui să existe o formă de materie care creează o gravitaţie repulsivă. Inflaţia, la rândul său, propune că a existat cel puţin o regiune foarte mică din Universul timpuriu care conţinea această materie ce genera o gravitaţie repulsivă. Această regiune ar fi fost incredibil de mică, probabil ea avea o mărime de 10^-24 cm, fiind de aproximativ 100 de miliarde de ori mai mică decât un proton. Ea a început să se extindă exponenţial sub influenţa gravitaţiei repulsive, dublându-şi aproximativ mărimea la fiecare 10^-37 s. Pentru a descrie cu succes Universul nostru vizibil această regiune ar fi trebuit să-şi dubleze mărimea de cel puţin 80 de ori, dimensiunea sa ajungând la aproximativ 1 centimetru. Ea ar fi putut să-şi dubleze mărimea de un număr mai mare de ori, dar este necesar ca cel puţin de 80 de ori să-şi fi dublat mărimea.

În perioada de expansiune exponenţială densitatea materiei obişnuite din Univers a scăzut aproape de zero. Cu toate acestea caracteristicile acestui proces sunt, în acest caz, foarte diferite de ce ne-am aştepta. Materia ce provoacă gravitaţia repulsivă menţine de fapt o densitate constantă pe măsură ce Universul se extinde, indiferent de cât de mult se extinde acesta! În timp ce această caracteristică pare a fi o încălcare flagrantă a principiului conservării energiei ea este de fapt perfect întemeiată.

Explicaţia ei este oferită de o caracteristică specială a gravitaţiei. Energia unui câmp gravitaţional este negativă. Pe măsură ce regiunea se extinde cu o densitate constantă atunci din ce în ce mai multă energie, sub formă de materie, este creată. Dar, în acelaşi timp, din ce în ce mai multă energie negativă apare sub forma câmpului gravitaţional care umple regiunea. Energia totală rămâne constantă, aşa cum trebuie să se întâmple şi astfel energia rămâne la o valoare mică.

Este posibil ca energia totală a întregului Univers să fie exact zero, energia pozitivă a materiei anulând complet energia negativă a gravitaţiei. Eu de multe ori am spus că Universul este ca o masă de prânz gratuită, deoarece nu este nevoie de fapt de nicio energie pentru a produce un univers.

La un moment dat inflaţia se opreşte deoarece materia ce provoacă gravitaţia repulsivă devine metastabilă. Aceasta la un moment dat se transformă în particule de materie obişnuită ce formează o supă foarte fierbinte care reprezintă punctul de plecare al Big Bangului obişnuit. În acest moment gravitaţia repulsivă se opreşte, dar regiunea va continua să se extindă timp de miliarde de ani. Astfel, inflaţia este o etapă anterioară epocii pe care cosmologii au denumit-o Big Bang, deşi ea a avut loc după apariţia Universului, moment care este de multe ori, de asemenea, numit Big Bang.

Întrebare: Ce ne puteţi spune despre rezultatele care au fost anunţate în această săptămână şi cum susţin acestea teoria dumneavoastră?

Răspuns: Efectul de întindere cauzat de expansiunea fantastică a inflaţiei tinde să netezească lucrurile, ceea ce este important pentru cosmologie, deoarece în urma unei explozii obişnuite Universul ar fi arătat foarte neuniform. Universul timpuriu, aşa cum putem să-l vedem ca urmare a radiaţiei cosmice de fond, a fost incredibil de uniform, el având o densitate de masă care prezintă mici variaţii de o parte la 100.000.

Aceste mici neuniformităţi care au existat au fost ulterior amplificate de către gravitaţie. În locurile în care densitatea de masă a fost uşor mai mare decât media a rezultat un câmp gravitaţional mai puternic decât media şi care a atras mai multă materie creând un câmp gravitaţional chiar mai puternic. Pentru a se forma structuri cosmice este nevoie să existe mici neuniformităţi la sfârşitul inflaţiei.

În modelele teoretice inflaţioniste aceste neuniformităţi care mai târziu vor constitui stele, galaxii şi întreaga structură a Universului sunt atribuite efectelor teoriei cuantice. Teoria de câmp cuantic presupune că la o scară dimensională foarte mică totul se află într-o stare de agitaţie continuă. În cazul în care am putea observa spaţiul gol cu ajutorul unei lupe ipotetice, foarte puternică, am vedea câmpurile electrice şi magnetice aflate într-o oscilaţie puternică şi chiar electroni şi pozitroni apărând din vid pentru ca apoi să dispară rapid. Efectul inflaţiei, prin expansiunea sa fantastică, determină întinderea acestor fluctuaţii cuantice la o scară macroscopică.

Neuniformităţile de temperatură din radiaţia cosmică de fond au fost măsurate pentru prima dată în anul 1992 de către satelitul COBE şi de atunci ele au fost măsurate cu o mai mare precizie de o serie lungă şi spectaculoasă de experimente efectuate de la sol, cu ajutorul baloanelor sau prin intermediul sateliţilor. Ele s-au dovedit a fi în acord cu previziunile procesului de inflaţie. Cu toate acestea, aceste rezultate nu au fost, în general, considerate ca reprezentând o dovadă a inflaţiei, în parte pentru că nu este clar dacă inflaţia reprezintă singurul mod prin care pot apare aceste fluctuaţii.

Cu toate acestea, efectul de întindere al inflaţiei acţionează, de asemenea, asupra geometriei spaţiului în sine care, în conformitate cu teoria relativităţii generale, este flexibilă. Spaţiul poate fi comprimat, întins sau chiar răsucit. Geometria spaţiului fluctuează, de asemenea, la o scară mică din cauza teoriei cuantice şi inflaţia întinde, de asemenea, aceste fluctuaţii producând undele gravitaţionale din Universul timpuriu.

Noile rezultate obţinute de John Kovac şi colaborarea BICEP2 reprezintă detecţia acestor unde gravitaţionale cu un nivel foarte mare de încredere. Ei nu au observat undele gravitaţionale în mod direct. În schimb, ei au reuşit să realizeze o hartă foarte detaliată a modului de polarizare a radiaţiei cosmice de fond într-o zonă de pe cer. Ei au observat un model răsucit de polarizare (denumit modul „B") care poate fi creat numai de către undele gravitaţionale din Universul timpuriu sau de către efectul de lentilă gravitaţională al materiei din Universul târziu.

Dar undele gravitaţionale pot fi separate de lentilele gravitaţionale deoarece ele tind să se formeze la scări unghiulare mari astfel încât echipa BICEP2 a reuşit să izoleze efectul produs de ele. Este pentru prima dată când s-a detectat un indiciu al existenţei acestor unde gravitaţionale primordiale şi s-au observat, de asemenea, în mod direct pentru prima dată proprietăţile cuantice ale gravitaţiei.

Întrebare: Cum aţi descrie importanţa acestor noi descoperiri şi care este reacţia dumneavoastră cu privire la ele?

Răspuns: Semnificaţia acestor noi descoperiri este enormă. Mai întâi de toate, ele ajută foarte mult la confirmarea procesului de inflaţie cosmică. Pe baza a ceea ce ştim până în prezent doar inflaţia poate produce aceste unde gravitaţionale. În al doilea rând, ele ne furnizează mai multe detalii în legătură cu procesul de inflaţie pe care nu le cunoşteam. În special, se poate determina densitatea de energie a Universului în momentul inflaţiei, o caracteristică care a avut anterior o gamă largă de valori posibile.

Prin determinarea densităţii de energie a Universului în momentul inflaţiei se va putea stabili care versiuni teoretice ale inflaţiei sunt încă viabile şi care nu mai sunt viabile. Rezultatele curente nu sunt încă concludente, însă ele indică direcţia în care pot fi construite cele mai simple modele inflaţioniste.

În cele din urmă şi, probabil, cel mai important, noile rezultate nu reprezintă finalul poveştii, ele mai mult deschid o nouă fereastră spre cunoaştere. Deoarece aceste moduri B de polarizare au fost descoperite, colaborarea BICEP2 şi multe alte grupuri de cercetători vor continua să le studieze. Ele vor oferi un nou instrument pentru a studia Universul timpuriu, inclusiv procesul de inflaţie.

Când eu (şi alţii) am început să studiez efectul fluctuaţiilor cuantice în anii '80 nu credeam că cineva ar fi vreodată capabil să măsoare aceste efecte. Pentru mine a fost într-adevăr doar un joc pentru a vedea dacă eu şi colegii mei putem conveni asupra modului în care arată fluctuaţiile cuantice din punct de vedere teoretic. Eu sunt realmente uimit de progresele pe care astronomii le-au făcut în măsurarea acestor efecte extrem de greu de detectat şi în mod special de noile rezultate obţinute de echipa BICEP2. Ca orice rezultat experimental ar trebui să aşteptăm ca acesta să fie confirmat de către alte grupuri de cercetători înainte de a a-l considera adevărat, dar echipa BICEP2 pare să fi fost foarte atentă iar rezultatul este foarte probabil să se dovedească real.

Traducere de Cristian-George Podariu după alan-guth-insights-big cu acordul editorului


Dacă găsiţi scientia.ro util, sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă
Susţine-ne pe Patreon!