Este posibil oare ca galaxiile îndepărtate să se distanţeze de noi mai repede decât lumina? Şi, dacă da, ne-ar fi totuşi posibil să le observăm? În mod surprinzător răspunsul este în ambele cazuri un "DA" răsunător. Cum de este cu putinţă aşa ceva? Citiţi acest articolul pentru a înţelege "cum funcţionează" Universul (video inclus).
INTRODUCERE
Este posibil oare ca galaxiile îndepărtate să se distanţeze de noi mai repede decât lumina? Şi, dacă da, ne-ar fi posibil totuşi să le observăm? În mod surprinzător răspunsul este în ambele cazuri un "DA" răsunător. Cum de este cu putinţă aşa ceva? Cum se poate ca ceva să se deplaseze cu viteze superioare vitezei luminii?
În acest film (partea 1) şi în următorul vom încerca să oferim o descriere corectă a Universului pe baza modelului LCDM1 (Lambda-Cold-Dark-Matter), cel mai bun model cosmologic existent astăzi. Odată tabloul construit, răspunsurile la întrebările din paragraful de început vor veni de la sine.
UN POSIBIL ÎNCEPUT
Pentru moment, să plecăm de la ideea că un fel de spumă cuantică spaţio-temporală a existat înainte ca însuşi Universul nostru să fi apărut, deci înainte de Big-Bang-ul „nostru”. În continuare, nu vom face decât să lăsăm principiul de incertitudine al lui Heisenberg să lucreze pentru noi. Dacă e să ne referim la cea mai mică unitate de volum spaţial permisă a exista în contextul mecanicii cuantice – un volum infinitezimal cu o scară liniară de dimensiunea lungimii Planck2, ar rezulta o "fărâmă" cuantică cu un volum de 10-99 centimetri cubi. Iar cea mai mare cantitate de masă ori energie care ar încăpea în acest, să-i zicem volum Planck, fără a-l face să devină propria gaură neagră, este în jur de 1/100,000 dintr-un gram (aproximativ masa unui fir mediu de nisip).
Interesant este că principiul incertitudinii permite crearea "din nimic" a acestei cantităţi de materie, cu condiţia ca această materie să existe pentru cel mult 10-43 secunde. Un timp extrem de scurt, dar care se va dovedi suficient. Aceasta deoarece atunci când această cantitate specifică de energie ia naştere sub forma unui anumit tip de câmp scalar3, avem de-a face cu naşterea reuşită a unui Univers.
INFLAŢIA
Cel mai bun model existent despre evoluţia universului timpuriu, plecând de la fluctuaţia cuantică iniţială include perioada numită "inflaţie", o perioadă când câmpul scalar menţionat antrenează spaţiul ocupat pentru o scurtă perioadă de timp într-o expansiune extremă, exponenţială. Pe parcursul inflaţiei, spaţiul "erupe" din dimensiunile foarte mici de la început, ajungând la un volum uriaş de dimensiuni necunoscute.
Această expansiune enormă dă naştere unei cantităţi imense de energie gravitaţională de legătură – cel puţin 1085 grame. Iar această energie este contrabalansată de o creştere corespunzătoare a energiei pozitive conţinută de câmpul scalar. Ceea ce la început era nimic mai mult decât o mică fracţiune a unui gram de energie a devenit acum 1085 grame. Vorbim despre un număr imens - destul de mare pentru a exprima toată materia şi energia existente astăzi în Univers.
Dar, atenţie! Energia totală existenţă în Univers variază în jurul lui ZERO cu doar o unitate cuantică.
FLUCTUAŢII CUANTICE
Ca un derivat al creşterii enorme a spaţiului pe perioada inflaţiei, fluctuaţiile cuantice minuscule iau forma unor fluctuaţii macroscopice în densitatea câmpului scalar – transformându-l în mod neuniform. Rezultatul apariţiei acestei structuri neuniforme reprezintă punctul de plecare al formării stelelor, galaxiilor şi al tuturor formaţiunilor observabile în prezent în Univers.
La sfârşitul inflaţiei, temperatura Universului, aşa cum era acesta atunci, era extrem de ridicată. Dar pe măsură ce expansiunea spaţiului continuă, acesta se răceşte; iar energia câmpului scalar, care acum "popula" în întregime enormul volum de spaţiu nou apărut, ia forma materiei negre, a energiei negre şi a materiei obişnuite – fotonii, quarcurile şi electronii, care la rândul lor au luat forma protonilor, neutronilor şi atomilor care populează Universul în prezent.
Radiaţia cosmică de fond
După aproximativ 380.000 de ani de inflaţie şi răcire, particulele încărcate electric s-au unit sub forma atomilor neutri. Şi, din senin, fotonii care se loveau la fiecare două secunde de particulele încărcate electric au devenit liberi să colinde imensitatea spaţiului cosmic. Aceasta este originea radiaţiei cosmice de fond pe care o detectăm astăzi.
UNIVERSUL OBSERVABIL
Să reprezentăm întreg spaţiul existent la acel moment printr-un volum plin de puncte albastre (vezi clip). În continuare să ne concentrăm atenţia pe această porţiune foarte mică cu o rază de aproximativ 42 de milioane de ani-lumină. ACEASTA este regiunea care va reprezenta pentru noi ÎNTREGUL Univers observabil 13.7 miliarde de ani mai târziu. Terra se va forma undeva în centrul acestei zone peste aproximativ 9 miliarde de ani – dar până atunci Universul va trece printr-un îndelungat proces de expansiune.
Universul observabil
Credit: wikimedia.org
ANALOGIA PISTEI
Imaginaţi-vă că vă aflaţi pe o pistă lungă de 100 de metri şi cineva aflat la 99 de metri distanţă, pe pistă, începe să se deplaseze către d-voastră. Se aude semnalul de start, iar deplasarea începe. Numai că există o problemă: pista se extinde – lungindu-se pe măsură ce persoana respectivă se deplasează de-a lungul său. Pietonul face un pas lung de 1 metru la fiecare secundă, dar pista "creşte" în fiecare secundă cu un metru, relativ la 100 de metri de pistă.
După 10 secunde, trecătorul a făcut 10 paşi, numai că cei 89 de metri rămaşi de parcurs s-au "lungit", astfel că el mai are încă 98 de metri de parcurs până la dumneavoastră. După încă 10 secunde distanţa dintre pieton şi d-voastră este încă de 97 de metri. Va dura 460 de secunde, dar în cele din urmă pietonul va ajunge în dreptul d-voastră. Şi în tot acest timp pista s-a alungit, atingând acum dimensiunea de 10.000 de metri. Celălalt capăt al pistei se deplasează acum faţă de d-voastră mult mai repede decât se poate deplasa pietonul. Dacă ar trebui să pornească acum, din nou, de la celălalt capăt al pistei, nu ar mai ajunge niciodată în dreptul d-voastră.
Iar întrebarea cu privire la distanţa parcursă de el este una ambiguă. Am putea spune că a parcurs 99 de metri deoarece aceasta a fost distanţa la început. Sau am putea afirma că este vorba de 9900 de metri deoarece aceasta era distanţa între capetele pistei la final. Sau am putea zice că distanţa parcursă este de 460 de metri - viteza de deplasare a pietonului deînmulţit cu timpul deplasării.
NOTE:
3. câmp scalar - în matematică şi fizică, noţiunea de câmp scalar face referire la o entitate fizică pentru care fiecărui punct din spaţiu i se asociază o valoare numerică scalară (adică independentă de anumite clase de sisteme de coordonate).
_______
Notă: articolul de mai sus este adaptarea textului folosit în film.
Traducerea: Scientia.ro.
Credit: www.cassiopeiaproject.com
