Evoluţia Universului
Am explicat pe scientia.ro în detaliu teoria Big Bangului, teoria acceptată de majoritatea covârșitoare a fizicienilor ca explicație pentru începutul universului. Teoria nu explică, desigur, de ce a avut loc Big Bangul și condițiile în care acesta a avut loc, cum nu explică ce a fost înainte de Big Bang. Sigur, se spune că nu a fost nimic, pentru că timpul și spațiul au luat naștere odată cu Big Bangul, dar răspunsul nu este mulțumitor, pentru că este ilogic: nu putem pricepe cum ceva poate „avea loc” în lipsa timpului, deci fără să „aibă loc”.
Ce vrem să trecem în revistă în acest articol:
- baza teoretică a teoriei Big Bangului;
- problemele teoriei.
Baza teoretică
Cum probabil înțelegem toți, teoria Big Bangului nu are la bază observația, ci reprezintă o soluție a ecuațiilor teoriei relativității generale a lui Einstein.
Einstein a ajuns la concluzia că gravitația nu este o forță care să acționeze instantaneu între corpuri (cum crezuse Newton), ci o distorsiune (curbare) a spațiu-timpului produsă de masă și energie.
Einstein și-a cuantificat ideea cu ajutorul geometriei diferențiale, ecuațiile sale folosind tensori, fiecare având 10 posibilități, așadar fie ecuație fiind un ansamblu de 10 ecuații. Soluțiile multiple ale ecuațiilor indică multiple universuri posibile; trebuie selectate cele care se potrivesc cu ce știm despre univers.
Pentru simplitate, se consideră că universul este izotrop (arată la fel în orice direcție) și este omnicentric (arată la fel de oriunde l-am privi). Asta înseamnă, așadar, că universul este omogen, la fel în orice punct, ceea ce, desigur, este o aproximare, căci în univers avem zone de densitate mare a materiei și zone de densitate foarte mică.
Structura la scară mare a universului. Filamente şi viduri cosmice
Când și-a finalizat Einstein teoria generală a relativității, în 1915, se știa că universul este etern și neschimbător, așadar static. Dar teoria prezicea că gravitația ar atrage laolaltă materia din univers, forțând practic universul să se „închidă”, să se contracte. Așa că Einstein a fost nevoit să introducă o constantă universală în ecuațiile de câmp, constantă pe care a denumit-o „lambda”. Trebuia să mențină universul static. Apoi, între 1929 și 1931 Edwin Hubble a arătat că universul se află totuși în expansiune, iar Einstein a renunțat la constanta sa. Dar un univers în expansiune trecea de la mic la mare, și mergând către mai mic se ajunge la... un punct. Universul infinit de azi părea să se fi născut dintr-un punct inițial.
Dovezi pentru Big Bang
Există o deplasare spre roșu a corpurilor cerești (adică o depărtare de noi cu o viteză din ce în ce mai mare) care a fost observată cu ajutorul telescoapelor. Astfel s-a definit constanta Hubble, care indică raportul dintre viteza cu care corpurile cerești se depărtează și distanță.
Există o „mare” de fotoni prezentă în tot universul, cunoscută sub numele de radiație cosmică de fond, cu o temperatură de 2,73 K. Temperatura scade pe măsură ce universul se extinde.
Harta radiaţiei cosmice de fond
Există o abundență de atomi ușori în univers (75% - hidrogen, cel mai ușor element). Aceste elemente ușoare s-au format la începutul universului.
Probleme ale teoriei
Fizicienii au speculat că luând în calcul temperatura ridicată și energia plasmei de după Big Bang, ar fi trebuit să apară monopoli magnetici (particule cu un singur pol magnetic), ceea ce nu s-a observat până în prezent.
Pământul are o densitate de 1030 mai mare decât densitatea medie a universului, iar galaxia noastră o densitate de 106 mai mare. Teoria Big Bang nu explică de ce universul nu reușește să atingă o stare de omogenitate deplină, permițând formarea de sisteme solare, planete etc.
Radiația cosmică de fond reprezintă fotonii care s-au decuplat de plasmă la 380 mii de ani după nașterea universului. Teoria nu explică de ce această radiație este astăzi foarte aproape de a fi izotropă (aceeași temperatură peste tot în univers), dat fiind că se presupune că la momentul decuplării fotonii aveau totuși energii diferite.
Teoria inflației
Teoria inflației vine cu o posibilă soluție la problemele de mai sus. În acest articol poți citi pe larg de ce teoria inflației poate fi o soluție la problemele teoriei Big Bangului.
Formarea universului constă din două perioade care trebuie delimitate foarte bine: perioada de inflație cosmică și apoi Big Bangul. Inflația din universul timpuriu nu reprezintă așadar Big Bangul, ci îl precede, creând condițiile necesare pentru Big Bang.
Prin inflație se rezolva problema omogenității, căci neregularitățile ce ar fi apărut după Big Bang au fost atenuate pe timpul inflației.
Monopolii magnetici nu au fost identificați pentru că universul este enorm, iar regiunea noastră de univers este prea mică pentru a găsi unul.
Radiația cosmică de fond este izotropă pentru că în perioada inflației toții fotonii au fost în contact unii cu alții, ajungând la o temperatură uniformă.
Primul care a propus această teorie a fost Alan Guth, care a renunțat la ea după un an, pentru că producea puncte de neomogenitate care nu sunt observate în univers. Dar teoria a fost preluată și modificată de alți fizicieni, ca Andreas Albrecht sau Andrei Linde. Una peste alta, teoria inflației este astăzi acceptată de bună parte dintre fizicieni.
Mai trebuie spus că teoria relativității își pierde valabilitatea pentru momentele de început ale universului, când se consideră că acesta avea o densitate și o curbură a spațiu-timpului infinite. În plus, principiul incertitudinii din mecanica cuantică spune că nimic nu poate fi cunoscut înainte de 10-43 secunde, timpul Plank. Deci începutul universului pare să rămână învăluit în mister...
