În urmă cu aproximativ un secol, oamenii de știință încercau să rezolve ceea ce părea o contradicție în teoria relativității generale formulate de Albert Einstein. Publicată în 1915 și deja larg acceptată în întreaga lume de fizicieni și matematicieni, teoria presupunea că universul este static – neschimbător, nemișcat și imuabil. Pe scurt, Einstein credea că dimensiunea și forma universului au fost, mai mult sau mai puțin, aceleași dintotdeauna.
Însă când astronomii au privit cerul prin telescoape puternice, observând galaxii îndepărtate, au descoperit indicii că universul este orice altceva decât static. Aceste noi observații sugerau contrariul: universul se extinde.
Curând oamenii de știință și-au dat seama că teoria lui Einstein nu spunea, de fapt, că universul trebuie să fie static; teoria permitea și un univers în expansiune. Folosind aceleași instrumente matematice oferite de teoria lui Einstein, cercetătorii au creat noi modele care arătau că universul este, de fapt, dinamic și în evoluție.
Am petrecut decenii încercând să înțeleg relativitatea generală, inclusiv în actualul meu rol de profesor de fizică, unde predau cursuri pe această temă. Știu că a-ți pune în ordine gândurile în jurul ideii unui univers în continuă expansiune poate părea descurajant, iar o parte a provocării vine din faptul că trebuie să-ți depășești intuițiile naturale despre cum funcționează lucrurile. De exemplu, este greu să ne imaginăm că ceva atât de mare precum universul nu are un centru, dar fizica ne spune că aceasta este realitatea.
Spațiul dintre galaxii
Mai întâi, să definim ce înseamnă „expansiune”. Pe Pământ, „a se extinde” înseamnă că ceva devine mai mare. Și, în ceea ce privește universul, acest lucru este adevărat într-un fel. Expansiunea poate însemna și „totul se îndepărtează de noi”, ceea ce, de asemenea, este adevărat în ceea ce privește universul. Dacă îndrepți un telescop spre galaxii îndepărtate, toate par să se îndepărteze de noi.
Mai mult, cu cât sunt mai departe, cu atât par să se miște mai repede. Aceste galaxii par, de asemenea, să se îndepărteze unele de altele. Așadar, este mai corect să spunem că totul în univers se îndepărtează de tot restul, simultan.
Această idee este subtilă, dar esențială. Este ușor să ne imaginăm crearea universului ca pe niște artificii care explodează: începe cu un Big Bang și apoi toate galaxiile zboară în toate direcțiile dintr-un punct central.
Dar această analogie este greșită. Nu doar că sugerează în mod fals că expansiunea universului a început dintr-un singur punct, ceea ce nu este adevărat, dar implică și că galaxiile sunt cele care se mișcă, ceea ce nu este întru totul corect.
Nu galaxiile se îndepărtează neapărat unele de altele, ci spațiul dintre galaxii, structura fundamentală însăși a universului, se extinde continuu, pe măsură ce timpul trece.
Cu alte cuvinte, galaxiile nu se mișcă propriu-zis prin univers; mai degrabă, universul însuși le poartă din ce în ce mai departe, pe măsură ce se dilată.
O analogie des întâlnită este să ne imaginăm că lipim câteva puncte pe suprafața unui balon. Pe măsură ce suflăm aer în balon, acesta se umflă. Deoarece punctele sunt lipite de suprafață, punctele se îndepărtează unele de altele. Deși par să se miște, punctele rămân de fapt exact acolo unde au fost puse, iar distanța dintre ele crește pur și simplu din cauza expansiunii balonului.
Acum, gândește-te la puncte ca fiind galaxii, iar la balon ca fiind structura universului – și începi să înțelegi despre ce este vorba.
Din păcate, deși această analogie e un bun punct de plecare, ea nu surprinde toate detaliile în mod corect.
A patra dimensiune
Un aspect esențial al oricărei analogii este să-i înțelegem limitele. Unele defecte sunt evidente: un balon e suficient de mic încât să încapă în mână; nu și universul. Altă imperfecțiune este mai subtilă: balonul are două componente, adică suprafața de latex și interiorul umplut cu aer.
Aceste două părți ale balonului sunt descrise diferit în limbajul matematicii. Suprafața balonului este bidimensională. Dacă ai merge pe ea, ai putea să te deplasezi înainte, înapoi, la stânga sau la dreapta, dar nu ai putea merge în sus sau în jos fără să părăsești suprafața.
Poate părea că am numit patru direcții - înainte, înapoi, stânga și dreapta – dar, în realitate, sunt doar două direcții fundamentale: lateral și înainte-înapoi. Asta face ca suprafața să fie bidimensională: lungime și lățime.
Interiorul balonului, în schimb, este tridimensional, așa că te-ai putea mișca liber în orice direcție, inclusiv în sus sau în jos: lungime, lățime și înălțime.
Aici apare confuzia. Ceea ce considerăm „centrul” balonului este un punct undeva în interiorul său, în spațiul umplut cu aer de sub suprafață.
Dar, în această analogie, universul este mai degrabă ca suprafața de latex a balonului. Interiorul plin cu aer nu are un echivalent în universul nostru, așa că nu putem folosi acea parte a analogiei; contează doar suprafața.
Așadar, întrebarea „unde este centrul universului?” e oarecum similară cu întrebarea „unde este centrul suprafeței balonului?”. Pur și simplu nu există unul. Ai putea călători pe suprafața balonului în orice direcție, oricât ai vrea și nu ai ajunge niciodată într-un loc pe care să-l poți numi centru, pentru că nu ai părăsi niciodată suprafața.
În același mod, ai putea călători în orice direcție în univers și nu ai găsi niciodată un centru, pentru că, la fel cu suprafața balonului, acesta pur și simplu nu are unul.
O parte din motivul pentru care este atât de greu de înțeles asta ține de felul în care universul este descris în limbajul matematicii. Suprafața balonului are două dimensiuni, iar interiorul său are trei, dar universul există în patru dimensiuni. Pentru că nu e vorba doar despre cum se mișcă lucrurile în spațiu, ci și despre cum se mișcă în timp.
Creierul nostru este format să gândească spațiul și timpul separat. Dar în univers, ele sunt împletite într-o singură structură, numită „spațiu-timp.” Această unificare schimbă modul în care funcționează universul, în raport cu ceea ce ne așteaptă intuiția.
Și această explicație nici măcar nu începe să răspundă la întrebarea cum poate ceva să se extindă la nesfârșit; oamenii de știință încă încearcă să înțeleagă ce anume alimentează această expansiune.
Așadar, atunci când întrebăm despre centrul universului, ne confruntăm cu limitele intuiției noastre. Răspunsul pe care îl găsim – totul se extinde peste tot, în același timp – este o fereastră către cât de ciudat și frumos este, de fapt, universul nostru.
Traducere după Where is the center of the universe? de Rob Coyne, profesor de fizică, University of Rhode Island
