Un singur Univers sau mai multe universuri?

Descoperirea recenta a unor unde gravitationale de la începuturile timpului are implicatii cosmologice majore. John Gribbin ne arata cum ne-ar putea confirma asta faptul ca Universul nostru este doar unul din multe altele.

Un singur loc de pe planeta poate fi considerat „cel mai potrivit” pentru observarea genezei Universului: Polul Sud. Frigul (termometrul arata rareori peste -30 °C) face ca aerul de aici sa fie întotdeauna limpede – ideal pentru detectarea urmelor infinitezimale de energie ramasa de la nasterea exploziva a Universului.

Drept urmare, în zona au fost amplasate nu unul, ci trei telescoape care cauta sa cartografieze minusculele urme de radiatii împrastiate în imensitatea spatiului – asa-numita radiatie cosmica de fond (RCF).

Unul dintre aceste telescoape, BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2), si cercetatorii care-l opereaza au depistat la începutul acestui an undele gravitationale de care vorbeam la început, confirmând teoria inflatiei cosmice formulata de Einstein.

Inflatia descrie felul în care a luat nastere Universul nostru si totodata sugereaza ca si alte universuri ar putea aparea în acelasi mod. Orice dovada care sprijina inflatia este (cel putin circumstantial) si o dovada în favoarea Multiversului. Si exact o astfel de dovada sustin ca au gasit cercetatorii BICEP2.

Big Bangul s-a produs dupa inflatie, creând primele particule

Ceva din nimic

Teoria Big Bangului este una dintre cele mai solide teorii din cosmologie. Ea arata cum Universul a crescut dintr-o singularitate superdensa si superfierbinte, eveniment supranumit Big Bang, ajungând în starea pe care o cunoastem astazi, cu stele, galaxii si tot ce mai putem observa.

Ideea este aproape unanim acceptata înca din anii ’80, desi nici acum nu se stie cu certitudine cum a ajuns Universul în acea stare fierbinte si densa – sau ce s-a întâmplat înainte de Big Bang.

Cosmologul american Alan Guth a fost primul care a propus ca explicatie un proces numit separare simetrica, similar celui în urma caruia aburul elibereaza caldura latenta când se condenseaza si formeaza apa, care ar fi emanat energie în prima fractiune de timp si ar fi împins Universul într-o faza de expansiune rapida numita inflatie, încheindu-se cu Big Bangul (oamenii confunda adesea Big Bangul cu inflatia, dar e crucial sa lamurim ca inflatia s-a produs înainte de Big Bang).

În cursul inflatiei, dimensiunea Universului a crescut exponential, dublându-se la fiecare sutime de trilionime de trilionime a unei trilionimi de secunda.

Ideea a fost dezvoltata în continuare de teoreticianul Andrei Lunde, un american de origine rusa, precum si de alti fizicieni, în încercarea de a explica aparitia „din nimic” a Universului nostru.

Teoria se bazeaza pe ideea fluctuatiei cuantice si pe faptul aparent straniu ca energia unui câmp gravitational este negativa.

Potrivit fizicii cuantice, particulele pot aparea din nimic, atât timp cât dispar într-o perioada extrem de scurta.

De pilda, o pereche electronpozitron ia fiinta „împrumutând” energie din vid si dispare prompt (într-o fractiune de fractiune de secunda), „restituind” respectiva energie.

Astfel de particule sunt cunoscute ca „virtuale” si desi nu pot fi observate direct influenta lor poate fi dedusa din modul în care interactioneaza particulele „reale”.

Esential de înteles este ca fluctuatiile cuantice sunt cu atât mai efemere cu cât implica mai multa masa. Deci o pereche proton-antiproton nu poate fiinta mai mult timp decât una electron-pozitron etc….

Aici este punctul unde energia negativa devine utila. Daca ne imaginam toti atomii care alcatuiesc Soarele împrastiati pe o distanta infinita, energia lor gravitationala ar fi zero, deoarece forta gravitationala este egala cu 1 împartit la patratul distantei dintre ele. Dar daca particulele sunt aglomerate într-o stea, ele se vor agita reciproc si se vor încinge pe masura ce elibereaza energie gravitationala, transformând-o în energie cinetica (iar stelele chiar se formeaza în urma unui proces similar).

Câmpul gravitational a plecat de la o energie nula, ajungând în final la o valoare energetica negativa. Un calcul simplu arata ca daca toata materia stelara ar fi comprimata într-un punct, valoarea energiei gravitationale eliberate ar fi egala cu energia-masa a stelei, conform celebrei ecuatii a lui Einstein. Asta înseamna ca, în acel moment, energiamasa a materiei este anulata de energia sa gravitationala negativa. Am obtine o bobita de materie având masa unei stele si energie totala zero.

Într-un sens, asta înseamna ca putem face o stea din absolut nimic, ca o aglomerare de materie departata fata de un punct referential. Daca vi se pare aiuritor, nu sunteti caz singular.

Într-o zi, când fizicianul George Gamow i-a pomenit aceasta idee lui Albert Einstein, „Einstein s-a oprit brusc din mers si, pentru ca eram în mijlocul unei sosele, mai multe masini au frânat pentru a nu ne lovi”, îsi aminteste Gamow.

Principiul aplicabil unei stele este valabil pentru întregul Univers.

Potrivit fizicii cuantice, o fluctuatie care contine întreaga masa- energie a Universului poate aparea din absolut nimic ca o „samânta” mica, superdensa. Daca asta ar fi însemnat „împrumut” de energie, ca în situatia perechii electron-pozitron, fluctuatia ar fi trebuit sa dispara rapid, returnând vidului „împrumutul”.

Dar întrucât masa-energia este echilibrata perfect de energia gravitationala negativa, durata existentei unei astfel de fluctuatii nu are vreo limita cuantica.

Se poate crede ca, prin simpla sa existenta, uriasul câmp gravitational ar zdrobi în fasa Universul embrionar – numai ca aici a intervenit inflatia.

Separarea simetrica propusa de Guth poate explica aducerea semintei cosmice în starea fierbinte de Big Bang, îngaduind si expansiunea mai lenta care a continuat multa vreme, pâna ce Universul s-a mai racit si a permis formarea de stele, planete si galaxii.

Foarte aproximativ vorbind, tot ce cuprinde Universul observabil s-a nascut dintr-o regiune mult mai mica decât un proton (de fapt, mai putin decât o miliardime de proton) si a crescut la dimensiunile unei mingi de baschet în 10-30 de secunde. Atunci s-a produs Big Bangul. „Universul este suprema masa gratuita”, spune Guth.

Universuri-baloane

Dar de ce sa ne oprim la un Univers?

Daca o fluctuatie cuantica a putut forma Universul nostru, alte fluctuatii produse chiar în el ar putea naste multe alte universuri embrionare – o idee explorata de teoreticianul Lee Smolin, de la Perimeter Insitute, din Canada. Tot el ne linisteste. Astfel de noi universuri nu vor „exploda” într-al nostru, ci se vor dezvolta în propriile lor seturi de dimensiuni, fiind legate de noi doar prin mici gauri de vierme.

Daca ipoteza lui Smolin este corecta, se prea poate sa si fabricam un univers embrionar, creând o mica gaura neagra cu ajutorul unui accelerator de particule nu mult mai puternic decât LHC. Cea mai buna expunere a stiintei din spatele acestei idei poate fi gasita în romanul Cosm, semnat de fizicianul si scriitorul SF american Gregory Benford.

Desigur, toate aceste notiuni sunt simple speculatii. Dar Linde a dezvolta o versiune mai simpla si mai putin speculativa.

O mica ajustare a ecuatiilor teoriei relativitatii generale produce o descriere matematica a unui spatiu care se largeste continuu cu o viteza care creste exponential – ceea ce Linde numeste „inflatie eterna”. Acest spatiu ar fi cosmosul de fond – tot ce exista.

În respectiva meta-lume aflata în expansiune apar sporadic regiuni în care inflatia înceteaza. Astfel de regiuni formeaza un soi de „baloane” sau „bule” într-o mare a inflatiei.

Universul nostru ar fi exact o astfel de bula, cu implicatia ca exista si alte universuri, alte „baloane”, în vastitatea marii inflationiste, precum bulele dintr-o bautura carbogazoasa.

La fel ca toate ideile stiintifice bune, aceasta duce la o predictie.

În anii scursi dupa 1980, fizicienii teoreticieni au adus multe alte variatiuni mai mult sau mai putin exotice ale ideii de inflatie, fiecare cu un numar mai mic sau mai mare de „zurgalai” – cum numesc criticii problemele.

Varianta cea mai simpla face însa si predictia cea mai clara. Dublarea continua a dimensiunilor Universului timpuriu în fractiunea de timp cât a durat inflatia a fost suficient de violenta cât sa provoace perturbari în structura spatiului, iar aceste perturbari – cunoscute drept unde gravitationale – au fost „întinse” de expansiunea care a urmat pâna la lungimi de aproape un miliard de ani-lumina.

Astfel de structuri gigantice nu ar fi putut sa apara în niciun alt fel. Distorsiunile spatiale afecteaza în mod natural lumina care le traverseaza, iar lumina primordiala care a trecut prin aceste unde gravitationale este vizibila astazi sub forma radiatiei cosmice de fond.

Potrivit teoriei inflatiei, distorsiunile produse de undele gravitationale expandate ar trebui sa se manifeste ca polarizari ale radiatiei de fond – iar polarizarea ar trebui sa fie cunoscuta tuturor celor care poseda o pereche de ochelari de soare de calitate.

În mod special, ele ar trebui sa produca asa-numita polarizare a „modului B”, care este o masura a polarizarii circulare. Si exact asa ceva a descoperit experimentul BCEP2, modelul fiind unul simplu.

Numai bun pentru viata

Rezultatul experimental se potriveste perfect versiunii de baza a modelului inflationist cu care, din fericire pentru cosmologi, este si cel mai simplu de lucrat.

Situatia permite eliminarea modelelor de Univers timpuriu care nu includeau inflatia. Alan Guth a fost încântat de stire. „Rezultatele BICEP2 sunt uluitoare. Au descoperit un semnal de unda gravitationala mai puternic decât ne asteptam. Presupunând ca rezultatul poate fi confirmat – si foarte probabil va fi – aceasta va deschide o cale cu totul noua de studiere a fizicii inflatiei”, spune el.

În cazul în care în Multivers exista si alte „universuri-bula”, este posibil ca, în trecutul îndepartat, unul sau mai multe dintre ele sa se fi ciocnit cu al nostru, cam cum doua baloane de sapun s-ar atinge si s-ar îndeparta.

Unul dintre efectele unei astfel de coliziuni ar lasa o urma slaba, dar distincta, de forma unui disc, vizibila în radiatia de fundal.

Structura ar fi prea mare pentru a putea fi vazuta cu BCEP2, dar cosmologii au calculat deja ce fel de tipare mai mici ar fi observabile în urma acestui tip de ciocnire.

Daniel Mortlock, de la Imperial College London, spune ca echipa BCEP2 „a avut grija sa evalueze cât de mari sunt sansele aparitiei aleatoare a unor posibile coliziuni între bule”. El spera ca informatiile cele mai recente, asteptate curând de la sonda spatiala Planck, sa dezvaluie tiparele anticipate.

Cel mai important aspect al descoperirii este probabil implicatia ca Universul nostru nu este unic.

Daca teoria inflatiei eterne este corecta – si toate dovezile par sa o sustina -, atunci Cosmosul nostru este doar unul printre multe altele.

Aceeasi teorie mai explica si de ce Universul în care traim ne pare atât de convenabil alcatuit pentru existenta vietii. Daca Universul ar fi unicat, aceasta situatie ar fi înca o enigma; daca numarul universurilor este infinit, unele fiind propice vietii, iar altele nu, în universurile „sterile” nu va exista nimeni care sa le remarce existenta.

Observatori exista numai în universurile „fertile”. Simplul fapt ca ne gasim aici si putem studia Universul înseamna ca traim într-unul capabil sa sustina viata.

Ce tip ti se potriveste?

Cosmologii au definit patru feluri de multivers:

Tipul I

În cazul în care cosmosul este infinit, trebuie sa existe multiple exemplare ale Universului nostru (definit ca tot ce putem vedea pîna în punctul în care expansiunea se produce la viteza luminii), separate de noi prin distante uriase. Asta pentru ca numarul modurilor de aranjare a tuturor particulelor din univers este finit, la fel ca posibilitatile de aranjare a pieselor pe o tabla de sah. Totodata, o singura tema trebuie sa aiba mai multe variatiuni, cu diferente mai mici sau mai mari fata de Universul nostru.

Tipul II

Aceasta este versiunea sprijinita de rezultatele culese de BICEP2. Universul nostru ar putea fi o bula cuprinsa într-o mare de spatiu aflat în continua expansiune. Nu avem niciun motiv sa credem ca el ar fi singura bula, deci daca aceasta idee este corecta, atunci exista nenumarate alte universuri-bula. Numai ca o singura bula din acest Multivers poate fi ea însasi un multivers de Tip I.

Tipul III

O versiune cunoscuta oricui cunoaste paradoxul pisicii lui Schrödinger.

Misterul „pisicii din cutie”, care, amenintata de un dispozitiv cuantic diabolic, este vie sau moarta, poate fi rezolvat afirmând ca exista doua universuri – unul cu pisica vie si unul cu pisica moarta.

Aplicati acelasi rationament la fiecare rezultat posibil al fiecarui eveniment cuantic posibil si veti obtine Multiversul de Tip III, cunoscut si ca „interpretarea mai multor lumi”.

Aici, universurile nu sunt separate prin întinderi de spatiu vaste, ci într-un anumit sens sunt „paralele” între ele, prin dimensiuni separate. Aceasta versiune a fost evocata în serialul Doctor Who.

Tipul IV

Acest tip de Multivers contine universuri care fac parte din asa-numitul „peisaj cosmic”.

El se bazeaza pe ideea ca însesi legile naturale fundamentale pot fi diferite în universuri diferite. „Peisajul” este ca un teren neregulat, cu diferitele puncte ale terenului reprezentând seturi de legi diferite – vaile fiind configuratii mai stabile decât dealurile.

În Universul nostru, de pilda, exista un tip de electron si trei tipuri de quarkuri la acelasi nivel de particule ca electronul.

În alt univers ar putea exista trei tipuri de electroni si unul singur de quark. Alte posibilitati sunt si mai exotice. Ideea este tare draga matematicienilor, dar majoritatea fizicienilor o resping oripilati. În comparatie cu ea, paradoxul pisicii lui Schrödinger este banal.

scienceworld.ro