Cum se face un Univers?

Stele neutronice, gravitaţie, ani-lumină, expansiunea Universului. Aceştia sunt o parte din termenii cu care astronomia se laudă şi care dau bătăi de cap multor oameni ca mine şi ca tine. Văzută din depărtare, astronomia pare a fi un domeniu rezervat strict oamenilor cu IQ-ul de peste 300, dar uite care e şmecheria: chiar dacă că nu ţi-ai dat masteratul în astrofizică, tot poţi să înţelegi lejer o grămadă de lucruri ce ţin de Universul în care trăieşti. O să te minunezi, o să caşti gura, o să uiţi să mănânci la cât de captivat o să fii!

Astronomia ne oferă o lecţie importantă despre umilinţă, dar şi despre ingeniozitatea şi imaginaţia speciei umane: un maldăr de atomi care încearcă să desluşească Universul.

Fiind captivat de mic copil de Univers, am vrut să ţi-l prezint şi să ţi-l explic aşa cum îl văd eu: de la Big Bang şi vieţile stelelor până la suişurile şi coborâşurile explorării spaţiale, am strâns cu entuziasm nişte poveşti numai bune de răsfoit. Ia să vedem... (Alex Doppelgänger)


Unul dintre lucrurile pe care le ai în comun cu un om de acum o sută, o mie, cinci mii sau zece mii de ani este că toţi v-aţi pus la un moment dat întrebarea "de unde venim?" sau, mai exact, "cum a apărut Universul?" Din fericire, asta e o întrebare la care toată lumea are un răspuns! Fie că întrebi un om de acum o sută, o mie, cinci mii sau zece mii de ani, toţi or să aibă ceva de spus.

Gata, am rezolvat-o şi p-asta, încheiem capitolul? Că mai avem de rezolvat nişte...

Nu? Mm... binee... problema e că răspunsurile astea sunt greşite, toate. Fiecare popor al lumii are în mitologia sa un mit al creaţiei, care povesteşte cum au apărut Universul, Pământul şi, fireşte, omul. Partea proastă e că fiecare dintre aceste mituri ale creaţiei face apel la o fiinţă supranaturală, a cărei existenţă nu poate fi verificată şi nici dovedită în vreun fel. Sunt mii de mituri pe Pământ, care nu pot fi verificate. De unde ştii care e cel corect? Din fericire, oamenii de ştiinţă sunt foarte curioşi prin definiţie, aşa că n-au putut sta departe de întrebarea "cum a apărut Universul?" După mii de ani de umblat pe întuneric, în sfârşit ne aflăm pe drumul cel bun, odată ce ştiinţa a preluat hăţurile.

Problema e că e foarte greu să-ţi dai seama ce s-a întâmplat în momentul naşterii Universului, asta dacă Universul a luat naştere de undeva şi nu cumva a fost aşa dintotdeauna. Până şi asta era o problemă, şi dacă lăsăm deoparte zeii şi alte fiinţe supranaturale. Pfff... de unde să începem?

În anii 1920 şi 1930, aproape orice cosmolog prefera ca Universul să fie într-o stare echilibrată eternă. Albert Einstein a avut mari bătăi de cap când şi-a dat seama prin 1917 că noua sa teorie a relativităţii generale îi spunea că Universul ori se contractă, ori se extinde, dar nu stă locului cum voiau toţi să creadă la vremea aceea. Aşa că a introdus o constantă cosmologică (un factor de umplutură), care să rezolve "problema" asta. Mai târziu, Einstein avea să scoată această constantă cosmologică, odată ce şi-a dat seama că ecuaţiile sale chiar spuneau adevărul. Câţiva ani mai târziu a afirmat că modificarea acestor ecuaţii (adică introducerea constantei cosmologice) a fost cea mai mare prostie din viaţa sa. Şi-a dat seama că a încercat să repare ceva ce nici măcar nu era stricat.


Tocmai ai ieşit pe afară, fie să te vezi cu prietenii, fie să cumperi pâine. Deodată, pe şosea, din partea dreaptă se aude sirena unei maşini de pompieri, care goneşte în direcţia ta. Pe măsură ce maşina se apropie de tine, o să observi că sunetul se modifică. El creşte în înălţime până în momentul în care maşina ajunge în dreptul tău, când atinge înălţimea maximă. După aia, pe măsură ce se îndepărtează maşina de pompieri, înălţimea sunetului scade din nou. Ce se întâmplă de fapt? Pe măsură ce maşina se apropie de tine, fiecare undă de sunet este emisă dintr-o poziţie mai apropiată de tine (observatorul) decât cea dinaintea ei. Undelor le ia din ce în ce mai puţin timp să ajungă la tine, distanţa dintre ele se micşorează, iar ele se împing una în cealaltă, se aglomerează. Când se îndepărtează maşina, se întâmplă fix opusul. Ăsta este efectul Doppler, descoperit prima oară de fizicianul austriac Christian Doppler.

Sunetul este vibraţia care se propagă într-un mediu cum e apa sau aerul, lumina este energie pură. Sunt două lucruri total diferite, ca şi cum ai compara o piatră cu sentimentul de nostalgie. Dar şi lumina are ceva foarte asemănător efectului Doppler: efectul de red-shift. Prin 1929, la patru ani după ce a demonstrat că Universul este mult mai mare decât ne imaginam, Edwin Hubble a descoperit mai multe galaxii, unele mai apropiate, altele mai îndepărtate. Era dubios, şi asta l-a surprins foarte mult, că galaxiile mai îndepărtate aveau culoarea roşiatică şi se îndepărtau de noi cu o viteză foarte mare. Erau şi unele galaxii care se apropiau, iar ele aveau culoarea albăstruie. Era fix un fel de efect Doppler, dar cu lumină! Galaxiile care se îndepărtau de noi aveau lumina înspre roşu, galaxiile care se apropiau aveau lumina înspre albastru. Hubble ştia că descoperise ceva important, dar nu ştia exact ce. Se scărpina în cap, nedumerit.

Georges Lemaître era un tip foarte inteligent. Belgian, preot romano-catolic, astronom şi fizician, avea ochii cât cepele în momentele alea şi era atent la tot ce mişcă în domeniul cosmologiei. El a spus că descoperirea lui Hubble confirma ecuaţiile lui Einstein (cele iniţiale, fără constanta cosmologică) din teoria relativităţii generale şi că Universul de fapt se extinde.


Uite, imaginează-ţi că ai un balon pe care desenezi nişte puncte cu markerul (punctele alea fiind galaxiile pe care le observase Hubble), apoi umflă balonul. O să observi, fireşte, că punctele se îndepărtează unul de celălalt, dar dacă priveşti atent, o să-ţi dai seama că ele se îndepărtează pentru că balonul se întinde. Asta a descoperit de fapt Lemaître, când a văzut că formulele lui Einstein şi descoperirea lui Hubble se pupă: galaxiile nu zburau de nebune prin spaţiu, ci spaţiul însuşi se întindea, se extindea, îndepărtând galaxiile una de cealaltă şi de noi. Ăsta a fost momentul crucial în care şi-a dat seama că de fapt Universul se extinde cu totul.

De parcă nu era de ajuns, Lemaître a mers şi mai departe şi a spus că, dacă acum Universul se extinde, înseamnă că, dacă ne întoarcem în timp suficient de mult, Universul devine din ce în ce mai mic, până ajunge un punct. Această ipoteză avea să fie numită Big Bang.

Când a fost enunţată de Lemaître, mulţi oameni de ştiinţă nici n-au vrut să audă de ideea asta caraghioasă, mai ales că le era frică de faptul că aşa vor ajunge să fie importate în fizică tot felul de concepte religioase. Era o frică îndreptăţită, fie vorba între noi. Ştiinţa n-are nevoie de explicaţii supranaturale la întrebările ei. E ironic că şi în ziua de azi sunt o grămadă de oameni ce resping Big Bang-ul, dar de data asta tocmai pentru că le contrazice religia. Dar nu sunt oameni de ştiinţă. Este extraordinar de greu ca în ziua de azi să găseşti un fizician, un astronom, un cosmolog sau un astrofizician care să respingă Big Bang-ul. Asta pentru că este modelul cosmologic care se potriveşte cel mai bine cu ce ştim: formule matematice, informaţii culese de sateliţii din spaţiu şi de telescoape, toate indică faptul că Big Bang-ul a avut loc. Este cel mai bun răspuns pe care îl avem până acum.
Mulţi oameni resping Big Bang-ul pentru că nu-l înţeleg. Da, la fel ca multe concepte din ştiinţă, este contraintuitiv şi destul de greu de înţeles. Daaar, pentru că nu eşti aici degeaba, trage aer în piept şi hai să vedem cum îi dăm de cap.

Prima chestie pe care trebuie să o ştii e că Big Bang-ul NU a fost o explozie. N-a explodat nimic. Pur şi simplu a fost o expansiune a spaţiului care s-a produs uniform şi peste tot: dintr-un singur punct s-a format tot spaţiul şi timpul de care dispunem azi. Ce a fost înainte de acel moment? Nu ştim. E imposibil să aflăm ce a fost înainte de Big Bang. De asemenea, nicio teorie a fizicii nu poate descrie ce s-a întâmplat în primul moment după ce a început, acest moment fiind numit Era Planck. Iarăşi, în momentul de faţă e imposibil să ştim. Dar vorbim doar de primul moment, fiindcă avem o imagine destul de clară a ce s-a întâmplat după.

Scala timpului pentru Big Bang se măsoară în ere, iar cuvântul "eră" te poate induce uşor în eroare, pentru că erele astea au venit şi trecut foarte, foarte repede:

Era Inflaţiei (când spaţiul a pornit să se extindă) a început la 10^-35 secunde după ce s-a declanşat Big Bang-ul (adică 0,000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.01 secunde, adică a suta miliarda parte dintr-o yoctosecundă). În timpul ăsta, Universul a ajuns de la un diametru de 10^-26 metri la 10 metri. Temperatura era de 1.000 de trilioane de trilioane ^oC, adică foarte cald.

Era Cuarcilor a început la 10^-32 secunde (a suta milionime dintr-o yoctosecundă). Au apărut particule elementare, cum sunt cuarcii (care compun protonii şi neutronii) şi anticuarcii. Universul a trecut în mai puţin de o microsecundă de la o mărime de 10 metri la 1 miliard de kilometri. Cele patru forţe fundamentale (forţa nucleară tare, forţa nucleară slabă, forţa electromagnetică şi forţa gravitaţională) s-au format şi au ajuns în starea de astăzi în mai puţin de o microsecundă.

Era Hadronilor a început la 1 microsecundă după Big Bang. Temperatura era de 10 trilioane ^oC, Universul avea deja 100 miliarde kilometri în diametru. Atunci s-au format protonii şi neutronii.

Era Leptonilor a început la 1 milisecundă după Big Bang. Temperatura era de 1 trilion ^oC, Universul avea 1 trilion km în diametru. Tot atunci au apărut electronii.

Nu e nevoie să ţii minte numerele astea, le-am pomenit doar ca să-ţi dai seama cât de WOW e totul. Toate astea s-au întâmplat în mai puţin de o secundă de la Big Bang! Pe mine m-a luat deja ameţeala. Tu cum te simţi? Sper că bine, pentru că n-am terminat.

La vreo 200 de secunde după ce a început tărăşenia, Universul avea cam 10.000 de ani-lumină în diametru (încă se extindea), avea cam 100 milioane ^oC şi era scăldat în lumină. Numai că particulele îşi tot făceau de cap şi din cauza asta totul era acoperit de o "ceaţă", iar fotonii nu puteau ieşi. Abia la 300.000 de ani după, Universul s-a răcit destul (2.700^oC) încât să se formeze atomii de hidrogen şi heliu (cele mai abundente elemente chimice din Univers, pentru că sunt şi cele mai simple), iar "ceaţa" s-a disipat. Fotonii puteau acum să călătorească nestingheriţi. Dar acum apare o problemă, una pe care mulţi oameni de ştiinţă au pus-o atunci când s-au îndoit de ipoteza lui Lemaître: unde este lumina Big Bang-ului? Ar trebui să fie peste tot acum, dacă Universul s-a extins uniform dintr-un singur punct. Noaptea ar trebui să primim lumină din toate părţile. Unde e lumina? Ce au descoperit mai încolo avea să-i dea complet pe spate.

Ai un televizor vechi prin apropiere? Sau un radio analog? Vreau să-ţi arăt ceva absolut incredibil. E foarte important să nu fie televizor sau radio digital, trebuie să fie d-alea vechi. Bun, l-ai adus aici? Porneşte-l şi dă-l între posturi. Dacă ai adus un televizor, o să vezi nişte "purici" şi o să auzi un fâşâit (white noise, îi spune); dacă ai adus un radio, o să auzi un fâşâit. În general cauţi să scapi cât mai repede de ele - când erai mic şi nu mergea televizorul şi dădeai numai de "purici" d-ăştia, îl închideai nervos şi ieşeai afară. Dar acum, după ce o să-ţi spun ce am de zis, o să vrei să tot stai să te uiţi la ei. Cam 1% din ce vezi şi auzi de la TV şi radio în momentul ăsta este lumina Big Bang-ului. Poţi vedea la TV şi auzi la radio lumina din momentul în care a apărut Universul.


Pentru a-ţi explica de unde până unde auzi şi vezi lumina Big Bang-ului la radio (şi ca să-ţi demonstrez că nu e o gogomănie ce spun), o să am nevoie să mai iei de undeva un elastic. L-ai luat? Bun. Ţine-l cu o mână de un capăt, iar cu cealaltă mână de celălalt capăt. Trage de el un pic, dar nu foarte mult. Elasticul ăsta, întins puţin, reprezintă lumina vizibilă. Ce trebuie să ştii despre lumina vizibilă este că ea e doar o mică parte din spectrul electromagnetic: adică e radiaţie, la fel ca razele X, razele gamma, ultravioletele, lumina infraroşie, microundele etc. Aici devine totul interesant: toate numele astea de mai sus au fost puse arbitrar de oamenii de ştiinţă, ca să putem să ne referim la ele. E mult mai uşor să spui "radiaţie ultravioletă" decât "undele electromagnetice cuprinse între 10 nanometri şi 100 nanometri". De fapt şi de drept, lumina infraroşie e fix acelaşi lucru ca ultravioletele sau lumina vizibilă: o undă. Doar că lumina infraroşie are o lungime de undă şi energie diferite decât ultravioletele şi lumina vizibilă. Dacă, de exemplu, iei elasticul şi-l întinzi ceva mai mult, aia este lumina infraroşie; dacă îl slăbeşti mai mult decât era iniţial, alea sunt ultravioletele. Oricum ar fi, e vorba de acelaşi elastic. La început, el e întins puţin (iarăşi, să zicem că e lumina vizibilă), dar dacă întinzi elasticul ceva mai mult, nu mai avem lumină vizibilă, ea devine microunde. Odată cu timpul, Universul s-a extins, undele de lumină s-au extins şi ele şi au trecut de la lumina vizibilă la microunde. Din cauza asta, cerul nu e scăldat în lumină vizibilă, dar aparatele pe care le folosim (TV şi radio) captează microundele în care se scaldă Universul şi ni le redau sub formă de "purici" şi white noise. "Lumina" asta se găseşte chiar în momentul ăsta în camera în care te afli. Te înconjoară.

Cea mai convingătoare dovadă a fost furnizată de satelitul WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), care a analizat tot cerul şi a realizat o hartă a radiaţiei de fond a microundelor (CMBR - Cosmic Microwave Background Radiation, o poţi găsi pe Google) în care se vede clar că această radiaţie este uniformă, oriunde te-ai uita. Tot în urma analizelor, WMAP a mai descoperit ceva uluitor: Big Bang-ul, adică naşterea Universului, a avut loc acum 13,7 miliarde de ani.


În luna august a anului 1924, orice om educat din Statele Unite ale Americii şi din Europa ştia un lucru, şi îl ştia bine: oamenii locuiesc pe o planetă care orbitează în jurul Soarelui împreună cu alte planete, formând Sistemul Solar, care la rândul lui face parte dintr-o galaxie numită întâmplător Calea Lactee. Aceasta părea a fi tot Universul.

Nu exista nimic în afara ei. Astronomii confirmau asta, aşa că era un fapt de netăgăduit. Foarte bine. Măcar atât să ne mai rămână şi nouă special, dacă Pământul nu mai era în centrul Universului. Era o zi foarte caldă din august 1924, iar oamenii care căutau să se adăpostească de dogoare şi să se răcorească habar n-aveau că lumea lor se va întoarce cu susul în jos în 4 luni. Un singur om anticipa lucrul ăsta, un om care ne-a luat frumos de mână şi ne-a arătat Universul cum nu credeam vreodată că o să-l vedem.


Povestea acestei schimbări radicale în gândire începe însă nu cu unul, nu cu doi, ci cu mii de ani înainte. Omul are în general o părere foarte bună despre el, o părere atât de bună încât la un moment dat (după ce a învăţat să rostească nişte cuvinte şi să le şi scrie) a decis de unul singur, de bunăvoie şi nesilit de nimeni, că el şi doar el a fost pus ca stăpân al Pământului, în centrul Universului. Ne-am pus singuri pe un piedestal. Îţi dai seama ce caraghioşi am fi părut pentru o fiinţă inteligentă extraterestră? Să călătorească atâta amar de ani-lumină doar ca să dea peste nişte fiinţe cu ego-ul umflat cu pompa? Voltaire s-a gândit la asta şi a scris în lucrarea sa Micromégas (o scurtă povestire science-fiction despre doi vizitatori de pe lângă steaua Sirius care ajung pe Pământ) următoarele rânduri: "Unul dintre filosofi a afirmat că el ştia întregul secret... i-a studiat pe cei doi străini celeşti din cap până în picioare şi le-a spus în faţă că ei, lumile lor, sorii lor şi stelele lor au fost create pentru unicul scop de a le fi de folos oamenilor. La această afirmaţie, cei doi călători s-au sprijinit unul de celălalt şi s-au lăsat cuprinşi de... o criză de râs."

Ăsta este modelul geocentric: teoria cosmologică, abandonată azi, conform căreia Pământul se află în centrul Universului şi toate stelele, planetele şi ce mai vrei tu orbitează în jurul nostru. Sunt o grămadă de expresii pe care le folosim în fiecare zi, care sunt rămăşiţe ale acestei gândiri: când vorbeşti de apusul sau răsăritul Soarelui, de exemplu. Din fericire, nu a fost nevoie să ne viziteze vreun extraterestru şi să ne râdă în faţă, ca să ne schimbăm părerea, deşi a durat ceva. Vezi tu, de-a lungul timpului au existat nişte oameni care bănuiau că Pământul nu e atât de special. Aristarh din Samos a fost primul om despre care ştim că a propus modelul heliocentric, teoria cosmologică, acceptată azi, conform căreia planete din Sistemul Solar orbitează Soarele. Din păcate, oamenii din Antichitate nu erau pregătiţi pentru o asemenea schimbare; nici cei de mai târziu. Asta până în 1543, când Nicolaus Copernicus a publicat cartea De revolutionibus orbium coelestium şi a demonstrat clar, cu argumente şi formule matematice, că Pământul nu are cum să fie în centrul Universului şi că el însuşi orbitează în jurul unei stele. De atunci, nimic n-a mai fost la fel, pentru că Nicolaus Copernicus (împreună cu Isaac Newton, Johannes Kepler, Galileo Galilei, Vesalius, Tycho Brahe şi Robert Boyle) tocmai dăduse startul revoluţiei ştiinţifice: momentul în care a luat naştere ştiinţa modernă. Dar lucrul ăsta nu s-a întâmplat brusc şi fără piedici, Martin Luther însuşi (un profesor de teologie care a fondat Biserica Protestantă) a spus despre cartea lui Copernicus:
"Oamenii au dat ascultare unui astrolog parvenit care s-a spetit să arate că Pământul se învârte, şi nu cerul, Soarele şi Luna... acest nebun doreşte să anuleze întreaga ştiinţă a astronomiei; dar Scriptura sacră ne spune [Iosua 10:13] că Iosua a ordonat Soarelui să stea în loc, nu Pământului."

Nu a ajutat foarte mult nici că De revolutionibus a fost scrisă mult prea tehnic, într-un limbaj greoi, de neînţeles pentru cei care nu erau astronomi avansaţi. Astfel, cartea s-a vândut foarte prost la vremea aceea. Ai zice că e un miracol faptul că a avut vreo influenţă asupra noastră, dar uite că s-a întâmplat. Se spune că niciodată nu ştii de unde sare iepurele, iar în cazul ăsta ai putea zice că e echivalentul unui iepure care a sărit viu şi nevătămat dintr-un vulcan care tocmai a erupt.

Aşa că oamenii au acceptat, în cele din urmă: "Bun, poate nu suntem în centrul Universului". Dar tot aveam ceva special! În secolul al XVII-lea se credea că poate n-om mai fi noi în centrul Universului, dar Pământul e singura "lume". Se ştia de planete încă din Antichitate, fireşte, dar ele erau nişte lumini pe cer care făceau periodic nişte bucle.
Noi, oamenii, avem o legătură specială cu planetele Sistemului Solar. Odinioară, oamenii se uitau la stele mai mult decât azi. Au privit cerul cu o intensitate ieşită din comun, timp de sute de mii de ani, minunându-se de acele stele. Şi totuşi, la un moment dat au observat ceva dubios: unele stele, pe parcursul anului, nu aveau un traseu fix. Unele stele făceau o buclă pe cer, după care îşi continuau drumul liniştite. Astronomii din Antichitate au dat un nume acelor stele: aster planetes (greaca veche), adică stele călătoare. Planetele.

Doar că, na, a trebuit să vină cineva să strice şi cheful ăsta. Adică Galileo Galilei, cu telescopul său (apropo, nu el a inventat telescopul, ci doar l-a îmbunătăţit; inventatorii acestei maşini a timpului au fost Hans Lippershey, Zacharias Janssen şi Jacob Metius), s-a uitat la un moment dat spre Lună şi alte planete şi a observat, spre marea lui surpriză, că şi ele erau lumi! Aveau munţi, cratere, nori şi (în cazul lui Saturn) nişte inele de-ţi luau ochii. Ai crede că după lovitura asta ne-am cuminţit, dar egoul uman e mai rezistent ca o fortăreaţă în bătaia unei praştii.