Viitorul misterios al Universului şi cosmologia contemporană

Descoperirea faptului că Universul nu este static şi etern a dat naştere, firesc, multor întrebări. Dintre cele mai misterioase, cu siguranţă sunt cele ce privesc felul în care Universul va evolua în viitor. Până când se va desfăşura această extindere? Este expansiunea Universului accelerată sau, dimpotrivă, încetinită? Cosmologii afirmă că răspunsurile la aceste întrebări sunt greu de obţinut. Se pare că nici acumularea unor date precise despre evoluţia lui actuală şi nici chiar acoperirea golurilor existente în câmpul teoriilor ştiinţifice nu vor putea garanta cunoaşterea precisă a evoluţiei Universului în viitorul îndepărtat.

Care este viitorul Universului?

Expansiunea Universului este considerată cea mai mare descoperire a secolului al XX-lea. Observaţiile efectuate în anii 1920 şi 1930 au arătat că galaxiile se îndepărtează unele de altele şi că Universul se extinde. Modelul clasic al universului infinit şi etern, care a dominat multe secole lumea teoriilor ştiinţifice şi filosofice, a fost în final înlocuit. Tehnologiile de vârf au permis apoi, în deceniile următoare, o serie întreagă de descoperiri care au arătat că Universul în care trăim este dinamic, şi că, foarte probabil, el are un început şi un anumit parcurs în istorie.

Viitorul Universului este ascuns în cele mai dificile întrebări

Modelul Universului în expansiune pune un hotar în istoria lui: momentul exploziei iniţiale (Big Bang). Prin aceasta, cum s-a mai spus în rubricile noastre, lumea ştiinţifică s-a apropiat, în mod neaşteptat, de perspectiva creştină izvorâtă din Revelaţie şi afirmată cu tărie de gândirea patristică, anume că spaţiul, timpul şi întreaga lume văzută sunt contingente.

În cosmologia actuală, explicaţia cea mai bună pentru extinderea Universului ţine chiar de impulsul exploziei iniţiale, impuls considerat suficient de puternic încât a reuşit să „împingă“ spaţiul odată cu marile aglomerări de materie, şi care îndepărtează încă galaxiile şi clusterii în toate direcţiile.

Cosmologia are mai multe scenarii pentru viitorul Universului. Dacă expansiunea lui este accelerată, ar însemna că întreaga cantitate de energie­materie existentă în Univers va fi dispersată într­un volum din ce în ce mai mare, sfârşind, în cele din urmă, într­o stare dezagregată şi rece. Dacă, dimpotrivă, expansiunea Universului este încetinită, atunci teoria prescrie că, într­un viitor îndepărtat, va apărea un moment în care el să se oprească. În această situaţie, sub acţiunea gravitaţiei, Universul s-ar putea „întoarce“ pe drumul istoriei sale, în sens invers, colapsând, în final, într­o mare explozie (Big Crunch).

Pentru a elucida felul în care va evolua Universul în viitor, cosmologii caută răspunsuri pentru câteva întrebări considerate, pe bună dreptate, dintre cele mai dificile care au preocupat ştiinţa, în întreaga istorie a omenirii.

O întreprindere îndrăzneaţă: măsurarea şi cântărirea Universului

Materia nu este distribuită uniform în Univers, ci variază în funcţie de zonele de spaţiu. De exemplu, faţă de aerul atmosferei, cu o densitate de 1019 atomi/cm3, sau faţă de vidul obţinut în laborator, de 104 atomi/cm3, spaţiul extraterestru are o densitate de 10 atomi/cm3. În spaţiul interstelar, numărul de atomi este chiar mai mic.

Pe de altă parte, experienţa directă confirmă că, pe măsură ce distanţa faţă de Pământ creşte, intensitatea atracţiei lui gravitaţionale scade. În fine, mai trebuie spus că pe măsură ce corpurile au mase mai mari, gravitaţia lor este mai intensă. În mod similar, o eventuală estimare a atracţiei gravitaţionale la nivelul întregului Univers, care să arate cât de mult este „frânată“ expansiunea lui, ar trebui să ţină seama de două aspecte: masa totală a Universului - toată materia şi radiaţia, particulele şi câmpurile ce interacţionează gravitaţional existente în el - şi volumul în care este ea distribuită¹.

Cum ar putea fi estimată interacţiunea gravitaţională existentă la nivelul întregului Univers? Pentru a face o apreciere corectă, ar fi necesar un recensământ al tuturor „contributorilor“ materiali, de tipul particulelor sau câmpurilor care „contează“ gravitaţional (adică cele ce au masă nenulă) ². Situaţia este însă deosebit de complicată, întrucât, pe lângă identificarea tuturor tipurilor de particule sau a formelor de energie existente, mai sunt necesare şi estimările corecte ale ponderilor pe care acestea le au în Univers.

O materie străină ascunsă în galaxii

Există mai multe tipuri de „contributori“ materiali în Univers. Unii sunt vizibili, alţii nu, unii au proprietăţi cunoscute, alţii există doar în mod ipotetic, fără nici o dovadă experimentală.

La nivel terestru, structura materiei este destul de bine cunoscută. Un gaz mai uşor decât aerul, o piatră sau un alt lucru material sunt făcute din atomi. Lista atomilor existenţi la nivel terestru nu este prea lungă, chimia identificând, în bogăţia de forme şi culori prezente în natură, aproape 100 de tipuri. La rândul lor, cum bine se ştie, atomii sunt alcătuiţi prin combinaţiile a trei particule fundamentale: protonul, neutronul şi electronul.

Însă, încă din secolul trecut, s-a descoperit că materia din Univers nu este constituită doar în acest fel de particule. Încercând să integreze rezultatele mecanicii cuantice şi relativitatea restrânsă, Paul Dirac (laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în 1933) a obţinut un rezultat neaşteptat, potrivit căruia, în afara materiei cunoscute, există şi altceva, semnificativ diferit de materia întregii lumi terestre: antimateria. Timpul avea să scoată la iveală şi dovezile care au adeverit predicţiile lui Dirac. În radiaţiile cosmice au fost detectate primele particule de antimaterie (pozitronul).

Astăzi ştim că între materie şi antimaterie există raporturi interesante. De exemplu, pozitronul are aceeaşi masă cu electronul, însă sarcina lui electrică este pozitivă, şi nu negativă, aşa cum este cea a electronului. Totuşi, chiar dacă sarcina electrică a antiparticulelor este opusă, aceasta nu înseamnă că toate caracteristicile lor sunt opuse. De exemplu, masa unui bulgăre de antimaterie nu este negativă, şi nici gravitaţia lui nu este repulsivă. În esenţă, se poate spune că prin caracteristicile lor, antiparticulele şi particulele se situează, unele în raport cu altele, într­un fel de simetrie.

Penurie de antimaterie în Universul observabil

Iniţial, în baza unor considerente teoretice, s-a afirmat că materia şi antimateria din Univers ar fi egale în cantitate, fiind rezultatul unor procese caracterizate de simetrie. Rămânea însă neclar cum ar putea ca cele două să existe din abundenţă în Univers, câtă vreme este deajuns ca puţine grame de materie şi antimaterie să fie puse în contact pentru a declanşa o explozie devastatoare. Aşa cum am menţionat şi cu un alt prilej, dacă în Univers cantităţile celor două ar fi fost comparabile, foarte probabil materia s­ar fi anihilat cu antimateria, lăsând în urmă un Univers plin de radiaţii, dar fără materie, fără galaxii, stele sau planete³.

Cu timpul, s-a putut observa însă, că în Univers nu există prea multe antiparticule, cu excepţia celor detectate în radiaţiile cosmice (antiprotonii şi pozitronii). Este adevărat că recent au apărut unele dovezi despre existenţa unor fântâni de pozitroni (antimaterie), în fluxurile extrem de intense de radiaţii gamma ce sunt emise, probabil, de găurile negre masive din vecinătatea centrului Căii Lactee⁴. Procesele care dau naştere radiaţiilor gamma sunt de departe cele mai violente din întreg Universul observabil, întrucât acestea au strălucirea a 100 de milioane de galaxii⁵! În câteva secunde, astfel de explozii radiază mai multă energie decât poate emite Soarele în 10 miliarde de ani⁶! Totuşi, chiar şi aceste fenomene limită, ce depăşesc în intensitate tot ceea ce putem măsura în sistemul nostru solar, şi zonele învecinate nu produc un număr semnificativ de antiparticule care să rezolve „penuria“ de materie întunecată din Universul observabil.

De fapt, o serie de rezultate vin astăzi în sprijinul ideii că în Univers cantitatea de antimaterie nu este echivalentă cu cea de materie, pentru faptul că legile fizicii nu sunt exact aceleaşi pentru particule şi antiparticule.

Însă, în privinţa viitorului pe care îl va avea Universul, pe lângă aprecierea corectă a raportului dintre materie şi antimaterie, este necesară şi o apreciere corectă a „contribuţiei gravitaţionale“ a antimateriei, iar acestea necesită eforturi tehnologice şi teoretice semnificative.

Materia invizibilă a Universului

Însă, fizica a scos la iveală şi alte surprize. Pe lângă materia şi energia bine cunoscute (atomii cu particulele fundamentale care îi alcătuiesc, radiaţiile electromagnetice şi celelalte interacţiuni), şi pe lângă antimateria de care am pomenit mai sus, în Univers, foarte probabil, mai există şi alte forme de materie, încă necunoscute.

Ştim deja că galaxiile prezintă densităţi foarte scăzute de materie. Stelele, praful şi gazul intergalactic sunt extrem de rarefiate în orice tip de galaxie. Pentru a sugera cât de rarefiată este materia în galaxia noastră, de exemplu, se poate face o analogie. Dacă reducem dimensiunile sistemului solar la un cerc cu raza de 800 de metri (astrul nostru fiind în acest caz ceva mai mare decât o minge de baschet), atunci distanţa până la cea mai apropiată stea, o altă minge de baschet, este de 10.000 de kilometri!

Tot aici trebuie spus că pentru interacţiunea gravitaţională există o bună descriere matematică, verificată de-a lungul secolelor şi îmbunătăţită semnificativ de formularea propusă de Albert Einstein în secolul trecut. Pe baza ei, acum se pot calcula cu mai multă precizie orbitele aştrilor sau traiectoriile cometelor.

Totuşi, descrierea actuală a gravitaţiei nu reuşeşte să facă lumină într-o serie de date observaţionale clare. Despre ce este vorba? Stelele sunt corpuri masive, aflate într­o mişcare de rotaţie în jurul centrului galaxiei, cu viteze foarte mari. Judecând după materia vizibilă din galaxii, forţele atractive, ce pot fi apreciate destul de bine, se dovedesc a fi insuficiente pentru a ţine stelele pe orbite. Vitezele lor de deplasare sunt prea mari, încât ar trebui ca „prinsoarea“ gravitaţiei să nu le poată ţine în galaxii. Mai corect ar fi ca ele să-şi părăsească traiectoriile şi, în cele din urmă, galaxia. În realitate însă, nu se întâmplă aşa.

Mai mult chiar, observaţiile arată că în jurul centrului galaxiei, stelele au viteze de rotaţie cu atât mai mari cu cât sunt mai distanţate de el. Galaxia seamănă mai mult cu un disc dur în rotaţie (având viteze mai mari la periferie decât în centru), decât cu un vârtej de gaz (unde vitezele de la periferie sunt mai mici decât cele din centru). Cum materia luminoasă este, potrivit observaţiilor, mult prea rarefiată pentru a asigura „consistenţa“ discului galactic, vine firesc întrebarea ce anume ţine stelele în galaxii? Ei, bine, nici formularea lui Newton, nici cea a lui Einstein nu au vreun răspuns la această întrebare.

Partea ascunsă a Universului. Problema materiei întunecate

În soluţionarea chestiunii, cosmologii au luat în considerare ipoteza existenţei altor „contribuabili“ misterioşi, ce scapă observaţiei directe. Este vorba de o nouă formă de materie, complet necunoscută (materia întunecată).

Deşi există suficiente dovezi care înclină spre validarea existenţei materiei întunecate, totuşi, sunt încă mult prea puţine date referitoare la structura acesteia. Ea nu este constituită propriu­zis din atomi sau nuclee, aşa cum este cazul materiei aflate la îndemâna simţurilor noastre sau antimateriei. Mai mult, spre deosebire de antiparticulele identificate deja în radiaţiile cosmice (particulele de antimaterie), constituenţii materiei întunecate sunt complet necunoscuţi.

Este adevărat că o parte din materia întunecată este pusă acum în seama neutrinilor. Iniţial, neutrinii, particule foarte numeroase în Univers, dar şi foarte greu de detectat, nu au fost puşi pe lista „contributorilor“ gravitaţionali pentru că se credea despre ei că nu au masă de repaus (la fel cum sunt şi fotonii) ⁷. Ulterior însă, s­au obţinut date care arată că toate cele trei tipuri de neutrini cunoscute posedă masă. Pe de altă parte, ponderea lor însemnată în Univers şi faptul că sunt foarte dificil de detectat au autorizat pe cercetători să considere neutrinii ca fiind „reprezentanţi“ potriviţi pentru materia întunecată. Prin urmare, chiar dacă masa lor este foarte mică şi interacţionează slab gravitaţional, fiind totuşi numeroşi, neutrinii dau seama pentru o mică parte din materia întunecată ce există din galaxii. Pe de altă parte, şi găurile negre ar putea contribui la materia întunecată, însă până în prezent nu este clar dacă ele pot fi considerate sau nu depozite de materie întunecată⁸. Totuşi, chiar însumând contribuţia neutrinilor şi a găurilor negre la materia galaxiilor, o parte mult prea mare din gravitaţia galaxiilor rămâne încă fără vreo explicaţie.

Ţinând seama şi de alte date culese în ultimele decenii, se crede că o parte semnificativă din materia întunecată existentă în Univers ar putea fi formată şi din particule mai grele decât neutrinii⁹. În general, se estimează că cel puţin 50% din masa aflată într­un disc galactic este invizibilă. Considerând însă şi celelalte zone, aflate în afara discului, cum este cazul Căii Lactee de exemplu, procentul materiei întunecate este apreciat a fi mai mare de cinci ori decât al materiei vizibile!

În concluzie, ar trebui spus că, în ciuda faptului că ponderea ei în galaxii se poate deduce indirect, prin efectele pe care le are asupra mişcării stelelor, estimarea corectă a materiei întunecate, structura ei şi „depozitele“ în care este ascunsă sunt întrebări majore ale astrofizicii contemporane.

Un mister şi o fractură majoră în cosmologie

În fine, la toate acestea se mai adaugă alte două probleme, la fel de dificile. Prima dintre ele priveşte soluţionarea unei rupturi între două teorii ştiinţifice de mare succes. Ea vizează realizarea unei teorii care să includă deopotrivă teoria gravitaţiei şi rezultatele mecanicii cuantice - teorii de notorietate în lumea ştiinţelor, care au fost validate în repetate rânduri pe cale experimentală, în ultimul secol. Deşi sunt considerate teorii corecte, nici una dintre ele nu face referire în vreun fel la rezultatele celeilalte, fiind mai degrabă complet desfăcute una de cealaltă. Potrivit principiului de incertitudine al lui Heisenberg, de exemplu, chiar şi spaţiul gol este plin cu perechi virtuale particulă­antiparticulă. Aceasta ar însemna că în spaţiul gol stă ascunsă o cantitate imensă de energie. Însă, conform rezultatelor relativităţii, o asemenea cantitate de energie, la fel ca şi un corp cu masă infinită, ar trebui să curbeze spaţiul­timp către o dimensiune infinit de mică¹⁰. În realitate însă, acest fapt, desigur, nu se verifică.

În fine, în lista problemelor majore ale cosmologiei, putem adăuga o ultimă provocare, de dată mai recentă. Ea pleacă de la o serie de observaţii făcute în 1998, ce sugerează că Universul este în expansiune accelerată! Misterul se leagă de felul în care este „alimentată“ această expansiune accelerată. În aceste condiţii, în scenariul ce încearcă să descrie starea actuală a Universului, a fost necesară introducerea unui „rol“ nou, o altă formă de energie, distinctă de materia-energia cunoscute, de antimaterie şi de materia întunecată. Este vorba despre energie întunecată. Odată cu ea, au intrat în cosmologie o serie de sub-probleme extrem de dificile, care necesită explicitări teoretice şi multe observaţii de mare rezoluiţie.

Viitorul Universului este învăluit în mister

Toate aceste probleme dezvăluie o parte semnificativă din dificultăţile şi complexitatea de care se leagă aprecierea privind viitorul Universului. În spatele fiecărei necunoscute din cele pomenite aici se află un întreg lanţ de necunoscute mai mici şi un şir întreg de condiţii tehnologice care trebuie luate în considerare pentru a găsi şi a testa răspunsurile potrivite. Conturarea unei descrieri despre viitorul Universului se leagă strâns de aprecierea corectă a tuturor „contributorilor“ materiali din Univers pentru a putea aprecia cât de mult va frâna gravitaţia expansiunea lui. Plecând de la toate acestea, unii cercetători consideră că omenirea nu va putea niciodată să descrie precis viitorul universului. Observaţiile „nu vor fi niciodată îndeajuns de riguroase“¹¹ încât ele nu pot oferi un suport suficient de bun pentru astfel de aprecieri.

Note:

1 Acest raport, între masa totală şi volumul întregului Univers în care este distribuită, furnizează densitatea de masă.

2 Relaţia de echivalenţă dintre masă şi energie din relativitatea restrânsă arată că şi energia trebuie luată în considerare în calculul densităţii de masă a Universului. Gravitaţia nu însoţeşte doar corpurile materiale, ci se manifestă pretutindeni unde există câmpuri de interacţiuni. (La limită, s-ar putea considera că şi lumina curbează spaţiul!)

3 Stephen W. Hawking, Scurtă istorie a timpului. De la Big Bang la Găurile Negre, Editura Humanitas, 2006, p. 98.

4 Cf. Konstantin Zioutas et. al., „What is Dark Matter made of?“, în rev. Science, 26 noiembrie (2004), pp. 1485-1486.

5 Cf. Steve Nadis, „Do cosmic flashes reveal secrets of the infant Universe ?“, în rev. Astronomy, 00916358, vol. 36, nr. 6, iunie (2008).

6 Cf. Talcott Richards, „Top 10 discoveries of the last 35 years“, în rev. Astronomy, 00916358, vol. 36, nr. 8, august (2008).

7 Aceasta înseamnă că pentru fiecare atom din Univers există aproximativ 100 de milioane de neutrini. Trinh Xuam Thuan, Melodia secretă. şi omul a creat Universul, Editura XXI: Eonul Dogmatic, Bucureşti, 2005, p. 159.

8 Eugeniu Toma, Noi şi Universul, Editura Tehnică, Bucureşti, 2000, p. 150.

9 Bertram Schwarzschild, „New Cosmic Microwave Background Results Strengthen the case for Inflationary Big Bang Cosmology“, în rev. AAPPS Bulletin (The Association of Asia Pacific Physical Societies Bulletin), vol. 16, nr. 5, octombrie (2006), pp. 13-16.

10 Stephen W. Hawking, op. cit., p. 94.

11 John D. Barrow şi Frank Tipler, Principiul Antropic Cosmologic, Editura Tehnică, Bucureşti, 2001, p. 463.