Imaginaţi-vă că sunteţi la comanda legilor care guvernează Universul. Aveţi în faţa dumneavoastră un panou de control, pe care se află numai câteva butoane cu care puteţi comanda valorile unor constante fundamentale. Nu vă grăbiţi să vă jucaţi cu butoanele. Misiunea dv este aceea de a proteja viaţa din Univers. Gândiţi-vă bine, atunci când umblaţi la butoane: este de ajuns ca una dintre constante să fie modificată foarte puţin, pentru ca stelele, planetele şi, implicit, viaţa să dispară… veţi crea, dacă nu sunteţi atent, un Univers trist, un pustiu în spaţiu-timp.

Da, Universul în care trăim este unul cu totul special. Legile fundamentale care îl guvernează permit apariţia unor structuri complexe, este unul îngăduitor cu viaţa. Universul acesta pare a fi foarte fin acordat, pentru ca viaţa să fie posibilă. Să fie el singurul în care viaţa poate apărea?

Multivers

the_cosmic_landscape_-_bookcoverÎn cartea „The Cosmic Landscape” Leonard Susskind vorbeşte despre Universul nostru ca despre un simplu detaliu dintr-un peisaj mai vast, pe care el preferă să îl numească Megavers. Teoria stringurilor, la care Susskind a avut o contribuţie fundamentală, vorbeşte despre 10 la puterea 500 universuri, care ar compune acest univers de universuri. Fiecare dintre ele este înzestrat cu propria sa fizică. Unele dintre aceste universuri sunt sterpe, lipsite de viaţă, dar altele ar putea permite desfăşurarea unor procese fizice şi chimice similare celor din Universul nostru.

 

O spun de fiecare dată: din punct de vedere strict ştiinţific, ideea de Multivers, sau Megavers, suferă de o mare problemă. Nu avem nici o cale să testăm existenţa sa. Universurile acestea sunt complet separate unele de altele şi nu pot transmite nici o informaţie în exteriorul lor.

Mai simplu spus, nu vom vedea niciodată cu telescopul un univers vecin nouă. Pe de altă parte, existenţa altor universuri apare ca o consecinţă firească a unor teorii, cum este teoria stringurilor, despre care am amintit mai devreme. Din păcate, nici această teorie nu a putut fi confirmată prin teste. Dar mai există o altă teorie, cea a Big Bang-ului inflaţionar, care impune existenţa altor universuri. Ea oferă o explicaţie pentru geometria Universului nostru (este euclidiană – într-un asemenea Univers suma unghiurilor unui triunghi este 180 grade) şi ne spune de ce trăim într-un Univers omogen şi izotrop.

Pe scurt, conform acestei teorii, în intervalul de timp de 10-36  şi 10-33 s, după declanşarea Big Bang-ului, volumul Universului nostru a crescut de 1078 ori! Ei bine, această teorie şi-a găsit confirmarea prin măsurătorile efectuate cu ajutorul sondei Wilkinson MAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), cea care ne-a transmis imagini emoţionante ale Universului, aşa cum arăta el la 380.000 de ani de la Big Bang. Cum teoria Big Bang-ului inflaţionar are drept corolar existenţa universurilor paralele (care s-au născut în perioada inflaţionară a Big Bang-ului), am putea afirma că avem o dovadă, indirectă, a existenţei acestora.

Totuşi, deocamdată, problema rămâne. Nu avem o testare directă a existenţei altor universuri. Asta nu înseamnă că viitorului îi va fi imposibil să ne ofere surprize în această direcţie. Max Tegmark, pe vremea aceea fiind cosmolog la Universitatea din Pennsylvania, SUA, în articolul „Multiple universes, cosmic coincidences, and other dark matters”, publicat în 2004 de către Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, propune căi de testare a teoriei Multiversului. Dar asta este o altă poveste, pe care o vom spune cu o altă ocazie. Acum vom pleca de la ideea că Multiversul este o realitate şi ne vom îndrepta către butoanele noastre.

Patru forţe fundamentale

În natură există patru forţe fundamentale. Valoarea fiecăreia dintre ele este responsabilă de proprietăţile materiei din Universul nostru. Le vom trece rapid în revistă, fără a intra în detalii.

Cea mai familiară forţă fundamentală este cea gravitaţională, care ne ţine lipiţi de suprafaţa Terrei, dar care joacă un rol extrem de important în evoluţia cosmologică a Universului. Are o rază de acţiune infinită şi acţionează numai asupra particulelor care sunt înzestrate cu masă. Este prima forţă care s-a separat de celelalte trei, la începutul Big Bang-ului.

A doua forţă fundamentală ne este şi ea familiară, este vorba despre forţa electromagnetică şi acţionează asupra particulelor care au sarcină electrică. Raza sa de acţiune este infinită. Printre altele, ea este implicată în proprietăţile ale diverselor elemente şi compuşi chimici.

A treia forţă fundamentală nu ne mai este familiară. Am îndrăzni să spunem că este una ciudată, pentru că are o rază de acţiune extrem de limitată. La distanţe mai mai mari de 10 femtometri (10-15 m) aceasta nu mai acţionează. Este vorba despre forţa tare, cea care ţine la un loc nucleonii din nucleul atomic. La scara nucleului atomic, aceasta este cea mai puternică forţă, fiind de 10-39 ori mai puternică decât forţa gravitaţională şi de 100 de ori mai puternică decât forţa electromagnetică (din acest motiv protonii pot sta împreună în nucleul atomic, fără a fi îndepărtaţi unul de altul de către forţa electrostatică).

Nici a patra forţă nu ne este una familiară. Este vorba despre forţa slabă. Ea este responsabilă de dezintegrarea radioactivă a particulelor subatomice şi de fuziunea hidrogenului în stele…

1.1 Unified Field - Pics

Nu vrem să intrăm acum în detalii. O vom face, probabil, cu o altă ocazie. Nu vrem nici să vă oferim valori numerice pentru aceste forţe. Credem că vă daţi seama de un lucru foarte important. Toate aceste forţe trebuie să fie bine reglate pentru ca lumea aceasta, Universul în care trăim, să fie prietenoasă cu viaţa. Ar fi de ajuns ca forţa gravitaţională să fie un pic mai slabă, pentru ca stelele, planetele şi galaxiile să nu se mai nască. Ar fi suficient ca forţa electromagnetică să fie ceva mai intensă, pentru ca reacţiile chimice să fie imposibile şi, mai rău, să facă imposibilă existenţa nucleelor atomice. Lista imposibilităţilor ar putea să continue pe multe pagini, dar noi ne vom opri aici.

Acum, vă invităm să vă jucaţi cu butoanele despre care vorbeam mai devreme. Sunt numai patru, aşa că nu ar trebui să fie o treabă prea complicată. Asta numai la o primă vedere. Aşa cum spuneam mai devreme, noi nu putem testa un alt univers. Ttotuşi există o cale: cea a simulărilor matematice. Dar o simulare serioasă înseamnă un volum imens de calcul la care se adaugă necesitatea cunoaşterii unui formalism matematic inaccesibil nouă, profanilor. Dar asta nu înseamnă că oamenii de ştiinţă nu sunt preocupaţi de „joaca cu butoanele” care controlează forţele fundamentale din alte universuri.

O primă încercare a fost realizată de către cercetătorii americani Roni Harnik, Graham D. Kribs, şi Gilad Perez care au publicat în Physical Review Letters, în 2006 un studiu intitulat, foarte promiţător, „A Universe Without Weak Interactions” (Un Univers fără interacţia slabă). Aşa cum vă daţi seama, în studiul lor americanii s-au îndreptat către o manevrare radicală a butonului care controlează forţa slabă. Au întors butonul ei până ce ea a căpătat valoarea zero.

Mai este posibilă viaţa într-un univers lipsit de forţa slabă? Nu uitaţi că această forţă este implicată în fuziunea hidrogenului din stele, primul pas către sinteza de noi elemente (în timpul Big Bang-ului nu au fost fabricaţi decât atomi de hidrogen, heliu şi litiu) şi către apariţia vieţii.

130102083553_1_900x600

Un univers lipsit de forţa slabă

Fără forţa slabă fuziunea nucleelor de hidrogen este imposibilă. Fără fuziunea nucleelor de hidrogen nu ar exista stele care să strălucească în acel univers ipotetic, un univers lipsit de forţa slabă. Fără stele sinteza de elemente chimice noi este imposibilă deci este imposibilă şi viaţa. Am putea să ne grăbim să afirmăm că un asemenea Univers ar fi unul trist, un pustiu dezolant. Dar noi nu ne grăbim şi, mai înainte de a merge către concluzii atât de triste, am citit lucrarea celor trei cercetători, despre care aminteam ceva mai devreme.

Dintr-o dată ne apare o rază de speranţă. Într-un asemenea univers stelele ar putea străluci. În acest caz punctul de plecare al reacţiilor de fuziune din stele nu ar mai fi nucleele de hidrogen, ci cele de deuteriu (nucleul de deuteriu este format dintr-un proton şi un neutron). Deuteriu, de unde apare acest deuteriu într-un univers lipsit de forţa slabă? Ei bine, cercetătorii americani au ajuns la concluzia că un univers lipsit de această forţă fundamentală deuteriul ar fi relativ abundent.

În Universul nostru, în perioada Big Bangului deuteriul fabricat reprezenta numai 0,001% din materie. Într-un univers lipsit de forţa slabă, în acelaşi perioadă de timp, s-ar deuteriul ar reprezenta circa 10% din masa materiei fabricate. Tocmai acest exces de deuteriu ar reprezenta cheia aprinderii stelelor din acel univers. Practic, în respectivele stele, nucleele de deuteriu ar putea fuziona şi în urma acestei reacţii vor rezulta nuclee de Heliu 3 plus energie.

Calculele sau, mai bine zis, modelările matematice arată ca stelele dintr-un univers lipsit de forţa slabă ar putea avea o masă de numai circa 2% din masa Soarelui nostru şi ar putea „funcţiona” timp de câteva miliarde de ani înainte de a se stinge, un timp suficient de lung pentru a permite vieţii să apară şi să evolueze către apariţia unor fiinţe inteligente. Aceste stele mici ar fi unele palide, aşa că planetele care s-ar afla în ceea ce numim noi „coridorul vieţii” ar trebui să orbiteze foarte aproape de astrul central.

Încă un detaliu: un observator din acel univers nu s-ar putea bucura de un cer nocturn plin de stele…

Mai există un aspect important legat de viaţa într-un univers lipsit de forţa slabă. În Universul nostru stelele sunt cele care fabrică elementele chimice care stau la baza vieţii. Când mor, ele răspândesc aceste elemente chimice în spaţiu printr-o explozie spectaculoasă, care poartă numele de supernovă. Atunci când nu mai este suficient combustibil pentru a întreţine reacţiile de fuziune nucleară, stelele masive din Universul nostru colapsează sub acţiunea forţei gravitaţionale.

În nucleul acestor stele electronii ajung să fuzioneze cu protonii iar în urma acestei reacţii rezultă neutroni şi neutrini. Numărul de neutrini generaţi pe această cale ajunge să fie atât de mare încât – în ciuda faptului că ei interacţionează foarte slab cu materia – presiunea exercitată de ei duce la explozia straturilor exterioare ale stelei aflate în agonie. Acesta este fenomenul numit supernovă, pe care noi îl putem vedea la moartea unei stele. Este un proces extrem de important pentru noi, deoarece pe această cale elementele chimice sintetizate de stea sunt răspândite în spaţiul interstelar.

Dar, într-un univers lipsit de forţa slabă, acest fenomen nu se mai poate produce. Acolo nu există neutrini. Am putea să ne grăbim să afirmăm că acele stele vor muri inutil. Ele nu ar putea răspândi în spaţiul interstelar elementele chimice necesare apariţiei vieţii. Ne-am trezi din nou în faţa unui peisaj dezolant, lipsit de observatori. Din fericire lucrurile nu stau aşa.

Mai există un tip de supernovă, care nu are nevoie de neutrini pentru a se manifesta. În Universul nostru acesta poartă numele de supernova de tip Ia. În acest caz, nu avem de-a face cu colapsarea unei stele masive. Imaginaţi-vă o stea aflată în stadiul final de evoluţie, care în lumea noastră poartă numele de pitică albă. Adăugaţi acesteia un companion, o altă stea. Pitica albă va „fura” materie din straturile exterioare ale companionului, cu ajutorul forţei gravitaţionale.

La un moment dat, atunci când pitica albă va acumula suficientă masă se va produce inevitabilul şi, în urma unor reacţii nucleare complexe, steaua va exploda, răspândind în spaţiul interstelar cărămizile din care vor coagula mai târziu planetele. Iar unele dintre aceste planete ar putea deveni adăpost pentru viaţă…

artist_s_impression_of_type_ia_supernova

Dar chimia? Care vor fi reacţiile chimice din această lume ipotetică? În principiu reacţiile chimice dintr-un univers lipsit de forţa slabă vor fi asemănătoare cu cele din Universul nostru. Dar va exista o diferenţă majoră. Nucleosinteza de noi elemente într-un asemenea univers se va opri la fier. Acolo, tabelul periodic al elementelor va fi unul extrem de sărac, dar asta nu ar trebui să împiedice apariţia vieţii.

Ar mai fi de prezentat un aspect important: planetele nu vor avea sursa internă de energie asigurată de dezintegrarea radioactivă. Ele nu vor avea o tectonică a plăcilor, nu vor avea vulcani… o lume pe care acum putem doar să ne-o imaginăm.

Dacă tot ne-am jucat cu butonul prin care reglam forţa slabă, am vrea să vă propunem un joc mai complicat.

Să ne jucăm cu cuarcii

În ianuarie 2010, în revista Scientific American a apărut un articol provocator. Era vorba despre „Looking for Life in the Multiverse” (Căutând viaţa în multivers). Spunem provocator, deoarece lectura acestui articol ne-a făcut să căutăm informaţii suplimentare. Era pentru prima oară când descopeream această ideea cercetării posibilităţii existenţei vieţii într-un spaţiu-timp care ar fi guvernat de alt set de reguli decât cele valabile în Universul nostru.

A urmat apoi căutarea de informaţii suplimentare, o căutare plină de surprize plăcute. Oamenii de ştiinţă au acel tip de imaginaţie care ne place. O imaginaţie raţională, cu ajutorul căreia sunt depăşite limitele cunoaşterii. Abia acum vă pot mărturisi că acel articol ne-a inspirat în scrierea acestui text.

„Pare foarte plauzibil ca existenţa vieţii inteligente (dacă nu este complet diferită de a noastră) impune un anumit tip de chimie organică, adică o chimie bazată pe carbon. Proprietăţile chimice ale carbonului se bazează pe faptul că sarcina electrică a nucleului său are valoarea şase, ceea ce duce la existenţa a şase electroni într-un atom de carbon. Aceste proprietăţi permit carbonului să formeze o imensă varietate de molecule complexe.”, se scria în acel articol.

Vă daţi seama că acest text nu avea cum să nu ne stârnească interesul. Am căutat articolul ştiinţific care a stat la baza articolului din Scientific american. L-am găsit publicat în Physical Review Letter, în 2009, sub titlul „Quark Masses: An Environmental Impact Statement” (Masa cuarcilor: o evaluare a impacutului asupra mediului), semnat de către Robert L. Jaffe, Alejandro Jenkins, Itamar Kimchi. Desigur, textul era unul foarte tehnic, dar ajutându-mă de articolul din Scientific American am putut, cu oarecare greutate, să îl parcurg în întregime.

Pe scurt, în el se enunţa un lucru simplu. Pentru ca un univers să poată adăposti viaţa aşa cum o ştim noi este nevoie ca acolo să existe atomi de hidrogen, carbon şi oxigen stabili. Mai corect spus, este nevoie să existe izotopi stabili ai acestor elemente chimice.

Cum putem vedea dacă acolo există asemenea atomi stabili? Pentru aceasta trebuie să pătrundem în interiorul nucleonilor, adică în interiorul protonilor şi nucleonilor. Acolo vom găsi alte particule elementare, care poartă numele de cuarci. În natură, în Universul nostru, au fost identificate şase tipuri de cuarci care poartă numele (li se mai spune şi arome) de: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b), and top (t).

(Sperăm să nu vă supere prea tare, dar vom prefera să păstrăm denumirea lor în limba engleză, deoarece de aici încolo ne vom referi la ei numai prin iniţiala numelui.) Atât neutronul, cât şi protonul sunt alcătuiţi din trei cuarci: protonul este alcătuit din doi cuarci u şi un cuarc d (asta se scrie udu) iar neutronul este alcătuit din doi cuarci d şi un cuarc u (asta se scrie dud).

oiu5k

Să mergem un pic mai departe. Stabilitatea nucleului (aşa cum spuneam mai sus, asta ne interesează atunci când încercăm să vedem dacă viaţa este posibilă) depinde de masa totală a nucleonilor care îl compun. În Universul nostru, masa neutronului este cu circa 0,1% mai mare decât ce a protonului.

Dacă vă apucaţi să umblaţi la butoanele care controlează masa cuarcilor, atunci veţi descoperi că, dacă veţi face ca neutronul să fie cu 2% mai masiv decât protonul, veţi avea surpriza să descoperiţi că în universul pe care îl creaţi nu veţi mai avea atomi de carbon şi de oxigen stabili. Viaţa nu mai este posibilă!

Pe de altă parte, dacă veţi face ca protonul să fie mai greu cu 0,1% decât neutronul veţi vedea un alt lucru interesant. Nucleul de hidrogen din universul acela va absorbi imediat un electron şi se va transforma în neutron. Atomul de hidrogen, spre deosebire de cel din Universul nostru, îşi pierde stabilitatea. Vă veţi grăbi să ne spuneţi că nici în acest caz viaţa nu mai este posibilă. Noi vă vom spune că nu este bine să vă grăbiţi. Vorba lui Caragiale: aveţi puţintică răbdare!

Calculele arată o altă posibilitate. Aruncaţi-vă privirea asupra izotopilor hidrogenului: deuteriul (are nucleul alcătuit dintr-un proton şi un neutron) şi tritiul (nucleul său este format dintr-un proton şi doi neutroni). Veţi avea surpriza să descoperiţi că aceşti izotopi sunt stabili. Viaţa este posibilă! Este adevărat, oceanele din acel univers creat de către dv vor fi alcătuite din apă grea, dar chimia ei nu este sensibil diferită de cea a apei obişnuite.

Se cuvine să mai facem o precizare. La acest reglaj al butoanelor noastre carbonul 12 nu mai este stabil, în schimb izotopul său carbonul 14 (cel folosit pentru datare de către arheologi) capătă stabilitate. Reţineţi asta: în universul pe care tocmai l-aţi reglat chimia se va baza pe deuteriu şi carbon 14…

Până acum ne-am jucat cu doar două tipuri de cuarci. Să ne uităm o clipă pe lista noastră de cuarci şi să ne îndreptăm atenţia către cuarcul strange (s). În Universul nostru acest cuarc este prea masiv pentru a participa la reacţiile nucleare. După ce v-am spus asta, suntem siguri, vă veţi repezi către butonul care îi controlează masa, pentru a îl face mai uşor. Ei bine, decizia dv este una corectă. Dacă veţi micşora de zece ori masa cuarcului s, veţi descoperi că acesta va putea participa la construcţia nucleonilor.

Vom avea în continuare neutroni (dud), dar protonii vor fi înlocuiţi de o nouă particulă: particula sigma (dsd). (Dacă nu aţi remarcat din notaţia noastră, în cazul particulei sigma cuarcul u a fost înlocuit de către un cuarc s.) Acesta este cu adevărat un univers straniu. Viaţa este posibilă? Este! Veţi constata că în acest univers vor apărea un nou tip de atomi de hidrogen (hidrogen sigma) şi un nou tip de atomi de carbon (carbon sigma) între care se pot desfăşura reacţii chimice similare celor din Universul nostru.

De aici încolo totul este un joc cu imaginaţia. Noi vă vom ruga să vă imaginaţi fiinţele care se vor bucura de universurile pe care le-aţi creat jucându-vă cu butoanele care reglează masa cuarcilor. Cine ştie, poate va veni vremea în care un supercalculator va putea modela complet evoluţia unui asemenea univers, în care masele cuarcilor sunt diferite de cele pe care le-am măsurat în Universul nostru… Până atunci să ne mai umblăm la un parametru care defineşte evoluţia Universului.

Să ne jucăm cu constanta cosmologică

În ecuaţia lui Einstein prin care se descrie evoluţia Universului (deşi este frumoasă, noi nu vom transcrie aici această formulă) există un termen important: constanta cosmologică lambda. Einstein a introdus această constantă, pentru că avea convingerea că Universul trebuie să fie static şi era nevoie de ceva, o forţă repulsivă, care ar trebui să contracareze forţa gravitaţională, care ar fi făcut ca Universul să se contracte.

Mai apoi, Einstein a regretat introducerea acestui termen, considerându-l a fi una dintre cele mai mari greşeli ale lui. Numai că, Einstein, chiar şi atunci când greşeşte, are dreptate! Necesitatea constantei lambda a fost demonstrată la sfârşitul secolului trecut, atunci când s-a descoperit că expansiunea Universului, în loc să încetinească, accelerează!

În Universul nostru constanta lambda trebuie să aibă o valoare foarte mică (120 de zerouri după virgulă urmate de un unu), altfel ar fi imposibilă formarea stelelor şi galaxiilor. Butonul constantei lambda este unul extrem de sensibil. Nu aveţi voie să vă atingeţi de el, pentru că orice modificare a valorii acestei constante va duce la apariţia unui univers complet lipsit de viaţă. Un univers lipsit de bucuria celui capabil să îl observe… trist, nu-i aşa?

1-ex6z6mfby3nyzpn0ucm0mw

Vestea bună este că şi în acest caz avem o soluţie pentru viaţă. Va trebui să mai umblăm la un parametru suplimentar. Este vorba despre fluctuaţia de densitate a materiei imediat după Big Bang. Într-un univers perfect uniform stelele şi galaxiile nu se pot forma. Dacă fluctuaţiile de densitate ar fi fost mai mari de 1/100.000, atunci materia s-ar fi aglomerat prea mult şi prea repede, iar gravitaţia ar fi distrus rapid acest univers.

Cosmologul Lee Smolin, publica, tot în Physical Review Letters, în 2004, lucrarea intitulată „Scientific alternatives to the anthropic principle”, în care se ocupa, printre altele, tocmai de aceşti doi parametri: constanta lambda şi fluctuaţia de densitate a materiei în universul primordial. Lee Smolin a ajuns la concluzia că umblând simultan la aceşti doi parametri, enunţaţi de noi mai devreme, este posibil ca universul să devină unul ospitalier. Mai bine zis, într-un univers cu o constantă cosmologică mare este nevoie ca fluctuaţiile de densitate a materiei în universul primordial să fie la rândul lor mari, pentru a se putea forma stele şi galaxii…

Concluzie

Asta este frumos în ştiinţă. Putem explora lumi care, foarte probabil, nu ne vor fi accesibile niciodată. O Americă de care ne desparte un ocean ce nu îl vom putea străbate vreodată. Explorarea pe care am încercat să o ilustrăm acum a încercat să înlocuiască o întrebare fundamentală pentru umanitate: „Care este locul nostru în Univers?”, cu o alta, mai profundă şi, implicit, mai frumoasă: „Care este locul Universului nostru în multivers?”.

Cu siguranţă, în timp, vom căpăta răspunsuri. Iar pe măsură ce ele vor veni, vom putea înţelege mai bine responsabilităţile noastre de fiinţe gânditoare. Pentru că nici unul dintre posibilele universuri nu şi-ar avea rostul, dacă nu ar exista acea privire capabilă să îi admire frumuseţea. Universul nostru este unul norocos. Ne are pe noi, umanii…

Comentați pe Facebook