În episodul trecut v-am povestit despre cele două teorii, fundamental diferite, care se confruntau la jumătatea secolului trecut. Una dintre ele presupunea un început al timpului și Universului, cealaltă presupunea un Univers staționar, fără început și fără sfârșit. A fost o dezbatere aprinsă în epocă, între susținătorii celor două ipoteze. Din fericire în știință adevărul nu se stabilește pe calea oratoriei, ci pe baza dovezilor pe care susținătorii uneia sau alteia dintre teorii le poate aduce ca sprijin pentru propriile afirmații.
Disputa
Vă spuneam că sintagma ”Big Bang” a fost introdusă, cu un sens mai degrabă peiorativ, de către Fred Hoyle, într-o emisiune radiofonică a BBC, difuzată în 28 martie 1949. Între timp, după multe căutări, am reușit să regăsesc transcriptul întregii emisiuni pe site-ul St. John’s College, University of Cambridge. Este un text impresionant. Hoyle susținându-și cu ardoare propria teorie, a unui Univers lipsit de un început, în care materia este creată continuu. Cred că merită să prezentăm ceva mai pe larg câteva dintre gândurile lui Hoyle, referitoare la un Univers care are un început, enunțate în acea emisiune.
”Există teorii care se bazează pe ipoteza că toată materia din Univers a fost creată la un anumit moment, în trecut, într-un singur big bang. Acum este dovedit că aceste teorii vin în contradicție cu observațiile într-o așa măsură, încât pot fi ignorate. Cei care se ocupă de această problemă sunt ca o echipă de alpiniști care încearcă să urce pe un vârf de munte nemaiatins vreodată. Până atunci se părea că dificultatea cea mai importantă consta în alegerea între traseele de escaladare, toate părând foarte promițătoare. Dar acum am aflat că toate aceste trasee ne poartă, fără speranță, către prăpăstii. Trebuie găsit un nou traseu. Iar acesta implică ipoteza conform căreia materia este creeată continuu.”
Iar spre sfârșitul emisiunii Hoyle ține să precizeze, referitor la obiecțiile care i se aduceau teoriei sale: ”Aș vrea să închei prin a discuta o obiecție care se aduce teoriei creației continue. Aceasta este mai degrabă de natură filosofică, și nu nu una științifică. Se susține că această creație continuă introduce în discuție o ipoteză suplimentară și foarte uimitoare. Nu sunt de acord cu faptul că ar fi vorba despre o ipoteză suplimentară. Creația continuă, în sensul folosit de mine, este cu siguranță o ipoteză nouă. Dar ea înlocuiește o ipoteză cuprinsă în teoriile mai vechi, care, așa cum am mai spus-o, presupun că toată materia din Univers a apărut la un anumit moment în trecutul îndepărtat.
Din punct de vedere științific ipoteza Big Bang-ului este mai puțin acceptabilă, deoarece implică un proces irațional, care nu poate fi descris în termeni științifici. Pe de altă parte, ipoteza creației continue poate fi modelată prin ecuații matematice exacte, ale căror rezultate pot fi comparate cu observația. […] Scopul meu nu este acela de a susține cu orice preț ipoteza creației continue. Vreau doar să remarc că observațiile disponibile în prezent favorizează un Univers cu o creere continuă de materie. Referirea mea explicită la observațiile din prezent lasă loc posibilității ca în viitor observațiile să infirme ipoteza creației continue, așa cum observațiile din ultimi ani infirmă teorii enunțate cu 20 de ani în urmă.”
Trebuie să remarc, din nou, faptul că în acest text, dincolo de folosirea peiorativă a sintagmei ”Big Bang”, nu există nici o urmă de ironie, așa cum mă așteptam, mai înainte de a găsi versiunea completă a emisiunii de la BBC. Hoyle abordează rațional disputa, susținând necesitatea unor dovezi clare pentru a decide care abordare este corectă. Nu uitați, la ora la care Hoyle citea la BBC textul de mai sus, vârsta Universului, calculată pe baza constantei Hubble (măsurată extrem de imprecis la acea vreme) era mai mică decât cea a Pământului!
În schimb, de partea lui, Gamow, apelează, adesea, în cadrul disputei, la ironie, ca ”tehnică” de argumentare. El chiar a scris o scurtă poezie ”cosmică”, în care Fred Hoyle ne vorbește la persoana întâi. Din păcate, trebuie să o recunosc cu tristețe, nu prea am abilități în traducerea versurilor și rimelor din limba engleză, așa că vă voi oferi doar o strofă din acea poezie, în varianta mea și în cea originală.
”Universul, prin decret al Cerurilor,
Nu s-a format nicicând în trecut,
Ci a fost, este și va fi [neschimbat]
Pentru că așa o spun eu, Gold și Bondi
Rămâi o, Cosmos. O, Cosmos, rămâi neschimbat!
Așa cum noi și Universul Static o proclamă!”
(”The universe, by Heaven’s decree
Was never formed in time gone by,
But is, has been, shall ever be—
For so say Bondi, Gold and I.
Stay, O Cosmos, O Cosmos, stay the same!
We the Steady State proclaim!”)
Meciul dovezilor
Dincolo de aceste dispute prin texte de popularizare, destinate mai degrabă publicului larg, mica lume cosmologilor era ruptă în două. Ideea Universului Static era bine primită și acceptată în Marea Britanie, în timp ce, dincolo de ocean, ea nu prea era luată în seamă. Dar, o dată pornită disputa, ambele tabere au căutat argumente observaționale în favoarea propriei teorii. A fost ca un soi de meci de fotbal sau, dacă doriți, un meci de box.
Dacă Universul este static, atunci ar trebui ca, indiferent de distanța la care facem observația, să găsim un amestec omogen de galaxii tinere și bătrâne. Dacă Big Bang-ul este teoria corectă, atunci galaxiile foarte îndepărtate ar trebui să pară mai tinere decât cele din apropierea noastră, deoarece le vedem așa cum arătau ele în urmă cu miliarde de ani. Observații raportate în 1948 au arătat că, întradevăr, galaxiile îndepărtate sunt mai tinere. Scor unu la zero pentru Big Bang.
Britanicii Bondi și Gold (despre care vă spuneam că sunt printre întemeietorii teoriei Universului Staționar) au analizat cu atenție datele publicate și după o muncă laborioasă, în 1954, au ajuns la concluzia că interpretarea rezultatelor, referitoare la vârstele galaxiilor, este greșită. Egalitate, scor unu la unu.
Așa cum spuneam și în capitolul anterior, mai exista un argument puternic împotriva teoriei unui Univers care are un început. Rata de expansiune a Universului indica o vârstă a acestuia mai mică decât vârsta Pământului. Abia spre jumătatea anilor 1950, pe măsură ce astrofizicienii au învățat să măsoare mai bine distanțele din Univers și, implicit, valoarea constantei lui Hubble problema a putut să fie rezolvată. Până la acel moment, scorul ar fi fost de doi la unu pentru Universul Static. Totuși, pentru că valoarea a fost corectată pe la jumătatea anilor 1950, scorul devine doi la unu pentru Big Bang.
Încă un punct a marcat în dispută însuși Fred Hoyle. Teoria lui Alpher, Bethe și Gamow (care explica foarte bine abundența hidrogenului și heliului în Univers, printr-un mecanism pe care l-am explicat în capitolul anterior) susținea că toate elementele chimice au fost create în timpul Big Bang-ului. Din păcate calculele nu se suprapuneau cu observațiile în ceea ce privește elementele grele.
Aici intervine Hoyle și, în 1957, împreună cu Margaret Burbidge, G. R. Burbidge și William Fowler, publică o lucrare monumentală, în Reviews of Modern Physics, intitulată ”Synthesis of the Elements in Stars” (Sinteza elementelor în stele). În această lucrare Hoyle descrie cu precizie mecanismele prin care, în interiorul stelelor sunt fabricate, prin fuziune nucleară, elementele chimice.
Rezultatele calculelor efectuate de el și de către colaboratorii săi se suprapuneau foarte bine cu valorile observate. Cum aceste elemente chimice nu se formaseră prin mecanismul propus de Alpher, Bethe și Gamow, teoria Universului Static mai primește un punct. Scorul este acum doi la doi, egalitate.
Dar meciul continuă mai departe, pentru că așa-i în știință.
După cel de-al Doilea Război Mondial, pe scena științei intră și radioastronomia, care avea să își aducă o contribuție importantă în dezbaterea noastră. Unul dintre cei care au avut o contribuție importantă în obținerea de noi dovezi a fost britanicul Martin Ryle, care este unul dintre pionierii radioastronomiei.
Inițial, la începutul anilor 1950 Ryle, deși începuse studiul surselor radio, credea că acestea sunt localizate în interiorul Căii Lactee și, drept consecință, nu prezintă nici un interes cosmologic. Dar, pe măsură ce a început să acumuleze mai multe date, el a înțeles că cele mai multe surse radio au o localizare extragalactică. Din acest motiv Ryle a pornit un amplu program de căutare a radiosurselor și, până în 1955, a reușit să catalogheze aproape 2.000 de radiosurse.
Datele obținute arătau distribuția acestora se modifică în funcție de distanța lor până la noi. Din aceeași categorie de indicii fac parte și quasarii, inițial descoperiți numai cu ajutorul radiotelescoapelor, pe care îi găsim numai ca obiecte extrem de îndepărtate. Astfel Big Bangul, care presupune o evoluție a Universului, primește încă un punct. Acum scorul este trei la doi în favoarea unui Univers care are un început.
Acum… acum urmează lovitura decisivă și sfârșitul meciului.
O lovitură decisivă
Toate punctele acumulate de către cele două teorii au și o oarecare notă subiectivă. La vremea lor, participanții la dezbatere le acceptau sau le refuzau, în funcție de viziunea la care aderaseră. Dar mai este un criteriu important care susține valabilitatea oricărei teorii: capacitatea de a face predicții, sau, mai bine zis, puterea lor de a descrie fenomene care nu au fost observate în momentul enunţării lor.
Așa s-a întâmplat și cu teoria generală a relativității, care arăta că lumina se curbează în prezența concentrărilor de masă și/sau energie. Eclipsa totală din 1919, observată de Eddington la doi ani după ce Einstein și-a publicat teoria, a adus confirmarea necesară, prin demonstrarea faptului că lumina unei stele îndepărtate este deviată în apropierea Soarelui.
Același lucru s-a întâmplat și în cazul teoriei Big Bang-ului, pentru că ea făcea o previziune extrem de importantă, una cu adevărat decisivă. Acest lucru a fost enunțat încă din 1948 de către Ralph Alpher și Robert Herman. Cei doi au plecat de la o idee mai mai veche, care a fost enunțată de Gamow în 1946.
Cei doi, ținând seama de faptul că la începutul său Universul a fost extrem de fierbinte, au calculat ce temperatură de radiație am măsura noi acum, ținând seama de expansiunea Universului. Au obținut o temperatură de 5 K, pentru ca, doi ani mai târziu, să revină cu calculele și să dea o nouă estimare: 28 K. Ambele rezultate erau influențate de determinarea imprecisă a valorii constantei lui Hubble.
Trebuie să mai spun că această constatare a celor doi fizicieni nu a stârnit prea mult interes în comunitatea astrofizicienilor. Oricât ar părea de ciudat, dacă avem în vedere disputa aprinsă între susținătorii unui Univers care evoluează în timp și cei care susțineau un Univers Static, problemele legate de cosmologie nu erau considerate ca fiind importante, ci mai degrabă un soi de speculații, care nu merită prea multă atenție.
Și vreau să vă mai spun ceva. Mi-am propus o abordare cât mai accesibilă a istoriei Big Bang-ului și din acest motiv am evitat să intru în detalii teoretice. În acest moment sunt obligat să intru puțin în zona fizicii teoretice. Există în fizică un obiect teoretic, deci ideal, care poartă numele de corp negru. Corpul negru este un obiect care nu reflectă deloc lumina, în schimb, în funcție de temperatura proprie, el emite radiații electromagnetice. Spectrul acestor radiații electromagnetice depinde strict de temperatura acestui corp negru.
Ei bine, Universul, la scurt timp după Big Bang (acum știm că abia la circa 380.000 după Big Bang) a devenit transparent pentru radiațiile electromagnetice și se comporta foarte apropiat de modelul corpului negru. În zilele noastre, putem vedea Universul acelor momente ca pe un corp negru încălzit la circa 2,8 K. Vă rog să rețineți această idee.
La începutul anilor 1960 rusul Iacov Zeldovici și, independent de el, americanul Robert Dicke, redescoperă ideea prezentată de Ralph Alpher și Robert Herman. În 1964 doi ruși, A. G. Doroșkevici și Igor Novikov, publică o lucrare importantă pentru subiectul nostru, în care demonstrează că putem detecta radiațiile electromagnetice produse în Univers la scurt timp după Big Bang. Acum aceste radiații poartă numele de fond cosmologic de microunde (cosmic microwave background, CMB), sau fond cosmologic de radiații, sau radiații relicte.
Tot în 1964, probabil că în urma publicării lucrării celor doi ruși, David Todd Wilkinson și Peter Roll, colegi cu Robert Dicke la Universitatea Princeton încep construcția unui radiometru, pentru a detecta fondul cosmologic de radiații.
Dar marea descoperire nu avea să fie făcută de cine se pregătise intens pentru a o face, ci de către alți doi fizicieni: Arno Penzias și Robert Woodrow Wilson. Aceștia lucrau pentru Bell Telephone Laboratories și testau o antenă destinată comunicațiilor prin satelit. În 1964 cei doi au început să testeze o antenă în formă de corn și nu mică le-a fost surpriza să descopere un zgomot de fond extrem de supărător pe lungimea de undă de 7,35 cm pentru care era acordat receptorul antenei.
Inițial cei doi au crezut că Soarele este vinovat pentru acest zgomot, apoi au dat vina pe avioanele care zburau deasupra zonei în care era instalată antena. Aceste două ipoteze au căzut imediat, deoarece zgomotul era constant și părea a veni de pretutindeni.
Cei doi au chemat specialiști în electronică, pentru a căuta vreo defecțiune în echipamentul folosit. Nu au găsit nici una. S-au apucat să cerceteze antena și acolo au găsit o problemă. O pereche de porumbei se adăpostise în interiorul ei și o murdăriseră cu o ”ceva de culoare albă”, cum avea să povestească unul dintre cei doi fizicieni. Au curățat antena, au alungat porumbeii… dar degaba, zgomotul rămânea constant.
Apoi și-au dat seama că sursa acestui zgomot supărător pe lungimea de undă de 7,35 cm este tocmai fondul cosmologic de radiații. L-au contactat imediat pe Dicke care, așa cum vă spuneam mai devreme, tocmai construia la Universitatea Princeton un instrument pentru a detectat acest fond cosmologic de radiații. La auzul veștii Dicke avea să exclame către colegii săi: ”Băieți, am fost depășiți!” (“Boys, we’ve been scooped!”).
Aceasta a fost lovitura decisivă în meciul cu Universul Staționar. Susținătorii unui Univers care are un început într-un trecut îndepărtat aveau la dispoziție o dovadă clară, care nu putea fi explicată cu nici un chip (deși au fost încercări în acest sens) într-un Univers Static.
Big Bang-ul în prezent
S-a scurs mai bine de jumătate de veac de la această lovitură decisivă. Acum imensa majoritate a cosmologilor sunt de acord că Universul s-a născut la un moment dat, în umră cu circa 13,8 miliarde de ani. Între timp au apărut și modele prin care se încearcă explicarea proceselor inițiale, din primele fracțiuni de secundă ale existenței sale. Am acumulat din ce în ce mai multe date și acum avem o imagine bună a Universului începutului.
Pentru a le colecta am folosit baloane stratosferice și sateliți (Cobe, Wilkinson MAP și Planck) pentru a vedea cum arăta Universul la 380.000 de ani după Big Bang, pe diferite lungimi de undă din zona microundelor a spectrului electromagnetic. Astfel s-a putut constat o suprapunere foarte bună cu valorile estimate pe baza modelului de corp negru de care aminteam mai devreme.
Aici se încheie scurta mea istorie a Big Bang-ului. S-ar putea crede că în prezent lucrurile sunt cât de cât clare. Din fericire (da, din fericire!) lucrurile nu stau chiar așa. În urmă cu trei ani, datele transmise de către telescopul spațial Planck, care au confirmat strălucit modelul standard al Big Bang-ului, ne-au adus un mare semn de întrebare.
Principiul fundamental al cosmologiei afirmă că Universul este omogen și izotrop. Ei bine, harta fondului cosmologic de radiații, realizată pe baza datelor transmise de către telescopul spațial Planck ne arată că Universul nu este izotrop! Emisfera nordică este mai rece decât cea sudică iar, în emisfera sudică a fost identificată o pată rece, semn că acolo exista un deficit de materie. Aceste date vin să infirme principiul fundamental al cosmologiei.
În modelul standard al Big Bang-ului există pe undeva ceva care trebuie modificat radical. Dar asta… asta este o altă poveste, care va fi scrisă în anii ce vin.
