În episodul trecut vă prezentam foarte pe scurt ipoteza atomului primordial, enunțată de Lemaitre într-o scrisoare publicată de către revista Nature, pe 9 mai 1931. Acel foarte scurt text, complet lipsit de formule matematice, a marcat o revoluție în cosmologie. În acea vreme majoritatea oamenilor de știință considerau că Universul nu putea avea un început.
Atomul primordial
Universul nu putea avea un început. Timpul nu putea avea un început. Ar fi sunat aproape religios dacă ai fi considerat altfel. Lemaitre a reușit să depășească acest blocaj în scrisoarea sa din Nature, în care spunea:
„Principiile termodinamicii, din punct de vedere al teoriei cuantice, ar putea fi enunțate astfel: (1) Suma totală a energiei este distribuită în cuante discrete. (2) Numărul cuantelor distincte crește în permanență. Dacă mergem înapoi în timp, vom găsi din ce în ce mai puține cuante, până la momentul la care Universul era alcătuit din câteva, sau chiar dintr-o singură cuantă.
În procesele atomice, noțiunile de spațiu și timp nu sunt decât niște noțiuni statistice, ele slăbesc atunci când sunt aplicate fenomenelor indiduale, implicând un număr mic de cuante. Dacă lumea pornit de la o singură cuantă, noțiunile de spțiu și timp nu mai au nici un sens la început; [cele două noțiuni] își capătă sens numai atunci când cuanta originală s-a divizat într-un număr suficient de mare cuante.”
Dintr-o dată, prin numai câteva propoziții, Lemaitre introduce un început al timpului, un început al întregului Univers. Lemaitre declanșa o revoluție în gândirea oamenilor de știință, una aproape fără precedent.
Atunci când vorbește de cuanta inițială, Lemaitre se referă la un ipotetic atom primordial (primeval atom) care este sursa întregii materii din Univers. Donald Menzel, în vremea aceea astronom la observatorul Harvard, în revista Popular Science, din decembrie 1932, descria astfel procesul care a dus la nașterea Universului:
„Conform teoriei lui Lemaitre, Universul a fost cândva un singur atom gigantic care, până în urmă cu sute de milioane de ani, era în stare latentă. Apoi, ca o rachetă care luminează cerul cu un foc de artificii pe 4 iulie, după ce a stat liniștită pe raft timp de luni de zile, acest atom a explodat, iar din fragmentele sale au luat naștere stelele care formează Universul. Felul în care anumite tipuri de atomi explodează poate fi ilustrat cu un experiment simplu.
Dacă luați un ceas cu radiu într-o cameră întunecoasă și îi priviți cadranul cu o lupă puternică, veți putea vedea ceva ce seamănă cu un foc de artificii. Atunci când vedeți scânteierile, trebuie să vă amintiți că acestea provin din explozia a câte unui singur atom. În fiecare scânteie, vedeți o reproducere la scară mică a noii teorii despre nașterea Universului.”
Permiteți-mi să fac aici o foarte scurtă paranteză. Menzel, ca orice bun popularizator de știință propune o analogie. Bănuiesc că vă întrebați ce este un ”ceas cu radiu”. În acea vreme, pentru a putea fi folosite și pe întuneric, marcajele și acele ceasurilor erau vopsite cu o vopsea fosforescentă, care conținea cantități mici de radiu.
Ipoteza atomului primordial, deși a făcut multă senzație, a fost primită cu reticență de către mulți oameni de știință. Această ipoteză se apropie mai mult de dogma creștină a creației și nu ar putea fi susținută din punctul de vedere al fizicii. Din punct de vedere strict științific exista și o problemă gravă legată de ipoteză. Revedeți citatul din Menzel, în care se spune că în urmă cu ”câteva sute de milioane de ani” a explodat atomul primordial.
Aceasta ar fi fost și vârsta Universului, dacă o calculăm pe baza valorii determinate în acea vreme a constantei lui Hubble. Ar fi o vârstă ridicol de mică. Se știa chiar și în acea vreme că Pământul are o vechime de câteva miliarde de ani. De fapt, știm acum, problema apărea din pricină că determinările constantei lui Hubble de la începutul anilor 1930 nu erau suficient de precise.
Știință și religie
De partea cealaltă, oamenii bisericii erau mulțumiți. Chiar jubilau, acum aveau o ipoteză, valabilă din punct de vedere științific, pentru ”Fiat Lux!” din Geneza biblică. Cred că trebuie să insist un pic asupra acestui aspect. Este vorba despre spinoasa problemă a raportului dintre știință și religie.
În 1951 Papa Pius al XII-lea a declarat, în cadrul unui discurs ținut la Academia Pontificală pentru Științe că ”știința zilelor noastre […] a reușit să aducă o dovadă pentru un Fiat Lux inițial, [moment] în care, din nimic, s-a născut materia, alături de o mare de lumină și radiații, în timp ce particulele elementelor chimice s-au separat și s-au aglomerat pentru a forma milioane de galaxii.”
Reacția lui Lemaitre a fost una foarte rapidă și fermă. A vorbit cu părintele Daniel O’Connell, consilier papal pentru știință, și l-a rugat să îi explice Papei că nu este corect să facă asocieri între știință și revelația Biblică. Ca urmare a acestei rugăminți Papa Pius al XII-lea nu a mai făcut niciodată referire la cosmologie, ca fiind o dovadă pentru Geneza biblică. Nu știu în ce a constat mesajul lui Lemaitre către Papă, dar el își exprimase poziția în ceea ce privește acest subiect cu mult timp înainte.
În ziarul Papers of Princeton, din 13 decembrie 1933, am descoperit un scurt articol intitulat ”Nu există conflict între știință și religie, afirmă abatele Lemaitre, fizician și preot”. După ce a stat de vorbă cu Lemaitre, care tocmai sosise la Princeton, autorul articolului a scris că ”[Lemaitre] a subliniat că, din punctul de vedere al adevăraților oameni de știință, cele două domenii, știința și religia, sunt distincte și independente. Abatele a justificat această afirmație spunând că știința, ocupându-se strict cu studiul legilor și fenomenelor fizice, nu are nimic de-a face cu legea spiritului.” Este o precizare bine venită, pe care prea mulți oameni nu o iau în seamă.
Credința profundă l-a ajutat pe Lemaitre să enunțe ipoteza atomului primordial? Cu siguranță, avâd în vedere citatul de mai sus, el nu a fost influențat de credință. În schimb, credința într-un început al timpului, care venea din profunda sa religiozitate, l-a ajutat să accepte mult mai ușor direcția către îl îndreptau datele legate de expansiunea Universului. Oricine acceptă dovezile, care ne arată că asistăm la o expansiune a Universului, ar putea ajunge la concluzia existenței unui punct de plecare. Dar numai cineva care este pregătit să accepte această ipoteză, care pare că iese de pe domeniul științei, va avea curajul să o enunțe.
Așa cum am subliniat adesea în acest text, ipoteza lui Lemaitre a fost una de-a dreptul revoluționară, deși, dacă ne gândim bine, pe baza datelor pe care le avem acum, era una în bună măsură greșită. Nu a existat un atom primordial, care să se dezintegreze în sensul descris de Lemaitre. Dar ea a rămâne în continuare valabilă tocmai în partea ei cea mai greu de acceptat pentru fizicienii anilor 1930. Timpul și spațiul au un început. Există un moment al timpului zero. Sau, altfel spus, un pic mai plastic, a existat o zi, fără ca ziua de dinaintea ei să existe. Ideea aceasta, chiar și acum, după ce a intrat în cultura populară, rămâne una copleșitoare.
Din nou, Universul static
Ideea unui început al Universului era atât de greu de acceptat încât, imediat după vacarmul creeat de cel de-al doilea război mondial, în 1948, a fost propusă o nouă teorie, care excludea din start momentul începutului de Univers. Universul are o vârstă infinită, conform teoriei Univesului staționar (Steady State theory).
Această ipoteză a fost elaborată, în bună măsură, de către trei fizicieni: Hermann Bondi, Thomas Gold și Fred Hoyle. Toți trei sunt fizicieni de mare valoare, care au avut, fiecare dintre ei, contribuții însemnate în fizică și astrofizică. Cei trei urmăriseră cu doi ani mai devreme, în 1946, un filmul de groază Dead of Night (Miezul nopții), care relata povestea unui coșmar repetat la nesfârșit.
La întoarcerea acasă, Gold a sugerat că filmul pe care tocmai l-au văzut avea o acțiune ciclică și ar fi putut fi urmărit fără probleme din orice moment al său, ca și cum abia ar fi început. Practic, filmul nu avea un punct de pornire bine definit. Apoi a speculat că, probabil, același lucru se întâmplă și cu Universul: nu are nici început și nici sfârșit.
Doi ani mai târziu, în teoria Universului staționar, cei trei fizicieni presupuneau că, deși putem constata o expansiune a Universului, acesta nu se schimbă în timp, nu are nici început și nici un sfârșit. Pentru ei, Universul este perfect omogen și izotrop atât în spațiu cât și în timp. Nu există nici un loc special în Univers, iar diferențele pe care le putem constata, prin observații au numai o semnificație locală. La scară mare Universul este omogen.
Chiar dacă am călători oricât de mult înspre trecutul Universului, nu am vedea alte structuri decât cele pe care le observăm acum cu instrumentele noastre. Și totuși, pentru Bondi, Gold și Hoyle, deși Universul lor era unul static, asta nu implica absența mișcărilor la scară mare. Putem avea zone uriașe în care asistăm la o expansiune, dar putem avea și zone în care constatăm o contracție a Universului. Pentru ca densitatea Universului să rămână constantă, astfel încât el să rămână staționar, era nevoie să se mai întâmple ceva.
Constanta lambda, despre care vă povesteam în episodul trecut, ar trebui să aibă o anumită valoare, ceea ce implică o valoare precisă a densității medii a Universului. Dar cum, cel puțin în zona noastră de Univers, asistăm la o creștre a volumului (ceea ce implică o scădere continuă a densității) era nevoie să se creze în materie nouă în permanență. Calculele celor trei au arătat că ar fi nevoie ca pentru fiecare metru cub de Univers să apară, din neant, câte un atom de hidrogen la fiecare miliard de ani.
Ca un contraargument la ipoteza unui Univers cu un punct de pornire, susținătorii Universului Static s-au folosit de discrepanța evidentă între vârsta Universului, calculată pe baza constantei Hubble, și vârsta Pământului. Așa cum vă spuneam mai devreme, deoarece nu se obținuse încă o valoare corectă a acestei constante, rezulta o vârstă a Pământului mai mare decât cea a Universului.
Dezbaterile pe această temă au fost cât se poate de aprinse. Fred Hoyle spunea că ”[teoria unui Univers care are un început] este un proces irațional, care nu poate fi descrisă în termeni științifici […] și nici nu poate fi confirmată prin observații.” Discuțiile în jurul acestui argument au devenit la un moment dat extrem de aprinse. Așa a apărut și sintagma ”Big Bang”, care a fost inventată tot de Hoyle, într-o emisiune radio la BBC.
El vorbea de ”aceste teorii care sunt bazate pe ipoteza că toată materia din Univers a fost creată într-un Big Bang, produs la un anumit moment de timp din trecutul îndepărtat”. Nu se vede în acest text vreo urmă de ironie, dar ea există din plin. ”Big Bang” este folosit aici doar un termen peiorativ, menit să arunce ridicolul asupra teoriei unui Univers care are un punct de început, pe care Fred Hoyle o considera că se bazează pe o ipoteză de neacceptat, irațională chiar.
La momentul elaborării Teoriei Universului Staționar, existau argumente serioase în favoarea sa. Oricât de departe se privea în Univers, acesta părea să fie identic cu cel din prezent. Părea că Universul nu s-a schimbat deloc, deci se confirma principul cosmologic enunțat de susținătorii teoriei Universului staționar, care, vă reamintesc, implica un univers izotrop și omogen atât în spațiu cât și în timp. La aceste argumente observaționale se adăugau unele de natură filosofică, adică speculativă.
De fapt, pentru mulți fizicieni era mai ușor de acceptat ideea unui Univers etern, lipsit de început. Existența unui moment ”t=0” le părea, așa cum am mai spus, mai degrabă o idee de-a dreptul religioasă. Dar orice teorie, oricât de plauzibilă ar putea să pară într-un anumit context, are nevoie de dovezi care să o susțină. Mai este nevoie să lipsească dovezile care să o infirme. Acesta este mecanismul fundamental de validare a oricărei teorii științifice.
Problemele cu teoria Universul Staționar au început să apară atunci când, pe la sfârșitul anilor 1950, au fost descoperiți primii quasari cu ajutorul radiotelescoapelor. Aceștia sunt surse radio extrem de intense, dar care au un aspect punctiform. Îndată ce sursa acestor semnale radio a putut să fie asociate unor obiecte vizibile cu ajutorul telescoapelor optice s-a constatat că ele se află la mare distanță de noi, deci ele aparțin trecutului îndepărtat al Universului.
Nu găsim quasari în apropierea noastră, altfel spus în Universul din timpul actual nu există asemenea obiecte cosmice. Iar asta reprezintă o încălcare gravă a principiului fundamental principiul izotropiei și omogenității în timp a Universului. Observațiile arătau un Univers care evoluează, un Univers care se modifică în timp.
Dar lovitura de grație pentru teoria Universului Staționar a fost adusă de descoprirea fondului cosmologic de radiații, în 1964, care confirma cu brio teoria, ironic numită de către Fred Hoyle, ”Big Bang-ului”.
Din nou Universul are un început
Aproape simultan cu elaborarea teoriei Universului Staționar, în 1948, a fost publicată în Physical Review, pe 1 aprilie, o lucrare intitulată: ”The Origin of Chemical Elements”, semnată de către Ralph Alpher, Hans Bethe și George Gamow. Trebuie să vă semnalez că Bethe nici măcar nu știa că este autorul acestei lucrări. El a fost introdus de Gamow, pentru ca inițialele numelor autorilor (Alpher, Bethe, Gamow) să reprezinte primele litere din alfabetul grecesc (alfa, beta, gamma).
În cartea sa ”Creation of the Universe”, Gamow explica cele întâmplate: „Rezultatele calculelor noastre, [ale lui Alpher și Gamow], au fost anunțate pentru prima oară într-o lucrare publicată pe 1 aprilie 1948, în Physical Review. Lucrarea era semantă de Alpher, Bethe și Gamow, și adesea este supranumită «articolul alfabetic».
Îmi părea foarte nedrept pentru alfabetul grec să avem o lucrare semnată numai de Alpher și Gamow, așa că am adăugat (in absentia) numele lui Hans Bethe, în manuscrisul trimis către tipar. Bethe a primit o copie a manuscrisului și nu a avut nici o obiecție […]. Totuși, mai târziu, când teoria alfa, beta, gamma a început să fie puternic atacată, Bethe s-a gândit să își schimbe numele în Zacharias”…
Lucrarea se baza pe dizertația de doctorat a lui Alpher și, pe o singură pagină, erau descrise procesele care au dus la sinteza primelor nuclee ale elementelor chimice la începutul Universului. Nu mai avem atomul primordial al lui Lemaitre, care să se dezintegreze brusc, pentru a da naștere materiei din Univers.
La începutul articolului se preciza: ”Așa cum a arătat unul dintre noi [George Gamow], variatele specii nucleare nu își au originea dintr-o stare de echilibru la o anumită temperatură și densitate, ci o consecință a unui proces continuu produs în timpul expansiunii rapide și răcirii a materiei primordiale. Conform acestui model, terbuie să ne imaginăm stadiul primordial al materiei ca un gaz neutronic extrem de comprimat […], care a început să se dezintegreze în electroni și protoni atunci când presiunea gazului a început să scadă, ca efect al expansiunii rapide a Universului.
Capturarea radiativă de protoni, de către neutronii rămași, a condus la formarea primilor nuclee de deuteriu, iar capturările ulterioare au avut drept consecință formarea de nuclee mai grele.” Această lucrare, alături de teza de doctorat a lui Alpher, explicau foarte bine abundența relativă a hidrogenului și deuteriului și heliului din Univers.
Ideea acestei lucrări s-a născut în mintea lui George Gamow, încă de la începutul anilor 1940, pe când el căuta o explicație pentru abundențele relative ale elementelor chimice din Univers. Se știa deja că în miezul stelelor nucleele de hidrogen fuzionează și formează heliu. Dar acest proces este mult prea lent, și nu poate explica abundența observată a nucleelor de heliu din Univers (aproximativ un nucleu de heliu pentru fiecare 10 nuclee de hidrogen).
Gamow s-a întrebat dacă nu cumva heliul și hidrogenul nu au fost produse chiar la începutul Universului. Pentru a găsi răspunsul, erau nevoie de cunoștințe de fizică nucleară, dar cei mai mulți fizicieni nucleariști din SUA erau implicați în proiectul Manhattan (care a dus la construrirea primelor bombe atomice), așa că Gamow a început să lucreze de unul singur asupra problemei nucleosintezei.
El și-a început calculele pornind de la densitatea medie actuală a Universului și, ținând seama de expansiunea Universului, a căutat să estimeze această densitate pentru diferite momente de timp din trecutul îndepărtat. Apoi a început să calculeze probabilitatea diferitelor reacții nucleare al începutul Universului, dar calculele erau prea complicate pentru el. Oricum, Gamow nu era deloc încântat să facă multe calcule matematice, așa că a apelat la doctorandul Ralph Alpher, iar rezultatul a fost lucrarea publicată pe 1 aprilie 1948.
Lucrul cel mai important referitor la această lucrare a fost acela că în scurtă vreme a dus la enunțarea unei predicții fundamentale: existența unui fond cosmologic de radiații. Dar despre asta… vom vorbi în episodul viitor.
