ORIGINEA ȘI FORMAREA UNIVERSULUI

”Cel mai de neînțeles lucru în privința Universului

e că poate fi înțeles” / Albert Einstein

Se consideră că din punct de vedere matematic şi fizic trăim în “cea mai bună dintre lumile posibile”, Universul fiind rezultatul unui “echilibru” ce poate fi descris cu ajutorul a şase numere. “Acordul fin” al acestor numere a permis apariția și evoluția omului.

”La steaua care a răsărit

E-o cale-atât de lungă

Că mii de ani i-au trebuit

Luminii să ne-ajungă”

Și nouă ne-a luat mii de ani să înțelegem o parte din fascinantul Univers în care trăim.

”Cum, de ce, și când a apărut Universul?”, ”Ce formă are, din ce e făcut și cât e de mare?”- sunt câteva întrebări ale căror răspunsuri nu sunt decât parțiale, restul așteptând elucidarea.

Curiozitatea umană s-a manifestat încă din vremuri preistorice și doar ignoranța a întârziat răspunsurile la întrebările apărute. Există o dorință specific umană de a înțelege cine suntem, de unde venim, astfel încât în orice cultură s-au creat mituri despre apariția Universului și a vieții.

Multe mituri povestesc despre un haos preexistent (imaginat de obicei ca o întidere de apă) din care apare un zeu și crează lumea.

În alte mituri există animale (de obicei broaște testoase) care din oceanul primordial aduc bucăți de Pământ și se formează lumea.

În alte mituri sursa creației este oul primordial care când se sparge și începe să vorbească fiecare cuvânt se transformă într-o parte de Univers (Pământ, aer, stele, etc.).

Întâlnim diverse teme ale originilor precum lupta primordială, creația din nimic, ciclul etern, mitul creației, materializate în Upandișade, Coran, Biblie, etc..

Aceste mituri s-au dezvoltat în diverse etape ale evoluției umane când înțelegerea forțelor naturii era greșită sau limitată și au fost stabilite prin intuiție și nu prin dovezi materiale.

Când tema de discuție este originea Universului, inseamnă că s-a postulat deja că Universul are un început și este definit ca tot ceea ce există (Universul observabil este definit de distanța maximă la care putem vedea, distanța parcursă de lumină de la origini până astăzi).

Modelul cosmologic predominant pentru evoluția Universului, acceptat de majoritatea comunității științifice este modelul (teoria) Big Bang.

Fizicianul George Gamow, unul dintre părinții teorie, spunea înainte de a se contura mai bine modelul: ”Cu zece sau douăzeci de miliarde de ani în urmă s-a întâmplat ceva- big bang-ul, evenimentul cu care a început universul nostru. De ce anume s-a întâmplat e cel mai mare mister dintre toate? Faptul că s-a întâmplat e destul de limpede”.

Modelul se bazează pe teoria relativității generale, decurgând din soluțiile ecuațiilor lui Eistein și se referă la ideea că Universul s-a extins de la o singularitate primordială (epoca Planck) extrem de fierbinte și densă, acum aproximativ 13,82 miliarde de ani.

Fără a intra în detalii, principalele argumentele științifice ale teoriei Big Bang, evenimentul exploziv al infernului de radiații, unde s-au întâlnit timpul, spațiul și materia sunt:

-concentrațiile elementelor chimice;

-expansiunea Universului (deplasarea spre roșu);

-fondul cosmic de radiații.

În momentul de față Universul este format din stele, planete, comete, asteroizi, găuri negre, grupate ierarhic în sisteme planetare, galaxii, roiuri de galaxii, și super-roiuri de galaxii, super-roiurile de galaxii fiind cea mai mare structură cunoscută.

Primele forme structurale care s-au format au fost stelele. În Univers există patru forțe fundamentale: forța gravitațională, forța electromagnetică, forța nucleară tare și forța nucleară slabă.

În primele secunde ale Universului s-a format o “supă cosmică” formată din quarci, electroni, fotoni și neutrini. Forța nucleară tare este “vinovată” de formarea protonilor și neutronilor, formați din câte trei cuarci diferiți. Apoi intră în joc forța electromagnetică dând naștere la atomi de hidrogen. Odată apăruți atomii de hidrogen, forța garvitațională îi adună în structuri din ce în ce mai mari, caracterizate de temperaturi și presiuni imense. Când temperatura și presiunea acestor structuri ajung la valori critice se naște o stea (o NOVĂ). Nașterea ia loc când hidrogenul începe să fuzioneze și se emite radiație sub formă de caldură și lumină. Prin fuziune nucleară înțelegem fenomenul de contopire a nucleelor ușoare (cum ar fi hidrogenul) dând naștere la nuclee mai grele (inițial heliu). Au loc fuziuni repetate ale noilor elemente apărute, dând naștere altor elemente cum ar fi carbon, azot, oxigen. Când se epuizează combustibilul și se ajunge la formarea nucleelor de fier, fuziunile încetează (fierul nu fuzionează). Sub acțiunea propriei greutăți steaua colapsează și explodează ( SUPERNOVĂ ). În urma exploziei se împrăștie și se formează elemente chimice mai ușoare decât fierul și mai grele decât fierul. Aurul din bijuteriile noastre s-a format în explozia stelelor.

Gravitația, artizanul formării Universului, adună elementele ușoare formând noi stele, iar din elementele grele se formează planete.

Tot gravitația contribuie la formarea sistemelor solare: în jurul unei stele nou formate vor orbita planetele nou formate. Sistemele solare se grupează în galaxii, unde în centru există o imensă gaură neagră. Prin moartea unei stele, se poate forma o stea pitică sau o gaură neagră (în funcție de dimensiuni și caracteristici). O stea pitică este un corp ceresc care nu mai are intensitatea stelei inițiale, pentru că fenomenele de fuziune au încetat. Putem compara steaua normală cu un lemn care arde cu flacără, iar steaua pitică cu un tăciune care mocnește. Gaura neagră este o zonă din spațiu cu un câmp gravitațional atât de puternic încât tot ce depășește orizontul evenimentelor (un fel de margine a găurii negre) este atras în interior. Inclusiv lumina ce se prăbușește într-o gaură neagră, nu mai poate ieși. Acum, chiar dacă pare imposibil, aceste găuri negre emit și ele un tip de radiație, numită radiație Hawking.

Formarea planetelor a fost un proces îndelungat și complex. O parte din rocile formate au rămas să se miște pe diverse orbite formând centuri de asteroizi. Alte corpuri cu traiectorii mai ciudate și care, pe lângă rocă, mai conțin și gheață au format cometele.

Putem spune că asteroizii și cometele sunt resturi ale formării planetelor.

Aceste corpuri, alături de planete, au traiectorii diverse prin sistemele solare, dar din când în când aceste traiectorii se intersectează şi au loc ciocniri violente.

Când dimensiunile sunt mici, ciocnirea cu Pământul dă naștere la meteori (stele căzătoare) care se dezintegrează în atmosfera terestră. Dacă dezintegrarea nu este completă, rămân bucăți de rocă (meteoriți) care ajung pe Pământ. Dacă dimensiunile sunt mai mari de 2 kilometri în diametru efectele produse pot fi catastrofale. Dacă planetele “bombardate” de asteroizi nu au atmosferă, suprafața acestora este brăzdată de cratere uriașe. Dacă planetele au atmosferă, cum este Pământul, pe lângă craterele formate apar schimbări climatice majore, sau pot apărea extincții ale unor specii (cum ar fi dinozaurii).

Un alt efect al ciocnirilor violente este formarea sateliților naturali. Luna (satelitul Pământului) a apărut prin ciocnirea violentă cu un asteroid uriaș de mărimea unei planete pitice. Pe lângă efectele negative, asteroizii au jucat un rol important în apariția vieții pe Pământ.

Pe de o parte pentru că s-a constatat că asteroizii conțin macromolecule (aminoacizi necesari apariției vieții).

Pe de altă parte, excedentul de apă (elementul fundamental al vieții) este rezultatul ciocnirilor repetate dintre Pământ, asteroizi si comete, în primul miliard de ani de la formarea Pământului.

Se consideră că din punct de vedere matematic şi fizic trăim în “cea mai bună dintre lumile posibile”, Universul fiind rezultatul unui “echilibru” ce poate fi descris cu ajutorul a şase numere. “Acordul fin” al acestor numere a permis apariția și evoluția omului.

NUMĂRUL MARE N: GRAVITAŢIA ÎN COSMOS

Cosmosul – atât de extins, poate fi explicat prin existenţa în natură a numărului- N, de o importanţă crucială, extrem de mare, egal cu 10 la puterea 36. Acest număr măsoară raportul dintre intensitatea forţelor electrice care menţin împreună atomii şi forţa de gravitaţie ce se exercită între atomi. Dacă acest număr ar fi avut câteva zerouri mai puţin, s-ar fi format un Univers în miniatură, cu timp de viaţă scurt, în care nici o fiinţă nu ar fi putut creşte mai mare decât o insectă, deoarece nu ar fi rezistat presiunii, şi nu ar fi existat suficient timp pentru evoluţia biologică

STELELE, TABELUL PERIODIC ŞI ε

Numărul ε (epsilon), a cărui valoare este 0,007, arată cât de puternic sunt legate între ele nucleele atomilor şi cum s-au format toţi atomii de pe Pământ. Valoarea sa reglează energia emisă de Soare şi, mai precis, modul în care are loc transmutaţia hidrogenului din stele în toţi atomii din tabelul periodic.

Astfel, dacă “lipiciul“ nuclear ar fi fost doar puţin mai mic, ε < 0,007 de exemplu, un proton nu s-ar mai fi putut lega de un neutron, iar deuteriul (hidrogenul greu, cu un proton şi un neutron în plus) nu ar mai fi fost stabil. Atunci drumul spre formarea heliului ar fi fost închis, iar exploziile stelelor nu s-ar mai produce, implicit planetele nu ar mai exista. Dacă, în schimb, ε ar fi fost 0,008, doi protoni s-ar fi putut lega în mod direct. În acest caz nu ar mai fi rămas suficient hidrogen pentru formarea stelelor, iar apa nu ar fi existat niciodată.

Aşadar, o biosferă bazată pe carbon nu ar fi existat niciodată dacă ε ar fi fost 0,006 sau 0,008.

MATERIA ÎNTUNECATĂ ŞI Ω

Universul se află în prezent într-o continuă expansiune. Dar va continua el să se dilate la nesfârşit? Dacă gravitaţia va învinge forţa de expansiune, în viitor s-ar putea produce o uriaşă implozie care să determine comprimarea universului. Pentru ca acest lucru să se întâmple, este nevoie ca densitatea să depăşească o anumită valoare critică, de aprox. 5 atomi pe m³. Raportul dintre densitatea reală şi cea critică este numărul Ω.

Numărul cosmic Ω (omega) măsoară cantitatea de materie din universul nostru – galaxii, gaz întunecat şi “materie întunecată“. Ω reprezintă raportul dintre forţa gravitaţiei şi forţa de expansiune. Pentru valori ale acestui raport mai mari decât o valoare critică (aproximativ egală cu 1), Universul ar fi colapsat, deoarece gravitaţia ar învinge expansiunea, iar pentru valori mai mici ale raportului stelele şi galaxiile nu s-ar fi format, întrucât expansiunea ar câştiga supremaţia.

Cea mai mare parte a materiei din Univers nu emite lumină, nici alt tip de radiaţie, fiind de aceea greu de detectat. Însă modul cum se mişcă stelele şi galaxiile demonstrează clar că ceva invizibil trebuie să exercite o atracţie gravitaţională asupra lor. Aceasta este aşa-numita “materie întunecată“.

NUMĂRUL λ ŞI ANTIGRAVITAŢIA

Înainte să se descopere că Universul este în expansiune, se credea că acesta nu se poate menţine în stare statică decât dacă gravitaţia este compensată de o altă forţă, care să împiedice contractarea lui. Astfel, Einstein a introdus numărul λ (lambda), pe care l-a numit “constanta cosmologică“. …Atunci când s-a descoperit faptul că Universul se dilată continuu, pe Einstein nu l-a mai interesat λ.

NUMĂRUL Q ŞI “ONDULAŢIILE“ PRIMORDIALE

Universul nu este perfect uniform şi neted, ci încă de la început a prezentat mici neregularităţi în structura sa. După Big Bang, aceste fine neregularităţi au determinat dilatarea cu viteză mai mică a anumitor porţiuni care erau mai dense, şi astfel s-au format stelele, galaxiile şi roiurile de galaxii. Acestea sunt menţinute împreună de gravitaţie.

Pentru a separa stelele şi galaxiile, trebuie să fie învinsă gravitaţia care le menţine împreună. Energia necesară pentru a se realiza acest lucru este exprimată printr-o fracţiune din energia lor totală de repaus (mc²). Pentru cele mai mari structuri din Univers (roiuri şi super-roiuri de galaxii), fracţiunea este de o parte la 100.000. Numărul care exprimă raportul acestor două energii se notează cu Q.

Dacă Q ar fi fost mai mic decât 1/100.000, galaxiile şi stelele rezultate în urma Big Bang-ului ar fi fost structuri anemice, iar planetele nu s-ar fi putut forma. Dacă Q ar fi fost şi mai mic, sub 1/1.000.000, gazul nu ar mai fi putut fi păstrat în câmpurile gravitaţionale, iar viaţa nu ar mai fi putut apărea. Dacă, în schimb, Q ar fi fost mai mare, “ondulaţiile“ iniţiale ce au dus la Big Bang ar fi avut o amplitudine foarte mare, iar Universul ar fi fost un loc mult prea agitat şi violent, cu ciocniri foarte dese între galaxii, plin de găuri negre în care niciun sistem solar nu ar supravieţui, făcând de asemenea imposibilă apariţia vieţii.

NUMĂRUL D: 3 DIMENSIUNI… SAU 11?

Al şaselea număr crucial este cunoscut de secole. El reprezintă numărul de dimensiuni spaţiale ale lumii noastre, şi este egal cu 3. Timpul este cea de-a patra dimensiune, dar el e diferit de celelalte prin faptul că în el ne “mişcăm“ doar spre viitor.

Teoria supercorzilor, descoperită relativ recent, afirmă însă că materia, la nivel microscopic, este alcătuită din corzi de energie ce vibrează într-un spaţiu cu nu mai puţin de 10 dimensiuni. Această teorie încearcă să unească cele 3 forţe care guvernează lumea microscopică (electromagnetismul, forţa nucleară şi forţa slabă) şi să explice particulele elementare (cuarcii, gluonii etc.) ca fiind diferite moduri de vibraţie ale acestor corzi. Conform acestei teorii, ar exista 11 dimensiuni (10 dimensiuni spaţiale + timpul).

Fiecare dintre aceste numere joacă un rol crucial în Universul nostru, iar împreună determină modul în care acesta evoluează.

Ne dăm seama că trăim într-un univers fascinant când privim bolta cerească noaptea și vedem Calea Lactee, dar e și mai fascinant când privim fotografia transmisă de telescopul spațial James Webb, cea mai puternică maşină a timpului (”privești departe, privești devreme”), cu galaxiile cele mai îndepărtate, aproape de momentul inițial al Big Bang.

Un grupaj realizat de prof. Petre Mihai CORNEA

Foto: NASA

Bibliografie: – John Hands- ”Cosmo Sapiens, evoluția omului de la originile Universului”, Ed. Humanitas;/ – Martin Rees- ”Doar șase numere”, Ed. Humanitas; / – Simon Singh- ”Big Bang”, Ed. Humanitas; /- Stephen Hawking-”Universul într-o coajă de nucă”, Ed. Humanitas.