Ce se intampla daca Universul nu are sfarsit?

Ce se intampla daca Universul nu are sfarsit?

(Credit de imagine:

Getty Images

)

Big Bang-ul este larg acceptat ca fiind inceputul a tot ceea ce vedem in jurul nostru, dar alte teorii care aduna sprijin in randul oamenilor de stiinta sugereaza contrariul.

T

Pentru a marca sfarsitul unui an turbulent, aducem inapoi cateva dintre povestile noastre preferate pentru colectia „Best of 2020” a BBC Future. Descoperiti mai multe dintre alegerile noastre aici .

Povestea obisnuita a Universului are un inceput, un mijloc si un sfarsit.

A inceput cu Big Bang-ul in urma cu 13,8 miliarde de ani, cand Universul era mic, fierbinte si dens. In mai putin de o miliardime dintr-o miliardime de secunda, acel punct al unui univers s-a extins la mai mult de un miliard, de miliarde de ori dimensiunea initiala printr-un proces numit „inflatie cosmologica”.

Apoi a venit „iesirea gratioasa”, cand s-a oprit inflatia. Universul a continuat sa se extinda si sa se raceasca, dar cu o fractiune din viteza initiala. In urmatorii 380.000 de ani, Universul era atat de dens incat nici macar lumina nu se putea misca prin el – cosmosul era o plasma opaca, superhot de particule imprastiate. Cand lucrurile s-au racit in sfarsit suficient pentru a se forma primii atomi de hidrogen, Universul a devenit rapid transparent. Radiatiile au izbucnit in toate directiile, iar Universul era pe cale sa devina entitatea bulgareasca pe care o vedem astazi, cu vaste spatii goale punctate de aglomerari de particule, praf, stele, gauri negre, galaxii, radiatii si alte forme de materie si energie.

S-ar putea sa-ti placa si:

• „Stelele intunecate” au ajutat la formarea universului nostru?

Fotografia care a rezumat locul nostru in Univers

• Exista un cod ascuns care stapaneste Universul?

In cele din urma, aceste bucati de materie se vor indeparta atat de mult incat vor disparea incet, conform unor modele. Universul va deveni o supa rece si uniforma de fotoni izolati.

Universul pe care il putem vedea in prezent este alcatuit din aglomerari de particule, praf, stele, gauri negre, galaxii, radiatii (Credit: NASA / JPL-Caltech / ESA / CXC / STScI)

Nu este un final deosebit de dramatic, desi are o finalitate satisfacatoare.

Dar daca Big Bang-ul nu ar fi fost de fapt inceputul?

Poate ca Big Bang-ul a fost mai degraba un „Big Bounce”, un moment de cotitura intr-un ciclu continuu de contractie si expansiune. Sau ar putea fi mai degraba un punct de reflectie, cu o imagine in oglinda a universului nostru care se extinde in „cealalta parte”, unde antimateria inlocuieste materia, iar timpul in sine curge inapoi. (S-ar putea chiar sa existe o „oglinda” care sa gandeasca cum arata viata pe aceasta parte.)

Sau, Big Bang-ul ar putea fi un punct de tranzitie intr-un univers care a fost intotdeauna – si va fi intotdeauna – in expansiune.

Array

Toate aceste teorii se afla in afara cosmologiei de masa, dar toate sunt sustinute de oameni de stiinta influenti.

Numarul tot mai mare al acestor teorii concurente sugereaza ca ar putea fi momentul sa renuntam la ideea ca Big Bang-ul a marcat inceputul spatiului si al timpului. Si, intr-adevar, ca poate avea chiar un sfarsit.

Multe alternative concurente Big Bang provin dintr-o nemultumire profunda fata de ideea de inflatie cosmologica.

Cicatricile lasate de Big Bang intr-o radiatie slaba de microunde care patrunde intregul cosmos ofera indicii despre cum arata Universul timpuriu (Credit: NASA)

„Trebuie sa marturisesc, nu mi-a placut niciodata inflatia de la inceput”, spune Neil Turok, fostul director al Institutului Perimetru pentru Fizica Teoretica din Waterloo, Canada. 

„Paradigma inflationista a esuat”, adauga Paul Steinhardt, profesor de stiinta Albert Einstein la Universitatea Princeton si sustinator al unui model „Big Bounce”.

„Am considerat intotdeauna inflatia ca o teorie foarte artificiala”, spune Roger Penrose, profesor emerit de matematica Rouse Ball la Universitatea Oxford. „Motivul principal pentru care nu a murit la nastere este ca a fost singurul lucru la care oamenii s-au putut gandi pentru a explica ceea ce numesc„ invarianta la scara a fluctuatiilor de temperatura ale fundalului microundelor cosmice ”.”

Fundalul microundelor cosmice (sau „CMB”) a fost un factor fundamental in fiecare model al Universului de cand a fost observat pentru prima data in 1965. Este o radiatie ambientala slaba, gasita peste tot in Universul observabil, care dateaza din acel moment in care Universul a devenit mai intai transparent la radiatii.

CMB este o sursa majora de informatii despre cum arata Universul timpuriu. Este, de asemenea, un mister ispititor pentru fizicieni. In orice directie, oamenii de stiinta indica un radiotelescop, CMB arata la fel, chiar si in regiuni care aparent nu ar fi putut interactiona niciodata in niciun moment al istoriei unui univers vechi de 13,8 miliarde de ani. 

„Temperatura CMB este aceeasi pe partile opuse ale cerului si acele parti ale cerului nu ar fi fost niciodata in contact cauzal”, spune Katie Mack, cosmolog la Universitatea de Stat din Carolina de Nord. „Ceva a trebuit sa conecteze cele doua regiuni ale Universului in trecut. Ceva a trebuit sa spuna acelei parti a cerului sa aiba aceeasi temperatura ca acea parte a cerului ”.

Fara un mecanism care sa uniformizeze temperatura din Universul observabil, oamenii de stiinta s-ar astepta sa vada variatii mult mai mari in diferite regiuni.

Inflatia ofera o modalitate de a rezolva aceasta asa-numita „problema de omogenitate”.

Cu o perioada de expansiune nebuna care se intinde pe Univers atat de repede, incat aproape intregul lucru a ajuns mult dincolo de regiunea cu care putem observa si interactiona. Universul nostru observabil s-a extins dintr-o mica regiune omogena din acea mizerie fierbinte primordiala, producand CMB uniform. Alte regiuni dincolo de ceea ce putem observa ar putea arata foarte diferit.

Fizicienii teoretici constata din ce in ce mai mult ca teoria inflatiei nu tine cont de raspandirea materiei si energiei observata in Univers (Credit: NASA / ESA)

„Inflatia pare a fi lucrul care are suficient sprijin din datele pe care le putem lua ca implicite”, spune Mack. Este cea pe care o predau la cursurile mele. Dar mereu spun ca nu stim sigur ca s-a intamplat acest lucru. Dar se pare ca se potriveste destul de bine cu datele si este ceea ce majoritatea oamenilor ar spune ca este cel mai probabil ”.

Dar au existat intotdeauna neajunsuri ale teoriei. In special, nu exista un mecanism definitiv care sa declanseze expansiunea inflationista sau o explicatie testabila a modului in care s-ar putea intampla sfarsitul gratios. O idee propusa de sustinatorii inflatiei este ca particulele teoretice alcatuiau ceva numit „camp de inflatie” care a condus la inflatie si apoi s-a descompus in particulele pe care le vedem astazi in jurul nostru.

Dar chiar si cu modificari de acest fel, inflatia face previziuni, cel putin pana acum, care nu au fost confirmate. Teoria spune ca spatiul-timp ar trebui sa fie deformat de unde gravitationale primordiale care au ricosat in Univers cu Big Bang. Dar, in timp ce anumite tipuri de unde gravitationale au fost detectate, niciunul dintre acestea primordiale nu a fost inca gasit pentru a sustine teoria.

Fizica cuantica forteaza, de asemenea, teoriile inflatiei pe un teritoriu foarte dezordonat. Se estimeaza ca fluctuatiile cuantice rare vor determina inflatia sa sparga spatiul intr-un numar infinit de patch-uri cu proprietati extrem de diferite – un „multivers” in care apare literalmente orice rezultat imaginabil.

„Teoria este complet indecisa”, spune Steinhardt. „Poate spune doar ca Universul observabil ar putea fi asa sau asa sau orice alta posibilitate pe care ti-o poti imagina, in functie de locul in care ne aflam in multivers. Nu este exclus nimic din ceea ce este conceput fizic. ”

Steinhardt, care a fost unul dintre arhitectii originali ai teoriei inflationiste, s-a saturat in cele din urma de lipsa predictivitatii si a netestabilitatii.

„Chiar trebuie sa ne imaginam ca exista un numar infinit de universuri dezordonate pe care nu le-am vazut niciodata si niciodata nu le vom vedea pentru a explica singurul univers simplu si remarcabil de neted pe care il observam de fapt?” el intreaba. „Eu spun ca nu. Trebuie sa cautam o idee mai buna. ”

Mai degraba decat sa fie un inceput, Big Bang-ul ar fi putut fi un moment de tranzitie de la o perioada de spatiu si timp la alta – mai mult decat un salt (Credit: Alamy)

Problema ar putea avea legatura cu Big Bang-ul in sine si cu ideea ca a existat un inceput al spatiului si al timpului.

Teoria „Big Bounce” este de acord cu imaginea Big Bang a unui univers fierbinte si dens acum 13,8 miliarde de ani, care a inceput sa se extinda si sa se raceasca. Dar, mai degraba decat sa fie inceputul spatiului si timpului, acesta a fost un moment de tranzitie de la o faza anterioara in care spatiul se contracta.

Cu o saritura mai degraba decat o lovitura, spune Steinhardt, partile indepartate ale cosmosului ar avea mult timp pentru a interactiona intre ele si pentru a forma un singur univers neted in care sursele de radiatie CMB ar fi avut sansa de a se uniformiza.

De fapt, este posibil ca timpul sa fi existat pentru totdeauna.

„Si daca s-a intamplat o saritura in trecutul nostru, de ce nu ar fi putut fi multi dintre ei?” spune Steinhardt. „In acest caz, este plauzibil sa existe unul in viitorul nostru. Universul nostru in expansiune ar putea incepe sa se contracte, revenind la acea stare densa si incepand din nou ciclul de respingere. ”

Steinhardt si Turok au lucrat impreuna la cateva versiuni timpurii ale modelului Big Bounce, in care Universul s-a micsorat la o dimensiune atat de mica incat fizica cuantica a preluat din fizica clasica, lasand predictiile incerte. Dar, mai recent, un alt colaborator al lui Steinhardt, Anna Ijjas, a dezvoltat un model in care Universul nu devine niciodata atat de mic incat domina fizica cuantica.

„Este o idee destul de prozaica, conservatoare, descrisa tot timpul prin ecuatii clasice”, spune Steinhardt. „Inflatia spune ca exista un multivers, ca exista un numar infinit de moduri in care Universul ar putea iesi si se intampla sa traim in cel care este neted si plat. Este posibil, dar nu probabil. Acest model Big Bounce spune ca asa trebuie sa fie Universul . ”

Neil Turok a explorat, de asemenea, o alta cale pentru o alternativa mai simpla la teoria inflationista, „Universul oglinda”. Acesta prezice ca un alt univers dominat de antimaterie, dar guvernat de aceleasi legi fizice ca ale noastre, se extinde spre exterior pe cealalta parte a Big Bangului – un fel de „anti-univers”, daca doriti.

„Imi iau un lucru de la observatiile din ultimii 30 de ani, si anume ca Universul este incredibil de simplu”, spune el. „La scara larga, nu este haotic. Nu este intamplator. Este incredibil de ordonat si regulat si necesita foarte putine numere pentru a descrie totul. ”

Universul nostru care curge in timp inainte ar putea avea o reflectie perfecta care se extinde si in sens invers fata de evenimentul pe care il numim Big Bang (Credit: Alamy)

Avand in vedere acest lucru, Turok nu vede loc pentru un multivers, dimensiuni superioare sau particule noi, care sa explice ce se poate vedea atunci cand privim in sus spre ceruri. Universul Oglinda ofera toate acestea – si ar putea rezolva, de asemenea, unul dintre marile mistere ale Universului.

Daca adaugati toata masa cunoscuta intr-o galaxie – stele, nebuloase, gauri negre si asa mai departe – totalul nu creeaza suficienta gravitatie pentru a explica miscarea in interiorul si intre galaxii. Restul pare a fi alcatuit din ceva ce nu putem vedea in prezent – materia intunecata. Aceste lucruri misterioase reprezinta aproximativ 85% din materia din univers.

Modelul Mirror Universe prezice ca Big Bang-ul a produs din abundenta o particula cunoscuta sub numele de „neutrini dreptaci”. In timp ce fizicienii particulelor inca nu au vazut direct niciuna dintre aceste particule, sunt destul de siguri ca exista. Si acestea sunt cele care alcatuiesc materia intunecata, potrivit celor care sustin teoria Universului Oglinda.

„Este singura particula din acea lista (de particule din Modelul Standard) care are cele doua proprietati necesare pe care nu le-am observat inca direct si ar putea fi stabila”, spune Latham Boyle, un alt sustinator principal al Universului Oglinda. teorie si un coleg cu Turok la Perimeter Institute.

Poate ca cea mai provocatoare alternativa la Big Bang si inflatie este teoria „Cosmologiei ciclice conforme” a lui Roger Penrose (CCC). La fel ca Big Bounce, implica un univers care ar fi putut exista pentru totdeauna. Dar in CCC, nu trece niciodata printr-o perioada de contractie – se extinde doar vreodata. 

„Opinia mea este ca Big Bang-ul nu a fost inceputul”, spune Penrose. „Intreaga imagine a ceea ce stim in zilele noastre, intreaga istorie a Universului, este ceea ce eu numesc un„ eon ”intr-o succesiune de eoni.”

Modelul lui Penrose prezice ca o mare parte a materiei din Univers va fi tarata in cele din urma in gauri negre ultra-masive. Pe masura ce Universul se extinde si se raceste pana aproape de zero absolut, acele gauri negre vor „fierbe” printr-un fenomen numit Hawking Radiation.

„Trebuie sa te gandesti la ceva de genul anilor googol, ceea ce inseamna un numar unu cu 100 de zerouri”, spune Penrose. „Acesta este numarul de ani sau mai multi pentru ca cei cu adevarat mari sa se evapore in cele din urma. Si atunci ai un univers cu adevarat dominat de fotoni (particule de lumina). ”

Penrose spune ca in acest moment, Universul incepe sa arate la fel ca la inceputul sau, pregatind scena pentru inceputul unui alt eon.

Cosmologia ciclica conforma prezice ca o mare parte din Univers va fi trasa in gauri negre enorme care vor fierbe apoi (Credit: NASA / JPL-Caltech)

Una dintre predictiile CCC este ca ar putea exista o inregistrare a eonului anterior in radiatia cosmica de fundal cu microunde care a inspirat initial modelul de inflatie. Cand gaurile negre hiper-masive se ciocnesc, impactul creeaza o eliberare uriasa de energie sub forma de unde gravitationale. Cand gaurile negre gigantice se evapora in cele din urma, elibereaza o cantitate uriasa de energie sub forma de fotoni cu frecventa joasa. Ambele fenomene sunt atat de puternice, spune Penrose, incat pot „izbucni in cealalta parte” a unei tranzitii de la un eon la altul, fiecare lasand propriul sau tip de „semnal” incorporat in CMB ca un ecou din trecut.

Penrose numeste tiparele lasate in urma prin evaporarea gaurilor negre „Puncte Hawking”.

In primii 380.000 de ani ai actualului eon, acestea nu ar fi fost altceva decat puncte minuscule din cosmos, dar pe masura ce Universul s-a extins, ele ar aparea ca „pete” pe cer.

Penrose a lucrat cu cosmologi polonezi, coreeni si armeni pentru a vedea daca aceste tipare pot fi de fapt gasite comparand masuratorile CMB cu mii de modele aleatorii.

Concluzia la care am ajuns este ca vedem aceste pete pe cer cu o incredere de 99,98%”, spune Penrose. Cu toate acestea, lumea fizicii a ramas in mare parte sceptica fata de aceste rezultate si a existat un interes limitat in randul cosmologilor cu privire la incercarea chiar de a replica analiza lui Penrose.

Este putin probabil ca vom putea vreodata sa observam direct ceea ce s-a intamplat in primele momente dupa Big Bang, daramite momentele de dinainte. Plasma supraincalzita opaca, care a existat in primele momente, probabil ne va ascunde pentru totdeauna viziunea. Dar exista si alte fenomene potential observabile, cum ar fi undele gravitationale primordiale, gaurile negre primordiale, neutrinii dreptaci, care ne-ar putea oferi cateva indicii despre care dintre teoriile despre universul nostru sunt corecte.

„Pe masura ce dezvoltam noi teorii si noi modele de cosmologie, acestea ne vor oferi alte predictii interesante pe care le putem cauta”, spune Mack. “Speranta nu este neaparat ca vom vedea inceputul mai direct, ci ca poate printr-un mod giratoriu vom intelege mai bine structura fizicii in sine”.

Pana atunci, povestea universului nostru, inceputurile sale si daca are un sfarsit, vor continua sa fie dezbatute.

Alaturati-va unui milion de fani Viitor placandu-ne pe  Facebook sau urmati-ne pe  Twitter  sau  Instagram .

Daca ti-a placut aceasta poveste,  inscrie-te la buletinul informativ saptamanal bbc.com , numit „Lista esentiala”. O selectie selectata de povesti de la BBC Future, Culture, Worklife si Travel, livrate in casuta de e-mail in fiecare vineri.