Ce a fost inainte de Big Bang

Sa fie oare raspunsul mai departe decat ne asteptam? In prezent, unii oameni de stiinta nu considera absurd sa te intrebi ce s-a intamplat inainte de Big Bang.

Fara indoiala ca ipoteza potrivit careia Universul ar avea un inceput, la un moment de timp estimat la acum circa 15 miliarde de ani, printr-un eveniment de tip exploziv al unei singularitati spatio-temporale este atat de neobisnuita, cat si uluitoare prin implicatiile pe care le contine. In completarea acestei idei vin si numeroasele observatii care nu lasa nici un dubiu asupra faptului ca Universul are un caracter dinamic si ca evolutia sa este caracteristica unui proces de expansiune, avand originea intr-o stare superconcentrata.

Conform teoriei generale a relativitatii, Big Bangul reprezinta inceputul, evenimentul in care a aparut materia si spatiul-timpul. Problema este ca teoria lui Einstein nu se aplica pana la momentul Big Bang-ului, datorita starii de condensare maxima a Universului.

Insa mai exista o teorie, cel putin interesanta. Stephen Hawking propune ideea existentei unei evolutii in sens invers a unei gauri negre, sau mai bine spus, a evenimentelor care s-au petrecut in interiorul acesteia, ce a facut ca spatiul si timpul sa se concentreze intr-o singularitate, care la randul sau, a suferit o expansiune permanenta in spatiul-timpul nostru.

Se presupune ca inainte de Big Bang a existat un Univers care se contracta cu o geometrie a spatiu-timpului, similara cu cea a Universului nostru, aflat in prezent in expansiune. In momentul Big Bang-ului, Universul anterior a ajuns sa colapseze, iar proprietatile cuantice ale spatiu-timpului au facut ca gravitatia sa devina repulsiva, lucru ce a cauzat Big Bang-ul.

Directorul Institutului de Geometrie si Fizica Gravitatiei de la Penn State spune ca “teoria generala a relativitatii poate fi folosita pentru a descrie Universul inapoi pana la un anumit punct dincolo de care materia devine atat de densa incat ecuatiile nu mai functioneaza, iar dincolo de acest moment trebuie sa aplicam uneltele mecanicii cuantice care nu ii erau disponibile lui Einstein.”
Astfel, cercetatorii au ajuns la concluzia ca inainte de Big Bang a existat un Univers care se contracta cu o geometrie a spatiu-timpului similara cu a Universului nostru. Pe masura ce fortele gravitationale au facut universul anterior sa colapseze, el a ajuns la un punct in care proprietatile cuantice ale spatiu-timpului au facut ca gravitatia sa devina repulsiva, lucru ce a cauzat ulterior Big Bang-ul.

Ashtekar a folosit modificarile cuantce ale ecuatiilor cosmologice ale lui Einstein si a aratat ca in locul unui Big Bang clasic a existat un Bounce cuantic. Descoperirea faptului ca a existat un alt univers pre-Big Bang a fost uluitoare, din acest motiv, au repetat simularile cu diferite valori ale parametrilor timp de cateva luni, scenariul Big Bounce ramanand acelasi.

Ideea unui alt Univers inainte de Big Bang nu este noua, aceasta este o descriere matematica ce stabileste in mod sistematic existenta sa si deduce proprietatile geometriei spatiu-timpului in acel Univers.

Cercetatorii spun ca Universul pare a fi ca un fel de tesatura facuta din fire foarte fine care – cuantice unidimentionale – devin evidente doar cand ne uitam la ele foarte de aproape. In apropierea Big Bang-ului, structura tesaturii Universului devine importanta si este cea care face ca gravitatia sa devina repulsiva. In apropierea Big Bang-ului, acest material este rupt in mod violent si natura cuantica a geometriei devine importanta. In acest fel gravitatia devine puternic repulsiva, generand Big Bounce-ul.

Datorita teoriei “loop quantum gravity”, geometria spatiu-timpului are o structura “atomica”, fiind asemenea unei foi de matematica cu patratele. Conform acestei teorii, continuitatea nu este decat o aproximare care apare din cauza ca distantele si timpii experimentati sunt mult mai mari decat distantele si duratele elementare.

Sa fie vorba oare de acel inceput, precum gasim in miturile cosmogonice, facerea lumii, creatia prin excelenta, si de un sfarsit prezis in miturile eshatologice, sfarsitul unei lumi si aparitia alteia noi? Haosul urmat distrugerii, urmat de aparitia unui nou teritoriu fiind o regresiune catre haosul primordial, asadar catre cosmogonie. Majoritatea acestor mituri aduc si convingerea ca lumii distruse ii va urma o alta, gratie unei noi creatii.

Read More

Teoria totului - numărătoarea inversă

Nu numai că timpul este unul din marile mistere, dar în acelaşi timp deţine cheia pentru rezolvarea celei mai ambiţioase provocări din fizica teoretică, aceea de a cuprinde complexa lucrare a acestui vast Univers într-o singură şi elegantă teorie: teoria totului.

Teoria totului ar trebui să unească teoria relativităţii generalizate, teoria gravitaţiei a lui Einstein, care descrie alcătuirea spaţiului şi timpului, cu teoria mecanicii cuantice, această stranie, dar atât de cuprinzătoare teorie care descrie fizica materiei. Şi aici se dă lupta de mai bine de un secol.

Teoria relativităţii generalizate şi mecanica cuantică oferă descrieri diferite ale timpului şi această diferenţă este o primă sursă a unei aparente ireconcilieri dintre cele două teorii. Dacă ar fi să facem un progres, ceva în concepţia noastră ar trebui să se modifice, iar mulţi au convingerea că tocmai ideea noastră despre timp este cea care ar trebui să se schimbe.

Timpul în teoria relativităţii generalizate

Acum aproape un secol, Einstein a arătat că timpul nu este ingredientul fundamental al realităţii, aşa cum noi credeam cândva că ar fi. Teoria acestuia, a relativităţii generalizate, a unificat spaţiul şi timpul într-o singură entitate numită spaţiu-timp, care poate să se contracte şi să se dilate în prezenţa materiei sau a energiei, producând curbura spaţiu-timpului pe care noi o simţim ca fiind forţa gravitaţională. Dar problema în ceea ce priveşte spaţiul-timp este faptul că acest concept nu mai poate fi dezvoltat. Spaţiul-timp, ca un întreg, nu poate evolua în timp pentru că este el însuşi timp - nici un ceas nu poate exista în afara Universului.

Potrivit relativităţii generalizate, ceea ce noi experimentăm ca fiind curgerea timpului este un fel de iluzie generată de drumurile ”peticite” în care diferiţi observatori taie spaţiul-timp unificat în spaţiu şi timp, cu diferitele lor puncte de vedere.

Timpul în teoria mecanicii cuantice

În mecanica cuantică situaţia se schimbă în mod radical. Spre deosebire de relativitatea generalizată, unde timpul este conţinut în sistem, mecanica cuantică are nevoie ca în afara sistemului să existe un ceas care să măsoare secundele Universului în exact acelaşi mod pentru fiecare observator. Aceasta deoarece sistemele cuantice sunt descrise de funcţiile de undă care cuantifică probabilitatea ca măsurătorile efectuate să dea anumite rezultate, iar aceste funcţii se dezvoltă independent de timp.

O regulă fundamentală a mecanicii cuantice spune că probabilităţile rămân aceleaşi chiar dacă timpul trece. Pentru a întări această regulă, timpul în care fiecare funcţie de undă evoluează trebuie să fie unul şi aceleaşi pentru tot şi pentru oricine.

Către o abordare unitară a timpului

Pentru a face un progres în încercarea lor de a uni teoria relativităţii generalizate cu cea a mecanicii cuantice, este nevoie să se lucreze cu o singură viziune asupra timpului. Dar care ar fi cea corecta?

Depinde pe cine întreabă. Mulţi cred că Einstein a avut dreptate şi teoria cuantică ar trebui să fie modificată. Carlo Rovelli, un fizician de la Centrul De Fizică Teoretică din Marsilia, Franţa, a rescris regulile mecanicii cuantice în aşa fel încât ele să nu facă nici o referire la timp.

“Pentru mine, soluţia la această problemă este aceea că la un nivel profund al naturii nu există timp deloc”, spune Rovelli. În viziunea sa, mecanica cuantică nu trebuie să descrie felul în care evoluează sistemele fizice în timp, ci doar cum evoluează ele relativ la alte sisteme, cum ar fi observatorii sau aparatele de măsură. “Fizica nu este despre “cum se mişcă Luna pe cer în timp?”, ci mai degrabă despre “cum se mişcă Luna pe cer în raport cu Soarele?”", spune acesta. “Timpul există doar în mintea noastră şi nu în realitatea fizică care ne înconjoară”.

Alţii nu sunt de acord cu acest punct de vedere. Fiziciana Fotini Markopoulou de la Institutul de Fizică Teoretică Perimeter din Waterloo, Ontario, Canada, a argumentat că timpul există la cel mai profund nivel al realităţii - dar pentru a putea încorpora timpul în teorie, spaţiul trebuie să dispară. În modelul ei, numit şi “desen cuantic” ("quantum graphity") ingredientele de bază ale realităţii sunt evenimentele cuantice ordonate în timp, iar din aceste eveniment, de la nivelul acesta, sunt aşteptate să emeargă spaţiul, gravitaţia şi teoria lui Einstein, la o scară mai mare şi la energii mai joase. În acest scenariu, teoria cuantica câştigă bătălia pentru timp şi teoria relativităţii generalizate este cea care ar trebui să se adapteze la noua viziune.

Pentru alţii însă nu este suficient să declari mecanica cuantică sau teoria relativităţii generalizate câştigătoare în bătălia pentru timp. Potrivit lui Dean Rickles, un filozof al ştiinţei de la Universitatea din Sydney, New South Wales, Australia, nici una din ultimele teorii nu ar fi cea corectă. “Este foarte posibil ca ceea ce noi numim timp să rezulte dintr-o structură atemporală profundă şi mult mai primitivă”, spune el.

În ceea ce priveşte teoria totului, spune Rickles, “mai este un drum lung de parcurs până acolo, dar cu siguranţă conceptul de timp va juca un rol crucial în definirea acesteia”.

Read More

Curiozităţi din ştiinţă (Partea 2)

Ştiaţi că ciupercile sunt mai îndeaproape înrudite cu oamenii decât cu plantele? Dar că Terra se depărtează de Soare cu 15 cm în fiecare an, iar Luna se depărtează de noi cu 4 centimetri în fiecare an? Dar că 99% din speciile ce au trăit vreodată sunt în prezent dispărute?

1. Pe o şosea foarte fierbinte se poate întâmpla uneori să pară că vedem drumul ud. Ceea ce vedem de fapt este... cerul.

2. Cantitatea de apă de pe Terra este de 100.000 de ori mai mare decât cea de pe Venus. Venus pierde în prezent 2x10^24 nuclee de hidrogen în fiecare secundă.

3. Terra se depărtează de Soare cu 15 cm în fiecare an. Luna se depărtează de noi cu 4 cm pe an, iar rotaţia planetei noastre scade cu 0,000017 secunde anual.

4. Rata actuală de evaporare a atmosferei Pământului este de 3 kg de hidrogen şi 50 g de heliu pe secundă.

5. Calculele arată că în trecut atmosfera planetei Venus este posibil să fi pierdut un întreg ocean de hidrogen în decursul a câteva zeci de milioane de ani.

6. Ciupercile sunt mai îndeaproape înrudite cu oamenii decât cu plantele.

7. Supervulcanul Toba, care a erupt acum 74.000 ani, a eliberat 2.500 km cubi de magmă, aproape de două ori volumul muntelui Everest.

6. Peste 99% din speciile care au trăit vreodată pe Pământ sunt în prezent dispărute.

8. În fiecare celulă umană găsim sute de structuri (mitocondrii) care sunt descendenţii bacteriilor procariote de la începuturile vieţii pe Pământ.

9. Câteva miliarde de microbi există în fiecare linguriţă de apă netratată. Oceanele se estimează că ar conţine 1027 bacterii sau de un milion de ori mai multe bacterii decât stele sunt vizibile în Univers.

10. Se presupune că există cel puţin 2 milioane de specii diferite de plante şi animale, fără a pune la socoteală bacteriile. Incluzându-le pe acestea, probabil s-ar ajunge la un număr de 10 milioane. Şi cu toată această varietate enormă a vieţii pe Pământ, să nu uităm ca 99% din speciile ce au trăit pe Terra sunt deja dispărute.

11. După dispariţia dinozaurilor şi a multor altor specii de animale şi plante petrecută în urmă cu 65 mil. ani, fosilele de animale mai mari de 20 kg sunt practic inexistente.

Read More

Curiozităţi din ştiinţă (Partea 1)

Ne influenţează oare astrele cereşti? Dacă da, în ce măsură? Cu ce viteză călătoresc semnalele electrice nervoase la mamifere? De ce forţă avem nevoie pentru a muta un atom de cobalt pe o suprafaţă de cupru? Răspunsurile, în continuare.

1. Un scurt exerciţiu de imaginaţie ne arată faptul că dacă am restrânge întreaga istorie de 4,56 de miliarde de ani a Pământului într-o singură zi, o oră ar reprezenta echivalentul a 190 de milioane de ani, un minut ar ocupa o perioadă de 3,2 milioane de ani, iar o secundă ar avea nu mai puţin de 53.000 de ani. Într-un asemenea calendar imaginar, primele forme de viaţă apar la aproximativ 8 ore după formarea Terrei. În urmă cu o oră şi 19 minute ar fi început dominaţia dinozaurilor, perioadă ce se încheie după numai 59 de minute de existenţă. Tot atunci, adică în urmă cu 20 de minute, primele primate îşi fac apariţia pe scena lumii. Iar dacă vă întrebaţi când a apărut omul pe această scară a timpului, ei bine… întreaga istorie a speciei noastre durează mai puţin de 4 secunde.

2. Ne influenţează astrele cereşti oare? Lampa din sala de naşteri are asupra unui copil nou născut o influenţă de 160 miliarde de ori mai puternică prin luminozitate decât orice alt obiect de pe cer, exceptând Soarele şi Luna. 1/150 este raportul dintre influenţa gravitaţională a unui doctor în aceeaşi sală de naşteri asupra unui copil decât a planetei Marte.

3. Bacteriile reprezintă probabil mai mult de jumătate din biomasa planetei.

4. Codul nostru genetic ar umple câteva cărţi de telefoane.

5. Semnalele electrice din sistemul nervos al mamiferelor călătoresc cu viteza de 0,1 km/sec.

6. Naţiunile de pe glob cheltuiesc mai mult de un milion de dolari pe minut pentru înarmare. Arsenalul nuclear din prezent este echivalent cu 20 miliarde tone TNT, ceea ce duce la 3 tone TNT pe persoană, fie că este vorba de copii, bătrâni, femei...

7. Două noi ceasuri, unul bazat pe aluminiu, celălalt pe mercur, mai exact pe vibraţia naturală a ionilor acestora, deţin titlul de cel mai precis instrument realizat până în prezent. Acestea nu vor rămâne în urmă şi nu o vor lua înainte nici măcar cu o secundă întreagă în următorul miliard de ani.

8. Cel mai precis instrument de măsurat distanţele, ce foloseşte 36 de fotoni, poate măsura diferenţe de lungime mai mici de a zecea mia parte din grosimea firului de păr. Aceşti 36 de fotoni înseamnă extrem de puţină lumină. Chiar şi un led străluceşte cu multe trilioane de fotoni pe secundă.

9. Forţa de a muta un atom de cobalt pe o suprafaţă de cupru este de 17 piconewtoni. Prin comparaţie, forţa pentru a muta o monedă mică de cupru este de 30 de miliarde de piconewtoni.

10. În timp ce citiţi o carte veţi converti cel puţin 1000 calorii de energie cu un grad înalt de ordine, sub formă de hrană, în energie cu un grad mare de dezordine, prin căldura pierdută în mediu. Acest lucru va creşte dezordinea (entropia) Universului cu 20 de milioane de milioane de milioane de milioane de unităţi, de 10 milioane de milioane de milioane de ori mai mult decât creşterea ordinii produsă în creierul vostru chiar dacă aţi memora cuvânt cu cuvânt întreaga carte.

Read More