Universul a existat înainte de Big Bang? – este întrebarea la care încă se caută răspunsuri, marele mister al cosmologiei, punctul în care știința se împletește cu marile întrebări filozofice.
Roger Penrose, o personalitate fascinantă a ştiinţei contemporane, fizician, matematician, cosmolog, laureat al Premiului Nobel pentru fizică, în 2020, despre care mulţi spun că ar fi meritat cinci premii, nu unul, sublinia, într-una dintre lucrările sale, “Shadows of the Mind” (“Incertitudinile raţiunii”/ “Umbrele minţii”), că: “Legile fizicii produc sisteme complexe, iar aceste sisteme complexe duc la conştiinţă, care apoi produce matematică, iar aceasta, la rândul ei, poate codifica într-un mod succint şi inspirator chiar legile de bază ale fizicii (…) Există însă mistere considerabile, probleme profunde şi suntem încă foarte departe de explicaţii care să le elucideze. Niciuna dintre necunoscutele actuale nu poate fi lămurită în afara unei gândiri integratoare”.
Ştiinţa şi credinţa, consideră genialul om de ştiinţă, ale cărui abordări legate de marile teme ale cunoaşterii (originea Universului, aplicarea teoriei relativităţii în cosmologie, studiul găurilor negre, conştiinţa, “fizica spiritului” etc.) sunt total atipice şi ar trebui schimbat ceva, în mod fundamental, în cercetarea ştiinţifică, pentru a ajunge la adevăr – un adevăr “stocat” undeva, care aşteaptă încă să fie descoperit şi care nu exclude existenţa unei “forţe supreme”, care depăşeşte, deocamdată, capacitatea omului de a înţelege şi care ar putea explica “miracolul” apariţiei şi funcţionarii Universului.
Universul a existat înainte de Big Bang? Ce spune modelul standard al cosmologiei
Modelul standard al cosmologiei (Modelul Big Bang) descrie expansiunea Universului dintr-o stare extrem de densă și fierbinte, acum aproximativ 13,8 miliarde de ani. Ecuațiile generale ale relativității lui Einstein duc la o “singularitate inițială” – densitate și temperatură infinită la “t=0” (momentul iniţial/ momentul zero, o secundă care determină un punct de pornire egal cu 10 la puterea minus 43 secunde, după explozia iniţială).
“Singularitatea”, în cosmologie, este o stare în care mărimile fizice devin infinite: densitate, temperatură, curbura spațiu-timp. În ecuațiile relativității generale ale lui Einstein, atunci când se derulează filmul expansiunii Universului înapoi, în timp, totul se contractă și ajunge într-un punct cu volum zero și densitate infinită. Acest moment este asociat cu t=0 – începutul Big Bang-ului, acum aproximativ 13,8 miliarde de ani.
În anii 1960, cosmologii au demonstrat, prin teorema “singularității”, că, dacă relativitatea generală este corectă, dacă materia obișnuită respectă condiții energetice “normale”, atunci expansiunea Universului (sau “colapsul gravitațional”) conduce inevitabil la o “singularitate”. Cu alte cuvinte, relativitatea generală sugerează că Universul trebuie să fi avut un început într-un punct singular.
Mai mult, spun oamenii de ştiinţă, totul a depins de densitatea Universului în primul moment, care trebuia “reglată” cu o precizie excepţională (după calculul specialiştilor, o precizie de 1 din 10 la puterea 60, ca şi cum un arcaş ar trebui să nimerească o ţintă de un centimetru pătrat aflată la marginea Universului, adică ceva imposibil). Şi atunci, se pune întrebarea – o “voinţă” a reglat totul de la început sau a fost pură întâmplare?
Universul nostru şi problemele “singularităţii”
În pofida unui anume consens ştiinţific referitor la faptul că Big Bang-ul reprezintă începutul Universului nostru observabil, mulţi alţi cosmologi cred că această singularitate nu este “reală”, ci, mai degrabă, un semn că teoria lui Einstein nu mai este suficientă la o astfel de scară și că trebuie înlocuită sau completată cu o teorie cuantică a gravitației.
Problemele “singularităţii” sunt, în principal, “infinităţile fizice” (densitate și temperatură infinită nu au sens fizic, sunt un semnal că teoria nu mai funcționează), ecuațiile nu pot descrie “ce e dincolo”, așa că știința se blochează la t = 0, iar relativitatea generală nu ia în calcul mecanica cuantică (or, efectele cuantice sunt esențiale, spun cosmologii).
Universul “înainte de Big Bang” – Teorii și ipoteze
“Inflație eternă” (Etern Inflation)
“Inflație eternă” ( Etern Inflation) este una dintre cele mai fascinante teorii moderne despre Univers și despre “ce ar putea fi dincolo de Big Bang”.
La începutul Universului (în primele fracțiuni de secundă după Big Bang), cosmologii cred că a existat o fază numită “inflație cosmică” – o expansiune extrem de rapidă, de tip exponențial, care a mărit dimensiunea Universului de miliarde de ori într-un timp infim.
Această “inflație” explică de ce Universul arată atât de “neted” și omogen pe scară mare (problema orizontului), de ce geometria sa este aproape plată (problema platitudinii), de unde provin fluctuațiile care au dus la formarea galaxiilor (fluctuații cuantice întinse de inflație).
Potrivit unor modele, inflația nu se oprește peste tot deodată. Aceasta încetează într-o anumită regiune (unde apare un Univers-bulă, precum al nostru), dar continuă în alte regiuni. Procesul nu are sfârșit, mereu apar noi regiuni unde inflația se oprește, generând noi universuri.
Astfel, Universul nostru observabil ar fi doar o bulă într-un “multivers” mai mare, unde există infinit de multe alte universuri-bule, fiecare cu propriile legi ale fizicii. În contextul fizicii cuantice, conceptul de “multivers” se referă, prin urmare, la realităţi alternative multiple, care se divizează, în mod continuu, în alte universuri divergente şi inaccesibile unul altuia. Fiecare “Univers-bulă” poate avea alte constante fizice sau chiar alte dimensiuni ale spațiului-timpului. “Inflația” continuă la nesfârșit într-o parte a “fundalului”, deci nu există un “început” absolut, ci o producere continuă de universuri.
Dintr-o astfel de perspectivă, Big Bang-ul (clasic) şi Universul nostru nu ar fi un “început absolut”, ci doar “nașterea” unei bule specifice într-un ocean inflaționist.
Probleme și controverse
Mulţi cosmologi şi fizicieni consideră că, dacă o teorie nu poate fi testată empiric, ea riscă să iasă din domeniul științei și să devină mai degrabă filozofie. Dacă alte universuri sunt complet separate cauzal de noi (nu putem interacționa cu ele), atunci cum s-ar putea dovedi existența lor? Inflația eternă pare să ducă la o diversitate enormă de universuri, ceea ce ridică problema “măsurii” – cum pot fi definite probabilitățile, dacă totul este posibil?
Pe de altă parte, modelele de inflație simplă (non-eternă) sunt foarte bine susținute de observații, iar inflația eternă, care sugerează că Big Bang-ul nostru nu e începutul absolut, ci doar un eveniment local, într-un multivers care se auto-reproduce la nesfârșit, apare ca o consecință naturală a lor.
Teoria Universului ciclic (Big Bounce)
Teoria Universului ciclic (Big Bounce) este una dintre alternativele cele mai populare la ideea unui început absolut. Conform acestei ipoteze, Universul nu a început o singură dată, cu Big Bang-ul, ci trece printr-o succesiune infinită de cicluri: expansiune – contracție – “bounce” (“salt”) – din nou expansiune. Big Bang-ul nu ar fi “începutul timpului”, ci doar tranziția de la o fază anterioară de colaps la faza actuală de expansiune. Modele principale, referitoare la Universul ciclic sunt:
Big Crunch – Big Bang – Universul se extinde, apoi gravitația învinge expansiunea şi se produce un colaps (“Big Crunch”). La densitatea maximă, are loc un nou Big Bang şi Universul reîncepe. Una dintre problemele acestei teorii constă în faptul că observațiile actuale arată că expansiunea Universului se accelerează (din cauza energiei întunecate), deci nu pare să se mai contracte vreodată.
Universul Ekpirotic (teoria corzilor, brane cosmology) – este un model cosmologic propus de Paul Steinhardt (cosmolog şi fizician american) și Neil Turok (fizician, profesor la Universitatea Edinburgh, Scoţia). Cei doi oameni de ştiinţă spun că Universul nostru ar fi o membrană (“brane”) într-un spațiu multidimensional. Fiecare punct din Universul nostru s-ar învecina cu un punct din celălalt univers. Aceste două Universuri (care se extind, rarefiindu-şi conţinutul) s-ar îndepărta treptat, până la momentul în care o forţă similară cu un arc de cerc le va reuni, eliberând energie uriaşă, care se va transforma în materie, producând un nou Big Bang. Aşadar, coliziunea periodică între două astfel de “brane” ar produce cicluri de tip Big Bang- expansiune – relaxare- o nouă coliziune.
Loop Quantum Cosmology (Cosmologie cuantică în buclă) – Potrivit acestei teorii, spațiul-timp are o structură granulară. În loc de singularitate, densitatea maximă este finită, apare un “bounce” (salt cuantic), iar Universul alternează între contracții și expansiuni.
Găurile negre – vestigii ale Universului de dinainte de Big Bang?
Una dintre cele mai îndrăznețe idei ale lui Roger Penrose, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică, în 2020 (menţionat la începutul articolului), este cea despre “Cosmologia Conformă Ciclică (Conformal Cyclic Cosmology – CCC). Penrose susține că Universul nu are un început și un sfârșit absolut, ci trece prin “epoci” succesive (numite “aeons”).
Fiecare epocă începe cu un Big Bang și se încheie cu o expansiune extrem de îndelungată, în care toată materia dispare și rămân doar fotonii (radiație). Printr-o transformare matematică, starea “finală” a unui Univers (infinit dilatat și fără masă) poate fi identificată cu starea ”inițială” a următorului Big Bang. Cu alte cuvinte, sfârșitul unui Univers este începutul altuia.
În această viziune, găurile negre supermasive joacă un rol crucial. Pe măsură ce trec trilioane de ani, materia se împrăștie, stelele dispar, dar găurile negre rămân. Acestea însă nu sunt eterne – prin “radiația Hawking”, ele se evaporă încet-încet, eliberând energie sub formă de fotoni. La final, tot ce rămâne într-un Univers este reprezentat doar de fotoni, iar timpul și masa își pierd sensul clasic. Penrose afirmă că „urmele” evaporării găurilor negre din universul anterior ar putea fi vizibile chiar în radiația cosmică de fond (Cosmic Microwave Background – CMB) din universul nostru.
Penrose și colaboratorii săi au susținut că, în datele satelitului Planck (care a cartografiat CMB-ul/ radiaţia cosmică de fond), ar apărea niște cercuri concentrice cu temperatură anormal de uniformă. Aceste “cercuri Penrose” ar fi amprentele coliziunilor dintre găurile negre supermasive dintr-un univers anterior celui în care trăim noi. Dacă ar fi confirmate, ar fi o dovadă directă că universul nostru este doar unul dintr-o succesiune infinită de “aeons”.
Modelul “no boundary condition” (“nicio condiţie limită”), al lui Stephen Hawking
Este o teorie propusă de astrofizicianul englez Stephen Hawking, cel care a avut orgoliul şi curajul de a se gândi la “Teoria Totului”. Conform acestei teorii, timpul devine un concept care se estompează aproape de Big Bang. Nu există un “punct zero absolut”, ci o tranziție netedă, fără “singularitate”. În felul acesta, Universul este descris ca o entitate autonomă, fără început şi fără sfârşit, evitându-se necesitatea unui “înainte de Big Bang”.
Precum valurile de la suprafaţa unui ocean…
Prin urmare, Teoriile Universului ciclic, care sunt cele mai dezvoltate, la momentul actual, sunt interesante, pentru că oferă o alternativă la ideea unui început absolut, iar altele elimină întrebarea “Ce a fost înainte de Big Bang?”. Sunt “scenarii” care încearcă să descrie ce a fost “înainte”, ce este “dincolo”, dar ceea ce se poate cunoaşte direct, prin experienţă, pe acest subiect, este “finit”, restul reprezentând o “mare” de incertitudini. De asemenea, previziunile despre cum va evolua Universul nostru devin imposibile în absenţa unor date certe despre “Marele Început”.
Există şi fizicieni, cosmologi, filosofi contemporani, care susţin că trăim într-o “simulare” uriaşă, pe care o interpretăm greşit ca fiind “realitate obiectivă” (ca în scenariul cunoscutului film “The Simulation”). Aşa cum, astăzi, computerele permit simularea unor realităţi virtuale, tot mai credibile, aşa lumea “concretă” în care trăim ar putea fi parte dintr-un proces la scară universală, în care creierele noastre doar răspund unor “stimuli”, o proiecţie a unei realităţi pe care ne este imposibil să o înţelegem (cel puţin deocamdată).
James Gates, specialist în fizica teoretică, profesor la la Universitatea Maryland, crede că există un motiv foarte specific pentru a presupune că legile fizice ale lumii noastre vin dintr-o simulare la scară universală, şi anume acela că regulile care descriu comportamentul particulelor subatomice au caracteristici asemănătoare “codurilor” care corectează, în computere, erorile de procesare a datelor.
Chiar şi specialiştii în fizica cuantică – un domeniu care are deja o istorie de aproape un secol – recunosc că ceea ce se ştie în prezent este ceva similar cu valurile de la suprafaţa unui ocean…
