Relativitatea generala si expansiunea Universului

Atunci cand Einstein a inceput sa exploreze ce-i dezvaluiau noile sale ecuatii despre Univers, el a facut ceea ce fac de regula savantii: a simplificat problema pentru a o putea rezolva. Universul real, cu toate detaliile sale nesemnificative, era mult prea complicat pentru a putea fi inteles sau abordat, asa incat Einstein l-a simplificat presupunand ca materia e pretutindeni uniform distribuita. El a presupus de asemenea ca Universul arata la fel in toate directiile. Dar, spre marea sa mahnire, a descoperit ca ecuatiile sale cereau ca universurile de acest tip sa se dilate sau sa se contracte odata cu trecerea timpului. Lucru normal, acelasi lucru fiind valabil si in descrierea newtoniana a gravitatiei. Daca am plasa in spatiu un nor de particule de praf, ele vor incepe sa simta o atractie gravitationala reciproca; norul se va contracta treptat. Acest lucru ar putea fi impiedicat doar de o explozie sau o alta forta care sa se opuna gravitatiei.

Einstein a fost tulburat de aceasta predictie a teoriei sale, ca Universul nu este static, asa cum s-a crezut pana atunci, si i-a lipsit curajul pentru a afirma acest lucru. Un Univers in expansiune era o idee foarte ciudata la acea vreme.

Stim ca gravitatia face ca stelele si planetele sa se atraga, dar ele totusi nu se ciocnesc. Asta a pus probleme ecuatiei initiale ale lui Einstein si a fost nevoit sa introduca o constanta cosmologica, producand o mica repulsie intre corpuri, suficient de mica cat sa nu afecteze legile lui Newton. Dupa ce a introdus constanta, a observat ca este totusi o problema. Introducerea constantei cosmologice era o cale prin care sa-si modifice in mod justificat noua teorie a gravitatiei, asa incat sa evite posibilitatea dilatarii sau contractiei Universului. Cu ajutorul acesteia a putut contrabalansa atractia gravitationala. Insa un astfel de univers static ce nu se schimba cu timpul nu are nici inceput, nici sfarsit.

Universul descris de aceasta teorie era foarte instabil, iar observatiile facute de Hubble, 10 ani mai tarziu, au confirmat faptul ca Universul nu este static, ci este intr-o continua expansiune. Einstein a spus ca a fost cea mai mare gafa a sa pe care a facut-o, pentru ca datorita introducerii acelei constante, a ratat ocazia de a face senzationala predictie ca Universul nostru se afla in expansiune. Meritul i-a revenit lui Alexander Friedmann. Din pacate, Friedmann nu a trait sa vada confirmarea predictiei sale, sapte ani mai tarziu, prin observatiile efectuate de Edwin Hubble.

Daca Universul este in expansiune, iar gravitatia incetineste expansiunea, intrebarea e daca exista suficienta materie, suficienta gravitatie, pentru a opri expansiunea. Universul va continua sa se dilate sau va sfarsi printr-un Big Crunch? Vom reveni mai tarziu asupra acestei dileme.

Ulterior s-a aratat ca este totusi nevoie de o constanta cosmologia pentru a explica relatia. Problema statea in spatiul gol din Univers, ce nu mai parea ca este chiar asa de gol.

Un lucru foarte interesant este ca un procent mare din masa unui proton nu este dat de cuarcii dintr-un proton, ci din spatiul dintre acestia. Dupa cum se observa si in animatia alaturata, aceste campuri ce apar si dispar alcatuiesc aproximativ 90% din masa protonului.

Daca gravitatia face ca lucrurile sa se atraga, atunci ce cauzeaza procesul invers? Raspunsul este ca expansiunea este datorata densitatii energiei in Univers. Cu alte cuvinte, totalitatea materiei, radiatiei, neutrinilor si a altor forme de energie. Densitatea energiei determina rata expansiunii Universului.

Geometria Universului

Din punct de vedere al geometriei Universului, acesta poate fi doar un univers inchis (sferic), deschis (in forma de sa) sau plat.

Universul deschis implica o densitate a Universului mai mica decat cea critica, avand o forma de sa. In acest Univers liniile paralele devin divergente, iar suma unghiurilor  este mai mica decat 180.

Universul inchis presupune ca densitatea Universului este mai mare decat densitatea critica. Acest lucru inseamna ca un corp aflat in miscare prin Univers, precum un foton, pana la urma se va intoarce in punctul sau de plecare. Intr-un univers inchis, liniile paralele converg pana la urma, iar suma unghiurilor este mai mare de 180 grade.

Ultima posibilitate este ca Universul nostru este unul plat. Daca densitatea Universului este egala cu densitatea critica, atunci inseamna ca Universul este plat, ca o foaie de hartie. Pe baza datelor colectate de catre sonda spatiala WMAP s-a stabilit ca, intr-adevar, Universul este plat, cu o eroare de maxim 2%.

Cea mai plauzibila ipoteza este ca Universul nostru este plat, iar energia totala a Universului este egala cu 0. Astfel, suma energiei pozitive si cea a energiei negative, este egala cu 0. Universul plat este infinit si este descris de spatiul euclidian. In acest tip de univers liniile paralele sunt intotdeauna paralele, iar suma unghiurilor unui triunghi este de 180 grade. Evident, Universul este unul tridimentional, insa prin „plat” intelegem ca planele sale sunt plate, in orice directie am privi, adica este euclidian.

Expansiunea Universului

Hubble a observat ca Universul este in expansiune. In imagine avem un Univers 2D si cateva galaxii reprezentate la distante uniforme pentru o intelegere mai buna. Daca am privi de sus Universul si daca am alege o galaxie si am suprapune cele doua imagini, am observa ca toate galaxiile s-ar indeparta de noi. Noi am fi centrul Universului… ceea ce e evident, gresit. Asta e ceea ce a observat si Hubble.  Daca am alege o alta galaxie, precum in imaginea de mai jos am observa acelasi lucru. Nu conteaza in ce galaxie am trai, am observa acelasi lucru: totul se indeparteaza de noi si ar parea ca noi am fi in centrul Universului.

Asa cum un tren aflat in apropiere se aude mai tare, iar cu cat se indeparteaza se aude mai incet, acelasi principiu poate fi aplicat si pentru lumina. Este vorba de efectul Doppler. Acesta consta in variatia frecventei unei unde emise de o sursa de oscilatii, daca aceasta se afla in miscare fata de receptor. Efectul Doppler poate fi constatat atat in cazul undelor electromagnetice, inclusiv lumina, cat si in cazul undelor elastice, inclusiv sunetul. Frecventa masurata creste atunci cand sursa se apropie de receptor si scade atunci cand sursa se indeparteaza de receptor.

Efectul Doppler ne da inca o data, certitudinea ca Universul nu este static, deoarece, conform acestui principiu, stelele ce se departeaza de noi vor avea lumina deplasata spre partea rosie a spectrului, in vreme ce acelea care se apropie vor avea lumina deplasata spre partea albastra. Ceea ce ne da certitudinea ca Universul este in expansiune este faptul ca observatiile au aratat ca lumina ce ajunge la noi este deplasata spre rosu.

Lungimea de unda a luminii care vine de la o stea ori o galaxie este de asemenea dependenta de viteza obiectului care o emite. Pe baza unei relatii simple, masurand lungimea de unda a radiatiei emise de obiectul aflat in miscare si cunoscand-o pe cea emisa de obiect in stare de repaus, se poate calcula viteza obiectului.

Daca putem calcula viteza celor mai indepartate surse de lumina, putem determina si varsta Universului. Astfel am aflat ca Universul are 13,75 miliarde de ani.

Universul de compromis

Daca aruncam o piatra in sus, ea se va intoarce pe Pamant. Cu cat ii vom imprima mai multa energie, cu atat mai sus se va ridica inainte de a se intoarce. Daca am lansa un proiectil cu o viteza mai mare de 11 kilometri pe secunda, el va scapa complet de atractia gravitationala a Pamantului. Aceasta este viteza critica de lansare a rachetelor, pe care savantii o numesc “viteza de evadare” de pe Pamant.

Consideratii asemanatoare se aplica oricarui sistem in explozie sau expansiune care e incetinit de atractia gravitationala. Daca energia miscarii de expansiune o depaseste pe cea generata de atractia spre interior a gravitatiei, atunci materia va depasi viteza de evadare si isi va continua expansiunea la nesfarsit. Daca viteza de lansare este mai mica decat valoarea critica, expansiunea se va opri si procesul va fi inversat, culminand cu o contractie catre starea de la care a pornit. Fizicianul John D. Barrow numeste “univers de compromis” ceea ce se afla intre aceste doua cazuri extreme.

Daca Universul s-ar fi dilatat cu o viteza mult mai mare decat cea critica, atunci gravitatia nu ar fi putut niciodata aduna acele insule locale de materie pentru a forma galaxiile, stelele si planetele. Stim ca stelele au fost cruciale in evolutia Universului. Aici, materia este foarte condensata si creaza in centrul lor reactii nucleare spontane. Stelele parcurg o perioada exploziva de schimbari rapide in care heliul este transformat in carbon, azot, oxigen, siliciu, fosfor si alte elemente care joaca un rol vital in biochimie. Atunci cand stelele explodeaza si devin supernove, aceste elemente se raspandesc in spatiu si in cele din urma intra in alcatuirea vietii. Nucleul fiecarui atom de carbon din corpul nostru isi are originea in stele.

Un Univers care s-ar dilata mult mai repede decat pragul critic nu va da niciodata nastere la stele si deci, nu vor produce niciodata caramizile elementare necesare aparitiei vietii. Pe de alta parte, daca un Univers se dilata cu mult sub viteza critica, expansiunea se transforma in contractie inainte ca stelele sa fi avut timp sa se formeze. Noi traim intr-un Univers care s-a dilatat foarte aproape de acest prag critic si care a putut produce, dupa miliarde de ani, elementele necesare vietii. Faptul ca traim pe o planeta ce poate sustine viata, ca ne aflam la distanta potrivita fata de Soare si ca traim intr-un Univers ce “ne permite” sa existam, nu ne face speciali. Pur si simplu nu am fi putut exista intr-un altfel de univers, iar noi nu am mai fi putut pune astfel de intrebari.

Daca ne-am uita catre cer cu un telescop si am privi o mica portiune din Univers, cat o moneda, am observa sute de mii de galaxii si intr-o singura noapte, am putea observa cel putin 10 stele explodand. Si poate, cine stie, undeva pe o planeta indepartata unde aceste elemente vor ajunge, vor da nastere vietii asa cum s-a intamplat si pe Pamant.

Fiecare atom din corpul nostru provine dintr-o stea ce a explodat si poate cea mai poetica idee din cosmologie este ca noi suntem facuti din praf stelar. Noi n-am mai fi fost aici daca stelele n-ar mai fi murit si n-ar mai fi eliberat carbonul, oxigenul, fierul si alte elemente necesare vietii. Lawrence Krauss spunea zambind “Uita-l pe Isus, o stea a murit pentru ca tu sa existi”.

Bibliografie:

A Universe from Nothing, Lawrence Krauss

Originea Universului, John. D. Barrow, editura Humanitas.