Câte ceva despre Big Bang

(pricinaşul de serviciu)

de Radu-Ilarion Munteanu

Acest termen a ajuns să definească începutul universului, inclusiv ideea că universul a avut un început. Credincios modului meu contextual de abordare, voi lărgi puţin aria relatării despre istoria cunoaşterii cosmosului. Această istorie e jalonată în mai mare măsură de istoria progresului tehnologiei de prelungire a organelor de simţ – luate ca inputuri ale calculatorului biologic care este creierul uman decât de istoria progresului capacităţii de procesare a informaţiei de către creierul uman însuşi.

Din cele mai vechi timpuri, achiziţia poziţiei bipede a permis şi chiar stimulat ridicarea privirii în sus, spre cer. Ce-a observat omul? Că un disc extrem de luminos, care încălzea locurile pe care le lumina, parcurge periodic bolta cerească: apare într-un punct al orizontului şi dispare sub orizont într-un punct diametral opus. De bună seamă, observaţia nu era exprimată prin acest limbaj modern, dar pentru povestea noastră ceea ce contează e esenţa şi, pentru ca această esenţă să fie cât mai accesibilă, ea trebuie exprimată în cel mai potrivit limbaj. Cel colocvial actual. Egal depărtat de limbajul ştiinţific ca şi de cel “incult”. Aceasta repetabilitate a creat, în mintea umană, noţiunile de zi şi noapte. Un al doilea disc, cam la fel de mare, dar mult mai puţin luminous şi rece, parcurgea un ciclu invers. În plus, forma lui se schimba periodic, de la un disc complet (luna “plină”) la o seceră (luna “nouă), cu o periodicitate de aproximativ 28-29 zile. Dar cea mai interesantă observaţie, care a produs primul mare salt mental în creierele celor ce-şi făcuseră obiceiul de a medita privind cerul a fost faptul că întreaga boltă cerească, plină de puncte luminoase, se roteşte complet exact în intervalul pe care ajunseseră să-l denumească “o zi”, adică o zi şi noaptea următoare. În jurul unui punct fix al cerului. Unde era un punct luminos fix. Între timp numiseră aceste puncte luminoase fixe – stele. Cu 5 excepţii. 5 astfel de puncte luminoase aveau mişcări neregulate, dar observând destul de mult timp cerul, aceste mişcări neregulate erau, totuşi, tot periodice. Repetitive. Le-au numit planete.

Nevoia intrinsecă a creierului uman de a sistematiza faptele observate a dus, pe vremea primului vârf al civilizaţiei, cea a grecilor antici*, la primul model mental al universului: cel al lui Ptolemeu. Grecii antici, doxarii, (dacă-i includem şi pe urmaşii lor care au creat, pe ruinele fulgurantului imperiu alexandrin, cultura elenistă, au interpretat corect alaiul de fenomene cereşti observabile, inclusiv eclipsele, de lună şi de soare şi au intuit că soarele şi luna, care apar privitorului ca discuri, sunt, de fapt, sfere. De ce n-ar fi fost şi mama Geea, Pământul, tot o sferă? Şi deoarece acest pământ era sediul omului gânditor i-au rezervat rolul central. Toate corpurile cerşti observabile se roteau în decurs de “o zi” în jurul pământului. Mişcarea mai complicată a celor 5 corpuri cereşti asemănătoare cu stelele, pe care le numiseră planete, a stat la baza dezvoltării aşa zisei astrologii, care sistematiza influentele cereşti asupra naturii umane.

Acest model căruia acum îi putem spune pe nume, geocentric, a durat, cu inerente şi fluctuante întreruperi, aproape 2 milenii. Până la Nikolaus Copernic, astronomul polonz care, introducând conceptul de mişcare relativă**, a inversat modelul, punând soarele în centru şi redând planetelor adevărata natură, de corpuri asemănătoare pământului, care, la distanţele lor faţă de pâmânt, se văd ca puncte luminoase. Şi dacă soarele îşi recăpătase rolul central, iar din fazele lunii, la care adăugăm eclipsele, astronomii, hai să le spunem de acum şi lor pe numele consacrat, deduseseră corect că luna şi cele 5 planete reflectă lumina primită de la soare.

Vom trece peste Tycho Brahe, astronomul danez care fusese astrologul împăratului romano-german Rudolf II, la Praga şi peste urmaşul său, germaul Johannes Kepler, care modificaseră un amănunt esenţial al ambelor modele: ptolemeic – geocentric şi copernician – heliocentric, stabilind, pe cale matematică (de secole toţi astronomii învăţaseră că nu-şi pot face meseria dacă nu devin şi matematicieni), traiectoria eliptică nu numai a planetelor, ci a oricărui corp ce se mişcă în jurul soarelui, inclusiv cometele. Descoperite şi ele între timp. Eliptice, iar nu circulare. Vom trece peste aceste realizări epocale, căci pe noi ne interesează acum lărgirea limitelor spaţiului cosmic vizibil, odată cu prelungirea pe care instrumentele optice o aduc. Primele lunete au fost produse de şlefuitorii olandezi, dar primul care a ştiut ce să facă cu o lunetă a fost Galileo Galilei, pe la începutul secolului XVI. A făcut cel mai firesc gest. A îndreptat luneta nu către fereastra iubitei, ci către cer. Mult mai bogat în promisiuni – cerul. A spart modelul ptolemeic, aflat încă în conflict cu cel copernician. Deci susţinut de încă destul de multă lume. Mai ales elita ecleziastică, de altfel deloc străină de matematica la zi. Te desparţi greu de idei devenite axiomatice în multe zeci de secole, inerţia mental nu-i cu nimic mai puţin puternică decât inerţia mecanică. Galilei observase cu luneta cumpărată de la un negustor olandez, că în jurul lui Jupiter (care deja se vedea ca un disc mic, iar nu ca un punct luminos, 4 alte puncte luminoase mici care tot apăreau într-o parte şi dispăreau periodic de partea cealaltă. Profesor de matematică, întemeietor al mecanicii ca disciplină fizică şi, posibil, cititor al metodei ştiinţifice elaborate de sir Francis Bacon cu abia câteva zeci de ani înainte, Galilei a tras concluzia corectă: cele 4 puncte care se jucau de-a v-aţi ascunselea cu Jupiter erau pur şi simplu sateliţi ai acestuia. Cum luna e, asta deja fusese stabilit, satelit al pământului. Idee care a spart conceptul frumos de sfere de cristal pe care se mişcă toate corpurile cereşti. Frumos, poetic, seducător chiar. Dar inexact.

Am insistat cu amănunte asupra momentului Galilei în cucerirea cerului, deoarece a fost primul care şi-a prelungit vederea cu un artefact tehnic. Trecem peste următoarele 3 secole, în care spaţiul cosmic accesibil cunoaşterii umane s-a lărgit pe măsura perfecţionării instrumentelor optice cum trecem şi peste diferenţele constructive şi funcţionale între lunetă şi telescop. Telescopul a lămurit natura fâşiei luminoase de pe cer, numită încă de vechii greci (intenţionat n-am pomenit de ea la început), Calea Lactee. Aceasta era şi este o îngramădire de miliarde de stele. Pentru a ajunge la începutul revoluţionarului (în cunoaştere) secol XX, când se credea că galaxia (de la galactos, lapte în greaca veche, în numele Căii Lactee) este întregul univers. Ideea nu părea lipsită de sens, căci puterea de pătrundere a prelungirilor tehice ale ochiului uman nu vedea decât spaţiu gol dincolo de galaxie. E drept, mai erau câţiva mici norişori vag luminoşi, numiţi nebuloase, cum ar fi cea din Andromeda sau Norii lui Magellan.

Şi abia aici începe cu adevârat povestea care duce la Big Bang. Astronomul American Edwin Hubble a construit cel mai puternic telescop de până atunci, pe vârful muntelui Wilson din California. Pentru a “economisi” un strat de aer mai dens şi a vedea mai clar. Ce-a văzut Hubble? O imagine cumva la fel de revoluţionară ca sateliţii lui Jupiter, care apărusră în câmpul lunetei lui Galilei. A văzut că ceea ce numeam nebuloase nu sunt decât tot îngrămădiri de stele, aflate la distanţe imense. Deci Galaxia “noastră” nu e unică, ci doar o infimă parte a universului. Graniţele universului vizibil s-au îndepărtat exploziv. La vreema lui Hubble fizica îi pusese la îndemână alte două instrumente vitale pentru dezvoltarea imaginii universului. De fapt 3. Analiza spectrală, care stabilea linii spectrale de diferite culori, caracteristice univoc unor elemente chimice, apoi efectul Doppler-Fizeau, care stabileşte că orice undă, acustică sau luminoasă, îşi modifică frecvenţa dacă sursa ei de emisie e în mişcare, anume lumina unei surse care se depărtează se deplasează către zona roşie a spectrului şi, nu în ultimul rând, posibilitatea de a calcula distanţa până la o sursa de radiaţie electromagnetică. Iar lumina asta este. Radiaţie electromagnetică. Sau, mai pe limba fizică, un câmp electromagnetic în propagare. Coroborând aceste instrumente, Hubble a studiat peste 40 de galaxii şi a corelat mărimea deplasării spre roşu cu distanţa până la respectivele galalaxii. Nu numai el. Alţi astronomi au anunţat, cu câţiva ani înaintea lui, dar tot datorită datelor furnizate de telescopul lui, date similare. Concluzia se impunea: toate galaxiile vizibile se îndepărtează de a noastră cu o viteză proporţională cu distanţa faţă de “noi”. De aici până la generalizarea observaţiilor n-a mai fost decât un pas: universul în ansamblu se află în expansiune. Toate aglomerările de materie vizibilă (stelele organizate în galaxii) se îndepărtează mutual. Asta e Legea lui Hubble.

Dar creierul uman are o tendinţă irepresibilă de a face mereu pasul următor după o descoperire anume asupra naturii. Legea lui Hubble a consumat cam prima treime a secolului XX, acei “30 de ani care au zguduit fizica”, cu i-a numit George Gamow, fizician evreu rus emigrat în USA, unul din cei mai talentaţi scriitori de popularizare ştiinţifică.

Ideea logică imediată era de a “da ceasul înapoi”, de a urmări în mod retrograde stările successive ale universului în moment anterioare de timp. Principial era simplu, era de ajuns să prelungeşti linia dreaptă pe care, depărtându-se, o galaxie anume se deplasa, pentru a vedea de unde şi mai ales când va fi plecat. Pentru ceea ce pare simplu mai erau necesare însă 2 elemente. Prima, de ordin teoretic, provine de la Einstein, dar cumva indirect: ipoteza că spaţiul e omogen şi izotrop. Omogen înseamnă cu densitate uniformă, izotrop înseamnă cu aceleaşi proprietăţi în toate direcţiile. E drept că teoria generalizată a relativităţii a lui Einstein stablise curbura soaţiului în prezenţa masei, dar luat cosmosul la nivel global, ca un spaţiu gol unde galaxiile însele sunt insuliţe minuscule din ce în ce mai rare, omogenitatea putea fi admisă. Observaţiile asupra propagării luminii în linie dreaptă, cu excepţia, prevăzută tot de Einstein, a curburii unei raze de lumină în apropierea unei acumulări de masă cum ar fi o stea, puteau iarăşi să fie acceptate. De fapt cele două ipoteze consideră, de bun simţ, că la vastitatea universului, în care materia inertă însăşi e o colecţie de minuscule accidente, însăşi teoria lui Einstein, care se referă strict la aceste “accidente”, care reprezintă acumulările locale de materie (stele, galaxii) admite ipoteza omogenităţii şi izotropiei în mare, a universului. A doua condiţie e atingerea acelui stadiu de dezvoltare a puterii de calcul pe care primele generaţi de calculatoare electronice n-o atingeau. În fine, calculul invers a fost făcut, iar rezultatul a uimit, deşi nimic nu pare mai logic. Întreaga materie din univers pare să se fi răspândit din acelaşi punct, în acelaşi moment. Acesta pare a fi fost începutul lumii. Şi pentru că acest început pare o explozie, anume cea mai mare posibilă, i s-a spus Big Bang. Termenul pare să fi fost folosit în premieră de Fred Hoyle. Astrofizician englez. Şi… scriitor SF. Nimic de mirare. Autor, el însuşi, la vremea aceea, a cu totul altui model cosmologic al universului. Alte surse atribuie termenul lui George Gamow însuşi, pronunţat în 1946. Interesant e că ambii, pe lângă pregătireea ştiinţifică la nivel înalt, au fost şi scriitori. Ceea ce, în paranteză, ar confirma o idee a mea, că rolul scriitorilor în cunoaştere depăşeşte larg simplul dar al povestirii.

Dar să ne întoarcem la big bang. Ştim că energia se conservă. Şi mai ştim, unii dintre noi, că dacă comprimi un volum de gaz, acesta se încălzeşte. Logic, aceeaşi cantitate de energie e îngrămădită într-un spaţiu mai restrâns, iar temperatura e o măsură a energiei. Dar asta înseamnă că în primele miliardimi de secundă după big bang, întreg universul era nu numai neînchipuit de restrâns spaţial, dar simultan neînchipuit de fierbinte. Să reţinem ideea.

În primele zeci de ani de când termenul big bang a intrat, mai întâi ca banc îndoienic (rare sunt descoperirile care nu au nevoie de mult timp pentru a fi recunoscute ca atare, e şi asta o lege a naturii), toate descopeririile în microcosmos (obiect al fizicii particulelor elementare şi al energiilor înalte), în macrocosmos (obiect al cosmologiei şi al astrofizicii) s-au lipit pe model ca piesele de puzzle, confirmându-l cu fiecare pas, cel puţin în ultima jumătate de veac. Faţă de acest amplu, bogat şi coerent proces de consolidare a cunoaşterii, fundamentarea de către sir Isaac Newton a legilor empirice ale mişcării corpurilor cereşti, decoperite de Johannes Kepler, în câmpul soarelui pare joc de grădiniţă. Desigur, îi rămâne onoarea de a fi prima astfel de confirmare a empiricului de către teorie.

Să pescuim câteva elemente. Acelaşi revoluţionar secol XX a fost sediul temporar al descifrării structurii discontinue a materiei inerte (spre deosebire de materia sub formă de câmp, e.g. cel electromagnetic). Atomii lui Democrit erau abstracţi. Cei puşi în evidenţă mai întâi de legea lui Dalton, apoi de neozeelandezul sir Ernst Rutherfod, prin experimenţele de difuzie cu particule alfa (nucleee de heliu) erau concreţi, dar primitivi. Danezul Niels Bohr le-a dat stabilitate prin cele 2 postulate de natură quantică. Trecem peste contribuţiile lui Erwin Schroedinger, Louis de Broglie şi mai ales Wernher Heisenberg, nu ei sunt subiectul. S-a conturat idea că fiecare particulă se comportă ca o bilă de billiard până la un anumit nivel de şoc energetic. Dacă loveşti bila cu tacul se va deplasa pe masa de postav, conform legi conservării impulsului, dar dacă tragi în ea cu un glonţ se va sparge. Nu altfel se produc lucrurile în lumea microcosmosului. Atomii se ionizează (pierd electroni) la câteva mii de grade Celsius. Nucleele, care sunt de 100000 de ori mai mici şi cumulează 98% din masa atomului se sparg la câteva milioane de grade. Să nu uităm, temperatura e măsura energiei. Particulele zise zeci de ani elementare se sparg şi ele la un anume nivel de energie. Mult mai înalt. De câteva zeci de ani se ştie că toate particulele zise elementare sunt compuse din quarci, iar aceştia, imposibil principal de a se menţine izolaţi, nu sunt ultimul nivel. S-a ajuns la teoria corzilor şi a supercorzilor, care ar fi acum nivelul cel mai “mic” de structură fizică.

Ei, bine, ce structure ar rămâne stabile la temperatura uriaşă de imediat după big bang? Răspuns: nici una. Temperatura aceea e prea mare (adică densitatea de energie e prea mare) ca să existe cel mai elementar nivel de structură stabilă.

Mai mult decât că nu exista în acele miliardimi de secundă nici un fel de substanţă organizată stabil. Nu erau nici măcar forţe. Nimic mai logic. Materia există ca substanţă (materie inertă) şi câmp (de forţe). Lumina e câmp electromagnetic în propagare. Dacă în acele condiţii nu putea exista substanţă, nu putea exista nici câmp. Există 4 forţe mari şi late în natură: forţa tare, care ţine la un loc legaţi neutronii şi protonii în nuclee (şi fără de care respingerea reciprocă a protonilor electric pozitivi ar face imposibilă existenţa nucleelor stabile, deci a atomilor, deci şi a catedralei Notre Dame de Paris şi a altor minuni ale lumii modern. Şi, desigur, şi a noastră, care scriem şi citim, respirăm, iubim şi gândim. Apoi forţa slabă, responsabilă de o anume formă de radioactivitate. Forţa electromagnetică şi, în fine, cea gravitaţională. În intervalul infinitesimal de după big bang, de care ne ocupăm acum, exista o unică forţa fără obiect.
Legea termodinamicii cere ca acest potenţial imens să se descarce, iar efectul a fost dilatarea spaţială a universului şi, pe cale de consecinţă, răcirea lui. Când a atins temperatura de stabilitate a unei structuri anume, să zicem electronul, au apărut electronii. Într-o sincronizare simultan uimitoare şi logică, cam tot atunci ramura electro-slabă, desprinsă mai devreme din forţa iniţial unică, s-a despărţit în slabă şi electromagnetică. Şi tot aşa.

Există, au confirmat cercetările în fizica de vârf, o sincronicitate între separarea forţelor în cele 4 cunoscute şi structurarea particulelor în sisteme din ce în ce mai complexe, stabile la temperaturi din ce în ce mai mici.

Cam asta e istoria big bangului într-un rezumat scurtissim.

Generaţia mea a fost ultima după altele, care, câteva secole, au fost instruite asupra eternului aşa zis conflict între “ştiinţă” şi “religie”. De la marea vorbă a lui Einstein (care, de fapt, nu avusese aici dreptate, dar nu insistăm), anume “nu cred că Dumnezeu joacă zaruri”, dar mai ales de la faptele fizice fitate pe modelul big bang încoace, evoluţia fizicii se apropie de conceptul creaţiei, pe o cale raţională. Două sunt, pentru mine, argumentele acestei apropieri. Prima e întrebarea firească “ce a fost înainte de big bang?”. Poate la 37 de ani de acum încolo şi după fireasca mea trecere într-o lume mai bună răspunsul va fi altul, sigur e că va fi fundamentat şi raţional. Deocamdată răspunsul meu (dar cine sunt eu? Ia, acolo, un povestaş al marii aventuri cosmice) e că întrebarea nu are sens. Deoarece timpul şi spaţiul însele sut produsul big bang, deci timpul nu are sens “inainte”. Dacă big bang e un fenomen fizic obiectiv şi inevitabil, adică unul cu probabilitate foarte mare (există astfel de teorii, lansate de oamenii de ştiinţă atei), sau dacă e rezultatul unui impuls transcendent, mecanismul declanşat e tot acelaşi. Iar lumea născută după big bang tot aceeaşi. Asta. A crede sau nu, e o problemă de alegere individuală. Deşi Lucian Blaga, aproape ateu, spune că a crede este un talent. Al doilea factor e strania coincidenţă între nivelele de stabilitate care, odată atinse de răcirea universului în expansiune, au făcut posibilă apariţia particulelor din ce în ce mai complexe. Eu văd aici două posibilităţi indiscernabile. Fie aceste nivele structurale erau prestabilite, chiar inainte de a fi create particulele şi atunci care e sursa care le-a prestabilit, fie s-au autogenerat pe măsura evoluţiei procesului şi atunci de ce s-au autogenerat astfel? Ceea ce poate, poimâine, cineva ar putea demonstra.

Sursa care ar fi prestabilit condiţiile apariţiei materiei inerte (din care facem parte chiar acum, când vorbim) ar putea fi cea care a stabilit toate legile naturii, cele deja cunoscute şi cele care vor mai fi descoperite în vecii veclor, fie o sursă independentă. Două surse trascendentde e prea mult. Mai logic e să fie aceeaşi sursă. Nu ştiu alţii cum sunt, dar de 7-8 ani modelul meu ultim, adică actual, de dumnezeu este “acea entitate transcendentă care se exprimă prin totalitatea legilor naturii”. Exprimarea nu-mi aparţine (nu sunt destul de deştept). Am preluat-o de la un oceanolog evreu rus din Sankt Petersburg, matematician ca formaţie. Şi deocamdată satisface toate problemele relaţiei între ştiinţă şi credinţă în câmpul, vai, atât de îngust totuşi, al cunoştinţelor mele. Deci pare rezonabilă. Spun “pare” ca să nu derobez de la cartezianismul meu fundamental. Ceea ce e sigur şi verificat e că nu sunt singurul care reconciliază în sinea lui creaţia cu evoluţia. Iar majoritatea dintre cei care gândesc la fel o fac pe baza unei infirmaţii ştiinţifice incomparabil mai bogate decât resturile rămase în mintea unui fost fizician.