Universul

         Universul reprezintă lumea în totalitatea ei, probabil că nemărginită în timp și spațiu, infinit de variată în ceea ce privește formele pe care le iau materia, energia și informația în procesul dezvoltării lor perpetue.

Universum - C. Flammarion Paris 1888, Coloration :
 Heikenwaelder Hugo, Wien 1998

         Spre deosebire de filozofia materialistă, care afirmă că "la baza universului stă materia", filozofia idealistă pornește de la ideea că "la baza universului stă ideea absolută".

          Materia

Materia este una din componentele Universului. Materia, ca realitate obiectivă, ni se dezvăluie în bună parte direct, prin simțuri. Ea se găsește sub trei forme:

• substanță - caracterizată prin masă;
• câmp (de forțe) - caracterizat prin energie;
• timp - caracterizat prin direcția bine definită de scurgere (deși la nivelul microuniversului s-ar putea ca timpul să curgă în ambele direcții).

Formarea Universului

        Astronomii au calculat că universul s-a format cu 13,73 miliarde de ani în urmă (plus/minus 120 milioane de ani), in urma unei explozii de proporții numită Big Bang. Astronomii caută să descopere structura, comportamentul și evoluția materiei și energiei existente. Universul este infinit în spațiu și se presupune că are un final în timp.

           Astronomii cred că în prima fracțiune de secundă de după explozie, universul s-a extins în proporții de milioane de ori mai mari decât starea inițială, iar în următoarea fracțiune de secundă extinderea a devenit mai înceată, acesta răcindu-se și lăsând loc particulelor de materie să se formeze. Când universul a ajuns la prima sa secundă de existență, se presupune că atunci s-au format protonii, iar in următoarele 1.000 de secunde a urmat era nucleosintezei, era în care s-au format nucleii de deuteriu și care este prezent in universul de acum. Tot in aceste 1.000 de secunde s-au format si unii nuclei de litiu, beriliu si heliu.

          Când universul a ajuns la vârsta de un milion de ani a ajuns sa se răcească până la temperaturi de 3300 °C în medie în care protonii și nucleii mai grei s-au format în urma nucleosintezei, putând apoi să se combine cu electronii formând atomii. Înainte ca electronii să se combine cu nucleii, circulația radiațiilor prin spațiu era dificilă, radiațiile în forma fotonilor nu puteau traversa spațiul fără a intra în coliziune cu electronii, dar odată cu combinarea protonilor cu electronii care au format hidrogenul, traversarea fotonilor a fost ușurată. Radiațiile în forma fotonilor au caracteristicile gazului. Din momentul în care radiațiile au fost eliberate,totul s-a răcit pana la -270 °C, numindu-se radiație cosmică de fond. Aceste radiații au fost detectate prima dată de către radiotelescoape și apoi de către sonda spațială COBE.

        Între anul 2 milioane și anul 4 milioane după Big Bang s-au format quasarii, galaxii extrem de energetice. O populație de stele s-a format din gazul și praful interstelar, apoi s-au contractat în a forma galaxiile. Această primă populație se numește Populația I și a fost formată aproape în întregime din hidrogen și heliu. Stelele formate au evoluat creând la rândul lor alte elemente mai grele care au dus la fuziuni nucleare explodând și formând supernovele.

          Mai târziu s-a format Populația II, din care face parte și Soarele nostru, și conține elemente grele formate în istorie. Soarele nostru s-a format acum 5 miliarde de ani și se află la jumătatea vieții sale. Se presupune că viața soarelui nostru este de aproximativ 11 miliarde de ani.

             Acum 4,6 miliarde de ani s-a format sistemul solar. Cea mai veche fosilă a unui organism viu datează de acum peste 3,5 miliarde de ani.

Destinul final al Universului

              Există mai multe teorii despre soarta Universului:

• "S-ar putea dilata la nesfârșit, dispărând pur și simplu."
• "S-ar putea opri din dilatare și să rămană ca atare."
• "Ar putea atinge o dimensiune maximă, iar apoi să se contracte până la prăbușirea datorită gravității - teoria Big Crunch."
• "Ar putea trece prin faze alternative de dilatare și contracție la nesfârșit."
• "Ar putea izbucni un nou Big Bang care va crea la rândul lui un alt Univers."

Organizarea și evoluția Universului

„Hubert Reeves: Cunoașterea cosmosului este mai mult decât un lux pentru oameni cultivați. Ea este temelia unei conștiințe cosmice; ea relevă marea răspundere ce ne revine pentru viitorul omenirii.”

           La baza evoluției universului se află interacțiunea dintre substanță, energie, informație. Independent de cele două teorii cosmogonice: Big Bang adică marea explozie inițială, și Universul fără început, există un consens asupra evoluției materiei de la simplu la complex.

Expansiunea Universului

       Conform părerilor lui Stephen Hawking, universul a avut o evoluție foarte regulată, în conformitate cu anumite legi. Astăzi, oamenii de știință descriu universul în termenii a două teorii parțiale fundamentare – teoria generală a relativității și mecanica cuantică.

        Universul este spațiu-timp și este în expansiune continuă. Aceasta se demonstrează plecând de la teoria relativității generale, prin care se explică un fenomen curios : spectrele galaxiilor îndepărtate prezintă un decalaj spre roșu, fenomen ce se produce atunci când sursa emițătoare este în mișcare în raport cu observatorul

        Savantul Hubble a descoperit că aproape toate galaxiile se depărtează de noi, că mărimea deplasării nu este întâmplătoare ci este proporțională cu distanța de la noi la galaxie și că, deci, cu alte cuvinte, cu cât galaxia este mai depărtată, cu atât mai repede se depărtează de noi. Deci universul se extinde, distanțele dintre diferitele galaxii crescând continuu.

     „Ceea ce știm este că universul se extinde cu 5 până la 10 procente la fiecare miliard de ani. Unele observații recente indică faptul că rata expansiunii universului nu scade, ci crește. Este foarte straniu, pentru că efectul materiei în spațiu, fie că are densitate mică, fie că are densitate mare, poate doar să încetinească expansiunea. La urma urmei, gravitația este atractivă. O expansiune cosmică accelerată este ceva în genul suflului unei explozii care sporește în loc să se disipeze după explozie. Ce forță ar putea fi responsabilă pentru a împinge tot mai rapid cosmosul către expansiune? Nimeni nu este încă sigur. Comportarea universului în epoca târzie: universul va continua să se extindă cu o rată mereu crescătoare. (Stephen Hawking – din cartea „O mai scurtă istorie a timpului” apărută în 2007).

    Cauza expansiunii accelerate pare să fie din nou manifestarea caracterului repulsiv al gravitației; s-ar repeta astfel împrejurarea similară din trecutul universului când acesta a trecut printr-o perioadă de dilatare gigantică. Forța care a determinat comportarea „inflaționară” a universului ar fi fost gravitația care, în acele condiții, s-a manifestat repulsiv, creând o așa zisă „presiune negativă”.

       Fără expansiunea universului nu s-ar fi putut forma nici o legătură stabilă, nici un sistem, nici o organizare a materiei / substanței / energiei (atomi, molecule, celule, stele, planete, galaxii).

Cartografierea strat cu strat a Universului

       Un catalog ce cuprinde mii de nebuloase neobservate până acum precum și unele dintre cele mai mari clustere galactice observate până în prezent, a fost lansat în ianuarie 2011 de către Agenția Spațială Europeană, prin intermediul misiunii Planck. Scopul satelitului Planck este de a scana cel puțin patru straturi cosmice pentru a măsura nivelul radiației rămase din momentul producerii Big Bang-ului, iar până în prezent a fost explorat și respectiv cartografiat un strat și jumătate.

Inainte de Big Bang

"Conform teoriei relativitatii generalizate, Big Bangul reprezinta Inceputul, evenimentul in care materia si structura spatiu-timp a fost creata. Desi teoriile clasice nu ofera nici o explicatie asupra ce s-a intamplat inainte de Big Bang, o echipa de cercetare de la Penn State a utilizat calcule de gravitatie cuantica pentru a gasi indicii despre existenta inainte [...]."

 Conform teoriei relativitatii generalizate, Big Bangul reprezinta Inceputul, evenimentul in care materia si structura spatiu-timp a fost creata. Desi teoriile clasice nu ofera nici o explicatie asupra ce s-a intamplat inainte de Big Bang, o echipa de cercetare de la Penn State a utilizat calcule de gravitatie cuantica pentru a gasi indicii despre existenta inainte de acest moment.

“Relativitatea Generalizata poate fi folosita pentru a descrie universul pana in punctul in care materia devine atat de densa incat ecuatiile nu mai pot fi utilizate”, comenteaza Abhay Ashtekar, director al Institutului pentru Fizici Gravitationale si Geometrie de la universitatea Penn State.

Combinand fizica cuantica cu teoria relativitatii generalizate, Ashtekar si alti 2 cercetatori post-doctorat, Tomasz Pawlowski si Parmpreet Singh, au reusit sa dezvolte un model care trece de Big Bang la un Univers in contractie care prezinta caracteristici similare cu ale acestui Univers.

Cand fortele gravitationale au contractat acest Univers, a atins un punct in care proprietatile cuantice ale spatiu-timpului au cauzat gravitatia sa devina repulsiva. “Folosind modificari cuantince ale ecuatiilor cosmologice ale lui Einstein, am aratat ca in locul unui Big Bang clasic avem o Respingere Cuantica.”, sustine Ashtekar. “Am fost foarte surprinsi de descoperirea unui alt univers clasic, pre-Big Bang incat am repetat simularile cu parametrii diferiti timp de cateva luni, obtinand rezultate coerente.”

Desi aceasta idee a fost propusa si inainte, aceasta este prima descriere matematica care stabileste sistematic existenta sa si deduce proprietatile geometriei spatiu-timp in acel Univers.

Echipa a utilizat gravitatia cuantica in bucla, o tentativa noua la rezolvarea problemei unificarii relativitatii generalizate cu fizica cuantica. In aceasta teoria, geometria spatiu-timp are o structura discreta si continuumul clasic este doar o aproximatie. Materialul spatiului este “tesut” de fire cuantice unidimensionale. In apropierea Big Bangului, 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.

Cosmologie

Cineva, în Africa de Sud, în Pliocen (undeva între Miocen şi Pleistocen), loveşte obsesiv două pietre, fără să pară conştient de ceea ce toată lumea-i ştie: mai are timp, două milioane de ani, să descopere focul. Cosmologii îi dau soarelui nostru încă patru miliarde,  ani de viaţă. De ce ne-am ocupa de soarta Universului?

Câteva repere

“Cosmologie” este numit studiul Universului în ansamblul său, ansamblu care presupune două ingrediente: geometrie şi materie. 

Ca să ne fie mai uşor, să ne amintim că geometria din şcoală se face pe hârtie. Putem acolo trasa linii, drepte sau curbe; putem măsura distanţe. Ca şi în spaţiul fizic în care trăim şi în care putem trasa linii (fie şi imaginare) de la un punct la altul şi putem măsura distanţe. Ba chiar şi intervale de timp. Putem face geometrie, exact ca pe foaia de hârtie.

Dacă însă strângem în mână foaia de hârtie? Atunci vedem că interacţiunea dintre spaţiu-timp -foaie de hârtie – şi materie/energie – mână – deformează spaţiu-timpul. Cum anume, depinde de materie şi de modul de interacţiune. În esenţă, o cosmologie înseamnă precizarea geometriei universului (a formei spaţiu-timpului), precizarea componentelor materiei conţinute şi precizarea formei de interacţiune dintre materie şi spaţiu-timp – pe de o parte – şi dintre componentele materiei, pe de altă parte.

Nu oricum. E nevoie ca din toate acestea să rezulte date specifice, verificabile. E necesar, de exemplu, ca dintr-o astfel de cosmologie să deducem ce procent din Univers înseamnă hidrogen şi ce procent înseamnă carbon; e necesar ca o cosmologie să precizeze şi cum au apărut acestea, ca şi celelalte elemente chimice; e necesar ca o astfel de cosmologie să se potrivească cu ceea ce vedem pe cerul nopţii. Într-un cuvânt, e necesar ca o teorie cosmologică să treacă testul realităţii. 

Nu din nimic. Observaţiile care validează o cosmologie sunt şi cele care îi dau naştere. Şi care sunt aceste observaţii? 

În primul rând, Universul este în expansiune: foaia de hârtie devine din ce în ce mai mare. Desenele nu. Numai foaia.

În al doilea rând, Universul are simetrie maximală. Vom vedea îndată, o bilă este de exemplu maximal simetrică. Bila presupune însă curbură şi aici apare o problemă: curbura universului e aproape zero, în sensul că spaţiu-timpul e aproape plat.

De altfel, în al treilea rând: în oricare punct geometria spaţiu-timpului este plată. Ne putem gândi aici la Pământul nostru: ştim că este curbat. Dar pe suprafeţe mici poate fi considerat plat ca o foaie de hârtie aşa încât, pe distanţe mici, poate fi folosită teorema lui Pitagora.

În fine. Materia observabilă în univers prezintă o structură ciudată, asemănătoare spumei de bărbierit: de departe pare netedă ca o bilă; de aproape are aspect spongios, ca un burete. Spunem că la scară mare Universul este omogen şi izotrop, dar la scară (ceva) mai mică distribuţia materiei este fractală.

Mai trebuie precizat aici că noţiunea de distanţă este esenţială în orice cosmologie. Aşa cum ştim, distanţa este însă strict legată de poziţie. Diferenţa de poziţie defineşte distanţa aşa cum modul în care definim distanţa diferenţiază geometriile.

Geometrie pe spaţii maximal simetrice

Rămânem, tot ca să ne fie mai uşor, la spaţiu-timpul ca o foaie de hârtie. Din fericire matematica ne ajută aici, limitând numărul spaţiilor maximal simetrice la trei:

- Euclidian, plat. Este foaia de hârtie întinsă pe masă, pe care facem geometria bazată pe axiomele lui Euclid. Nu ne ajută prea mult pentru că nu ia în considerare interacţiunea cu materia: hârtia nu e deformată. Util însă pentru că pe foaia netedă (ştim să) facem geometrie. Ştim cel puţin să definim poziţia unui punct pe foaie utilizând un sistem de coordonate ortonormat (x1, x2) sau, alternativ, un sistem de coordonate polare plane. 

- Sferic, pozitiv curbat; presupune un spaţiu închis dar pe care nu putem face geometrie euclidiană: un triunghiu desenat pe o sferă are suma unghiurilor mai mare decât 180 grade (de unde şi denumirea de pozitiv curbat). Poziţia unui punct într-un astfel de spaţiu este precizată ori prin cele trei coordonate carteziene (x1, x2, x3), ori prin coordonatele sferice .

- Spaţiul hiperbolic, deschis, de curbură negativă: suma unghiurilor este mai mică decât 180 grade. Deschis, aşa cum arată figura alăturată. Poziţia unui punct într-un astfel de spaţiu este precizată, ca şi pentru sferă, prin trei coordonate carteziene sau, echivalent, prin coordonatele sferice .

Cosmologie standard

Este uşor acum să ne imaginăm sfera sau spaţiul hiperbolic dilatându-se într-o expansiune asemănătoare unei bucăţi de tablă încălzite. Dacă am reuşit, deja am înţeles esenţa cosmologiei: spaţiu-timpul se dilată, ca şi cum cândva în trecutul îndepărtat ar fi avut loc o explozie. A tot ce există. Cosmologia standard - în sensul de general acceptată - consideră că Universul a luat naştere printr-o astfel de “explozie”, din nimic (nimicul acela se cheamă câmp Higgs), aşa încât şi astăzi observăm galaxiile gonind prin spaţiu, îndepărtându-se una de alta.

 Modelul, gogoneţ şi simpatic, ne înfăţişează un balon care se umflă. Petele de pe balonul de gumă se îndepărtează unele de altele: avem expansiune. Materia conţinută de suprafaţa balonului este cea care determină curbura: avem simetrie şi avem interacţiune dintre materie şi spaţiu-timp. 

Explozia iniţială ar fi putut fi o destindere adiabatică şi atunci avem şi formarea structurilor de “spumă”, printr-o tranziţie de fază asemănătoare brânzirii laptelui prea târziu pus la fiert. În linii mari, cosmologia standard reuşeşte să fie cel mai potrivit model.

 Mai mult, se poate arăta relativ uşor că cele trei spaţii de mai sus se reduc la o singură descriere, cel puţin din punctul nostru de vedere: formal, distanţa dintre două puncte se exprimă la fel, indiferent dacă spaţiul este euclidian, sferic sau hiperbolic.

Prima soluţie relevă starea Universului înainte de a lua naştere: totul se reduce la un punct. A doua soluţie arată oscilaţii ale universului. Spaţiu-timpul se dilată şi se contractă ciclic, urmând o serie infinită de secvenţe de evoluţie fiecare începând cu o mare explozie (Big Bang) şi încheindu-se cu o implozie (Big Crunch):

• descrierea unui univers care pulsează cu dublă perioadă:

• Avem aici un Univers fără Big Bang, care porneşte în expansiune de la o dimensiune finită şi se contractă fără a ajunge să dispară.