Materia și energia din tot cosmosul par a fi guvernate de legi fundamentale ale fizicii. Aceste legi se aplică de la scară subatomică până la vastitatea spațiului cosmic. Însă lucrurile nu au stat întotdeauna așa. Primele etape ale universului au fost extrem de scurte și lipsite de legi care să le guverneze.
Prima care a apărut a fost legea gravitației. Fizica sugerează că la 10-43 de secunde după Big Bang, gravitația a apărut ca forță distinctă. La o fracțiune de secundă după aceea a apărut forța nucleară puternică (forța care ține împreună particule precum protonii și neutronii).
La acel moment, universul era diferit față de cel de astăzi. Lumina nu exista încă. Și nici materia. Nu exista niciuna dintre „cărămizile” necesare formării atomilor și moleculelor. Acestea vor apărea mai târziu. Cu toate acestea, universul era extrem de activ – în doar o fracțiune de secundă, el avea să crească de 100 de milioane de miliarde de miliarde de ori.
Imediat a apărut forța nucleară slabă, guvernând interacțiunile complexe dintre materie și energie. În final a apărut forța electromagnetică, cea care a pus bazele particulelor încărcate electric și magnetismului. Această forță este „purtată” de particulele denumite bozoni.
Astfel s-a încheiat prima secundă din istoria universului. În următoarele câteva secunde au început să se formeze particulele subatomice. Apoi energia și materia au devenit distincte, fiind guvernate de cele patru forțe ale fizicii.
Ar putea părea simplu faptul că întregul univers este guvernat doar de patru forțe. Însă există numeroase aspecte ale naturii universului pe care oamenii de știință încă nu le înțeleg. De exemplu, ce forțe guvernau universul chiar la începuturile sale sau care va fi soarta universului. Și chiar dacă universul nostru este singurul sau mai există și altele.
Gravitația cuantică
Mecanica cuantică descrie funcționarea lucrurilor la scară subatomică – adică lucruri mai mici decât atomii. Relativitatea generală explică modul în care gravitația guvernează interacțiunea dintre corpurile mari din univers.
Mecanica cuantică și relativitatea generală funcționează foarte bine la scările respective. Însă se întâmplă lucruri ciudate atunci când oamenii de știință caută să stabilească o legătură între cele două teorii. De exemplu, ca atunci când este vorba despre cantități uriașe de materie și energie aflate într-un spațiu foarte mic, așa cum a fost cazul primelor momente de după Big Bang.
Mecanica cuantică spune că particulele subatomice pot acționa uneori ca unde și alteori ca particule și că există o probabilitate în privința interacțiunii lor. Pe de altă parte, legile care descrie materia la scară mare, așa cum este relativitatea, resping noțiunea de probabilitate. În lumea fizicii, este posibilă prezicerea exactă a comportamentului materiei în funcție de legile fizicii. Aceste predicții sunt de încredere și repetabile; nimic nu este lăsat la voia întâmplării.
Așadar, atunci când fizicienii încearcă să caute o cale de a combina natura probabilistică a mecanicii cuantice cu certitudinea relativității, matematica din spatele acestor teorii începe să se destrame, iar soluțiile oferite încep să devină un nonsens.
Este posibil să se facă o distincție între seturile de reguli aplicabile în fiecare situație – obiectele mari sunt guvernate de relativitate, iar obiectele mici sunt guvernate de mecanica cuantică – până la o fracțiunea de secundă după Big Bang. Pentru a explica lucrurile de înainte de acest moment, va fi nevoie de o teorie nouă, denumită gravitația cuantică. Se speră ca această teorie se unifice mecanică cuantică și relativitatea generală.
În care univers ne aflăm?
Lipsa unei teorii care să explice gravitația cuantică nu a oprit oamenii de știință să-și imagineze cum ar fi putut evolua lucrurile imediat după Big Bang. Iată două posibilități.
Un univers al bulelor
Expansiunea explozivă a universului în prima secundă de după Big Bang poarte numele de inflație. O explicație pentru cele întâmplate la începuturile universului nostru este aceea a unei bule aflate în expansiune într-o spumă de universuri de bule aflate în expansiune.
Dacă universul nostru este doar o bulă între multe altele, acest lucru ar putea dezlega un alt mister cosmic: de ce legile fizicii sunt așa cum sunt? De ce forțele fundamentale, cum este gravitația, sunt atât de puternice? De ce particule subatomice, așa cum sunt protonii, au masa pe care o au?
Dacă universul este doar o bulă și mai există multe alte bule în jurul nostru, atunci este posibil că fiecare bulă să aibă propriile sale legi ale fizicii. Universul nostru ar putea avea legile fizicii pe care le are doar pentru că așa au fost stabilite acestea la început. Universul nostru ar fi putut avea legi ale fizicii total diferite, așa cum este cazul altor bule.
Un univers al stringurilor (corzilor)
În interiorul fiecărei părți de materie există un număr uriaș de atomi, iar în fiecare atom există o serie de particule subatomice, cum sunt protonii și neutronii. Aceste particule sunt formate din quarcuri.
Teoria stringurilor („string theory”) sugerează că în fiecare quarc există „stringuri” („corzi”) unidimensionale, care pot vibra la frecvențe diferite. Acest lucru este similar modului în care corzile unei chitare pot genera note diferite.
Teoria stringurilor ar putea unifica materia și energie la scară mică (cuantică) și la scară mare (relativitatea generală). Această teorie ar putea explica modul în care Big Bang a dus la apariția legilor fundamentale ale fizicii din universul nostru.
Soarta universului
Teoria Big Bang descrie ceea ce s-ar fi întâmplat la începuturile universului nostru. În prezent, universul încă este în expansiune, însă nu este clar cum va varia rata expansiunii în viitor.
Pentru un timp, oamenii de știință au crezut că universul se va opri din expansiune. Ei au crezut că atracția gravitațională a tuturor maselor din cosmos ar putea determina colapsul universului în el însuși (teoria Big Crunch sau universul oscilant).
Însă datele recente sugerează că nu acesta va fi sfârșitul universului nostru. Noile observații au început să indice un univers aflat într-o expansiune permanentă și accelerată. Cu toate acestea, oamenii de știință nu pot explica de ce expansiunea universului se accelerează.
Deocamdată, oamenii de știință încearcă să explice acest lucru prin conceptul de energie întunecată, despre care se crede că reprezintă aproape o șapte zecimi din univers.
Astrofizicienii pot vedea ce face energia întunecată. Observațiile prin telescop arată cum galaxiile se îndepărtează una de alta cu viteze din ce în ce mai mari. Însă rămâne un mister ce anume este energia întunecată. Un singur lucru este singur despre energia întunecată: prezența sa face imposibilă existența universului oscilant.
Universul nostru are o vârstă de aproape 14 miliarde de ani, dar omenirea l-a studiat prin telescop doar în ultimii 400 de ani. Mai avem multe de învățat până la a putea explica funcționarea cosmosului.
Sursa: Science News Explores