Cum a putut Big Bang-ul să apară din nimic? Cosmologia ciclică conformă

„Ultima stea se va răci încet și va dispărea treptat. La final, universul va deveni din nou un vid, fără lumină, viață sau sens”. Acesta este avertismentul fizicianului Brian Cox în recenta serie BBC Universe.

Dispariţia treptată a ultimei stele va fi doar începutul unei epoci infinit de lungi și întunecate. Toată materia va fi, în cele din urmă, consumată de găurile negre monstruoase, care, la rândul lor, se vor evapora în cele mai slabe licăriri de lumină.

Spațiul se va extinde mereu până când chiar și acea lumină slabă o să devină mult prea răspândită pentru a interacționa cu ceva. Orice activitate va înceta.

În mod ciudat, unii cosmologi cred că un univers vid, rece și întunecat, precum cel din viitorul nostru îndepărtat, ar fi fost sursa propriului nostru Big Bang.

Prima materie

Să aruncăm o privire la modul în care „materialul”, materia fizică, a apărut pentru prima dată.

Dacă ne propunem să explicăm originile materiei stabile, formată din atomi sau molecule, cu siguranță putem afirma că aceasta nu a existat în momentul Big Bang și nici pentru sute de mii de ani după aceea.

De fapt, avem o înțelegere destul de detaliată a modului în care primii atomi s-au format din particule mai simple odată ce universul s-a răcit suficient pentru ca materia complexă să fie stabilă și cum s-a produs fuziunea acestor atomi în elemente mai grele în interiorul stelelor.

Această înțelegere nu abordează întrebarea cum a rezultat ceva din nimic.

Deci să ne gândim mai departe. Primele particule de materie cu o viață suficient de lungă au fost protonii și neutronii, care împreună formează nucleul atomic. Acestea au apărut după aproximativ zece miimi de secundă după Big Bang. Înainte de acel moment, nu exista într-adevăr nicio materie în vreun sens familiar al cuvântului.

Fizica ne permite să continuăm să urmărim linia temporală înapoi până la procesele fizice care au precedat orice materie stabilă.

Acest lucru ne duce la așa-numita „epocă a marii unificări”. De acum suntem în domeniul fizicii speculative, deoarece nu putem produce suficientă energie în experimentele noastre pentru a sonda tipul de procese care s-au produs în acel moment.

O ipoteză plauzibilă este aceea că lumea fizică a rezultat dintr-un amestec de particule elementare de scurtă durată, inclusiv quarcuri, blocurile de construcție ale protonilor și neutronilor. A existat atât materie, cât și „antimaterie” în cantități aproximativ egale: fiecare particulă de materie, cum ar fi quarcul având o „imagine în oglindă” de antimaterie, care este aproape identică cu ea însăși, diferă doar într-un singur aspect (sarcina electrică).

Cu toate acestea, materia și antimateria se anihilează într-un fulger de energie atunci când se întâlnesc, ceea ce înseamnă că aceste particule au fost create și distruse în mod constant.

De unde au provenit însă aceste particule? În teoria cuantică a câmpului chiar și un vid, care se presupune că corespunde spațiu-timpului lipsit de materie, este plin de activitate fizică sub formă de fluctuații de energie.

Aceste fluctuații de energie pot da naștere la particule, care însă vor dispărea după scurt timp. Acest lucru poate părea mai degrabă o ciudăţenie matematică decât o realitate fizică, dar astfel de particule virtuale chiar au fost identificate în nenumărate experimente.

Spațiu-timpul vid clocotește cu particule care sunt create și distruse, în mod constant, aparent „din nimic”. Poate că tot ceea ce trebuie să înţelegem de aici este că vidul cuantic (în ciuda numelui său) este un ceva mai degrabă decât un nimic.

Filosoful David Albert a criticat, într-un mod memorabil, afirmaţiile despre Big Bang care sugerau că se poate obține ceva din nimic în acest fel.

Fluctuațiile de vid cuantic

Simularea fluctuațiilor de vid cuantic în cromodinamica cuantică. Credit: Wikimedia/Ahmed Neutron

Să presupunem că ne întrebăm: de unde a apărut spațiu-timpul? Apoi putem continua să întoarcem ceasul mai înapoi până în „epoca Planck”, o perioadă atât de timpurie din istoria universului încât şi cele mai bune teorii ale fizicii noastre nu se pot aplica.

Această eră a avut loc după 10-43 secunde de la Big Bang. În acest moment, spațiul și timpul erau supuse fluctuațiilor cuantice.

În mod obișnuit, fizicienii lucrează separat cu mecanica cuantică, care guvernează lumea particulelor și cu relativitatea generală, care se aplică la scări mari, cosmice. Pentru a înțelege cu adevărat epoca Planck, avem nevoie de o teorie completă a gravitației cuantice, care să îmbine cele două teorii de bază din fizica actuală.

Încă nu avem o teorie perfectă a gravitației cuantice, dar există încercări, cum ar fi teoria corzilor și gravitația cuantică în buclă. În aceste încercări, spațiul și timpul obișnuit sunt de obicei văzute ca emergente, precum valurile de pe suprafața unui ocean adânc.

Ceea ce experimentăm ca spațiu și timp este produsul proceselor cuantice care operează la un nivel mai profund, microscopic, procese care nu prea au sens pentru noi, ființe legate de lumea macroscopică.

În epoca Planck înțelegerea noastră obișnuită a spațiului și timpului nu mai funcţionează, astfel încât nu ne mai putem baza nici pe înțelegerea cauzei și a efectului. În ciuda acestui fapt, toate teoriile candidate ale gravitației cuantice descriu ceva fizic care exista în epoca Planck, un precursor cuantic al spațiului și timpului obișnuit.

Dar de unde a provenit acesta?

Chiar dacă cauzalitatea nu se mai aplică, într-un mod obișnuit, ar putea fi totuși posibil să explicăm o componentă a universului epocii Planck în funcţie de o alta. Din păcate, până acum nici cea mai bună fizică a noastră nu reușește să ofere un răspuns complet. Până când nu vom face progrese în direcția unei „teorii a totului”, nu vom putea da niciun răspuns definitiv.

Tot ceea ce putem spune cu încredere în această etapă este că fizica nu a găsit până acum nicio dovadă confirmată că ceva material poate rezulta din nimic.

Un univers ciclic din aproape nimic

Pentru a răspunde cu adevărat la întrebarea cum ar putea apărea ceva din nimic, ar trebui să explicăm starea cuantică a întregului univers la începutul epocii Planck.

Toate încercările de a face acest lucru sunt extrem de speculative. Unele dintre ele apelează la forțe supranaturale şi sugerează un Creator al universului. Alte explicații candidate rămân în domeniul fizicii, cum ar fi teoria multiversului, care presupune existența unui număr infinit de universuri paralele sau modele ciclice ale universului, care se naște, moare și renaște din nou.

Fizicianul Roger Penrose, laureat al Premiului Nobel în anul 2020, a propus un model interesant, dar controversat, pentru un univers ciclic într-o „cosmologie ciclică conformă”.

Penrose a fost inspirat de o conexiune matematică surprinzătoare între o stare foarte fierbinte, densă, mică a universului, așa cum a fost la Big Bang și o stare extrem de rece, lipsită de materie şi extinsă a universului, așa cum va fi în viitorul îndepărtat.

Teoria lui radicală pentru a explica această corespondență este că acele stări devin identice din punct de vedere matematic atunci când sunt analizate la limită. Oricât de paradoxal ar părea, o absență totală a materiei ar fi putut da naștere materie pe care o vedem în jurul nostru în universul actual.

Din această perspectivă, Big Bang-ul provine dintr-un aproape nimic. Asta este ceea ce rămâne atunci când toată materia dintr-un univers a fost consumată în găuri negre pierdute în spaţiul vid și care, la rândul lor, s-au evaporat în fotoni.

Întregul univers se naşte astfel din ceva care, privit dintr-o altă perspectivă fizică, este cât se poate de aproape de nimic. Doar că acel nimic este încă un fel de ceva. Este încă un univers fizic, oricât ar fi de vid.

Cum se poate ca un univers să fie rece și vid analizat dintr-o perspectivă și respectiv fierbinte şi dens dintr-o altă perspectivă? Răspunsul constă într-o procedură matematică complexă numită „redimensionare conformă”, o transformare geometrică care de fapt modifică dimensiunea unui obiect, dar îi lasă forma neschimbată.

Penrose a arătat cum starea densă rece și starea densă fierbinte ar putea fi corelate printr-o astfel de redimensionare, astfel încât să se potrivească cu forma spațiu-timpului lor, dar nu și cu mărimea lor. Este, desigur, dificil de înțeles cum două obiecte pot fi identice în acest fel atunci când au dimensiuni diferite, dar Penrose susține că dimensiunea ca concept nu mai are sens în medii fizice atât de extreme.

În cosmologia ciclică conformă, direcția explicației merge de la vechi și rece la tânăr și fierbinte: starea densă fierbinte există ca urmare a stării de vid rece.

Dar acest „ca urmare” nu este cel familiar, al unei cauze urmate în timp de efectul ei. Nu numai dimensiunea încetează să mai fie relevantă în aceste stări extreme, ci și timpul.

Starea densă rece și starea densă caldă se află de fapt pe linii temporale diferite.

Starea de vid rece ar continua pentru totdeauna din perspectiva unui observator în propria geometrie temporală, în timp ce starea densă fierbinte la care dă naștere are loc efectiv într-o nouă linie temporală a ei.

Aceasta ne poate ajuta să înțelegem starea densă fierbinte, așa cum este produsă din starea de vid rece, într-un mod lipsit de o legătură cauzală. Poate ar trebui să spunem că starea densă fierbinte rezultă din starea de vid rece.

Acestea sunt idei metafizice distinctive care au fost explorate pe larg de filosofii științei, mai ales în contextul gravitației cuantice, acolo unde cauza și efectul obișnuit par să se destrame. La limitele cunoștințelor noastre, fizica și filosofia devin greu de separat.

Dovezi experimentale?

Cosmologia ciclică conformă oferă câteva răspunsuri detaliate, deși speculative, la întrebarea privind originea Big Bang-ului. Chiar dacă viziunea lui Penrose va fi justificată de progresul viitor al cosmologiei, totuşi încă nu am răspuns la o întrebare filosofică mai profundă, o întrebare despre originea realităţii fizice în sine.

Care este cauza acestor cicluri ale universului?

Ajungem în sfârșit la întrebarea: De ce există ceva mai degrabă decât nimic? Aceasta este una dintre cele mai mari întrebări ale metafizicii.

Ne vom axa în continuare pe explicațiile care rămân totuși în domeniul fizicii. Există trei opțiuni de bază la întrebarea mai profundă a modului cum au început ciclurile universului.

  1. S-ar putea să nu existe nicio explicație fizică;
  2. Ar putea exista cicluri care se repetă la nesfârșit, fiecare fiind un univers în sine, cu starea cuantică inițială a fiecărui univers explicată printr-o trăsătură a universului anterior;
  3. Ar putea exista un singur ciclu și un singur univers care se repetă, cu începutul acelui ciclu explicat printr-o trăsătură a propriului său sfârșit.

Ultimele două abordări evită necesitatea oricăror evenimente lipsite de o legătură cauzală, iar acest lucru înseamnă că nimic nu ar fi lăsat neexplicat de fizică.

Universuri ciclice în cosmologia ciclică conformă

Universuri ciclice distincte în cosmologia ciclică conformă. Credit: Roger Penrose

Penrose are în vedere o succesiune de noi cicluri nesfârșite din motive legate parțial de propria sa interpretare preferată a teoriei cuantice. În mecanica cuantică, un sistem fizic există într-o suprapunere a mai multor stări diferite în același timp și „alege” una doar aleatoriu, atunci când îl măsurăm.

Pentru Penrose fiecare ciclu implică evenimente cuantice aleatorii care se desfășoară într-un mod diferit, ceea ce înseamnă că fiecare ciclu va diferi de cele de dinainte și de după el. Aceasta este de fapt o veste bună pentru fizicieni, deoarece ne-ar putea permite să observăm vechiul univers, care a dat naștere pe al nostru, prin urmele slabe sau anomalii din radiația rămasă de la Big Bang, aşa cum au fost aceasta studiată cu ajutorul satelitul Planck.

Penrose și colaboratorii săi cred că este posibil să fi observat deja aceste urme, atribuind modelele din datele Planck radiațiilor provenite de la găurile negre supermasive din universul anterior. Cu toate acestea, observațiile acestea au fost contestate de alți fizicieni.

Radiația cosmică de fond

Harta radiației cosmice de fond. Credit: ESA și colaborarea Planck

Ciclurile nesfârșite ale universului sunt cheia propriei viziuni a lui Penrose. Există însă o modalitate naturală de a converti cosmologia ciclică conformă dintr-o formă cu mai multe cicluri într-o formă cu un singur ciclu. Astfel, realitatea fizică ar consta într-o singură trecere prin Big Bang până la o starea de vid în viitorul îndepărtat şi apoi din nou la același Big Bang, dând naștere la același univers din nou.

Această ultimă posibilitate este în concordanță cu o altă interpretare a mecanicii cuantice, numită interpretarea lumilor multiple. Interpretarea aceasta ne spune că de fiecare dată când măsurăm un sistem care se află într-o suprapunere de stări, această măsurătoare nu selectează la întâmplare o stare.

În schimb, rezultatul măsurării pe care îl vedem este doar o posibilitate, cea care se desfășoară în propriul nostru univers. Celelalte rezultate ale măsurătorilor se desfășoară în alte universuri într-un multivers, efectiv separat de al nostru.

Deci, oricât de mică este șansa ca ceva să se întâmple, dacă are o șansă diferită de zero, atunci are loc într-o lume paralelă cuantică.

Unii oameni cred că astfel de universuri paralele pot fi observate în datele cosmologice, ca amprente cauzate de un alt univers care se ciocnește cu al nostru.

Teoria cuantică a lumilor multiple oferă o nouă interpretare cosmologiei ciclice conforme, deși nu una cu care Penrose să fie de acord.

Big Bang-ul nostru ar putea fi renașterea unui singur multivers cuantic, care conține un număr infinit de universuri diferite, care au loc simultan.

Un mit străvechi

Pentru un filosof al științei, viziunea lui Penrose este fascinantă. Ea deschide noi posibilități de a explica Big Bang-ul, ducând explicațiile noastre dincolo de cauză și efectul obișnuit. Prin urmare, oferă un instrument excelent de testare pentru a explora diferitele moduri în care fizica poate explica lumea noastră. Merită mai multă atenție din partea filosofilor.

Pentru un iubitor de mit, viziunea lui Penrose este frumoasă. În forma preferată de Penrose cu mai multe cicluri, promite lumi noi nesfârșite născute din cenușa strămoșilor lor.

În forma sa cu un singur ciclu, este o reamintire modernă a ideii străvechi de ouroboros sau șarpele lumii. În mitologia nordică, șarpele Jörmungandr este un copil al lui Loki, un șiret inteligent și al gigantului Angrboda.

Jörmungandr își consumă propria coadă, iar cercul creat susține echilibrul lumii.

Mitul Ouroboros a fost documentat în întreaga lume, inclusiv în Egiptul antic.

Ouroboros pe mormântul lui Tutankhamon

Ouroboros pe mormântul lui Tutankhamon. Credit: Djehouty/Wikimedia

Ouroboros din universul ciclic unic este într-adevăr maiestuos. Conține în pântece propriul nostru univers, precum și fiecare dintre universurile alternative, ciudate și minunate, care sunt permise de fizica cuantică

Chiar și Loki ar fi impresionat.

Traducere după How could the Big Bang arise from nothing?

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.