Cel mai mic detaliu pe care ochiul uman îl poate distinge are mărimea unui punct văzut de la o distanță de un metru. Astfel se poate defini „rezoluţia” ochiului. Cea mai bună rezoluție a unui sistem optic, cum ar fi ochiul, este dată aproximativ de raportul dintre lungimea de undă a luminii pe care o vizualizăm și mărimea fantei prin care poate trece lumina.

În astronomie, rezoluția se referă la acelaşi lucru. Astfel se explică de ce s-au construit telescoape din ce în ce mai mari: nu doar pentru că telescoapele mari pot colecta mai multă lumină şi, prin urmare, putem observa obiecte tot mai îndepărtate, dar cu cât este mai mare apertura telescopului, cu atât vom obţine, în principiu, o imagine mai bună.

Într-un nou studiu se sugerează că Universul are de fapt o rezoluţie limită fundamentală, ceea ce înseamnă că, indiferent de cât de mari vor fi telescoapele în viitor, nu vom vedea galaxiile cele mai îndepărtate atât de clar pe cât ne-am dori.

Problema telescoapelor

Cele mai mari telescoape optice de pe Pământ, cum ar fi Very Large Telescope (VLT) și telescoapele Keck, au oglinzi având un diametru de 10 m, iar în prezent se intenționează construirea unor telescoape având oglinzi cu un diametru între 30 m și 40 m (Extremely Large Telescopes). Există însă o problemă: dacă lumina de la un obiect (indiferent că este vorba de o lumânare, un felinar sau o stea) este perturbată pe drumul către receptor, atunci nu vom putea obţine o imagine atât de clară pe cât ne-am dori, indiferent de cât de mare am face apertura telescopului.

Galaxii îndepărtate surprinse de telescopul HubbleGalaxii îndepărtate surprinse într-o imagine a telescopului Hubble. Credit: NASA/Hubble

Se ştie că lumina uneori ne poate juca feste. Dacă v-aţi uitat vreodată la gresia de pe fundul unui bazin de înot, atunci probabil aţi observat că aceasta pare să se mişte. De asemenea, dacă ați pus un pai într-un pahar de apă atunci aţi văzut că acesta aparent se „rupe” la interfaţa dintre aer și apă. Lumina se propagă prin spaţiul cosmic şi pentru a ajunge la telescoapele noastre trebuie să treacă printr-o atmosferă turbulentă, iar acest lucru cauzează probleme astronomilor.

Atmosfera Pământului perturbă propagarea undelor şi deoarece lumina este o undă electromagnetică, acest lucru conduce la obţinerea unor imagini neclare. Dacă nu se compensează acest efect atunci nu se va putea atinge rezoluția maxim posibilă a telescopului. Telescoapele spaţiale, aflate deasupra atmosferei Pământului, reprezintă o soluţie în acest sens, dar aceasta este costisitoare. „Sistemele optice adaptive” reprezintă o altă soluţie, dar acestea constituie o provocare din punct de vedere tehnic.

Spuma cuantică

Nou studiu, prezentat la Adunarea Generală a Uniunii Astronomice Internaţionale, face o predicție cu privire la natura spațiului pe baza conceptelor din fizica cuantică. Se susține că spațiul-timp la nivel cuantic, prin însăşi natura sa, stabileşte o „rezoluție limită fundamentală” a Cosmosului, adică ar putea limita capacitatea telescoapelor din viitor de a vedea cele mai îndepărtate galaxii.

Potrivit mecanicii cuantice, la scara Planck (10-35 m) spaţiul-timp devine „spumos”. Fizica cuantică prezice că la această scară spaţiul este plin de așa-numitele „particule virtuale” care apar și se anihilează reciproc cu mare viteză, adică ceea ce s-a observat deja, în mod repetat, în urma experimentelor din fizica particulelor. Cu toate acestea, pentru scurt timp, aceste particule au energie și practic masă, în conformitate cu faimoasa ecuație E = mc^2.

Orice masă, indiferent de cât de mică este, deformează spațiul-timp. Aşa a descris Einstein gravitaţia. Cel mai evident exemplu al acestui fenomen îl reprezintă lentila gravitațională. Fotonii, adică particulele de lumină, care călătoresc prin spuma spaţiu-timp sunt perturbaţi de aceste fluctuații din spaţiu-timp într-un mod similar celui prin care lumina trece printr-o atmosferă densă și turbulentă.

Desigur, efectul este mic, aproape neglijabil. Cu toate acestea, un foton provenit dintr-o galaxie îndepărtată va fi perturbat în mod repetat de spuma spaţiu-timp. Predicţia este că efectul nu se observă în imaginile pe care le pot obţine în prezent cele mai performante telescoape. Dacă teoria este corectă, atunci această neclaritate cosmică ar putea fi evidentă în imaginile galaxiilor îndepărtate obţinute de viitoarele generații de telescoape. Printre aceste telescoape se numără şi succesorul telescopului Hubble, James Webb Space Telescope, planificat pentru lansare în anul 2018.

Oglinda principală a telescopului James WebbOglinda principala a telescopului James Webb.

Cu toate acestea, până în prezent nu există nicio teorie acceptată care să unifice teoria relativităţii generale a lui Einstein şi mecanica cuantică, ceea ce reprezintă unul dintre obiectivele cheie ale fizicii moderne, astfel încât putem considera predicţia de mai sus doar o ipoteză. Chiar dacă aceasta este corectă, efectele induse de spuma spaţiu-timp vor fi evidenţiate doar de astrofizicienii care studiază structura detaliată a galaxiilor cele mai îndepărtate.

Implicaţiile acestei ipoteze sunt fascinante: indiferent de cât de mari vor fi telescoapele pe care oamenii le vor construi în viitor, pe Pământ sau în spațiu, există o rezoluție limită fundamentală a Universului dincolo de care nu mai putem sonda, aceasta rezultând ca urmare a unor procese cuantice care se manifestă la o scară cosmologică. Ca în cazul unei conspirații cosmice, unele dintre secretele naturii pot fi ascunse pentru totdeauna.

Traducere după The universe’s resolution limit: why we may never have a perfect view of distant galaxies