Pe 17 martie 2014, blogul de știinţă și tehnologie al prestigiosului ziar The New Yorker anunţa: „O revoluţie știinţifică ne permite să vedem până la începuturile timpului.“ Lawrence M. Krauss, fizician renumit și autorul cărţii Un univers din nimic: de ce există ceva în loc să nu existe nimic, comenta în articolul său știrea care a făcut înconjurul lumii, anunţând un moment de referinţă în istoria știinţei.

O echipă de cercetători, astrofizicieni și fizicieni, în cadrul unui experiment numit BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2), desfășurat la un observator astronomic de la Polul Sud, pe parcursul a nouă ani, a raportat că a descoperit pentru prima dată urme de netăgăduit ale unui fenomen mult căutat în astrofizică: undele gravitaţionale. Mai mult decât atât, s-a anunţat că metoda prin care a fost făcută descoperirea a adus confirmări importante în modelul teoretic al cosmologiei Big Bang și va permite investigarea experimentală a primelor momente de după această explozie primordială – momentul creaţiei pentru astrofizica modernă.

Când nu găsești undele gravitaţionale…

Dacă ne imaginăm spaţiul și timpul ca pe suprafaţa unui ocean, undele gravitaţionale pot fi vizualizate ca fiind valuri în acel ocean. Mai precis, undele gravitaţionale sunt ondulaţii teoretizate ale spaţiu-timpului care au fost pentru prima dată prezise în 1916, de Albert Einstein, în baza teoriei generale a relativităţii. La fel ca în cazul undelor electromagnetice, produse de oscilaţia unei sarcini electrice, se consideră că oscilaţia suficient de puternică a unui obiect foarte masiv ar trebui să producă unde gravitaţionale, care să transporte energia sub formă de energie gravitaţională.

Observarea experimentală directă[1] a undelor gravitaţionale este un ţel știinţific intens urmărit în ultimele decenii, prin experimente de interferometrie extrem de precise, în laboratoare complexe și costisitoare precum LIGO (Laser Interferometer Gravitaţional-Wave Observatory, în SUA) sau VIRGO (ce ţine de Observatorul Gravitaţional European). Aceste experimente urmăresc să măsoare efectul minuscul pe care o undă gravitaţională ar trebui să îl aibă asupra spectrului unui fascicul laser foarte lung, în momentul trecerii undei prin spaţiul detectorului.

Până acum, aceste eforturi nu au fost încununate de succes, din motive întemeiate: forţa gravitaţională este, de departe, cea mai slabă dintre cele patru forţe fundamentale cunoscute, de 1027 de ori mai slabă decât următoarea în listă, „forţa slabă“. Prin urmare, și undele gravitaţionale prezise de teorie sunt extrem de slabe și greu de observat. De exemplu, dacă luăm în calcul interacţiunea gravitaţională dintre Pământ și Soare, efectul pierderii de energie prin undele gravitaţionale generate ar trebui să ducă la micșorarea orbitei pământului cu 3.5×10-20 m pe an, ceea ce reprezintă aproximativ 1/300 din diametrul unui atom de hidrogen[2]. Efectul este, deci, complet neglijabil pentru planeta noastră pentru mult timp de acum înainte, dar se consideră că acest lucru nu este valabil și pentru alte interacţiuni cosmice imaginate.

Așadar, ce surse de unde gravitaţionale detectabile ar putea să existe în univers? Se crede că supernovele și contopirea de sisteme binare de corpuri cerești exotice (cum ar fi stele neutronice, magnetari, găuri negre etc.) sunt două dintre evenimentele cosmice care pot produce unde gravitaţionale suficient de energetice încât să fie detectabile de pe pământ.

Faptul că cele mai sensibile experimente de interferometrie efectuate până acum nu au reușit să găsească încă astfel de unde este curios pentru cercetători, deoarece precizia aparatelor atinge limita la care ele ar trebui să fie capabile să detecteze respectivele unde. Lipsa descoperirii a pus o presiune importantă pe teoreticieni și a ridicat probleme pentru una dintre teoriile considerate de cel mai mare succes în astrofizică: teoria relativităţii generale a lui Albert Einstein.

… cauţi abordări alternative

În acest context a intervenit efortul de a demonstra existenţa undelor gravitaţionale pe alte căi decât observarea lor directă. În căutarea de surse suficient de puternice de unde gravitaţionale care să fie cumva detectabile, cercetătorii și-au îndreptat atenţia către ceea ce se crede că este cel mai energetic eveniment din istoria universului: explozia primordială sau Big Bangul.

Nimeni nu se așteaptă să detecteze undele gravitaţionale care ar fi fost generate de Big Bang pentru că evenimentul se consideră că a avut loc cu 14 miliarde de ani în urmă, dar se pot căuta urmele pe care le-ar fi putut lăsa astfel de unde gravitaţionale puternice, urme care să fie vizibile și azi.

Cercetătorii din cadrul programului BICEP2 au avut ideea de a studia radiaţia de fond a universului (Cosmic Microwave Background radiation sau CMB), deoarece se consideră că aceasta este o rămășiţă directă a Big Bangului, vizibilă și azi în univers. Conform teoriei, radiaţia de fond a universului a fost creată la sfârșitul unei perioade foarte scurte, violente și insuficient explicate, numită inflaţie, care trebuie să fi avut loc la doar 10-35 secunde după Big Bang, când chiar spaţiul însuși se crede că s-a „întins“ cu o rapiditate greu de imaginat.

Teoriile matematice care încearcă să modeleze inflaţia prezic că, în timpul fenomenului ca atare, trebuie să fi fost generate unde gravitaţionale extrem de puternice, iar acestea i-ar fi putut imprima radiaţiei de fond a universului anumite tipare de polarizare a luminii care să fie observabile în prezent. Aceste posibile tipare de polarizare a radiaţiei de fond se datorează însă nu doar teoriei relativităţii, de la care s-a pornit iniţial în căutarea undelor gravitaţionale, ci, în primul rând, unor efecte cuantice care se crede că au acţionat doar în acele condiţii extreme ale inflaţiei, condiţii care azi nu pot fi reproduse sau măcar explicate suficient.

Trebuie subliniat încă o data că, dacă experimentele de interferometrie amintite iniţial sunt abordări directe pentru detectarea unor unde care se propagă acum prin spaţiul nostru, căutarea efectelor undelor gravitaţionale în polarizarea radiaţiei de fond a universului este, prin excelenţă, un demers de cercetare istorică în astrofizică: un exerciţiu indirect, statistic, de interpretare a unui „obiect“ ce se consideră extrem de vechi (radiaţia de fond a universului), pentru a scoate în evidenţă urmele unor factori ce se crede că au acţionat la momentul formării sale.

Experimentul…

Suntem pregătiţi, acum, să evaluăm ce anume a descoperit echipa BICEP2. Dacă, într-o noapte înstelată, am putea să privim cerul cu ochiul liber în lungimea de undă a microundelor, am observa radiaţia de fond a universului ca pe o luminescenţă palidă și destul de uniformă a întregului cer. Dar dacă am privi mai atent, am vedea că există mici variaţii în intensitatea și polarizarea acestei lumini pe harta cerului, iar aceste variaţii pot fi măsurate și analizate. După nouă ani de măsurători extrem de fine asupra hărţii radiaţiei de fond vizibile pe cerul nostru, analiza statistică a polarizării acestei radiaţii a indicat o corelaţie cu un tipar de polarizare care, conform teoriei, ar fi putut fi produs de undele gravitaţionale primordiale din momentul numit inflaţie. În termeni statistici, valoarea R a corelării este de 0,22, unde valoarea R=0 ar indica lipsa unei corelări și valoarea R=1 ar indica o corelare completă.

În esenţă, aceasta este descoperirea: R=0,22! După ani de muncă intensă, cercetătorii implicaţi au anunţat cu bucurie, în conferinţa de presă aferentă, că au găsit dovezi importante pentru inflaţie și că au cartografiat chiar urmele undelor gravitaţionale primordiale de pe cerul nostru. Știrea a fost rapid preluată de presa din întreaga lume, iar articolele de știinţă popularizată au început să apară din abundenţă…

…și euforia care l-a însoţit

Unul dintre motivele pentru care această știre a fost receptată cu atât de mult entuziasm în comunitatea știinţifică este că ea diminuează puţin din eșecul detectării directe a undelor gravitaţionale ce ar trebui să se propage acum prin spaţiu. Cel mai important motiv este însă că descoperirea de la Polul Sud aduce o confirmare foarte necesară pentru teoria inflaţiei având în vedere lista destul de săracă de dovezi existente până în prezent. De asemenea, descoperirea promite o nouă pistă de investigare a primelor momente de după Big Bang prin studierea efectelor undelor gravitaţionale generate atunci.

Ca să evaluăm corect situaţia, trebuie spus totuși că, deși corelarea găsită de BICEP2 este mai bună decât se așteptau cercetătorii, vorbim de un factor de corelare mic, în valoare absolută, pentru niște măsurători extrem de sensibile, care încă nu au fost confirmate de niciun alt experiment independent. În plus, așa cum am menţionat deja, descoperirea este, în principal, rezultatul unei analize statistice asupra unui fenomen istoric, și nu rezultatul unei observări directe asupra unui fenomen actual.

Precauţie, scepticism… și îndoială

Presupusele urme ale undelor gravitaţionale primordiale au menirea să adauge o cărămidă esenţială în construcţia teoretică a paradigmei naturaliste, într-unul din punctele în care este mai slabă, și anume în ceea ce privește teoria inflaţiei de după Big Bang. Puţini dintre cititorii articolelor de popularizare a știinţei știu însă cât de lung, anevoios și complex este șirul de interpretări, presupuneri și constrângeri care leagă observaţia palpabilă, și anume „R=0,22“, de anunţul din conferinţa de presă: „descoperirea undelor gravitaţionale și dovedirea inflaţiei“. Tocmai de aceea, acest articol prezintă teoria din spatele experimentului cu un grad asumat de precauţie și scepticism.

Există motive să luăm în considerare și o doză de sănătoasă îndoială, care este întotdeauna binevenită în știinţă. Și, în cazul de fată, o îndoială justificată de problemele cu care se confruntă susţinerea teoretică de care depinde această descoperire și în care ea se integrează. Este, poate, uimitor de știut că, în ciuda entuziasmului și a certitudinii cu care sunt anunţate noi descoperiri, până în prezent, prin cosmologia Big Bang, avem o teorie care pretinde că explică un neimpresionant 5% din univers, cam cât reprezintă ceea ce putem observa, de fapt; restul este materie întunecată, în proporţie de 23%, și energie întunecată, în proporţie de 72% . O privire de ansamblu asupra istoriei universului și câteva dintre principalele puncte slabe ale acestei perspective apar în caseta alăturată.

Așadar, indiferent de veridicitatea fizică a acestei descoperiri, pentru omul de rând care privește din afara specializărilor știinţifice este legitimă întrebarea: ce face ca lungul șir de supoziţii, necunoscute și interpretări netestabile care transformă „R=0,22“ în „unde gravitaţionale“ și „inflaţii cosmice“ să devină „certitudine“ pentru oamenii de știinţă din întreaga lume? Acolo unde instrumentele noastre pot să facă măsurători, de multe ori rezultatele sunt în contradicţie cu predicţiile teoretice: galaxiile se rotesc prea repede, stelele se depărtează între ele accelerat, și nu frânat, cometele se pare că nu conţin apă, iar planetele arată interacţiuni complexe, neanticipate, cu mediul sistemului solar. Acestea sunt doar câteva dintre misterele unui domeniu fascinant, astronomia, mistere care, prin măsurători și experimentare directă, intră în contradicţie cu teoria. De ce, atunci, acea parte a astronomiei care se ocupă, în principal, cu evenimente puţin testabile și aflate aproape în afara razei de acţiune a experimentelor este îmbrăcată în atâta certitudine?

Sunt mulţi oameni care susţin că ipoteza unei explozii primordiale necesită și o cauză primordială, și anume Dumnezeu. Sunt, de asemenea, mulţi cercetători care consideră că nevoia de o cauză iniţială este iluzorie, deoarece orice cauză îţi cere cauza și, în concluzie, aceștia nu sunt deranjaţi de ideea unui univers spontan apărut prin propria-i acţiune. Cert este că, prin cosmologia Big Bang, omul este, pentru prima dată, într-adevăr liber și dezlegat să creadă ce vrea și să nu mai fie în mod necesar tributar nevoii de un Creator. Cosmologia Big Bang nu Îl exclude în mod direct pe Dumnezeu, ca posibil Creator al universului, ci doar Îl face nenecesar pentru cei care aleg această cale. E numai firească, în acest context, nevoia de certitudini cu care este abordată această teorie, dincolo de toate defectele, slăbiciunile și lipsurile ei.

În același timp, se pare că îndoiala și scepticismul sunt cu atât mai neglijabile cu cât obiectul de studiu este mai îndepărtat în timp, spaţiu și acces pentru experimentarea directă. Paradigma naturalistă are, pentru omul modern și însetat de certitudini, o putere de seducţie ce cu greu poate fi subestimată. Această abordare grandioasă promite o explicaţie pentru orice, de la începuturile universului și dezvoltarea sa ulterioară, de la începuturile vieţii și dezvoltarea ei ulterioară și până la semnificaţia vieţii și destinul universului: o privire de ansamblu peste zeci de miliarde de ani, pe care omul atât de minuscul în timp și spaţiu o percepe ca dându-i însemnătatea și semnificaţia necesare pentru propria existenţă.

Există multe semne de întrebare legate de acest eșafodaj teoretic pe care omul se străduiește cu migală să-l creeze, dar seducţia ideii că într-o zi vom fi capabili să explicăm totul fără să avem nevoie de Dumnezeu este mai mare decât semnele de întrebare. Este revelator, în acest sens, modul în care Lawrence M. Krauss își încheia articolul din The New Yorker: „Pentru unii oameni, posibilitatea ca legile fizicii să ilumineze chiar și creaţia universului nostru, fără nevoia unei intervenţii supranaturale sau a unui scop, este de-a dreptul terifiantă. Dar anunţul de luni [anunţul BICEP2 – n.red.] poate fi posibilul început al unei noi ere, când chiar și astfel de întrebări existenţiale la nivel cosmic devin accesibile experimental.“

Istoria timpului, de la înălţimea astrofizicii moderne

  • Acum aproximativ 14 miliarde de ani, din „nimic“ a explodat „ceva“ (Big Bang). Trecând peste dificultăţile evidente de a concepe naturalist nașterea a ceva din nimic, principalul motiv care a dus la propunerea acestei ipoteze a fost observaţia astronomului american Edwin Hubble, în anii 1930, că obiectele cerești par a se depărta de noi. Considerând că pământul nu este, totuși, centrul universului, rezultă că tendinţa de îndepărtare este generalizată printre toate obiectele cerești. Considerând, în plus, și că această dinamică a fost dintotdeauna așa, rezultă că, la un moment dat, toată materia universului a fost concentrată într-un singur loc, și de aici teoria unei explozii primordiale. Dar chiar și dacă observaţia îndepărtării aparente a corpurilor cerești faţă de noi nu are alte explicaţii, este extrapolarea ei peste miliarde de ani, până la un moment primordial, absolut necesară?

  • Într-o infimă fracţiune, după Big Bang, spaţiul s-a extins exponenţial și a uniformizat distribuţia materiei: aceasta este „inflaţia“ care a produs radiaţia de fond a universului. Nu se știe exact de ce sau prin ce proces fizic s-a întâmplat acest lucru. Se știe doar că, fără respectivul episod inflaţionist din prima secundă a universului, nu se poate explică distribuţia relativ uniformă a materiei în univers.

  • La 380.000 de ani după explozie, universul s-a răcit suficient pentru a deveni transparent pentru lumina și, implicit, pentru radiaţia de fond a universului. La acest moment din timp, universul este format doar din hidrogen, cel mai simplu element chimic posibil.

  • Primele stele se formează la aproximativ 400 milioane de ani după Big Bang și continuă să se formeze într-un ritm frenetic până în ziua de astăzi. Miliarde de galaxii vor da naștere, fiecare în parte, la miliarde de stele, se crede, prin acumularea gravitaţională a gazului și a prafului cosmic, deși procesul prin care un nor globular de gaz și praf poate da naștere la o stea este un subiect încă intens dezbătut în astrofizică.

  • Existenţa acestor reactoare termonucleare naturale, numite stele, rezultă în producerea, în nucleele stelare, de elemente chimice mai grele decât hidrogenul, dar nu mai grele decât fierul. Elementele mai grele decât fierul sunt produse doar în explozii stelare și supernove și sunt împrăștiate în spaţiu, urmând să participe la formarea altor stele și planete, și așa mai departe. Aceasta este teoria evoluţiei chimice prin care este explicată prezenţa elementelor chimice, altele decât hidrogenul, în univers.

  • Deoarece profilurile de rotaţie ale galaxiilor, obţinute prin observaţii astronomice directe, nu corespund cu predicţiile teoriei gravitaţiei, se consideră că peste 23% din univers este format din „materie întunecată“, nedetectată în niciun alt fel până acum decât ca ingredient-lipsă, fără de care nu poate fi explicată rotaţia observată a galaxiilor.

  • Aceeași îndepărtare a obiectelor cerești, care a dus la propunerea Big Bang-ului, mai relevă o surpriză: tendinţa de separare se pare că se accelerează în loc să încetinească! Acest fapt nu poate fi explicat decât prin a considera că 72% din univers este reprezentat de „energie întunecată“, nedetectată în niciun fel până acum decât ca ingredient lipsă fără de care tendinţa de depărtare accelerată a corpurilor cerești nu poate fi explicată.

  • Pe una dintre planetele care gravitează în jurul unei oarecare stele din univers, la aproximativ 12 miliarde de ani de la Big Bang, în condiţii chimice și energetice neclare, apare prima celulă vie din componente chimice ne-vii. Începe evoluţia biologică, totul în ciuda oricărui calcul probabilistic, care arată că atât apariţia spontană a vieţii, cât și evoluţia prin selecţie naturală sunt imposibilităţi matematice[3].

  • Cu circa 200.000 de ani în urmă, la 14 miliarde de ani de la Big Bang, pe această planetă se consideră că apare viaţa inteligenţă, adică noi, oamenii. Aceștia, în ultimele 2-3 milenii, se dezvoltă spectaculos din punct de vedere tehnologic și, în ultimele câteva zeci de ani, ajung capabili să detecteze și să înţeleagă semnele lăsate de fenomene ce s-au petrecut în primele momente ale universului.

Footnotes
[1]„Există anumite dovezi indirecte pentru undele gravitaţionale. În 1993, a fost acordat Premiul Nobel în fizică pentru observarea unor efecte ce pot fi puse pe seama undelor gravitaţionale în interacţiunea dintre două corpuri cerești exotice, considerate a fi un pulsar și o stea neutronică în orbită foarte strânsă.”
[2]„http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave: Orbital decay from gravitational radiation”.
[3]„În 1966, la Institutul Wistar, Philadelphia, SUA, în cadrul a ceea ce a rămas cunoscut ca Simpozionul Wistar, un grup de matematicieni renumiţi a provocat comunitatea biologilor evoluţioniști, exprimându-și îndoielile cu privire la teoria evoluţiei (neodarwinism) din punctul de vedere al teoriei probabilităţii. Simplificând, concluzia generală a fost clară: evoluţia prin selecţie naturală, conform teoriei neodarwiniene, propune probabilităţi care sunt, pur și simplu, imposibil de susţinut cantitativ, matematic.”

„Există anumite dovezi indirecte pentru undele gravitaţionale. În 1993, a fost acordat Premiul Nobel în fizică pentru observarea unor efecte ce pot fi puse pe seama undelor gravitaţionale în interacţiunea dintre două corpuri cerești exotice, considerate a fi un pulsar și o stea neutronică în orbită foarte strânsă.”
http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave: Orbital decay from gravitational radiation”.
„În 1966, la Institutul Wistar, Philadelphia, SUA, în cadrul a ceea ce a rămas cunoscut ca Simpozionul Wistar, un grup de matematicieni renumiţi a provocat comunitatea biologilor evoluţioniști, exprimându-și îndoielile cu privire la teoria evoluţiei (neodarwinism) din punctul de vedere al teoriei probabilităţii. Simplificând, concluzia generală a fost clară: evoluţia prin selecţie naturală, conform teoriei neodarwiniene, propune probabilităţi care sunt, pur și simplu, imposibil de susţinut cantitativ, matematic.”