În știință e o lege nescrisă,
aceea că întrebările cele mai simple au cele mai dificile răspunsuri.
Întrebări precum: „Cum a început Universul?”
Până de curând, știința pur și simplu nu avea instrumentele necesare
pentru a răspunde la întrebări referitoare la originea Universului.
Dar în ultimele sute de ani, o serie de descoperiri
au fost făcute de bărbați și femei
care, prin observație, determinare și chiar prin noroc pur,
au reușit să lămurească acest mister cosmic de dimensiuni epice.
Acesta era echivalentul astronomic al aurului.
Voi recrea cele mai faimoase descoperiri ale acestora
și voi realiza cele mai importante experimente ale lor.
Treizeci de mii de kilometri pe secundă.
Care ne poartă de la cele mai mari obiecte din Univers,
până la cele mai mici.
Până când voi atinge limitele cunoașterii noastre, călătorind înapoi în timp,
pentru a recrea nașterea Universului.
La o milionime de secundă după apariția Universului.
Aceasta este o perioadă înainte ca materia însăși
să capete formă într-un mod în care noi am recunoaște-o.
Ne vom apropia mai mult ca niciodată de creație.
Începutul timpului.
Însuși începutul Universului.
Este un lucru remarcabil că știința a avut nevoie de sute de ani
pentru a crea o teorie care să explice originea Universului,
cu atât mai surprinzător,
având în vedere cât de simplă și de fundamentală e această întrebare.
Această întrebare are ceva fundamental uman,
de unde au apărut toate acestea?
Poate că este o variantă mai fundamentală a întrebării:
de unde am apărut eu?
Cu toate acestea, de-a lungul istoriei,
la o așa întrebare aparent simplă
doar religia a putut încerca să răspundă.
Abia la mijlocul secolului XX
știința a realizat o descriere proprie, coerentă și convingătoare a creației.
Era o descriere bazată pe teorie, predicții și observație.
Descrierea care putea explica în sfârșit
ce s-a întâmplat la începutul timpului.
La începutul Universului.
Cu puțin peste 100 de ani în urmă,
dacă savanții luau în considerare existența Universului,
ei considerau că acesta este etern, infinit și stabil.
Nu avea început și nici sfârșit.
Pur și simplu era imposibil
să chestionezi originea Universului,
dar la începutul secolului XX acest lucru a început să se schimbe.
Noi descoperiri au zdruncinat convingerile vechi
și au deschis calea pentru întrebări despre originea Universului.
O observație a schimbat percepția noastră despre adevărata dimensiune a Universului.
A început cu un mister de pe cer.
La începutul secolului XX,
se știa că sistemul nostru solar se află într-o galaxie,
Calea Lactee.
Fiecare stea pe care o putem vedea pe cer cu ochiul liber,
se află în galaxia noastră.
Până în jurul anului 1920, toate aceste stele,
aceasta unică galaxie, reprezenta întregul Univers.
Mai departe era doar spațiu gol.
Dar în spațiu erau și niște obiecte enigmatice,
abia vizibile ochiului liber,
care arătau diferit.
Unul dintre cele mai remarcabile este Andromeda.
Poți găsi Andromeda dacă știi încotro să privești.
Începi de la Cassiopeia,
acele cinci stele poziționate ca litera „M” rotită într-o parte,
dacă miști privirea în lateral de la vârfurile literei „M”
și puțin în sus, acolo o vei găsi.
Eu voi folosi binoclul pentru a mă ajuta.
Prima dată...
Dacă eu...
mă uit în lateral, da, acolo e.
Îți poți da seama că nu e o stea.
În principiu, e o pată abia vizibilă
aflată între acele două stele.
Exact acolo sus.
Aceea este M31, marea nebuloasă Andromeda.
Erau denumite nebuloase
pentru că arată neclar, ca un nor.
De fapt, cuvântul „nebuloasă” e derivat din denumirea latinească pentru „nor”.
Aceste obiecte nedefinite au fost descoperite
peste tot pe cerul nopții.
Telescoapele au descoperit că multe dintre aceste nebuloase
erau mai mult decât simpli nori de gaz interstelar.
Păreau să fie colecții uriașe de stele,
ceea ce a dat naștere la două posibilități interesante.
Erau acestea creșe stelare unde stelele prindeau viață,
prin urmare aflându-se în interiorul galaxiei noastre?
Sau mai profund,
erau aceste obiecte minunate și enigmatice galaxii în toată puterea cuvântului,
aflate în afara Căii Lactee?
Implicațiile prezentate de a doua posibilitate erau impresionante.
Dacă era adevărat, ar fi transformat instantaneu și radical impresia noastră
despre dimensiunea Universului.
MARELE TELESCOP DIN CANARE (GTC) INSULA LA PALMA
Acesta era șansa
unui astronom ambițios
să devină celebru,
poate cineva cu un telescop uriaș.
Vi-l prezentăm pe acest om.
Edwin Hubble, un bărbat din Missouri.
Nu ați fi bănuit asta doar întâlnindu-l,
pentru că era o persoană ciudată, fumător de pipă, băutor de ceai,
cu un accent englezesc prefăcut și aristocrat.
Hubble este probabil cel mai faimos astronom din toate timpurile,
ajutat atât de abilitatea sa de autopromovare,
cât și de măsurătorile incredibile pe care le-a realizat.
Pe vremea lui Hubble, când era vorba de observații
și noi descoperiri, mărimea era totul.
Astăzi, acesta este cel mai puternic telescop optic din lume.
Telescopul GTC,
a cărui oglindă principală are peste 10 metri
sau 1016 centimetri în diametru.
Mult mai mare decât ce avea Hubble la dispoziție.
În septembrie 1923,
Hubble lucra la ceea ce era în acel moment cel mai mare telescop din lume.
Telescopul Hooker de 254 cm aflat la Observatorul Mount Wilson,
sus în vârful munților Sierra,
deasupra orașului Los Angeles și a Californiei.
El folosea telescopul
pentru a studia una dintre cele mai proeminente nebuloase de pe cer,
nebuloasa Andromeda.
Aceeași nebuloasă la care m-am uitat mai devreme.
În timp ce o privea,
o stea specială i-a atras atenția lui Hubble,
o stea care putea dezvălui adevărata natură a Andromedei,
iar eu voi folosi acest telescop pentru a o căuta.
Aici este camera de control a telescopului GTC,
iar ei în această seară au orientat telescopul spre Andromeda
și o vor fotografia.
Durează aproximativ un minut de expunere pentru a obține o imagine clară?
- Exact atât durează. - Bine.
Fotografia a fost realizată, o vom deschide.
Iată aici Andromeda.
Aceea este Andromeda, corect.
Iată placa fotografică originală a lui Hubble.
- Da. - Corect, steaua lui Hubble
este aici jos, în colț.
O poți găsi pe imagine?
Da, dacă compari imaginea.
Vei observa că nu o vedem pe aceea, ce vedem noi e marginea galaxiei,
dar să încercăm...
Trebuie să te mai depărtezi.
Înțeleg, deci aici e doar marginea?
Aceea e marginea.
Eu presupuneam că este centrul galaxiei.
Nu.
Așa putem vedea cu cât e mai mare rezoluția
- ...telescopului tău. - Exact.
Putem vedea exact acea stea?
Da, pentru a găsi acea stea, din cauză că este atât de estompată,
trebuie să găsim referințe mai luminoase,
iar în acest caz, vei vedea aceste patru stele de aici,
care sunt aceste patru stele,
iar steaua descoperită de Hubble va fi aceasta de aici.
- Asta e, a lui Hubble... - Această micuță stea
este cea găsită de Hubble.
E uimitor.
Poți să determini dimensiunea acelei stele?
Da, vom prelucra puțin imaginea,
- ...dar o vom determina. - Bine.
Hubble și-a găsit steaua.
Știa că e specială, pentru că a comparat placa sa fotografică
cu altele din nopțile anterioare
și a observat că luminozitatea stelei sale variază.
În unele nopți era mai luminoasă, în altele era mai estompată.
Și-a dat seama că este o stea variabilă
și a înțeles semnificația acestui lucru.
A înțeles că a obținut echivalentul astronomic al aurului.
Steaua lui era o stea cefeidă.
În catalogul stelelor, cefeidele
au un loc special.
Pentru că, studiind modul în care variază luminozitatea lor,
astronomii pot calcula cât de departe se află acestea.
Cefeida lui Hubble a fost prima descoperită într-o nebuloasă,
iar el știa că dacă îi poate măsura perioada,
va putea afla la ce distanță de noi se află.
Hubble a început să măsoare meticulos
modul de variație a luminozității stelei lui.
Nu e greu să deducem cât de incitant trebuie să fi fost pentru Hubble.
Avea ocazia
de a răspunde la o întrebare simplă, dar fundamentală.
Această nebuloasă era în interiorul Căii Lactee sau era mai departe?
Răspunsul va schimba tot ce știam despre Univers.
Hubble a măsurat luminozitatea stelei sale
de-a lungul mai multor nopți și a trasat graficul de aici.
Atunci când am măsurat-o azi-noapte am obținut o valoare de 18,6.
Și știu pentru că noaptea trecută au măsurat o luminozitate mai mică,
că valoarea e pe partea aceasta a graficului,
însă mai importantă e perioada,
durata în zile între maximele de luminozitate.
Hubble a măsurat-o ca fiind 31,415 zile.
Aceasta e măsurătoarea esențială.
Având această valoare și luminozitatea sa aparentă,
Hubble a calculat distanța până la nebuloasa Andromeda.
Imediat a înțeles că această stea este foarte depărtată,
dar atunci când Hubble a calculat distanța,
el a descoperit că era la 900.000 de ani-lumină,
această stea devenind cel mai îndepărtat obiect observat vreodată.
Nu putea însemna decât un singur lucru,
Andromeda nu doar era o galaxie în toată puterea cuvântului,
dar ea se afla în afara Căii Lactee,
iar miriada de nebuloase eliptice și spiralate
erau și ele galaxii individuale îndepărtate.
A fost un moment în conștiința umană
în care Universul a crescut
în mod brusc și dramatic.
Făcând această observație,
Hubble a redesenat Universul observabil.
Poate că nu a combătut direct ideea unui Univers stabil,
dar a anulat presupuneri care dăinuiau
și a deschis posibilitatea aflării unor alte secrete importante,
cum ar fi originea Universului.
În acest cosmos cu adevărat extins
a pătruns cineva care, fără să realizeze,
a oferit instrumentele pentru descoperirea acelui secret.
Acest tip.
O poveste măreață precum cea care explică originea Universului,
ar fi cumva incompletă fără prezența unui savant
important ca Albert Einstein,
și chiar așa este,
pentru că Einstein a oferit fundamentul teoretic necesar
studierii Universului
și realmente a inventat știința cosmologiei.
Acum o sută de ani, el a prezentat teoria generală a relativității.
A dat peste cap toată fizica
și ne-a prezentat o înțelegere complet diferită a lumii.
El a teoretizat că gravitația
era cauzată de deformarea sau curbarea structurii spațiu-timp,
de către obiecte masive precum planetele sau stelele.
Teoriile lui erau revoluționare.
Einstein era un îndrăzneț care a ignorat convenționalul
pentru a-și urma propriile instincte remarcabile.
Unul dintre profesorii lui i-a spus:
„Ești un băiat deștept, Einstein, un băiat foarte deștept.
Dar ai un mare defect,
nu permiți nimănui să-ți spună nimic.”
Desigur, exact această calitate i-a permis
să schimbe lumea fizicii
și evident, să-l transforme într-unul dintre marii gânditori
ai secolului XX.
În anul 1917, el a luat teoria generală a relativității
și a aplicat-o întregului Univers.
Urmând logica teoriei sale, el a obținut un rezultat neliniștitor,
atracția gravitațională combinată a întregii materii din Univers
ar atrage la un loc fiecare obiect din cosmos,
mai întâi încet, dar accelerând gradual
până când...
gravitația ar conduce inexorabil
la colapsul întregului Univers.
Dar Einstein credea, precum aproape oricine altcineva,
că Universul este etern și static
și că în mod sigur nu era instabil, sau că nu se va prăbuși în interior.
Dar ecuațiile sale păreau să arate exact opusul.
Pentru a preveni distrugerea Universului
și pentru a ține totul în echilibru,
el a adăugat în ecuația sa Lambda, constanta cosmologică.
Este un fel de forță inventată de antigravitație
care acționează împotriva gravitației însăși.
El nu avea nicio dovadă în acest sens,
însă i-a permis să se asigure că ecuațiile sale descriau un Univers stabil.
Secretul originii Universului îi era la îndemână,
dar Einstein pur și simplu nu a putut sau nu a vrut să accepte
implicațiile propriilor sale ecuații.
Privind în urmă, pare remarcabil că Einstein a făcut asta.
El era un om care a revoluționat știința
respingând gândirea convențională,
dar nu a putut să aibă încredere în propria teorie.
A simțit nevoia să-și modifice ecuația pentru a se conforma opiniilor normale.
El chiar a admis că este nevoie de Constanta cosmologică
doar pentru a face o distribuție cvasi-statică a materiei,
în principiu, pentru a menține lucrurile cum erau.
Oricare au fost motivele lui,
acest mic personaj, Lambda,
se va întoarce și-l va bântui.
Pentru că, deși l-au împiedicat pe Einstein să înțeleagă implicațiile,
ideile sale au deschis calea altcuiva să propună
o teorie despre originea Universului.
Era un tânăr profesor universitar de fizică teoretică
ce lucra cu normă redusă.
Ideea lui era atât de radicală încât a zdruncinat lumea fizicii
și a împărțit comunitatea savanților.
El a declanșat o discuție care nu-și va găsi rezolvare o jumătate de secol.
Numele lui era Georges Lemaitre.
Cei cu privire mai ageră poate au observat gulerul roman.
De fapt, el era și fizician și preot hirotonisit.
Despre acest aparent curios dublu rol,
Lemaitre a spus: „Sunt două modalități de a căuta adevărul,
eu am decis să le urmez pe ambele.”
A dezvoltat propriile modele cosmologice prin teoria relativității a lui Einstein.
Modelul lui Lemaitre descrie un Univers care, departe de a fi static,
de fapt se extinde, galaxiile depărtându-se unele de altele.
În plus, Lemaitre a observat implicațiile acestui aspect.
Dând timpul înapoi,
el a dedus că a existat un moment
când întregul Univers era cuprins într-un volum foarte mic,
denumit de el „atomul primordial”.
Aceasta e în esență prima descriere
a ceea ce va deveni „teoria Big Bang”,
momentul creării Universului.
Aceste idei erau revoluționare, iar el le-a publicat
în Annales de la Société Scientifique de Bruxelles,
unde au fost prompt ignorate de comunitatea oamenilor de știință.
A călătorit la Bruxelles încercând să obțină susținere pentru ideea lui.
Conferința Solvay din 1927, ținută aici în Bruxelles,
a fost probabil cea mai faimoasă și grandioasă întâlnire a geniilor
văzută vreodată.
Dar pentru povestea noastră, cea mai semnificativă întâlnire
nu a avut loc aici,
nu a fost planificată și a avut loc departe de conferință.
A avut loc aici.
PARCUL LEOPOLD, BRUXELLES
În acest parc, necunoscutul Lemaitre l-a abordat pe cel mai faimos,
cel mai celebru savant din lume, Albert Einstein.
Aici a avut în sfârșit ocazia să prezinte ideea lui despre dilatarea Universului,
chiar persoanei a cărei teorie o folosise pentru a o deriva.
Nu putem decât să ne imaginăm agitația lui Lemaitre atunci când s-a apropiat.
Dacă Einstein îi susținea ideea radicală, atunci în mod sigur ar fi fost acceptată.
În mod sigur această minte luminată, acest titan al fizicii,
gânditorul originar, va observa calitățile teoriei sale.
Dar după o discuție scurtă, Einstein i-a respins direct ideea.
Conform lui Lemaitre, el a spus: „Calculele dumneavoastră sunt corecte,
dar modul în care înțelegeți fizica este abominabil.”
În ceea ce-l privea pe Einstein, calculele puteau fi corecte,
dar înțelegerea modului de funcționare a lumii reale
era, ei bine, abominabil.
Încă o dată, Einstein a respins ideea unui Univers dinamic.
Lucrarea lui Lemaitre ar fi trebuit să pună pe jar lumea științei,
dar fără susținerea unei personalități importante și influente cum era Einstein,
ideea lui radicală era sortită uitării
dacă nu apăreau observații sau dovezi care să susțină teoria
unui Univers aflat în expansiune.
Edwin Hubble era pe cai mari după descoperirea sa
care a dovedit că există alte galaxii în afară de a noastră.
Era celebrat de vedetele de la Hollywood, invitat de onoare la premiile Oscar,
și având acces la cel mai puternic telescop din lume,
era pregătit pentru următoarea provocare.
El auzise de unele observații neobișnuite
în care multe galaxii păreau să se depărteze de a noastră.
Nimeni nu putea înțelege de ce ar avea loc acest fenomen.
TELESCOPUL NAȚIONAL GALILEO INSULA LA PALMA
În 1928, cel mai faimos astronom
și-a orientat atenția spre noul mister cosmic
și a început să măsoare viteza
cu care aceste galaxii se deplasau față de Pământ.
Pentru a măsura viteza unei galaxii care se depărtează de noi,
Hubble a folosit o metodă numită „deplasarea spre roșu”.
Nu este o analogie perfectă,
dar efectul este similar cu cel provocat de sunet,
frecvența sunetului produs de o mașină care se apropie de noi
crește pentru că undele sonore sunt comprimate,
însă frecvența scade pe măsură ce mașina de depărtează
pentru că undele sonore se extind.
Efectul e similar pentru undele luminoase. Când sursa de lumină se apropie,
lungimea de undă observată scade
spre spectrul violet sau albastru.
Dacă sursa se îndepărtează de noi, lungimea de undă crește
spre spectrul roșu, spunem că se deplasează spre roșu,
în limbaj astronomic.
Cu cât e mai mare viteza cu care obiectul se îndepărtează,
cu atât crește deplasarea spre roșu.
Cu ajutorul asistentului său, Milton Humason, Hubble a petrecut un an
măsurând cu precizie deplasarea spre roșu a galaxiilor.
Eu am ocazia să fac acum exact același lucru,
folosind acest telescop.
Bine, Massimo, ai găsit o galaxie pentru mine?
Da, am găsit galaxia aceasta.
Cât de departe este?
Se află la aproximativ 430 de megaparseci.
Dacă vrem să convertim în ani-lumină, înmulțim 430 cu 3,26
și obținem aproximativ 1,5 miliarde de ani-lumină.
Da.
Bine, corect.
Hubble avea nevoie să măsoare lumina emisă de galaxie
pentru a-i determina spectrul și a-i calcula deplasarea spre roșu.
Humason a făcut asta expunând o placă fotografică
și a durat o săptămână întreagă
pentru a colecta suficientă lumină pentru a stabili spectrul.
Aici, la TNG, la telescopul Galileo,
folosesc un circuit integrat foarte sensibil
care face această operațiune mult mai rapid.
Cât durează să stabiliți spectrul?
Aproximativ 10 sau 15 minute.
Deci o expunere de 10 sau 15 minute, comparat cu o săptămână
în perioada lui Hubble.
Mult mai performant decât echipamentele pe care le aveau atunci.
- Am terminat. - Spectrul arată bine,
este acolo...
Acesta e spectrul neprelucrat care, este...
- Da. - Care e obținut.
Există aici vreo linie spectrală pe care o veți folosi
ca referință pentru măsurarea deplasării spre roșu?
Da, iată aici un exemplu.
Avem o linie spectrală, dar pentru a obține spectrul real
trebuie să o filtrăm pentru a o obține pe cea finală.
Aceasta este versiunea filtrată a celei inițiale.
Da, a acesteia.
Deci acestea sunt liniile spectrale ale galaxiei.
Liniile spectrale, da.
Și aceasta de jos bănuiesc că e referința.
Corect, e referința galaxiei cu deplasare spre roșu zero.
Deci una care nu se îndepărtează de noi.
- Da. - E foarte clar aici,
dacă o comparăm pe cea de sus cu asta,
- ...fiecare linie spectrală e deplasată. - Da.
Deplasată spre roșu, de exemplu linia de referință e pentru hidrogen-alfa,
iar din acestea poți calcula deplasarea spre roșu a acestei galaxii.
Și poți determina de aici
cât de repede se îndepărtează galaxia de noi?
În principiu poți obține astea.
Bine, care este formula?
Formula este diferența
între lungimea de undă deplasată spre roșu și cea observată,
împărțită la lungimea de undă de referință și înmulțită cu viteza luminii,
acesta este efectul Doppler.
Hai să facem repede calculul.
- Da. - Bine.
Deci este aproximativ...
Aproximativ șapte, doi, zero, zero.
- Bine. - Minus.
- Minus șase, cinci. - Cinci, șase, trei. Șase, trei.
- Bine. - Am terminat.
Șase, cinci, șase, trei.
Aceasta este fracția din viteza luminii.
- Da. - Deci ar fi bine să fac și asta.
Ar trebui să folosesc calculatorul, dar...
Șapte, doi, zero, zero. Șase, cinci, șase, trei.
Deci este un șapte, trei...
Deci șase...
Asta vom împărți la șase,
cinci, șase, trei, deci aproximativ...
0,1 din viteza luminii.
0,1C.
Deci aproximativ 30.000 kilometri pe secundă, da?
- Corect. - Mulțumesc.
Sunt destul de mulțumit de calculele mele,
pentru că eram sub presiune...
Galaxia aceasta este
la 1,5 miliarde de ani-lumină depărtare
de Calea Lactee
și se... Din deplasarea spre roșu am dedus
că se îndepărtează de noi cu o zecime din viteza luminii,
asta înseamnă că se îndepărtează de noi cu trei...
scuze, 30.000 kilometri pe secundă.
Știință.
Odată ce a calculat viteza galaxiei,
Hubble a măsurat cât de departe era.
Atunci când Hubble a obținut ambele măsurători, el a putut face un grafic,
graficul vitezei în funcție de distanță.
El a făcut 46 de măsurători diferite
și atunci când a trasat graficul a observat un model.
El a putut desena o dreaptă prin toate aceste puncte.
Fiecare reprezintă o galaxie.
El a observat o conexiune între viteza
și distanța galaxiei.
De fapt, cu cât era mai departe, cu atât se îndepărta mai repede de noi.
Într-un Univers stabil,
vitezele galaxiilor ar trebui să fie aleatoare.
Nu te-ai aștepta să existe o relație bine definită
între distanța unei galaxii și viteza ei.
Graficul lui Hubble a demonstrat că Universul e în expansiune
și a avut implicații profunde asupra ideii
despre începutul Universului.
Asta nu înseamnă doar
că galaxiile se îndepărtează accelerat de noi și unele de altele,
dar dacă ai merge înapoi în timp,
ai ajunge la un moment când toate erau compactate împreună
în același loc.
Aceasta a fost prima observație, prima dovadă
că ideea lui Lemaitre despre un anumit moment al creației,
despre un Univers care evoluează după un Big Bang, poate fi corectă.
Datorită activității lui Hubble,
Georges Lemaitre, un preot belgian necunoscut,
un teoretician fără acreditări internaționale...
Omul a cărui înțelegere a fizicii a fost numită de Einstein ca „abominabilă”,
a fost recunoscut internațional, dar tardiv,
pentru teoria sa îndrăzneață.
Cel mai important,
cel mai cunoscut fizician s-a răzgândit și a acceptat ideea revoluționară.
În 1931, în timpul unei vizite la observatorul lui Hubble,
Einstein a susținut public modelul Universului în expansiune după Big Bang.
„Deplasarea spre roșu a nebuloaselor îndepărtate
mi-a zdrobit vechile convingeri ca o lovitură de ciocan”, a declarat.
Einstein a renunțat la Constanta cosmologică.
El chiar i-a scris lui Lemaitre:
„De când am introdus acest termen,
am avut mustrări de conștiință.
Nu pot crede că un asemenea lucru urât
ar trebui să existe în natură.”
Probabil că pentru Lemaitre a fost ca o izbăvire,
după ce a fost izolat de comunitatea științifică,
acum el era în prim planul revoluției cosmologice.
Ideea Big Bangului prindea în sfârșit contur.
Dar în ciuda aprobării lui Einstein și a observațiilor lui Hubble,
controversa era departe de a se fi sfârșit.
Încă existau obiecții importante
împotriva acceptării generale a ideii Big Bangului.
O teorie științifică a creației
nu înseamnă doar explicarea expansiunii Universului.
Există probleme mai profunde de rezolvat.
Problema era
că teoria Big Bangului prezentase mai multe întrebări decât răspunsuri.
Dacă Universul erupsese dintr-un singur punct,
de unde apăruse toată materia?
În plus, teoria Big Bangului trebuia să explice
cum s-a format însăși materia.
Înainte să răspundem la asta,
trebuie să aflăm exact din ce este alcătuit Universul.
Elementele de bază.
Descoperirea acestor elemente s-a datorat viziunii incredibile
a unei femei remarcabile.
Cecilia Payne.
Ea a studiat la Universitatea Cambridge
dar nu a primit diplomă, pentru că era femeie.
Pentru a-și continua studiile,
ea trebuia să meargă unde societatea era mai deschisă.
A plecat din Anglia în America,
iar acolo a descoperit adevărata compoziție a Universului.
Dacă ați întreba pe cineva care sunt cele mai comune elemente chimice,
un cercetător al atmosferei ar nominaliza azotul.
Până la urmă, el reprezintă mai mult de trei sferturi din atmosferă.
Geologii ar spune siliciul, fierul sau oxigenul,
ceea ce pare ciudat și orientat spre Pământ
și cu adevărat limitat.
Astronomii s-au gândit că e mai bine să se uite la Soare.
Ceea ce are sens având în vedere că majoritatea lucrurilor văzute
atunci când ne uităm în cosmos sunt stelele.
Primele încercări de a analiza compoziția Soarelui
s-au făcut cu echipamente ca acesta.
Nu identic cu acesta.
Acesta este un telescop solar de ultima generație din secolul XXI.
Dar ideea de bază era exact aceeași.
TELESCOP SOLAR CU TURN CU VACUUM INSULA TENERIFE
Ideea de bază e foarte simplă.
Lumina Soarelui e reflectată de această oglindă de aici,
înspre a doua oglindă.
De acolo se reflectă în jos prin partea superioară a turnului
până în partea inferioară, zece etaje mai jos,
unde este focalizată, distribuită în spectru
și analizată.
Aceasta este camera de control a telescopului solar.
Baza telescopului este acolo.
Iar aici am imagini în direct de pe Soare.
Iar aici sus am o secțiune mărită
a spectrului luminii care vine de la Soare.
Acum este în alb și negru,
dar de fapt corespunde componentei verzi a spectrului.
Aceste două linii groase întunecate corespund fierului.
Ele ne spun că există fier în Soare.
Aici am o imagine detaliată a spectrului
iar aceste două linii
corespund acestor minime locale în spectrul de absorbție
la anumite lungimi de undă.
Acesta este fierul.
Dacă mă uit la părți diferite ale spectrului,
observ și alte elemente chimice.
Minimul local de aici reprezintă hidrogenul.
Aceste două minime locale reprezintă oxigenul
iar acesta corespunde magneziului.
Toate aceste minime locale și linii din spectru
indică prezența acestor elemente în atmosfera Soarelui.
Efectiv, este ca o amprentă a compoziției Soarelui.
Aceste elemente sunt familiare unui geolog.
La prima vedere pare
că Soarele este alcătuit din aceleași elemente ca Pământul.
Că Soarele e doar o piatră fierbinte.
Și așa ar fi rămas,
dacă nu apărea ideea Ceciliei Payne.
Ea a realizat că spectrografele erau afectate de procesele
care au loc în atmosfera Soarelui.
Acestea ar distorsiona aparenta abundență de elemente
care alcătuiesc Soarele.
Așadar, ea a recalculat relativa abundență de elemente
și a descoperit că Soarele era alcătuit aproape în întregime din două elemente,
hidrogen și heliu.
Toate celelalte elemente: carbon, oxigen, sodiu, fier,
care făceau Soarele să pară asemănător cu Pământul,
reprezintă o parte minusculă a compoziției acestuia.
Atunci când a prezentat rezultatul,
s-a considerat că este imposibil.
Atunci când și-a redactat lucrarea,
a fost convinsă să adauge un comentariu:
„Această abundență calculată a hidrogenului și heliului
este aproape sigur greșită.”
Ideea a fost acceptată aproape patru ani mai târziu,
atunci când directorul unui observator de prestigiu
a ajuns la aceeași concluzie prin metode diferite.
Ironic, acest director era același om
care respinsese inițial lucrarea lui Payne considerând-o imposibilă.
Revelația lui Payne despre raportul de hidrogen și heliu
s-a dovedit a fi remarcabil de constantă pentru aproape fiecare stea din galaxie.
Acest fapt a dus la o concluzie importantă.
Universul este dominat de numai două elemente.
Cele mai simple și ușoare elemente,
hidrogenul și heliul.
Împreună ele alcătuiesc mai mult de 98% din toată materia din Univers.
Alte elemente care sunt atât de importante pentru noi,
cum ar fi carbonul, oxigenul, fierul, reprezintă mai puțin de 2%.
Acum încercarea care îi aștepta pe susținătorii teoriei Big Bangului
era clară și simplă.
Ar putea să explice teoria Big Bangului
crearea și rapoartele observate de hidrogen și heliu din stele?
Dar pentru a răspunde la asta
era necesar să se modifice radical obiectivul.
În loc să se ia în considerare dimensiunea vastă a Universului,
era necesar să se ia în considerare
lumea infinitezimal de mică a atomului
și pentru asta nu era nevoie de un astronom,
ci de un tip complet diferit de fizician.
George Gamow era un fizician rus care studia fizica nucleară
și era un suporter entuziast al ideei Big Bangului.
El s-a concentrat pe cele mai timpurii momente ale Universului.
Credea că așa va găsi răspunsul întrebării despre compoziția Universului.
El credea că acolo s-au format prima oară hidrogenul și heliul
și a declarat că acest lucru s-a întâmplat foarte curând
după nașterea Universului.
El a încercat să creeze un model matematic al primelor momente ale Universului.
Se gândea la Univers în intervale de secunde sau minute
și nu în miliarde de ani.
Și-a recrutat și un tânăr protejat.
Un tip, Ralph Alpher, pentru a-l ajuta.
După ani de muncă grea, unii dintre ei petrecuți, conform lui Alpher,
bând serios într-un bar,
ei și-au prezentat ideea.
Mergând înapoi în timp în Univers,
lor le era clar că a existat un moment
în care Universul era incredibil de dens și fenomenal de fierbinte.
În acel moment,
pe care ei l-au calculat ca fiind la trei minute după Big Bang,
Universul era atât de fierbinte încât atomii n-ar fi putut exista.
Doar părțile din care aceștia sunt alcătuiți.
Un fel de melanj primordial foarte fierbinte
de protoni, neutroni și electroni.
I-au dat numele „Ylem”, cuvânt din engleza veche care înseamnă „materie”.
Apoi a venit un moment crucial.
Un moment în care condițiile erau prielnice
pentru realizarea nucleelor primelor elemente.
Într-o perioadă scurtă de timp,
pe care ei au estimat-o la mai puțin de 50 de minute,
protonii nucleelor de hidrogen s-au unit
și au format heliul prin procesul de fuziune nucleară.
În plus, raportul de hidrogen și de heliu
prezis de modelul lor a fost identic cu cel măsurat în stele.
Ei și-au prezentat rezultatele într-o lucrare publicată în 1948.
Cu toate acestea, Gamow a adăugat alt autor la lucrare.
Faimosul fizician Hans Bethe, care nu avea nicio legătură cu lucrarea.
Gamow l-a adăugat în glumă.
El credea că e o glumă bună științifică
pentru că acum autorii lucrării erau Alpher, Bethe și Gamow.
Însă tânărul Alpher
nu a fost încântat să împartă laurii cu o persoană care nu a contribuit deloc.
Se spune că pentru a-l îmbuna,
Gamow i-a dăruit lui Alpher o sticlă de Cointreau
pe a cărei etichetă scria „Ylem”.
Capacitatea de a face calcule
care explicau originea materiei în primele minute după Big Bang,
a fost o realizare remarcabilă.
Dar a fost o predicție importantă
derivată din lucrarea lor.
Predicția care avea potențialul de a oferi dovada
că Universul a început cu Big Bang.
Alpher a continuat să studieze etapele timpurii ale evoluției Universului,
concentrându-se pe ce a urmat.
El a prezentat Universul în această etapă ca o ceață
de electroni liberi și de nuclee de atomi.
Apoi temperatura a coborât la un nivel critic.
Temperatură suficient de joasă pentru ca electronii
să se agațe de nucleele de hidrogen și heliu.
Exact în acest moment, lumina a fost eliberată pentru a parcurge Universul.
Prima lumină a creației.
Probabil că acest lucru ar fi rămas o curiozitate academică
fără perspectiva lui Alpher.
El a realizat că lumina de la începutul Universului
ar trebui încă să ajungă la noi,
după miliarde de ani.
Foarte slabă, diminuată, dar observabilă în toate direcțiile.
El a calculat că expansiunea Universului
ar trebui să modifice lungimea de undă a acestei lumini
dincolo de spectrul vizibil,
acum ar trebui să ajungă la noi ca microunde.
Dacă descoperim această semnătură antică de microunde
vom dovedi nu doar teoria evoluției timpurii a Universului,
ci și toată teoria Big Bangului.
Simplu.
Problema e că în anii 1940
nu exista o modalitate de a detecta un semnal atât de slab.
Testul acidului a fost uitat.
Suporterii teoriei Big Bangului aveau acum predicția și observația
unui Univers în expansiune.
Și aveau o teorie despre cum au apărut elementele în primele minute
după Big Bang.
Dar fără dovezi clare,
controversa asupra veridicității teoriei Big Bangului
a continuat.
Oponenții teoriei Big Bangului
au ajustat și modificat în continuu teoriile lor
pentru a face ca ideea unui Univers etern și infinit
să se potrivească cu noile observații.
În comunitatea științifică erau două tabere aproximativ egale.
Dovada clară a teoriei Big Bangului
avea să apară după 15 ani.
Ea a fost prezentată relativ neașteptat
de doi tineri ingineri radio.
În 1964, Arno Penzias și Robert Wilson,
acesta de aici este Penzias,
au descoperit ceva atât de important încât au câștigat premiul Nobel.
Acest telescop este dedicat studierii descoperirii lor accidentale.
În 1964 Penzias și Wilson lucrau la Laboratoarele Bell din SUA
când li s-a oferit asta,
un echipament bizar și depășit.
Pentru toată lumea acest lucru pare că e un aparat auditiv enorm.
Însă atunci când au pornit telescopul,
au descoperit că cerul este saturat de microunde.
Toate corpurile calde emit microunde,
fie că vorbim de atmosferă sau de echipamentul în sine,
iar în zilele noastre, comunicațiile mobile inundă cerul cu ele.
Înainte să poate face măsurători relevante,
au trebuit să-și calibreze antena pentru a vedea dacă pot reduce zgomotul.
Chiar și după ce au luat în considerare atmosfera și instrumentele,
evident atunci nu erau telefoane mobile,
ei tot au obținut un zgomot de fundal persistent și profund iritant.
Era înregistrat pe instrumentele lor
ca o radiație cu temperatură constantă de trei grade peste zero absolut,
un zgomot de microunde
de care nu au putut scăpa indiferent ce au încercat.
Și mai enervant pentru ei
era faptul că părea să fie prezent oriunde
își îndreptau goarna lor celestă.
Erau pe cale să renunțe atunci când Penzias a participat la o întâlnire
unde a menționat unui coleg acest fapt iritant.
Câteva săptămâni mai târziu, același coleg l-a sunat
și i-a spus că știe câțiva cercetători la Princeton
care caută exact un asemenea semnal.
Fără să știe, Penzias și Wilson au descoperit acea radiație prezisă,
impulsul luminos al lui Alpher de la începutul Universului.
În sfârșit, se găsise dovada teoriei Big Bangului.
E remarcabil să ne gândim că aceste microunde
au călătorit în cele mai îndepărtate zone ale spațiului,
de 13,8 miliarde de ani încoace,
atunci când a fost emisă prima lumină după Big Bang.
Așa cum însuși Penzias a spus, atunci când ieși afară
capul îți este încălzit puțin de radiația emisă după Big Bang,
iar eu probabil o simt mai mult ca alții.
După 40 de ani de la prezentarea teoriei de către Lemaitre,
ideea Big Bangului
a devenit obișnuită pentru știință.
Însă descoperirea acestei radiații cosmice de fond,
RCF, și a dovezii teoriei Big Bangului
nu reprezintă sfârșitul poveștii noastre.
Am aflat ce s-a întâmplat în primele minute după Big Bang,
dincolo de asta există o nouă frontieră a științei.
Încă mai avem întrebări importante
despre începutul Universului.
Întrebări ca: de unde a apărut toată materia
și cum poți obține ceva din nimic?
Răspunsurile la aceste întrebări se află în spate,
ascunse de cortina de RCF.
Secretele lor sunt ascunse de Universul primordial,
în primele sale secunde de existență.
Aici este granița înțelegerii noastre
și aici este locul în care savanții își concentrează eforturile,
nu scrutând cerul, ci aici
la granița dintre Elveția și Franța,
mai exact la CERN,
la cel mai mare accelerator de particule din lume,
Marele accelerator de hadroni sau MAH.
DETECTOR ALICE, CERN
Poate vă întrebați ce legătură are un accelerator de particule
cu Universul timpuriu,
pentru că legătura dintre cele două e puțin evidentă.
Ce trebuie să rețineți e că atunci când Universul era foarte tânăr,
el era mult mai mic.
De aceea toată materia care formează stelele,
galaxiile, găurile negre, trebuia să fie închisă
într-un spațiu mult mai mic.
În această etapă, Universul era uluitor de fierbinte,
dar și mai semnificativ, densitatea lui de energie era foarte mare.
Atunci a apărut prima materie.
MAH nu poate încă să reproducă acel proces,
dar ne poate permite să studiem proprietățile
acestor particule fundamentale.
O dată pe an, MHA încetează activitățile obișnuite
de coliziune a fasciculelor de protoni
și în loc de asta folosește particule mult mai masive
pentru a realiza coliziuni cu energii de peste 80 de ori mai mari
decât cele produse de doi protoni.
Ei realizează asta accelerând atomi de plumb
cărora li s-au eliminat electronii,
la viteze apropiate de cea a luminii și ciocnindu-i unul de altul,
iar asta ne permite să observăm ceva special.
Coliziunea este atât de intensă
încât pentru un moment ea va crea ceva unic,
o lume care nu e formată din atomi, nici măcar din neutroni sau protoni,
în loc de asta e formată din quarci, gluoni și leptoni,
particule cu nume exotice care s-au unit pentru a forma atomi
în prima milionime de secundă după Big Bang
și care au fost blocate de atunci pentru totdeauna.
Acolo jos, sub ecranul acela de plumb,
noi recreăm o etapă din evoluția Universului
numită plasma quarc-gluon.
Acesta este momentul imediat ulterior atragerii quarcilor de către gluoni
pentru a da naștere protonilor și neutronilor,
care la rândul lor formează nucleele atomilor.
Fraza folosită de noi în mod grandios e: „Reținerea quarcilor.”
Pentru a dezvolta energia necesară,
nucleele de plumb trec printr-un lanț de acceleratoare mai mici,
mărindu-și treptat energia
până când sunt introduse în cel mai mare accelerator din lume,
MAH.
Energia maximă pe care un fascicul o poate atinge
depinde direct de dimensiunea acceleratorului,
iar MAH are o circumferință de 27 de kilometri.
Asta înseamnă că aici fasciculele
pot atinge o energie de 1.000 tera electroni volți.
De fapt, asta e mai puțin decât vă puteți imagina
pentru că este echivalentul energiei unei muște care lovește un parbriz,
însă diferența esențială e că acea energie e concentrată.
Densitatea de energie este importantă.
MAH poate concentra toată acea energie
într-un spațiu mai mic decât o trilionime dintr-un atom.
Acest lucru nu poate avea loc nicăieri în Universul cunoscut.
Două fascicule de nuclee de plumb circulă de-a lungul inelului
în direcții opuse.
Ele se ciocnesc în detector care se află la adâncime sub această cameră de control.
Putem vedea în direct pe ecran imagini de la detector.
Sub noi ele circulă
cu 99,9998% din viteza luminii.
Asta înseamnă că parcurg întreaga circumferință de 27 km a inelului
de mai mult de 11.000 de ori pe secundă.
Atunci când fasciculul are energia maximă
și putem vedea acolo sus că scrie: „Fizica ionilor: Fascicul stabil”,
înseamnă că pot fi ciocnite,
exact ca în Vânătorii de fantome.
În acel moment, o mică parte a nucleului de plumb se va ciocni
și va crea o minge de foc extraordinar de fierbinte și de densă
având temperatura de 400.000 de ori mai mare decât în centrul Soarelui
și densitatea echivalentă cu concentrarea
întregului Mont Blanc în volumul unui strugure.
Acea imagine pare fantastică, ne poți explica ce vedem?
E uluitor, nu?
Sunt zeci de mii
de particule și particule de antimaterie care zboară.
- Este rezultatul exploziei. - Da.
Urmele colorate ale particulelor de aici nu sunt quarcii sau gluonii,
acestea sunt dovezi ale plasmei quarc-gluon creată de coliziune.
Trebuie să-i deducem proprietățile privind resturile care zboară.
Este ca și cum stabilești cum zboară un avion
investigând resturile unui accident aviatic,
cam asta vedem noi.
Ce mi se pare uimitor e că aici
încercăm să recreăm momente din Universul timpuriu.
Atunci când quarcii și gluonii pluteau liber,
pentru că energia era imensă, dar apoi s-au răcit și au fost atrași împreună.
Aici faceți exact invers, porniți de la materie normală
pe care o ciocniți
și reveniți la acea stare lipsită de stabilitate, la acea plasmă.
Îmi place să o consider o mașină a timpului,
de fapt noi dăm timpul înapoi,
iar acesta este unicul mod în care putem cerceta proprietățile quarcilor liberi
pentru că aceștia au fost prinși în interiorul protonilor și neutronilor
de 13,8 miliarde de ani.
E incredibil, nu?
În sfârșit, după 13,8 miliarde de ani puteți elibera acești quarci,
doar o fracțiune de secundă.
Da.
Deși încă nu înțelegem cum a apărut materia,
studierea acestor coliziuni ne permite
să facem primii pași spre acea descoperire.
Am fost martori la cele mai timpurii etape ale Universului
pe care cineva le-a putut vreodată observa.
Ne-am apropiat cât mai mult posibil de momentul Big Bangului
și, să recunoaștem, nu e rău,
o milionime de secundă după însuși Big Bang.
Chiar dacă ne-am întors în timp atât de mult,
multe întrebări ale fizicii încă rămân fără răspuns.
Dincolo de asta sunt unele dintre cele mai ascunse mistere
ale Universului.
Motivul pentru care cele patru forțe fundamentale care alcătuiesc materia:
gravitația, electromagnetismul și forțele nucleare,
sunt legate una de alta.
Motivul pentru care particulele care alcătuiesc materia
s-au condensat din ceața de energie,
cum se generează masă din forța care leagă protonii și neutronii
și cum Universul însuși
s-a extins ultra rapid
într-o miliardime, de miliardime, de miliardime, de miliardime de secundă
pentru a crea structura cosmosului.
În prezent nu avem posibilitatea de a observa niciunul din aceste fenomene.
Intrăm în domeniul teoriei abstracte și a speculațiilor.
Dacă vom reuși vreodată să refacem această etapă
din evoluția Universului,
vom avea nevoie de energii considerabil mai mari.
Sincer, va trebui să construim un accelerator de particule mai mare,
iar acest lucru constituie o problemă nu doar din punct de vedere material,
deși ar fi fenomenal de scump.
Problema cea mare ar fi locul unde acesta ar fi construit.
Țineți minte când am spus că energia
era proporțională cu circumferința acceleratorului?
MAH care se află sub mine
are o circumferință de 27 de kilometri.
E amplasat sub Munții Jura
și străbate Franța și Elveția.
Pentru a privi înapoi în timp la cele mai timpurii etape ale Universului,
trebuie să construim un accelerator
cu circumferința mai mare decât orbita planetei Pluto.
Tradus de: Ion Ionescu