Cum este posibil să privim momentele de început ale Universului? Fizicienii au metodele lor - şi ceea ce descoperă ne va spune multe despre cum funcţionează Universul astăzi şi cum se va dezvolta în viitor. Se poate să fi auzit că, atunci când te uiţi la o stea în noapte, de fapt te uiţi la lumina care a fost emisă cu până la zeci de milioane de ani în urmă. Atât de mult i-a luat luminii să călătorească de la locul unde a fost emisă până la Pământ.

 



Dovezi ale trecutului nostru îndepărtat sunt peste tot. Trebuie numai să ştii unde şi cum să le cauţi. Una din marile misiuni ale fizicii particulelor este de a urmări aceste dovezi înapoi, până la începuturile noastre.

"Cu cât înţelegem mai mult despre originile noastre, cu atât mai bine înţelegem locul nostru în Cosmos", spune teoreticianul Michael Ramsey-Musolf, director al Centrului pentru Interacţiuni Fundamentale Amherst la Universitatea din Massachusetts.

Oamenii de ştiinţă au folosit experimente şi observaţii pentru a investiga trecutul nostru înapoi în timp până la o secundă după Big Bang. În acel moment particulele care alcătuiesc totul în jurul nostru au început să se materializeze. Dar ceea ce s-a întâmplat înainte de aceasta a hotărât caracterul Universului de astăzi - şi ar putea chiar prezice cum va sfârşi într-o bună zi.

Fizicienii particulelor elementare caută să descopere ce s-a întâmplat exact în acea primă secundă.


CĂUTÂND ÎNAPOI ÎN TIMP

Multe din marile întrebări de astăzi din fizica particulelor au legătură cu ceea ce s-a întâmplat în acel prim moment. Conform teoriilor prevalente s-a întâmplat cam aşa...

Imediat după Big Bang, Universul era o supă, fierbinte şi densă de particule, inclusiv bosoni Higgs, quarcuri şi ceea ce noi numim astăzi materie întunecată. A început să se extindă și să se răcească. În timp ce se întâmpla aceasta, câmpul Higgs aşa cum îl ştim, a intrat în acţiune şi a dat masă particulelor elementare. Quarcurile şi gluonii au început să se grupeze și să formeze protoni şi neutroni, care apoi au început să formeze nuclee.

Deşi nu putem merge înapoi în timp să studiem Universul timpuriu în persoană, oamenii de ştiinţă au putut privi înapoi destul de mult, aproape până la acea primă secundă.

Astrofizicienii ne pot face părtaşi la calea până acolo: înapoi peste 13 miliarde de ani, până la 380.000 de ani după Big Bang. Ei folosesc telescoape puternice pentru a studia radiaţia termică de fond, o amprentă a vechii radiaţii termice care a fost imprimată pe cer atunci când atomii neutri au început să formeze supa densă de particule a Universului timpuriu.

"Big Bangul a reprezentat o perioadă în care toate particulele se deplasau foarte rapid şi se ciocneau", spune teoreticianul Jonathan Feng de la Universitatea California din Irvine. "Într-un anumit fel, Universul timpuriu a făcut experimentele pentru noi. Datele sunt chiar acolo. Nu avem decât să luăm telescopul și să privim la ele."

Fizicienii particulelor au scrutat chiar şi mai mult în trecut, folosind alte metode. Experimentele de la acceleratoare de exemplu, ne-au oferit deja o viziune limitată asupra momentelor dinaintea formării radiaţiei termice de fond, până la prima secundă de după Big Bang.

Experimentele de la acceleratoare ne pot spune despre primele momente, deoarece chiar dacă condiţiile erau diferite imediat după Big Bang, legile fizicii erau aceleaşi. Legile care acţionează astăzi au efecte diferite, la scări diferite de energie. 

Acceleratorul Relativistic de Ioni Grei de la Laboratorul Naţional Brookhaven din New York, precum şi Marele Accelerator de Hadroni de la CERN în Europa, ciocnesc particule la energii spectaculoase. Deşi aceste energii nu sunt - şi nici pe departe nu vor fi vreodată - suficient de înalte să recreeze Big Bangul însuşi, ele imită unele aspecte ale Universului timpuriu, care pot să ne spună câte ceva despre cum era atunci.

Experimentele de la ambele aceste acceleratoare au dat cercetătorilor, de exemplu, dovezi cum că quarcurile - care sunt de obicei strâns legate împreună - devin libere în condiţii propice. Dacă quarcurile sunt nelegate la energii înalte, ele erau de asemenea nelegate în mediul de energie înaltă de la începuturile Universului.

Fizicienii au aflat de asemenea indicii despre Universul timpuriu din experimentele care examinează particulele masive produse în acceleratoarele de particule. Au aflat că anumite tipuri de particule se dezintegrează - sau transferă energia lor în particule mai uşoare - în materie, mai des decât se dezintegrează antiparticulele lor în antimaterie. Această încălcare a simetriei materiei şi antimateriei este un indiciu a ceea ce s-a întâmplat în Universul timpuriu, când cele două ar fi trebuit să fie în cantităţi egale. 

Fizicienii au aflat multe până acum despre momentele de după Big Bang, dar au nevoie să lucreze împreună dacă vor să descopere ce s-a întâmplat în chiar cursul acelei prime secunde, spune teoreticiana Mu-Chun Chen de la Universitatea California, din Irvine.

"Oamenii pot lucra la diferite scări de energii sau de timp, dar există un ţel comun de a înţelege ce s-a întâmplat cu adevărat" spune ea. "Punând laolaltă toate aceste date, sperăm că vom putea extrage adevărul".

O FORŢĂ UNIFICATOARE

Ştiind ce s-a întâmplat în prima secundă ar putea răspunde la două întrebări majore: sunt în fond, toate forţele cunoscute care acţionează între particulele de materie, aspecte ale unei singure forţe? Şi ce s-a întâmplat cu toată antimateria care ar fi trebuit să existe imediat după Big Bang?

Prima întrebare ar putea să ne ofere o nouă înţelegere despre cum funcţionează lumea. Experimentele trecute au condus cercetătorii să facă ipoteza că legile fizicii, aşa cum le vedem astăzi, ar putea fi de fapt mai simple.

"Într-un fel este o întrebare de ordin estetic", spune teoreticianul Kaladi Babu de la Universitatea Oklahoma State. "Dorim ca teoria să fie simplă şi elegantă".

Această idee pluteşte în aer de ceva timp. Isaac Newton a simplificat înţelegerea naturii descoperind că forţa care face că merele să cadă este aceeaşi forţă care ţine planeta noastră pe orbită în jurul Soarelui. Hans Christian Ørsted a făcut acelaşi lucru când a observat că un curent electric poate învârti acul busolei aflată în apropiere, conducând la descoperirea că electricitatea şi magnetismul sunt două aspecte ale unei singure forţe.

Acum considerăm electromagnetismul că fiind una din cele patru forţe fundamentale - celelalte fiind forţa nucleară tare care ţine laolaltă cei mai mici constituenţi ai atomului; forţa nucleară slabă, care face că Soarele să strălucească; şi gravitaţia. Totuşi este posibil ca unele, sau toate acestea, să fi început ca o singură forţă unificatoare - una ce s-a scindat în prima fracţiune de microsecundă după Big Bang. Când oamenii de ştiinţă extrapolează ceea ce ştiu despre intensitatea diferitelor forţe la diferite energii, ei găsesc un punct - la o energie caracteristică Universului la mai puţin de o trilionime de trilionime de trilionime de secundă după Big Bang - în care toate forţele, mai puţin gravitaţia, sunt egale.

"Este greu de crezut că este doar o coincidenţă", spune Chen.

Teoria corzilor, o teorie care consideră toate particulele punctiforme ca pe nişte corzi unidimensionale, poate furniza o cale de a incorpora la fel de bine şi gravitaţia în această forţă unică.

A înţelege cum se relaţionează forţele una la cealaltă ne poate da o imagine aproape completă a felul în care lucrurile funcţionează astăzi şi către ce vor evolua în viitor.

EXISTENţA MATERIEI


A doua întrebare arzătoare pe care o au cercetătorii despre prima secundă este: ce s-a întâmplat cu toată antimateria?

Din tot ce am putut vedea sau extrapola despre legile naturii, Big Bangul ar fi trebuit să creeze cantităţi egale de particule de materie şi antimaterie. Dar când materia şi antimateria se întâlnesc, ele se anihilează. Într-un Univers 50-50 ar fi trebuit ca nici o structură să nu se fi putut forma. Materia şi antimateria ar fi trebuit să se anuleze una pe cealaltă, lăsând în urmă numai şi numai energie.

Dar cumva, materia a supravieţuit. Şi antimateria nu este aproape nicăieri de găsit.

"Întrebarea cum a condus aceasta la existenţa noastră, este pentru mine captivantă", spune Ramsey-Musolf. "Dacă eu personal voi descoperi răspunsul este mai puţin important decât a fi parte a acestei căutări".

STRATUL ASCUNS

Fizicienii vor să ştie dacă forţa unificatoare s-a scindat şi dacă materia a copleşit antimateria în primă secundă. Una din căile de a investiga condiţiile Universului timpuriu este de a afla din ce era constituit.

Toată energia care există astăzi a fost creată în cadrul Big Bangului; aceasta nu s-a schimbat. Ceea ce s-a schimbat este felul de particule pe care le observăm.

Calea de a crea o particulă este de a converti energia în masă. Şi cu cat mai masivă este o particulă, cu atât mai mare energia necesară formării ei. Când Universul era mult mai mic şi toată energia lui era concentrată, puteau fi create particule mult mai masive decât cele pe care le vedem astăzi. De fapt, Universul vizibil astăzi constă numai din cele mai uşoare reprezentante a trei generaţii de particule.

Ştiind aceasta, poate să pară fără speranţă că vom putea înţelege cum era Universul în prima secundă. Dar iată surpriza: toate aceste particule mai grele există, ascunse într-un strat virtual dedesubt a tot ceea ce vedem - ca programele radio transmise la frecvenţe pe care aparatele noastre radio nu le pot recepţiona.

Fizicienii înţeleg acum că fiecare particulă este în fond o vibraţie de energie într-un câmp. Un proton este o vibraţie în câmpul unui proton; un electron este o vibraţie în câmpul unui electron; şi aşa mai departe. Particulele masive care au existat în Universul timpuriu pot să nu mai fie toate în preajmă astăzi, dar câmpurile lor există - şi de aceea şi posibilitatea ca aceste particule să apară. Suntem înconjuraţi de câmpurile tuturor particulelor care au existat vreodată.

Oamenii de ştiinţă au descoperit deja câteva tipuri de particule masive, dar teoriile despre o forţă unificatoare şi despre asimetria materie şi antimaterie prezic existenţa a încă şi mai multe. Unele teorii prezic existenţa unor varietăţi masive de neutroni, care ar fi putut răsturna dezechilibrul materie-antimaterie. Altele prezic o particulă-partener pentru fiecare particulă pe care o cunoaştem acum.

Fizicienii pot căuta particule masive pe două căi. Prima, folosesc acceleratoare ca să producă suficientă energie pentru a le scoate din ascunzătoare. Astfel lucrează cercetătorii particulelor elementare la acceleratoare ca Marele Accelerator de Hadroni. Când particulele de înaltă energie se ciocnesc, energia lor poate fi convertită, pentru scurt timp, în masă, sub forma acestor particule.

Dar această străduinţă este limitată de cantitatea de energie pe care o poate genera un accelerator de particule. O a doua cale de a investiga particulele masive ascunse este de a le căuta indirect.

Aceste particule vechi se pot materializa pentru scurte intervale de timp, în afara ciocnirilor de particule, împrumutând energie de la alte particule. Când fac aceasta, ele pot influenţa cum se dezintegrează acele particule sau cum interacţionează la rândul lor cu alte particule. Pot cauza ca mezonii - particule alcătuite din quarcurile - să se dezintegreze în anumite perechi de particule mai mult sau mai puţin frecvent decât se anticipează. Pot cauza ca neutrinii să se comporte în moduri neaşteptate sau pot ajuta particule să se transforme în alte particule. Pot influenţa cum se comportă neutronii într-un câmp electric. Pot cauza miuonilor o clătinare suplimentară care devine observabilă într-un câmp magnetic.

Oamenii de ştiinţă produc numeroase astfel de particule în acceleratoare pentru a urmări asemenea efecte. Prin măsurarea atentă a anumitor tipuri de dezintegrare sau interacţiune, cercetătorii pot găsi semne de interferenţă de la o particulă ascunsă.

SFÂRŞITUL LUMII AŞA CUM O ŞTIM

Unele teorii fac o predicţie foarte incitantă: că protonii, constituenţi fundamentali în nucleul fiecărui atom, în cele din urmă se dezintegrează.

Nu-i motiv de îngrijorare; acestui proces catastrofal îi trebuie cel puţin un miliard de trilioane de trilioane de ani să distrugă atomii noştri. Totuşi, asta nu înseamnă că cercetătorii trebuie să aştepte atât de mult pentru a vedea unul dezintegrându-se.

Măsurând timpul de înjumătăţire al unei particule este o chestiune de probabilitate. De exemplu, dacă ai 10 atomi cu timp de înjumătăţire de 24  de ore vei avea probabil circa cinci atomi la sfârşitul zilei. Dar cei cinci atomi pierduţi nu se vor fi dezintegrat toţi odată. Unul poate să se fi dezintegrat după numai o secundă iar altul după 23 de ore.

La fel stau lucrurile şi cu protonii. Câţiva se pot dezintegra în timp ce citiţi aceste rânduri, dar nu avem încă instrumentele pentru a observa aceasta. Experimentele în curs şi cele planificate vor examina mai mult de un miliard de trilioane de trilioane de protoni în detectori aflaţi adânc în subteran pentru a încerca să prindă extrem de rarele dezintegrări ale acestor particule cu un timp de înjumătăţire de cel puţin 10 la puterea 34 ani - adică 1 urmat de 34 de zerouri după el. Descoperirea dezintegrării protonilor ar fi un semnal puternic că teoria despre unificarea forţelor şi asimetria materie antimaterie sunt corecte.

MODELE ÎN CER

Fizicienii au putut de asemenea arunca o privire în interiorul primei secunde privind şi alte modele decât amprenta radiaţiei cosmice de fond, găsită în cer.

Înainte de formarea radiaţiei cosmice de fond, Universul apărea înnorat deoarece era plin de particule încărcate. Lumina era captivă în interiorul supei cosmice; dacă ar fi călătorit chiar şi o distanţă scurtă, ar fi ricoşat pe o particulă încărcată. În cele din urma Universul s-a răcit şi a devenit transparent când particulele s-au combinat pentru a forma atomi neutri. Lumina care a scapăt atunci este ceea ce noi numim acum radiaţie cosmică de fond. Oamenii de ştiinţă folosind metode bazate pe lumină nu au putut vedea dincolo de acel moment.

Dar o particulă, neutrinul, este suficient de vicleană încât să fi fost capabilă să se strecoare prin acea ceată subţire. Deoarece neutrinii interacţionează atât de rar cu materia ei nu ar fi fost absorbiţi de alte particule în Universul dens, dinaintea  radiaţiei cosmice de fond. Dacă fizicienii au putut studia modele în neutrini din vremea Universului timpuriu ei ar putea să privească şi mai mult înainte în timp. Oamenii de ştiinţă caută metode pentru a face asta, dar încă nu au reuşit.

Fizicienii speră de asemenea să găsească modele lăsate din timpul primelor zile în undele gravitaţionale. Ca şi  radiaţia cosmică de fond, undele gravitaţionale - unde teoretice în spaţiu-timp create de un obiect masiv aflat în mişcare - ar oferi o hartă a cum arăta Universul în timpurile de început. Deoarece aceste unde nu ar fi fost afectate de opacitatea Universului timpuriu, această hartă ar oferi o privire în cele dintâi momente - cam până la 10 la puterea -36 secunde de după Big Bang. (Aceasta este o trlionime de trilionime de trilionime de secundă.) Cercetătorii au construit detectori ultra-sensibili pentru a căuta unde gravitaţionale, dar până acum nu le-au găsit.

PUNÂND TEORIA LA ÎNCERCARE

Rezolvarea misterului a ceea ce s-a întâmplat în prima secundă a Universului necesită atât munca teoreticienilor, cât şi a experimentatorilor. Teoreticienii concep modele şi le determină predicţiile; experimentatorii vin cu metodele lor să testeze aceste predicţii; şi împreună teoreticieni şi experimentatori analizează rezultatele.

"Din punct de vedere experimental este întotdeauna greu să spui <Asta este exact ce s-a întâmplat>", spune Chen. "Pe de altă parte, dacă ai diferite dovezi, poţi treptat să le uneşti într-un tot."

În anii ce vin, oamenii de ştiinţă vor folosi acceleratoare de particule şi măsurători precise pentru a căuta particulele masive prezise de teorii în prima secundă de după Big Bang. Vor folosi detectoare extrem de sensibile pentru a afla mai multe despre neutroni, ceea ce ar putea revela verii mai masivi şi încă ascunşi ai particulelor şi care au contribuit la dezechilibrul între materie şi antimaterie. Vor căuta modele similare radiaţiei cosmice de fond pe care neutrinii sau undele gravitaţionale le-ar fi putut lăsa în timpul expansiunii Universului timpuriu. şi vor căuta fenomene prezise de teoriile lor că de exemplu dezintegrarea protonului.

Până la urma, nu este numai a căuta de unde venim. Răspunzând întrebărilor despre originile noastre obţinem un tablou complet despre cum funcţionează Universul şi ne ajută să înţelegem încotro se îndreaptă.

Traducere de Marian Stănică după the-early-universe cu acordul editorului