Compoziția universului
În urma cu aproximativ 100 de ani astronomii au avut o surpriză de proporții: universul nu este static, cum se credea, ci este în continuă expansiune. Dacă universul se extinde, înseamnă că spațiul se extinde și el? Dar de unde apare mai mult spațiu? Și se diluează spațiul pe măsură ce se extinde? Ori ce se întâmplă?
Înainte de a trece la subiectul propriu-zis, să vorbim un pic despre spațiu, pentru a înțelege mai bine complexitatea subiectului pe care îl abordăm...
Ce este spațiul?
Iată o întrebare incredibil de dificilă. Toți știm ce este, dar... ce este? Cum îl definim?
Celebru este răspunsul Sf. Augustin atunci când se întreabă ce este timpul: „Dacă nu mă întreabă nimeni, știu. Dacă vreau să-i explic celui ce întreabă, nu mai știu”.
Să fie spațiul de altă natură? Să fie mai simplu de explicat? Aș zice că întrebarea „ce este spațiul?” este cel puțin la fel de complicată, dat fiind că nu există un răspuns care să lămurească pe deplin enigma.
Am putea spune, așadar, parafrazându-l pe Sf. Augustin: „Dacă nu mă întrebi ce e spațiul, știu ce e, dacă mă întrebi, nu mai știu...”.
Pare paradoxal, nu? Că doar trăim în spațiu, este peste tot. Parte din dificultate stă tocmai în acest fapt: că este peste tot... Ce înseamnă asta? Revenim asupra acestuia aspect mai târziu.
Ce credea Einstein că este spațiul
Dacă nu la Einstein, la cine să facem apel atunci când vorbim despre spațiu? Nu este Einstein cel care ne-a schimbat fundamental ideile despre spațiu și timp? Mai mult, el chiar le-a unit, le-a declarat inseparabile, a spus că-s un singur lucru, că nu există spațiu și timp, ci spațiu-timp. Sigur, dar ele sunt, totuși, măcar conceptual, două lucruri.
Așadar și Einstein și-a pus exact întrebare asta: ce naiba e spațiul? S-a tot gândit la întrebarea asta, iar răspunsul „final”, dat cu puțin timp înainte să moară, în 1952 (fizicianul a murit în 1955), a fost următorul: ceea ce numim „spațiu” este doar o caracteristică a câmpului gravitațional din univers; spațiul nu există în lipsa materiei și energiei care creează câmpul gravitațional.
Și mai spune Einstein ceva paradoxal, departe de a fi foarte clar: dacă eliminăm câmpul gravitațional, „atunci nu rămâne niciun spațiu, ci absolut nimic”.
Iată un aspect interesant ce pare că ar confirma viziunea lui Einstein, chiar dacă nu explică acel „absolut nimic”: nu-ți poți imagina lipsa spațiului. Dacă scoți, imaginar, toată materia din univers, plus tot ce mai știm că este prezent în cosmos, spațiul rămâne... Dar nu la modul real, ci în mintea noastră, care nu știe să imagineze „lipsa” absolută, nimicul absolut, inexistența în sine. Este și o absurditate logică: nu poți imagina (deci dându-i „ființă” doar în imaginație) ceva ce NU EXISTĂ, care este definit ca „fără ființă”.
În ce se extinde spațiul (universul)?
Este o întrebare firească atunci când te extragi, mental, universului și-l privești din „afară”. Universul se află în expansiune accelerată. Spațiul, care definește întinderea universului, se află în aceeași situație. Dar în ce se extinde spațiul? Într-un alt spațiu din afara universului? Are sens să vorbim despre un „alt spațiu”?
Dacă urmăm gândirea lui Einstein, atunci spațiul nu se extinde în nimic! Pentru că spațiul nu există în sine, ci este doar o caracteristică a gravitației generate de materie și energie. Atunci când vorbim despre faptul că spațiul se extinde, doar menționăm ceva despre proprietățile spațiu-timpului. Nimic altceva.
Știu, destul de ezoteric acest răspuns, dar ai altul mai bun?
Cum arată spaţiul?
După cum spunea tot Einstein, „proprietăţile geometrice ale spaţiului nu sunt independente, ci depind de materie". Ce vrea să însemne asta? Că acest continuu spaţiu-timp este metamorfozat, distorsionat de materie. Că spaţiu-timpul este contorsionat în funcţie de cantitatea de materie prezentă într-o anumită regiune a spaţiului. Atunci când densitatea de materie este foarte mare, cum este cazul găurilor negre, spaţiu-timpul este atât de curbat, încât materia (ori radiaţia) din preajma găurii negre este nevoită să se îndrepte către interiorul găurii negre.
→ Dacă ai ajuns până aici, te interesează subiectul, dar simți că nu-l înțelegi foarte bine, sigur ajută dacă citești următoarele articole:
• Ce este spaţiu-timpul?
• Accelerația unui corp într-un câmp gravitațional nu este reală
• Gravitaţia este efectul curbării spaţiu-timpului. Cum putem vizualiza mai bine mişcarea obiectelor în spaţiu-timpul curbat?
• Mişcarea şi repausul. Cum poţi spune dacă un corp se mişcă sau nu?
• Cum se deplasează corpurile într-un spațiu-timp curbat?
Reprezentare grafică a modului în care spațiul „reacționează” la prezența unei mase
Din ce este alcătuit spaţiu-timpul?
Problema cu spaţiu-timpul este că nu-l putem vedea, la nivel de elemente constitutive. Spaţiu-timpul este peste tot, este mediul în care este plasat tot ce există în universul nostru, dar nu vedem nimic atunci când sondăm spaţiu-timpul la scară din ce în ce mai mică.
Răspunsul onest este: nu ştim din ce este alcătuit spaţiu-timpul.
Cum demonstrezi că există spațiul?
Poate că întrebarea este ciudată, dar nu este. Cum demonstrezi că există spațiu? Către ce anume arăți? Tot ce putem spune este că spațiul este acel ceva în care este plasat universul, în care sunt plasate obiectele pe care le vedem, în care sunt situate materia, materia întunecată, energia întunecată, radiația șamd.
Pare, prin urmare, că spațiul este mai degrabă un concept decât un lucru, de vreme ce nu-l putem demonstra decât printr-o interpretare, dar nu avem cum să-l măsurăm.
Este spațiul, așadar, cel mai evident lucru pe care nu-l putem demonstra științific? Nu știu... Aștept părerile voastre pe acest subiect.
Ce nu vedem, dar este „ascuns” în spațiu
Un alt lucru tulburător este următorul: spațiul, acest cadru formal al tuturor lucrurilor care există în univers, pare să fie depozitarul a diverse... ceva-uri, de care nu știm mare lucru.
Teoria câmpurilor cuantice, o variantă a mecanicii cuantice, spune că, în fapt, particulele sunt doar vibraţii ale câmpurilor cuantice. „Cărămizile" fundamentale ale Naturii sunt nu particulele, ci câmpurile cuantice. Aceste câmpuri cuantice există pretutindeni în spațiu.
Reprezentare grafică a vidului, ilustrând agitaţia câmpurilor cuantice
Energia întunecată este, de asemenea, prezentă pretutindeni în spațiu, deși nu o putem identifica experimental (ci doar indirect). Energia întunecată este o „substanţă misterioasă", adică nu prea avem idee ce este în realitate, care reprezintă aproximativ 70% din totalul de energie din univers şi care este responsabilă de expansiunea accelerată a universului.
Activitate gluonică în vid
Pe lângă câmpurile cuantice fluctuante, amintite, există şi câmpuri nefluctuante, denumite „condensaţi", precum condensatul Sigma şi condensatul Higgs. E posibil să existe şi alte astfel de câmpuri nefluctuante.
Pe măsură ce materia normală și radiația devin din ce în ce mai puțin dense și pe măsură ce universul devine din ce în ce mai mai mare, energia întunecată, care este o proprietate a spațiu-timpului, păstrează aceeași densitate pe unitate de spațiu.
Credit: E. Siegel / Beyond the Galaxy
Să ne întoarcem la... expansiunea spațiului
Ce se întâmplă, deci, cu spațiul, atunci când se extinde, în acest proces universal de expansiune? Pare că se tot creează spațiu. Din ce? Cum? Acestea nu sunt întrebări ușoare, dar merită „atacate”, pentru a lămuri cel puțin ce știm despre subiect.
O întrebare fundamentală a fost deja abordată mai sus: există spațiul în lipsa energiei și materiei? Unii fizicieni cred că da, vorbind despre posibilitatea unui spațiu complet gol, plat, fără distorsiuni introduse de materie și energie. Einstein, după cum am văzut, credea că este o inepție, pentru că spațiul nu poate exista (nu poate fi generat) decât dacă există materie și energie. Deși nu avem cum lămuri problema definitiv, probabil că e mai sigur să mergem pe mâna lui Einstein :)
Putem avea o idee, cât de cât, a ceea ce înseamnă spațiul gol, gândindu-ne la un vid cosmic, departe de galaxii și alte obiecte cosmice. Dar chiar și acolo nu scăpăm de toată „încărcătura” spațiului pe care am prezentat-o anterior: câmpuri cuantice șamd. Nu știm ce poate fi un spațiu gol.
Spațiul se mișcă
Vorbeam în acest articol: „Un nou mod de a imagina curbarea spațiu-timpului” - că o interpretare naturală a teoriei generale a relativității este aceea că spațiul se mișcă, iar în apropierea unui obiect cosmic ce exercită o gravitație mare, cum este o gaură neagră, o stea ori o planetă, putem vorbi despre „căderea” spațiului către acest obiect.
Dacă spațiul se mișcă, pare că nu se pune problema generării de spațiu suplimentar, în sensul necesității unei surse de spațiu, cu limitări în ce privește resursele disponibile. Universul are resurse nelimitate de generare de spațiu - orice o înseamna asta. Spațiul este în continuă dinamică, reacționând la materie și energie.
Dar iată o consecință interesantă a faptului că spațiul se mișcă: această mișcare este măsurabilă. În fapt, putem măsura extrem de precis modul în care un corp, aflat în câmpul gravitațional al Terrei, se va apropia de sol. Călătoria acestui corp pare că nu este atât prin spațiu, cât împreună cu spațiul...
Pentru faptul că în spațiul interstelar un corp nu este atras de nici un obiect cosmic în mod sesizabil - gravitația fiind prea slabă, pentru că gravitația acționează la distanțe infinite - explicația cea mai potrivită pare a fi aceea că în acel loc există o anulare reciprocă a gravitației exercitate din toate direcțiile, de toată masa și energia din univers. Mai multe poți citi aici: Care este cauza inerției?
Un alt aspect paradoxal despre univers: pe măsură ce universul se extinde, densitatea energiei întunecate rămâne constantă. Cum universul are un volum din ce în ce mai mare, pe măsură ce se extinde, iar densitatea rămâne aceeași - concluzia firească este aceea că energia totală a universului crește în mod constant.
În concluzie, reluând întrebările inițiale și „descoperirile” de parcurs din acest articol, putem spune următoarele:
⇒ nu cunoaștem mecanismul prin care spațiul devine „mai mult” pe măsură ce universul se extinde;
⇒ nu putem spune dacă spațiul este creat în mod continuu sau nu - o astfel de afirmație nu are sens, pentru că nu avem nicio bază pentru niciuna dintre variante;
⇒ spațiul, deși la o privire superficială doar o „scenă” pentru „jocul” cosmic, este plin de diverse câmpuri și energii;
⇒ știm să măsurăm distorsiunea spațiu-timpului, în funcție de „încărcătura” spațiului (materie și energie), dar nu prea știm să demonstrăm că există spațiul;
⇒ spațiul nu este ceva pe care să-l putem indica, ci mai degrabă, cum spunea Einstein, o caracteristică a câmpului gravitațional;
⇒ ca ființe care ocupă spațiu, nu putem gândi lipsa lui.
Citiți și:
→ Energia întunecată face ca universul să fie în expansiune
