Teorii moderne asupra UniversuluiUniversul nu este static ci n micare

Galaxiile sunt mprtiate n Univers i se afl n micare, iar stelele vizibile apar mprtiate pe tot cerul nopii, dar ele sunt concentrate mai mult ntr-o band pe care o numim galaxia Calea Lactee si care are form de disc. Soarele nostru se afl la o distan de opt minute-lumin fa de Pmnt. n 1922, pornind de la ecuaiile lui Albert Einstein, matematicianul rus Alexander Friedmann nainta posibilitatea potrivit creia Universul ar fi, de fapt, dinamic, i nu static, cum se considera pn la acel moment. Doi ani mai trziu, astronomul american Edwin Hubble consolida aceast ipotez i descria Universul ca fiind n continu extindere. Hubble a fost, de altfel, primul care a descoperit c exist i alte galaxii. Aceste descoperiri l-au ajutat pe fizicianul i preotul catholic belgian Georges Henri Lematre s-i definitiveze ipoteza atomului preistoric. Dei recunoscut ca ntemeietor al teoriei cosmologice a Big Bangului, Lematre nu este ns i printele acestei denumiri. Cel care a decis s dea acest nume exploziei de acum aproximativ 15 miliarde de ani a fost astronomul englez Fred Hoyle, n 1950. Fizicianul rusoamerican George Gamow i asistenii si au lansat ideea potrivit creia nceputurile universului ar fi stat sub semnul unei explozii incandescente de materie i energie. Gamow era primul care ajungea la concluzia c unele elemente chimice din Universul de azi provin din primele timpuri ale formrii acestuia. Imaginea modern a Universului este de dat recent. La inceputul secolului XX, astronomul american Edwin Hubble a demonstrat c galaxia noastr nu este singur, ci in Univers exista deci numeroase galaxii cu ntinderi vaste de spaiu gol ntre ele. Edwin Hubble a gsit si o modalitate de a calcula distantele pana la stelele din alte galaxii, in funcie de strlucirea lor aparenta si de luminozitatea lor (ct de mult

lumin radiaz). In acest mod el a reuit sa calculeze distanele pn la cteva galaxii diferite. Galaxia noastr este doar una din cele cteva sute de miliarde de galaxii care se pot vedea cu telescoapele moderne, fiecare galaxie avnd cteva sute de miliarde de stele.

Galaxia (spiral) Andromeda Galaxiile din Univers sunt n principal de dou tipuri i anume spiral i eliptice. Noi trim ntr-o galaxie de tip spiral, care se rotete lent i care are aproximativ o sut de mii de ani lumin n diametru i o mie de ani lumin grosime. Stelele din braele sale spirale se rotesc n jurul centrului galaxiei o dat la fiecare cteva sute de milioane de ani. Soarele sistemului nostru solar este doar o stea galben, de dimensiune medie, aflat lng marginea interioar a unuia dintre braele spirale. Stelele sunt att de ndeprtate de noi nct ne apar doar ca puncte de lumin, noi neputnd observa dimensiunile sau forma lor. Spre exemplu, steaua cea mai apropiat, numit Proxima Centauri, se afl la o distan de aproximativ patru ani-lumin, adic lumina care vine de la ea are nevoie de patru ani pentru a ajunge la Pmnt. Newton a descoperit c dac lumina Soarelui trece printr-o prism de sticl, ea se descompune n culorile sale componente (spectrul su) ca ntr-un curcubeu. Dac focalizm un telescop pe o stea sau pe o galaxie, se poate observa n mod asemntor spectrul luminii acelei stele sau galaxii. Stele diferite au spectre diferite, dar strlucirea relativ a diferitelor culori este ntotdeauna aceeai, ntocmai ca n spectrul luminii

emise de un corp incandescent. De fapt, lumina emis de un corp incandescent are un spectru caracteristic care depinde numai de temperatura sa (spectru termic). Aceasta nseamn c putem afla temperatura unei stele din spectrul luminii sale. La nceputul secolului XX, cnd astronomii au nceput s analizeze spectrele stelelor din alte galaxii, au descoperit c erau aceleai seturi caracteristice de culori lips ca i la stelele din galaxia noastr i aproape toate spectrele erau deplasate spre captul rou cu aceeai cantitate relativ. Pentru a nelege implicaiile acestei observaii remarcabile, trebuie s nelegem efectul Doppler. Aa cum am vzut lumina vizibil const n fluctuaii ale undelor electromagnetice, iar Lungimea de und (distana de la un vrf al undei la urmtorul vrf) corespunztoare luminii , este extrem de mic ,intervalul ei fiind cuprins intre a patruzecea parte si a saisprezecea mie dintr-un centimetru.

Und Lungimea de und Diferitele lungimi de und ale luminii, reprezint ceea ce ochiul uman vede ca diferite culori, lungimile de und mai mari (corespunztoare frecvenelor joase) aprnd la captul rou al spectrului luminii i lungimile de und mai mici (corespunztoare frecvenelor nalte) la captul albastru. S presupunem acum o surs de lumin aflat la distan constant fa de noi, spre exemplu o stea din galaxia noastr, care emite unde de lumin cu frecven constant (lungime de und constant). Evident, frecvena undelor pe care le recepionm va fi aceeai cu frecvena la care sunt emise (ntruct cmpul gravitaional al galaxiei nu ar fi suficient de mare pentru a avea un efect semnificativ). S ne imaginm acum c sursa de lumin presupus ncepe s se mite spre

noi. Cnd steaua va emite urmtorul maxim al undei ea va fi mai aproape de noi astfel nct timpul necesar maximului undei s ajung la noi este mai mic i prin urmare numrul de unde pe care l vom recepiona n fiecare secund (adic frecvena) va fi mai mare dect atunci cnd steaua era staionar. n acelai mod, dac presupunem c steaua se ndeprteaz de noi, frecvena undelor pe care le recepionm va fi mai mic. Prin urmare, n cazul luminii, aceasta nseamn c stelele care se deprteaz de noi vor avea spectrul deplasat spre captul rou (corespunztor frecvenelor joase) iar stelele care se mic spre noi vor avea spectrul deplasat spre albastru (corespunztor frecvenelor nalte). Aceast relaie ntre frecven i vitez, se numete efectul Doppler-Fizeau n cazul undelor electromagnetice. Observarea efectului Doppler n cazul undele sonore, reprezint o experien de fiecare zi. Spre exemplu dac ascultm zgomotul produs de o main care trece pe strad, atunci cnd maina se apropie de noi motorul su are zgomotul mai ascuit (corespunztor unei frecvene mai nalte ale undelor sonore) i apoi cnd maina trece de noi i se ndeprteaz, zgomotul produs de motor este mai grav (corespunztor unei frecvene mai joase ale undelor sonore). Comportarea tuturor undelor electromagnetice este similar. Radarele poliiei rutiere utilizeaz efectul Doppler-Fizeau pentru a msura viteza autovehiculelor, msurnd frecvena impulsurilor undelor radio reflectate de acestea. Edwin Hubble a observat c majoritatea spectrelor galaxiilor erau deplasate spre rou i doar foarte puine spre albastru. Aceast descoperire a fost surprinztoare ntruct nsemna c majoritatea galaxiilor se ndeprtau de noi i nu se micau la ntmplare prin Univers, confirmnd astfel ideea a unui Univers sferic aflat n micare de expansiune, susinut i de Sfntul Ioan Damaschin in sec al VII-lea, care afirma:Toi care au spus c cerul este sferic susin c el se deprteaz n chip egal de la pmnt i n sus i n lturi i n jos. cci numai Dumnezeirea este nemicat, micnd toate prin micarea sa. n 1929 Hubble a fcut surprinztoarea descoperire c mrimea deplasrii spre rou a spectrului unei galaxii nu este ntmpltoare ci este direct proporional cu distana galaxiei fa de noi. Cu alte cuvinte, cu ct galaxia este mai ndeprtat de noi cu att se deprteaz mai repede (teorema lui Hubble.)

Expansiunea Universului. Expansiunea spaiu-timpului. Deplasarea galaxiilor ns aceast deplasare mai rapid nu se datoreaz vitezei, ntruct viteza de deplasare a galaxiilor n univers este aceeai, ci se datoreaz faptului c spaiul-timpul este cel care se extinde (cu o rat constant). Deci galaxiile nu se deplaseaz ntr-un spaiu-timp preexistent, ci insui spaiutimpul se extinde, datorit expansiunii Univesul (n Dumnezeu). Este ntocmai ca o minge sferic pe suprafaa careia sunt pictate buline la distante egale. Cnd umflm mingea (cu o rata constant n timp) distanta dintre oricare doua pete va creste (proporional cu distana), ntruct suprafata mingii se extinde (cu o rat constant). Astfel, cu cat bulinele sunt mai departate unele de altele, distanta dintre ele va crete mai mult, deci noi avem impresia ca viteza de deplasare a bulinelor unele fa de altele, este cu att mai mare cu ct ele sunt mai departate unele faa de altele (figura 2.4.3). ntocmai se ntampla i n Univers, ntruct putem face analogie intre suprafaa mingii i spaiu-timp precum si intre bulinele de pe suprafaa mingii si galaxiile din Univers. Aceast descoperire a demonstrat c Universul este n expansiune iar distana dintre galaxii crete continuu. Totui lumina pe care o vedem de la galaxiile ndeprtate le-a prsit acum milioane de ani i in cazul obiectelor cele mai ndeprtate pe care le vedem, lumina l-ea prsit acum opt

miliarde de ani. Deci cnd privim Universul, l vedem aa cum a fost n trecut. Descoperirea expansiunii uniforme a Universului a fost una din marile revoluii intelectuale ale secolului douzeci, confirmnd astfel Teoria Relativitii si implicit nceputul Universului la singularitatea Big bang. Teoria relativitii si mai apoi descoperirile lui Hubble au demonstrat c Universul este limitat, el are un nceput la Big bang i este n micare. Se consider c Universul nc se afl n micare de expansiune dupa marea explozie Big bang, insa in cele din urma, gravitaia va opri expansiunea Universului i contractarea intr-un Big Crunch. La nceputul secolului XX, cu civa ani nainte de descoperirea lui Hubble ca Universul este in expansiune, fizicianul i matematicianul rus Alexander Friedmann a oferit o explicaie pentru un Univers nestatic pe baza teoriei relativitii. Friedmann a emis dou ipoteze despre Univers: c Universul arat identic n orice direcie privim i c acest lucru ar fi adevrat n orice loc din Univers am privi. Prima ipotez c Universul arat la fel n orice direcie este valabil doar dac privim Universul la scar mare i ignorm diferenele la scar mic, galactic. n 1965, doi fizicieni americani de la Bell Telephone Laboratories, au descoperit din greeal c ipoteza lui Fridemann este adevrat, n timp ce testau un detector foarte sensibil la microunde. Microundele, ca i lumina, sunt unde electromagnetice dar au o lungime de und de aproape un centimetru. Cei doi fizicieni au descoperit c detectorul lor capta mai mult zgomot dect ar fi trebuit, iar zgomotul nu prea s vin dintr-o direcie anume, ci era acelai n orice direcie, astfel c el trebuia s provin din afara atmosferei. De asemenea, zgomotul era acelai ziua i noaptea, n tot timpul anului, chiar dac Pmntul se rotea n jurul axei sale i se mica pe orbit n jurul Soarelui. Aceasta a artat c radiaia trebuia s vin de dincolo de sistemul nostru solar i chiar de dincolo de galaxia noastr, deoarece ar fi variat cu micarea Pmntului. Aceast descoperire remarcabil a confirmat ipoteza lui Friedmann c Universul este acelai la scar mare, n orice direcie am privi. Universul timpuriu trebuie s fi fost extrem de dens i incandescent i putem vedea nc strlucirea Universului timpuriu, deoarece lumina unor galaxii foarte ndeprtate

ajunge abia acum la noi. Totui, datorit expansiunii Universului, spectrul acestei lumini primare ar trebui s fie att de mult deplasat spre rou nct el ar prsi domeniul vizibil al undelor electromagnetice i ne-ar aprea n prezent n domeniul microundelor. Fizicienii de le Bell Telephone Laboratories captaser deci aceast radiaie de microunde care indic c Universul trebuie s fi fost mult mai dens n trecut, confirmnd astfel aceast teorie. tim c orice corp aflat deasupra temperaturii de zero absolut (zero Kelvin, cnd practice nceteaz orice micare), emite unde datorit micrii electronilor din interiorul corpului. Cei doi cercettori de la Bell Laboratories, Penzias i Wilson au determinat temperatura echivalent a zgomotului radio pe care-l receptau i au gsit o valoare de 2,7 Kelvin. Aceast dovad c Universul arat acelai indiferent n ce direcie am privi i n plus faptul c aproape toate galaxiile se ndeprteaz de noi, ar prea s sugereze c noi ar trebui s ne aflm n centrul Universului. Exist totui o alt explicaie conform creia Universul poate s arate la fel n orice direcie i vzut din oricare alt galaxie. Aceasta a fost dup cum am vzut a doua ipotez a lui Friedmann i n modelul su, toate galaxiile din Univers se deprteaz una de alta. Situaia este asemntoare cu aceea a unei mingii cu multe pete pictate pe ea care este umflata n mod constant. Cnd mingea se umfl, distana dintre oricare dou pete crete i nu exist o pat care s poat fi considerat centrul expansiunii. Mai mult, cu ct distana dintre pete este mai mare, cu att se vor ndeprta mai repede una de cealalt. n mod asemntor, n modelul lui Fridemann viteza cu care se ndeprteaz oricare dou galaxii din Univers este proporional cu distana dintre ele. El a prezis astfel c deplasarea spre rou a spectrului lumini unei galaxii este direct proporional cu distana la care se gsete fa de noi, ntocmai cum a descoperit Hubble.

Variaia distanei dintre dou galaxii

Alexander Friedmann a propus un model al Universului care ascult de cele dou ipoteze fundamentale ale sale. El spune c Universul are un nceput la singularitatea Big bang (Marea Explozie) iar fora gravitaional dintre diferitele galaxii va produce n cele din urm ncetinirea expansiunii i atunci galaxiile vor ncepe s se mite una spre cealalt, Universul sfrind printr-o contracie la singularitatea Big Crunch (Marea Contracie). Galaxiile conin i o mare cantitate de materie neagr pe care nu o putem vedea direct dar tim ca trebuie s fie acolo datorit efectelor sale gravitaionale asupra orbitelor stelelor din galaxie. Mai mult, majoritatea galaxiilor formeaz roiuri i deci putem deduce n mod asemntor, prezena unei foarte mari cantiti de materie neagr ntre galaxiile din aceste roiuri, datorit efectului gravitaional asupra micrii galaxiilor. Spaiul este curbat n el nsui i nchis, ntocmai ca suprafaa Pmntului i prin urmare are o ntindere finit, dar fr limite. n figura 2.4.4, putem observa cum modul n care se modific cu timpul distana dintre dou galaxii din Univers. O caracteristic extrem de important a modelului lui Friedmann este c Universul nu este infinit n spaiu, dar totodat spaiul nu are limite. Gravitaia este att de puternic nct spaiul este curbat n el nsui, fcndu-l asemntor cu suprafaa planetei Pmnt, care este finit dar fr limite. Spre exemplu

dac cineva cltorete ntr-o anumit direcie pe suprafaa finit a Pmntului, niciodat nu ajunge la o barier de netrecut sau la o margine, ci n cele din urm va ajunge n locul de unde a plecat. Aceast viziune tiinific a universului finit dar fr limite, vine ca o confirmare a tezei aristoteliene, a unui univers nchis (deci finit), care fusese admis oficial de Biseric. n exemplul precedent, spaiul reprezentat de suprafaa planetei Pmnt este bidimensional (figura 2.4.5), dar n modelul lui Friedmann, spaiul reprezentat de Univers este de acelai fel dar cu trei dimensiuni spaiale. Cea de a patra dimensiune, timpul, este de asemenea finit, dar este ca o linie cu dou capete (limite) un nceput (Big bang) i un sfrit (Big Crunch). Cnd se combin teoria relativitii generalizat, cu principiul de incertitudine din mecanica cuantic, este posibil ca att spaiul ct i timpul s fie finite dar fr margini sau limite.

Suprafaa bidimensional a Pmntului reprezentat n: a) spaiul real convex i b) spaiul euclidian plan Putem determina rata actual de expansiune a Universului msurnd cu precizie vitezele cu care celelalte galaxii se deprteaz de noi, utiliznd efectul Doppler. Totui, noi nu cunoatem cu exactitate distanele pn la alte galaxii, ntruct le msurm indirect. In prezentarea noastr ne-am limitat doar la modelul, propus de Friedmann, n care Universul are un nceput la Big bang i un sfrit la Big Crunch. Soarele nostru, care menine viaa pe Pmnt, se va stinge ns cu mult nainte de Big Crunch. Exist numerose modele ale Universului, pornind de la cele

dou ipoteze fundamentale ale lui Friedmann, ns toate soluiile au caracteristic faptul c la un moment dat n trecut, cam acum zece douzeci miliarde de ani, distana dintre galaxiile nvecinate trebuie s fi fost zero, adic tot Universul a fost comprimat ntr-un volum infinit de mic fizic i densitatea Universului i curbura spaiu-timpului erau infinite. Teoria general a relativitii pe care se bazeaz soluiile lui Friedmann, afirm c exist un punct n Univers unde teoria nsi nu mai funcioneaz. Un astfel de punct este un exemplu de ceea ce matematicienii numesc o singularitate (de exemplu Big bang). Toate teoriile noastre tiinifice se bazeaz pe ipoteza c spaiu-timpul este neted i aproape plat, astfel c el nu funcioneaz la singularitatea Big bang, unde curbura spaiului este infinit. Pentru a nelege mai bine, imaginai-v un plan (spatiu euclidian bidimesional), iar n cazul real avem patru dimensiuni (trei dimensiuni spaiale i timpul). Teoria relativitii afirm c spaiul-timpul este neted i plat intocmai ca un plan, atta timp ct n el nu exist mas sau energie. Astfel cunoatem numai ce s-a ntmplat de la Big bang pn n prezent i suntem fortati s recunoatem c timpul are un nceput la Big bang.

Big Bang-ul. nceputul spaiu-timpului. Expansiunea Universului n spatiu-timp Iat deci c tiina a oferit o explicaie pentru nceputul timpului i al Universului, confirmnd astfel adevrurile revelate n Sfnta Scriptur. Dumnezeu a zidit lumea din nimic i trebuie s nelegem c s-au ntemeiat veacurile prin cuvntul lui Dumnezeu, de s-au fcut din nimic cele ce se vd. Reamintim c Dumnezeu creeaz totul cele din ceruri si cele de pe Pmnt, cele vzute, si cele nevzute (adic timpul, spaiul i Universul). Despre sfritul Universului, Sfntul Apostol Pavel ne amintete c psalmistul adresndu-se Creatorului spune Dintru nceput Tu, Doamne, Pmntul l-ai ntemeiat, i lucrul minilor Tale sunt Cerurile. Acelea vor pieri, iar Tu rmi i toate ca o hain se vor nvechi; i ca pe un vemnt le vei strnge i ca o hain vor fi schimbate. Dar Tu acelai eti i anii Tai nu se vor sfri. Proorocul Isaia ntrete aceasta spunnd c toat otirea cerului se va topi, cerurile se vor strnge ca un sul de hrtie i toat otirea lor

va cdea cum cad frunzele de vi i cele de smochin, cerurile vor trece ca un fum, iar otirea cerului reprezint galaxiile din Univers n limbajul Sfintei Scripturi. Sfntul Apostol Petru vorbind despre cum va fi sfritul acestui Univers, spune c Cerurile vor pieri cu vuiet mare, stihiile, arznd, se vor desface, i Pmntul i lucrurile de pe el se vor mistui. ...Cerurile, lund foc, se vor nimici, iar stihiile, aprinse, se vor topi!. Astfel, cerul si Pmntul vor trece cci soarele se va ntuneca i luna nu va mai da lumina ei, iar stelele vor cdea din cer i puterile cerurilor se vor zguduiurmnd apoi nnoirea lumii, iar noi ateptm, ...ceruri noi i Pmnt nou. Sfntului apostol i evanghelist Ioan Teologul i-au fost revelate n vedenie cele viitoare i a vzut cer nou i pmnt nou. Cci cerul cel dinti i pmntul cel dinti au trecut; i marea nu mai este, deoarece Dumnezeu a spus: Eu voi face ceruri noi si pmnt nou. Nimeni nu-i va mai aduce aminte de vremurile trecute si nimnui nu-i vor mai veni in minte. Scriptura nu afirm c Pmntul ar fi n centrul Universul i nici c Pmntul ar fi prima creaie a lui Dumnezeu n Univers, cci la nceput Dumnezeu a fcut cerul i Pmntul exact n ceast ordine nti Universul i apoi planeta Pmnt n Univers. Dumnezeu spnzur Pmntul pe nimic i i reamintete omului c atunci cnd fost creat Pmntul, deja existau n Univers alte stele i fiine inteligente, spunnd Unde erai tu, cnd am ntemeiat Pmntul? Spune-Mi, dac tii s spui. tii tu cine a hotrt masurile Pmntului? n ce au fost ntrite temeliile lui sau cine a pus piatra lui cea din capul unghiului, atunci cnd stelele dimineii cntau laolalt i toi ngerii M srbtoreau? stfel, Biserica Romano-Catolic a declarat oficial n 1951 c modelul Big bang este n conformitate cu Biblia. Stephen Hawking i Roger Penrose lucrnd n colaborare au publicat n 1970 o lucrare care a demonstrat matematic existenta nceputului Big-Bang, propus de fizicianul i preotul catolic Georges Lematre, pe baza teoriei general a relativitii si considernd ca Universul conine atta materie ct observm. Iat deci c n cele din urm tiina a ajuns s confirme adevrul revelat in Biblie al nceputului Universului (deci si a spaiului i timpului) din nimic. Teoria general a relativitii a lui Einstein, guverneaz structura la scar mare a Universului. Ea este ceea ce numim o teorie clasic, adic nu ia n considerare principiul de incertitudine din mecanica cuantic, aa cum ar trebui pentru a fi compatibil cu alte teorii.

Teoria relativitii a lui Einstein este corect, ns este o teorie incomplet ntruct ea nu ne poate spune cum a nceput Universul, deoarece ea prezice c toate teoriile fizice, inclusiv ea nsi, nu mai funcioneaz la big bang. Totui, teoria generalizat a relativitii este doar o teorie parial care descrie Universul la scara mare guvernat de fora gravitaionala, neglijndu-se efectele celorlalte trei forte care guverneaz universul la scara mica. Teoremele singularitilor arat c trebuie s fi fost un timp n Universul timpuriu, cnd Universul era att de mic i att de dens nct nu se mai pot ignora efectele la scar mic ale celeilalte mari teorii pariale a secolului douzeci i anume mecanica cuantic, care descrie celelalte trei forte care guverneaz universul la scara mica (atomica si subatomica) si anume: fora electromagnetica, interaciunea nucleara tare i interaciunea nucleara slaba. Astfel, pentru a nelege Universul, trebuie s ndreptm cercetarea noastr de la teoria asupra Universului mare (teoria relativitii) la teoria asupra Universului mic (mecanica cuantic).