Ce ascunde întunericul

Acum că a venit vara, cerul înstelat este probabil una din cele mai mari atracții ale nopților leneșe. Firește, poți să îl prinzi și în celelalte anotimpuri, dar acum poți sta toată noaptea să te uiți la stele și să vorbești despre ce ai făcut vara trecută, despre Univers și să îți dai seama de cât de mic și insignifiant ești, picând în eternul puț al disperării. Deși probabil nu ai stat să te gândești la asta până acum, faptul că cerul nopții este întunecat a prezentat timp de secole întregi un uriaș semn de întrebare.

 Albastru de azur

De ce este cerul nopții întunecat? Știu, știu ce o să zici, așa că hai să ne ocupăm mai întâi de răspunsul la care sigur sigur te-ai gândit când ai citit întrebarea:

Noaptea este întuneric pentru că nu este Soarele pe cer.

Numai că răspunsul ăsta este greșit. Da, ai nevoie de Soare ca să fie lumină pe cer, dar nu e de ajuns. De exemplu, dacă ai fi acum pe Lună, iar Soarele ar fi deasupra capului, cerul ar fi tot întunecat. Suprafața Lunii ar fi cât se poate de luminată, dar cerul ar fi negru și s-ar vedea și celelalte stele. Atunci pe Pământ de ce nu putem vedea stelele și ziua? Pentru că avem o atmosferă, iar atmosfera asta face toată diferența: în momentul în care lumina Soarelui ajunge la ea, se întâmplă ceva dubios.

Ca să îți explic ca lumea, gândește-te la lumina venită de la Soare ca fiind un pachet de fotoni verzi, roșii, albaștri, galbeni, de toate culorile; fotonii sunt niște particule, așa că ți-i poți imagina ca niște mici sfere. Ei bine, în momentul în care ea ajunge la Pământ, toți fotonii de toate culorile trec prin atmosferă, mai puțin cei albaștri (albaștri-indigo-violet de fapt, prin zona aia) pentru că sunt opriți de moleculele de gaz din atmosferă și sunt împrăștiați pe acolo. D-aia este cerul albastru. Bine, culoarea sa ține mult de compoziția chimică a atmosferei, pentru că pe Marte cerul este roșu ziua în amiaza mare. Da, ai ghicit, Marte are altfel de atmosferă.

Ok, în cazul ăsta, poate n-am pus întrebarea care trebuie și ar trebui să o reformulez cumva. Corect ar fi să ne îndepărtăm de suprafața Pământului și să ne gândim: de ce este întuneric în Univers? Gata, acum suntem pe calea cea dreaptă, chiar dacă întrebarea este de fapt ceva mai complexă. Thomas Digges (pe la jumătatea secolului al XVI-lea), Johannes Kepler (prin 1610), Edmond Halley (prin secolul al XVIII-lea) împreună cu mulți alții s-au întrebat de-a lungul timpului, dar punctul culminant a fost atins în momentul în care Heinrich Wilhelm Olbers a pus problema în felul următor:

Dacă Universul este infinit de bătrân și este static, atunci de ce este cerul nopții întunecat?

Această întrebare se numește paradoxul lui Olbers și pornește de la premisa că dacă Universul nu a avut început și este static, atunci oriunde te-ai uita pe cer ar trebui să îți pice privirea pe suprafața unei stele. Cerul ar trebui efectiv să fie împânzit de stele și să fie luminat constant. În mod clar nu este cazul, după cum prea bine observăm în fiecare noapte.

În secolul al XIX-lea, paradoxul lui Olbers prezenta o reală problemă, asta pentru că se credea că Universul este infinit de bătrân și complet static. În secolul XXI nu mai prezintă nici o problemă, pentru că știm că el nu e nici una, nici alta. O să ne fie mai ușor să răspundem la întrebarea noastră dacă ne ținem pe urmele acestui paradox și ne uităm la cum a fost rezolvat.

“Că mii de ani i-au trebuit luminii să ne-ajungă”

În 1905, Albert Einstein a formulat teoria specială a relativității prin care spunea că lumina vizibilă (de fapt întregul spectru electromagnetic, de la raze gamma și ultraviolete, până la lumina vizibilă, infraroșu și unde radio) este cel mai rapid lucru din Univers. La 300.000.000 m/s, nimic nu o depășește. Materia (orice obiect cu masă) poate ajunge la 99,999999999% din viteza ei, dar nu poate atinge niciodată viteza luminii. Având în vedere că lumina are o viteză finită, înseamnă că îi trebuie o anumită perioadă de timp ca să parcurgă diverse distanțe, iar în perioada asta de timp se pot întâmplat multe.

Uite un exemplu: e ca și cum ai juca pase cu un prieten. Vă aflați la o distanță de 15 metri unul de celălalt, iar el îți pasează mingea. Din momentul în care el ți-a pasat-o și până în momentul în care tu ai prins-o, prietenul tău deja s-a mutat în stânga cu vreo 5 metri. Așa e și cu lumina primită de la o stea sau galaxie! Dacă ar fi fost infinită, ar fi ajuns la noi instant, dar nu e cazul.

Bun, acceptăm că lumina are o viteză finită. Dar chiar și așa, dacă Universul ar fi infinit, ea tot ar fi ajuns la noi și dacă s-ar fi mișcat cu viteza unui melc turbat. Ar fi avut tot timpul din lume. Experiența ne arată, însă, că nu e deloc așa. Prima lovitură decisivă pe care i-o dăm paradoxului lui Olbers și care ne răspunde la întrebare este că Universul nu este infinit de bătrân, ci a avut un început: Big Bang-ul. Din moment ce viteza luminii nu este infinită și având în vedere că Universul a avut un început, pur și simplu lumina de la stelele și galaxiile mai îndepărtate nu a avut timp să ajungă la noi.

 Mai rapid ca lumina?!

Problema cu Big Bang-ul este că introduce în discuție un alt paradox: modelul ăsta cosmologic ne spune că atunci când era foarte tânăr, Universul era efectiv împânzit de fotoni și luminat din toate părțile. Oriunde ai fi privit, ai fi fost înconjurat de o lumină orbitoare. Întrebarea firească e: ce s-a întâmplat cu lumina aia? De ce nu este cerul nopții scăldat în ea?

Pe la începutul secolului XX, un preot catolic și astronom pe numele Georges Lemaître (fiind cu ochii cât cepele la studiile lui Edwin Hubble, care a observat că unele galaxii se îndepărtau de noi, iar altele se apropiau de noi) a descoperit că Universul se extinde, iar asta ne-a dat peste cap complet: adică după ce că nu era infinit de bătrân, acum nu era nici static? Nimeni n-a crezut faza asta, nici măcar Einstein, care i-a spus lui Lemaître la un moment dat:

“Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable”
(“Calculele dumneavoastră sunt corecte, dar fizica dumneavoastră este atroce.”)

[Ca idee, să știi că mai întâi Lemaître a descoperit că Universul se extinde și abia apoi și-a dat seama că asta înseamnă că a existat un moment în timp în care acesta era concentrat într-un singur punct și a formulat ipoteza Big Bang-ului: deci mai întâi s-a descoperit expansiunea, apoi Big Bang-ul. Nu în ordinea în care le-am redat eu aici.]

În cele din urmă, însă, Einstein s-a întors 180° și a acceptat că Universul într-adevăr se extinde. Și foarte bine a făcut! Pentru că teoriile sale ne ajută foarte mult în această problemă. Vezi tu, teoria specială a relativității ne spune că nimic nu poate bănănăi prin Univers mai repede ca lumina (adică întreg spectrul electromagnetic, am vorbit mai multe despre asta în postarea Light!), dar chiar în momentul ăsta există niște galaxii pe care noi le vedem și care se îndepărtează de noi cu o viteză ce o depășește pe cea a luminii!

Oare s-a înșelat Einstein? Nu în privința asta. Albert a spus că nimic din Univers (adică din spațiu) nu poate depăși viteza luminii…dar asta nu include și Universul (adică spațiul). Teoria specială a relativității nu impune nici o restricție spațiului! După Big Bang, Universul s-a extins brusc de la 0,00000000000000000000000001 metri la 10 metri în mai puțin de o milisecundă (adică în 0,00000000000000000000000000000000001 secunde, asta este Era Inflației și deși îi spunem “eră”, nu a durat milioane de ani cum te-ai aștepta) cu o viteză mai mare decât cea a luminii și a continuat să facă asta până în ziua de azi.

Bun, dar asta tot nu explică viteza imensă a galaxiilor care se îndepărtează de noi! Păi e simplu, doar că trebuie să gândești problema altfel: în postarea Gravitatea gravitației am vorbit despre cum vedea Einstein spațiul și toate obiectele din el. În mod normal noi ne gândim că planetele, stelele și galaxiile sunt suspendate în vid, dar Albert nu le-a văzut așa: el a văzut spațiul ca pe un soi de cearceaf din spandex pe care stăteau toate obiectele din Univers.

Când te gândești la galaxiile care se îndepărtează de noi, cel mai bine e să te gândești nu că zboară ele de nebune prin spațiu, ci că ele stau pe spațiu (sau sunt înglobate în acest material numit spațiu), care se extinde. E ca atunci când desenezi pe un balon niște puncte cu carioca și începi să îl umfli: pe măsură ce umfli balonul, punctele încep să se îndepărteze unul de celălalt. Dar ele fac asta numai și numai pentru că balonul însuși se extinde! [Bine, asta se aplică atunci când vorbim de faptul că galaxiile și stelele se îndepărtează de noi, că situația se schimbă dacă e să vorbim de motivul pentru care o planetă orbitează o stea, de exemplu. Și aici putem să facem apel la cearceaful de spandex. Am vorbit și despre asta în postarea Gravitatea gravitației]

 Întindere

Bun. Ți-am explicat cum am descoperit că Universul se extinde, că depășește viteza luminii și tot felul de nebunii, dar tot nu am aflat ce s-a întâmplat cu lumina de la Big Bang. Unde e și de ce nu suntem scăldați în ea? Întâmplarea face că suntem scăldați în ea în fiecare secundă, dar nu o vedem. Să vezi acuma ciudățenie!

În momentul în care lumina Big Bang-ului a fost eliberată, ea a început să circule de nebună prin Univers, dar oricât de rapidă a fost, nu a reușit să întreacă spațiul și a rămas ușor în urmă. Dar asta nu-i tot: pe măsură ce spațiul a continuat să se extindă și lumina a început să se extindă! A început să se…lungească. Practic, imaginează-ți că pe cearceaful ăla din spandex care reprezintă spațiul ai cusut un elastic de păr (care reprezintă lumina vizibilă): în momentul în care întinzi cearceaful, întinzi și elasticul de păr. Numai că spre deosebire spațiul care rămâne spațiu, oricât s-ar extinde, lumina vizibilă își mărește lungimea de undă pe măsură ce o întinzi. Datorită acestui fapt, ea devine altceva.

Harta de mai sus a fost realizată de WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) și a durat 9 ani să fie fotografiată. WMAP s-a pus într-un punct la 1,5 milioane km de Pământ și a scanat tot cerul. Ce vezi tu mai sus se numește Radiație Cosmică de Fond (CMBR – Cosmic Microwave Background Radiation) și ce este deosebit la ea e că nu pare să aibă o anumită sursă. Adică, dacă ar fi provenit de la vreo stea, de exemplu, ar fi fost concentrată într-un singur loc, dar nici vorbă de asta! Ea se găsește pe cer oriunde ți-ai îndrepta privirea. WMAP Science Team au știut că au dat de aur și și-au dat seama că ce au ei în față este de fapt lumina Big Bang-ului.

Având în vedere că spațiul s-a tot extins și întins, la fel și lumina Big Bang-ului s-a întins, transformându-se în microunde. De aceea nu are rost să o cauți cu un telescop optic, ea a trebuit să fie văzută și fotografiată cu ajutorul unui telescop cu microunde. Te înconjoară, te scalzi în ea. Oricât de improbabil și fantastic ți s-ar părea, da, am reușit să vedem lumina apărută la doar 380.000 de ani de la nașterea Universului.

Cu atât mai mult, chiar și tu o poți vedea sau auzi. Da, să auzi lumina care a apărut după Big Bang. Este de ajuns să deschizi un televizor vechi (adică analog, nu digital) sau un radio (tot analog) ca să poți face asta. “Du-te, mă, de aici!”, zici. Da, da, serios: Big Bang-ul se difuzează la televizor și la radio. Asta pentru că antenele TV și radio preiau un pic și din microundele din spațiu, iar aproximativ 1% din ce vezi (puricii de la televizor) și auzi (paraziții de la radio, când schimbi posturile) este acea lumină. Este uimitor să te gândești că deși ea a apărut acum 13,3 miliarde de ani, când Soarele nici măcar nu exista, noi încă o putem vedea și analiza. Aproape că te ia amețeala la cât de mișto e chestia asta.

Iar asta mi se pare cea mai uimitoare chestie din toată postarea: faptul că oricât de noapte și de beznă ar fi, oricât de întuneric ar părea că e, ești scăldat de lumină din toate părțile. Lumină provenită direct din momentul nașterii Universului. Vorbesc acum de microunde ca fiind lumină, pentru că practic sunt una și aceeași chestie: o undă electromagnetică. Diferența dintre ele e că microundele au lungimea de undă mai mare și frecvența mai mică decât lumina vizibilă. E ca un elastic de păr pe care îl ai: dacă îl întinzi puțin, zici că e lumină vizibilă, dar dacă îl întinzi ceva mai mult, zici că sunt microunde. Dar e vorba de același elastic de păr. Și chiar și atunci când ești închis într-o cameră în care e beznă, fără nici o sursă de lumină vizibilă, tot ești înconjurat de toate felurile de “lumină”: unde radio, microunde, lumina infraroșie, poate chiar raze X, ultraviolete și raze gamma (dacă nu ești foarte băftos).

Asta a fost a doua și ultima lovitură pe care am dat-o paradoxului lui Olbers, iar cu asta l-am și rezolvat. Wikipedia îmi spune că mai sunt câteva explicații care ar rezolva paradoxul, dar ce ți-am spus eu aici sunt cele două explicații mainstream, universal acceptate de comunitatea știintifică. Acum, sper că nu te-a intimidat cuvântul paradox, pe care l-am tot folosit în postare. În fond, nu am făcut nimic altceva decât să răspundem la întrebarea:

De ce este întuneric în Univers?