Modele de univers

Încă de la ieşirea sa din peşteră sau poate chiar de mai înainte, Omul şi-a dorit să pătrundă în secretele universului din jurul său. Curiozitatea Omului s-a dovedit, de-a lungul istoriei, fără limite.

Un lucru este clar. Universul nu poate fi definit. Este un postulat. Îl luăm ca atare.Vorbim, în cele ce urmează, despre modelele de Univers imaginate de Om până acum.

O lecţie de astronomie

Universul este un concept sinonim cu "tot ceea ce există", independent de voinţa noastră. Este alcătuit din materia în continuă mişcare care se prezintă sub cele două aspecte – substanţa şi câmpul fizic. În privinţa substanţei, ea reprezintă aspectul granular al materiei şi se prezintă sub formă de aştri, atomi, particule elementare, care constituie "cărămizile" Universului. Cât priveşte câmpul fizic, acesta este forma continuă a materiei prin care se transmit interacţiunile gravitaţionale, electrice, magnetice şi nucleare.

Cercetarea materiei în ansamblul ei se face în două direcţii diferite: cosmosul şi  microcosmosul, un loc aparte aparţinând studiului materiei vii a cărei figură centrală este reprezentată de om. În antichitate, cosmosul reprezenta ordinea şi armonia perfectă. Păstrând această direcţie, oamenii au aflat treptat că materia din cosmos este organizată în anumite structuri ierahice – stele şi planete, stele multiple, roiuri de stele; galaxii, roiuri de galaxii, galaxii multiple, metagalaxii. În ceea ce priveşte metagalaxia, trebuie amintit faptul că materia conţinută de această difuză în mod haotic norii de praf şi de gaze interstelare, radiaţii cosmice şi altele.

La nivel micro, peste tot în jurul nostru şi, deci, şi în Universul invizibil cu ochiul liber de pe Terra, materia este formată din atomi, din particule elementare şi din rezonanţe (particule elementare cu durată de viaţă foarte scurtă).


În antichitate apar primele idei ale fomării Universului, sub forma unor reprezentări metaforice întâlnite în mituri şi legende. Biblia prezintă "Geneza", punând accent pe transformarea şi mişcarea lucrurilor raportate la un centru predefinit (Dumnezeu): "La început a făcut Dumnezeu cerul şi pământul. Şi pământul era netocmit şi gol. Întuneric era deasupra adâncului şi Duhul lui Dumnezeu Se purta pe deasupra apelor. Şi a zis Dumnezeu: «Să fie lumină!». Şi a fost lumină. Şi a văzut Dumnezeu că este bună lumina şi a despărţit lumina de întuneric. Lumina a numit-o Dumnezeu ziuă, iar întunericul l-a numit noapte. Şi a fost seară şi a fost dimineaţă: ziua întâi. Şi a zis Dumnezeu: «Să fie o tărie prin mijlocul apelor şi să despartă ape de ape!». Şi a fost aşa. A făcut Dumnezeu tăria şi a despărţit Dumnezeu apele cele de sub tărie de apele cele de deasupra tăriei. Tăria a numit-o Dumnezeu cer. Şi a văzut Dumnezeu că este bine. Şi a fost seară şi a fost dimineaţă: ziua a doua. Şi a zis Dumnezeu: «Să se adune apele cele de sub cer la un loc şi să se arate uscatul!». Şi a fost aşa. Şi s-au adunat apele cele de sub cer la locurile lor şi s-a arătat uscatul. Uscatul l-a numit Dumnezeu pământ, iar adunarea apelor a numit-o mări. Şi a văzut Dumnezeu că este bine. Apoi a zis Dumnezeu: «Să dea pământul din sine verdeaţă: iarbă, cu sămânţă într-însa, după felul şi asemănarea ei, şi pomi roditori, care să dea rod cu sămânţă în sine, după fel, pe pământ!». Şi a fost aşa. Pământul a dat din sine verdeaţă: iarbă, care face sămânţă după felul şi după asemănarea ei, şi pomi roditori, cu sămânţă, după fel, pe pământ. Şi a văzut Dumnezeu că este bine. Şi a fost seară şi a fost dimineaţă: ziua a treia. Şi a zis Dumnezeu: «Să fie luminători pe tăria cerului, ca să lumineze pe pământ, să despartă ziua de noapte şi să fie semne ca să deosebească anotimpurile, zilele şi anii şi să slujească drept luminători pe tăria cerului, ca să lumineze pământul». Şi a fost aşa. A făcut Dumnezeu cei doi luminători mari: luminătorul cel mai mare pentru cârmuirea zilei şi luminătorul cel mai mic pentru cârmuirea nopţii şi stelele. Şi le-a pus Dumnezeu pe tăria cerului, ca să lumineze pământul, să cârmuiască ziua şi noaptea şi să despartă lumina de întuneric. Şi a văzut Dumnezeu că este bine. Şi a fost seară şi a fost dimineaţă: ziua a patra. Apoi a zis Dumnezeu: «Să mişune apele de vietăţi, fiinţe cu viaţă în ele şi păsări să zboare pe pământ, pe întinsul tăriei cerului!». Şi a fost aşa. A făcut Dumnezeu animalele cele mari din ape şi toate fiinţele vii, care mişună în ape, unde ele se prăşesc după felul lor, şi toate păsările înaripate după felul lor. Şi a văzut Dumnezeu că este bine. Şi le-a binecuvântat Dumnezeu şi a zis: «Prăsiţi-vă şi vă înmulţiţi şi umpleţi apele mărilor şi păsările să se înmulţească pe pământ!». Şi a fost seară şi a fost dimineaţă: ziua a cincea. Apoi a zis Dumnezeu: «Să scoată pământul fiinţe vii, după felul lor: animale, târâtoare şi fiare sălbatice după felul lor». Şi a fost aşa. A făcut Dumnezeu fiarele sălbatice după felul lor şi animalele domestice după felul lor şi toate târâtoarele pământului după felul lor. Şi a văzut Dumnezeu că este bine. Şi a zis Dumnezeu: «Să facem om după chipul şi după asemănarea Noastră, ca să stăpânească peştii mării, păsările cerului, animalele domestice, toate vietăţile ce se târăsc pe pământ şi tot pământul!». Şi a făcut Dumnezeu pe om după chipul Său; după chipul lui Dumnezeu l-a făcut; a făcut bărbat şi femeie. Şi Dumnezeu i-a binecuvântat, zicând: «Creşteţi şi vă înmulţiţi şi umpleţi pământul şi-l supuneţi; şi stăpâniţi peste peştii mării, peste păsările cerului, peste toate animalele, peste toate vietăţile ce se mişcă pe pământ şi peste tot pământul!». Apoi a zis Dumnezeu: «Iată, vă dau toată iarba ce face sămânţă de pe toată faţa pământului şi tot pomul ce are rod cu sămânţă în el. Acestea vor fi hrana voastră. Iar tuturor fiarelor pământului şi tuturor păsărilor cerului şi tuturor vietăţilor ce se mişcă pe pământ, care au în ele suflare de viaţă, le dau toată iarba verde spre hrană. Şi a fost aşa. Şi a privit Dumnezeu toate câte a făcut şi iată erau bune foarte. Şi a fost seară şi a fost dimineaţă: ziua a şasea. Aşa s-au făcut cerul şi pământul şi toată oştirea lor. Şi a sfârşit Dumnezeu în ziua a şasea lucrarea Sa, pe care a făcut-o; iar în ziua a şaptea S-a odihnit de toate lucrurile Sale, pe care le-a făcut. Şi a binecuvântat Dumnezeu ziua a şaptea şi a sfinţit-o, pentru că într-însa S-a odihnit de toate lucrurile Sale, pe care le-a făcut şi le-a pus în rânduială. Iată obârşia cerului şi a pământului de la facerea lor, din ziua când Domnul Dumnezeu a făcut cerul şi pământul. (...)"  

Teoria geocentrică

Cu aproximativ 300 de ani înaintea scrierii Genezei şi după o sută şi ceva de ani de la naşterea lui Iisus, Aristotel (384-322 î.Hr.), Hiparh (190-120 î.Hr.) şi Ptolemeu (87-165 d.Hr.) au constituit primul model ştiinţific despre Univers. Ei nu au fost însă singurii savanţi care considerau că Pământul este situat în centrul lumii, iar Soarele şi planetele se află în rotaţie în jurul Terrei. Despre stele se considera că sunt aşezate toate la aceeaşi distanţă pe o sferă numită "sfera stelelor fixe".

Teoria Heliocentrică

Heraclid (sec al IV-lea î.Hr.) şi Aristarch (310-230 î.Hr.) au dezvoltat o teorie, argumentată ulterior riguros de către Copernic, care presupune că Soarele se află în centrul Universului, iar Pământul şi celelalte planete se află în rotaţie în jurul Soarelui. În cadrul acestei teorii se păstrează noţiunea de "sferă a stelelor fixe", deoarece încă nu se puteau face determinări de distanţe până la stele.

Modelul S:O:E.

O dată cu descoperirea faptului că stelele duble se rotesc în jurul centrului comun de masă (astronomul britanic de origine germană William Herschel a enunţat această idee în 1803) şi că stelele se află la diferite distanţe (matematicianul şi astronomul german Friedrich Wilhelm Bessel a determinat distanţa de 600.000 u.a. până la steaua a Cygni, iar scoţianul Thomas Henderson a calculat 260.000 u.a. până la steaua a Centauri), este desfiinţat mitul "sferei stelelor fixe". (De menţionat că "u.a." este "unitatea astronomică" şi reprezintă distanţa dintre Pământ şi Soare, care are valoarea medie de 150 de milioane de kilometri).

Ulterior Herschel a descoperit structura de galaxie a stelelor din preajma noastră şi astfel a apărut idera unui Univers infinit în spaţiu (considerat euclidean), format dintr-o pluralitate de galaxii distribuite unifom (omogen) şi invariabil în timp (staţionar). Modelul S.O.E. (staţionar, omogen şi euclidean) capătă şi o reprezentare matematică prin binecunoscuta lege a atracţiei universale a lui Isaac Newton.

Pentru a înţelege acest model – S.O.E. – trebuie specificate paradoxurile sale. În primul rând, vorbim despre aşa-numitul "Paradox al lui Olbers" – în 1826, Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers enunţa următoarea idee: dacă Universul este infinit, omogen şi staţionar, atunci în oricare direcţie am privi ar trebuim să vedem o stea şi cerul ar fi alb. Deoarece o astfel de imagine nu există, înseamnă că fie densitatea stelelor nu este omogenă, fie Universul este finit. Un alt paradox al modelului S.O.E. poartă denumirea de "Moartea termică a Universului". Dacă Universul este staţionar, atunci conform legilor termodinamicii toate corpurile ar fi avut suficient timp să ajungă la aceeaşi temperatură.

Pentru că acest lucru nu se constată, înseamnă că Universul primeşte energie din exterior. În al treilea rând, trebuie amintit şi "Paradoxul lui Seeliger". Astronomul german Hugo von Seeliger susţinea, spre sfârşitul secolului al XIX-lea, că dacă numărul corpurilor din Univers este infinit, atunci fiecare corp este supus la o infinitate de forţe de atracţie gravitaţională, ceea ce ar duce la distrugerea sa. Deoarece acest lucru nu se constată, înseamnă că teoria newtoniană a gravitaţiei ori nu este aplicabilă la întregul Univers, ori trebuie modificată.

Modelul lui Einstein

Pentru "a desfiinţa" cele trei paradoxuri, fizicianul german Albert Einstein a modificat la începutul secolului trecut teoria newtoniană a gravitaţiei, introducând două postulate: în orice sistem de referinţă inerţial, indiferent unde s-ar afla în Univers, legile fizicii sunt aceleaşi; în orice direcţie, viteza luminii în vid este aceeaşi, respectiv, egală cu 300.000 km/s. Teoria generalizată a relativităţii a lui Einstein se baza pe calcule potrivit cărora geometria Universului nu este euclidiană, ci curbă (ceea ce înseamnă că Universul este finit, având o rază de curbură) şi Universul poate fi  nestaţionar (adică evoluează în timp prin modificarea densităţii).

Einstein optează pentru un model de Univers neeuclidean (finit, cu o anumită rază de curbură, omogen – "umplut" uniform cu materie şi invariant în timp – având densitate constantă). Valorile calculate de Einstein atunci sunt:
Raza Universului     R= 1028 cm
Masa totală               M = 2x1056 g  
Densitatea                  r = 10-29 g /cm3
(În acest model, Universul ar conţine 1023 stele şi 1012 galaxii).

Modele de univers nestaţionar

În perioada 1922-1924, Alexander Alexandrovich Friedman a demonstrat că ecuaţiile teoriei relativităţii generalizate corespund unui spaţiu omogen în care toate distanţele dintre aştri şi densitatea de materie se modifică în timp. Universul se dilată, iar densitatea de substanţă scade. Pornind de la această concluzie, ulterior se elaborează trei modele de univers nestaţionar.

"Modelul Einstein-de Sitter" (1932) presupune spaţiul euclidian în care distanţa dintre repere creşte neîncetat. "Modelul spaţiului sferic cu curbură pozitivă" prevede faptul că mai întâi Universul se dilată, apoi se contractă din nou, iar lumina parcurge distanţa dintre două corpuri pe o traiectorie sub formă de arc de cerc. Într-un astfel de Univers putem spune că un om are capacitatea să-şi vadă ceafa. "Modelul spaţiului sferic cu curbură negativă" precizează că Universul se dilată nelimitat, iar între două corpuri lumina parcurge un drum sub formă de arc de parabolă.

Deplasarea spre roşu

În 1929, astronomul american Edwin Hubble a descoperit, în urma unui experiment, faptul că poziţia liniilor spectrale ale luminii provenite de la galaxiile îndepărtate este deplasată spre partea roşie faţă de spectrul luminii provenite de la Soare sau de la laboratoarele terestre. În plus, a constatat că această deplasare este cu atât mai mare cu cât lumina provine de la galaxiile mai îndepărtate şi a ajuns astfel la concluzia potrivit căreia galaxiile mai îndepărtate au o viteză de recesiune mai mare. În consecinţă, Hubble a stabilit o formulă care oferă legatura între viteza de recesiune "v" şi distanţa "R" până la o galaxie (v = HR, unde "H" este o constantă numită constanta lui Hubble).

Teoria Big-Bangului

Dacă toate galaxiile se îndepărtează după cum rezultă din deplasarea spre roşu, înseamnă că a existat un moment când toată materia Universului era adunată la un loc într-un atom primordial fără dimensiuni şi cu energie nedefinită. În 1931, abatele belgian George Lemâtre, unul dintre primii savanţi care au utilizat Teoria relativităţii generalizate a lui Einstein, a presupus că în trecutul îndepărtat întreg Universul a fost comprimat într-un mic obiect  numit "oul cosmic". Acest "ou cosmic" ar fi explodat, nu se ştie din ce cauze, şi astfel a fost declanşată expansiunea Universului. Ulterior această idee a fost dezvoltată, în 1940, de către de fizicianul de origine rusă George Gamov şi de către asistenţii săi Ralph Alphen şi Robert Herman. Zece ani mai târziu, fizicianul britanic Fred Hoyle a inventat noţiunea de "Big Bang".

În loc de concluzie

Momentul de la care fizicienii au putut elabora un scenariu de evoluţie a Universului are punctul de plecare la 10-34 s. Oamenii de ştiinţă se lovesc însă de aşa-numitul "zid al lui Planck" (după numele fizicianului german Karl Ernst Ludwig Marx Planck), un concept care reprezintă de fapt existenţa limitelor minime fizice ale cunoaşterii. Una dintre aceste limite poartă denumirea de "quantumul de acţiune" sau constanta lui Planck (h = 6626,11-34 joule/secundă), care reprezintă cea mai mică cantitate de energie existentă în lumea noastră. Prin analogie, există cea mai mică unitate de măsură a distanţei denumită "lungimea Planck" (10-33cm) şi cea mai mică unitate de timp denumită "timpul Plank" (10-34 s). Se presupune că înainte de 10-34 s a existat un ocean de energie infinită, perfecţiunea Universului, simetrie absolută înainte de Creaţie, atemporalitate. Astrofizicienii care au ca punct de plecare 10-34 s de la Big Bang consideră că la această vârstă tot Universul era conţinut într-o sferă cu raza 10-33 cm (nucleul unui atom are raza de 10-14 cm) şi temperatura de 1032 grade Celsius. După marea explozie au urmat câteva etape pe scara timpului în apariţia treptată a diverselor categorii de obiecte cosmice despre care vom vorbi într-un articol viitor.

Primele secunde

Potrivit unor calcule astronomice, vârsta Universului este de aproximativ 13,73 miliarde de ani (plus/minus 0,12 miliarde de ani). Atunci a fost momentul pe care astăzi îl numim Big Bang – după acest eveniment astronomic, se presupune că Universul s-a extins în proporţii greu de înţeles de omul modern. De altfel, cercetătorii spun că în prima fracţiune de secundă de după explozie, Universul s-a extins în proporţii de milioane de ori mai mari decât starea iniţială, iar în următoarea fracţiune de secundă, extinderea a devenit mai înceată pentru că Universul începuse deja să se răcească şi să lase loc particulelor de materie să se formeze. Universul are un diametru de cel puţin 93 de miliarde de ani lumină, chiar dacă s-a presupus, în tot felul de afirmaţii lansate de-a lungul timpului, că el este infinit în spaţiu. (A.A.)

Sistemul solar

În primele o mie de secunde de la Big Bang s-au format protonii, nucleii de deuteriu, litiu, beriliu şi heliu. În primul milion de ani de existenţă a Universului, protonii şi nucleii s-au combinat cu electronii şi au format atomii. Schimbările ulterioare au fost uimitoare. Potrivit unor observaţii astronomice, se crede că, până la "vârsta" de patru milioane de ani a Universului, s-au format quasarii. Prima populaţie de stele constituită în interiorul Universului poartă numele de Populaţia I şi a fost formată, în mare parte, din hidrogen şi heliu. Treptat, stelele formate din gaz şi praf interstelar au evoluat, creând obiecte mai grele şi ducând la apariţia fuziunilor nucleare şi, pe cale de consecinţă, a supernovelor. În urmă cu cinci miliarde de ani, a luat naştere Populaţia II şi sistemul nostru solar. (A.A.)

În urmă cu 13,73 miliarde de ani, Big Bangul a provocat apariţia Universului în care trăim noi astăzi. Miliarde de ani mai târziu, în perioada pe care noi o numim antichitate, au început să fie enunţate primele teorii cu privire la formarea Universului. Cunoştinţele în domeniu şi instrumentele pe care le deţineau savanţii acelor vremuri erau rudimentare, dacă luăm în calcul tehnica şi bagajul de cunoştinţe la care avem acces în zilele noastre. Termenul latin "universum" provine din varianta poetică "unvorsum", folosită pentru prima dată de Lucretius în Cartea a IV-a din volumul De rerum natura (Despre natura lucrurilor). Poetul se referea la faptul că orice devine un tot, se combină şi formează un tot.

Text: Dimitrie Olenici
Muzeograf – Planetariu Universitea Stefan cel Mare Suceava