Limitările teoriei Big Bang-ului

Dr. Octavian Caius Obeada

Teoria Big Bang este unul dintre cele mai de succes și cuprinzătoare modele științifice din cosmologie. Urmărește evoluția universului observabil de la o stare inițială extrem de fierbinte și densă până la cosmosul vast și structurat pe care îl vedem astăzi. Cu toate acestea, în ciuda puterii sale explicative, teoria Big Bang nu pretinde că explică totul. Ajunge la limita a ceea ce poate descrie fizica actuală. Teoria oferă un cadru coerent pentru interpretarea radiației cosmice de fond cu microunde, structura la scară largă a universului și abundența elementelor luminoase. Dar întrebări semnificative rămân nerezolvate. Aceste limitări nu sunt eșecuri, ci indicatoare, – indicații către o înțelegere mai profundă, un rafinament teoretic mai mare sau o fizică complet nouă.

1. Singularitatea inițială: o defalcare a fizicii
Teoria Big Bang descrie univers ul ca extinzându-se de la o singularitate inițială,  un punct de densitate, temperatură și curbură infinite. Cu toate acestea, această singularitate nu este o realitate fizică pe care o putem observa; mai degrabă, reprezintă o prăbușire a relativității generale, chiar cadrul care face posibil modelul Big Bang (Hawking & Penrose, 1970). La t = 0, legile fizicii cunoscute nu se mai aplică. Spațiu-timpul însuși devine nedefinit. Ecuațiile produc infinituri, semnalând necesitatea unei teorii care să unifice relativitatea generală cu mecanica cuantică.
Fără o teorie cuantică a gravitației, fizicienii nu pot descrie primele momente ale universului. Teoria Big Bang explică cu succes evoluția universului de la o fracțiune de secundă după singularitate încoace, dar nu poate descrie singularitatea în sine. Ca urmare, teoria lasă fără răspuns întrebarea fundamentală: ce cauzează Big Bang-ul?

2. Întrebarea despre ce precede explozia
Teoria Big Bang explică evoluția universului după faza sa inițială fierbinte și densă. Dar rămâne tăcut cu privire la întrebarea ce precede această fază. Există timp înainte de Big Bang? Este universul ciclic sau emergent dintr-un vid cuantic? Sau este Big Bang-ul cu adevărat începutul întregii realități fizice?

Alexander Vilenkin (2006) susține că toate modelele inflaționiste trebuie să aibă un început. Teorema sa, dezvoltată împreună cu Guth și Borde, sugerează că, chiar și în scenariile multiverse, timpul trecut trebuie să fie finit. Cu toate acestea, unii cosmologi cuantici propun modele în care universul își are originea dintr-un eveniment de tunelare sau o fluctuație cuantică, evitând o singularitate clasică (Hartle & Hawking, 1983).

Teoria Big Bang nu decide între aceste puncte de vedere. Ea le pregătește scena, dar nu oferă o explicație cuprinzătoare a modului în care timpul, spațiul sau legile fizicii apar în existență. Filozofii și teologii pășesc adesea în acest decalaj conceptual, propunând interpretări metafizice ale începutului universului (Craig & Sinclair, 2009). Cu toate acestea, dintr-un punct de vedere strict științific, teoria se oprește înainte de originile ultime.

3. Problema materiei întunecate
Unul dintre cele mai profunde mistere ale cosmologiei moderne este natura materiei întunecate. Observațiile curbelor de rotație a galaxiilor, lentilele gravitaționale și formarea structurii cosmice indică existența unei forme de materie non-luminoasă, non-barionică, care interacționează prin gravitație, dar nu prin electromagnetism (Clowe et al., 2006).

Teoria Big Bang încorporează materia întunecată în cadrul său pentru a explica formarea galaxiilor și a roiurilor, precum și pentru a potrivi datele observaționale din fondul cosmic de microunde (Planck Collaboration, 2018). Cu toate acestea, nu explică ce este materia întunecată. Sunt propuși diverși candidați, particule masive cu interacțiune slabă (WIMP), axioni, neutrini sterili, dar niciunul nu a fost detectat direct. Experimente precum LUX-ZEPLIN și XENONnT caută dovezi, dar natura fundamentală a materiei întunecate rămâne evazivă.

Incapacitatea teoriei Big Bang de a identifica sau descrie compoziția materiei întunecate evidențiază o limitare critică. În timp ce modelul se adaptează efectelor gravitaționale ale materiei întunecate, îi lipsește o teorie microfizică integrată a acestei componente cosmice dominante.

4. Enigma energiei întunecate
Chiar mai misterioasă decât materia întunecată este energia întunecată, o forță sau o proprietate care accelerează expansiunea universului. În 1998, observațiile supernovelor îndepărtate de tip Ia arată că expansiunea universului nu încetinește din cauza gravitației, ci accelerează (Riess et al., 1998; Perlmutter et al., 1999).

Pentru a explica acest lucru, cosmologii reintroduc constanta cosmologică (Λ a lui Einstein) sau postulează câmpuri dinamice, cum ar fi chintesența. Cu toate acestea, înțelegerea teoretică a energiei întunecate rămâne primitivă. Densitatea de energie a vidului prezisă de teoria cuantică a câmpului este mult mai mare, cu 120 de ordine de mărime, decât ceea ce necesită observațiile (Weinberg, 1989). Această discrepanță, cunoscută sub numele de problema constantei cosmologice, reprezintă una dintre cele mai mari puzzle-uri nerezolvate din fizică.

Teoria Big Bang, așa cum este în prezent, include energia întunecată ca parametru, dar nu explică originea, natura sau dinamica acesteia. La fel ca materia întunecată, energia întunecată este un substituent, un simbol al unei înțelegeri incomplete.

5. Reglarea fină și principiul antropic
Parametrii cosmologici precum constanta gravitațională, puterea forței nucleare puternice, constanta cosmologică și condițiile inițiale ale universului par reglate fin pentru a exista viață. Mici abateri ale acestor valori ar face imposibilă apariția stelelor, galaxiilor sau atomilor stabili (Rees, 2001).

Teoria Big Bang nu explică de ce universul are astfel de constante care permit viața. Descrie modul în care universul evoluează având în vedere aceste constante, dar nu oferă un mecanism de selectare a acestora. Această limitare deschide ușa către teorii speculative, cum ar fi multiversul, în care există multe universuri cu legi fizice diferite, iar noi locuim într-unul în care condițiile se întâmplă să susțină viața (Tegmark, 2003).

În timp ce multiversul poate oferi un context naturalist pentru reglarea fină, îi lipsește verificabilitatea empirică. Criticii susțin că apelul la principiul antropic ocolește explicația, mai degrabă decât obținerea ei. Teoria Big Bang, în forma sa actuală, rămâne neutră, încadrează problema, dar nu o rezolvă.

6. Incertitudini inflaționiste
Inflația, o expansiune exponențială rapidă în universul timpuriu, rezolvă mai multe probleme din cadrul modelului Big Bang, inclusiv problemele orizontului, planeității și monopolului (Guth, 1981). Cu toate acestea, inflația în sine nu este lipsită de probleme. Teoria se bazează pe câmpuri scalare ipotetice (inflatoni), a căror bază fizică este speculativă. Diferite modele de inflație prezic rezultate diferite și multe sunt suficient de flexibile pentru a se potrivi aproape oricărei date.

Mai mult, inflația poate duce la inflație eternă, un scenariu în care inflația continuă în unele regiuni, generând un număr infinit de universuri. Acest lucru introduce ipoteza multiversului, căreia îi lipsește din nou un suport observațional direct (Linde, 2015).

Deși inflația se potrivește cu datele observaționale, bazele sale teoretice nu sunt pe deplin stabilite. Teoria Big Bang integrează inflația ca o componentă, dar originea, natura și mecanica inflației rămân întrebări deschise. Aceste incertitudini limitează completitudinea explicativă a modelului general.

7. Absența unui cadru gravitațional cuantic
Relativitatea generală guvernează structura la scară largă a spațiu-timpului, în timp ce mecanica cuantică descrie particulele subatomice. Cu toate acestea, cele două sunt incompatibile în condiții extreme, cum ar fi Big Bang-ul. Un model cosmologic complet trebuie să unească aceste cadre, o teorie cuantică a gravitației.

Există mai multe teorii candidate, inclusiv teoria corzilor și gravitația cuantică în buclă. Unele modele propun că Big Bang-ul este o „săritură” dintr-un univers anterior contractat, în timp ce altele sugerează că timpul și spațiul apar din structuri cuantice mai fundamentale (Ashtekar & Singh, 2011).

Până când o astfel de teorie nu primește confirmare empirică, teoria Big Bang funcționează cu o fundație incompletă. Explică cum evoluează universul, dar nu și cum apare spațiu-timpul în sine. Această limitare definește granița dintre cosmologie și fizica fundamentală.

8. Limite interpretative și epistemologice
Chiar și dincolo de lacunele științifice specifice, teoria Big Bang întâlnește granițe filozofice. Este un model construit pe inferență, modelat de limitele observației. Toate datele empirice sunt limitate la universul observabil, orizontul cosmic dincolo de care informația nu poate ajunge la noi. Nu știm dacă universul este infinit sau finit, închis sau deschis dincolo de limitele noastre observaționale (Ellis, 2006).

Mai mult, teoria depinde de ipoteze precum principiul cosmologic, că universul este omogen și izotrop la scară largă. Deși susținute de date, aceste ipoteze nu pot fi verificate dincolo de cosmosul observabil. Astfel, teoria Big Bang, ca toate teoriile științifice, este provizorie, deschisă pentru rafinare sau înlocuire pe măsură ce apar noi dovezi.

Concluzie: Un cadru puternic, dar incomplet
Teoria Big Bang nu este greșită; este neterminată. Rămâne cel mai cuprinzător și susținut empiric model pentru înțelegerea originii și evoluției universului observabil. Puterea sa explicativă este de neegalat ca anvergură, unind observații din mai multe domenii ale fizicii și astronomiei. Cu toate acestea, lasă întrebări profunde fără răspuns.

Aceste limitări nu diminuează teoria, ci mai degrabă semnalează calea de urmat. Ele definesc frontiera științei moderne, unde legile cunoscute întâlnesc realități necunoscute. În aceste lacune, pot apărea următoarele revoluții în fizică. Până atunci, teoria Big Bang nu este un răspuns final, ci o realizare remarcabilă în căutarea noastră continuă de a înțelege cosmosul. 

Referinţe
Ashtekar, A. și Singh, P. (2011). Cosmologia cuantică în buclă: un raport de stare. Gravitația clasică și cuantică, 28(21), 213001. https://doi.org/10.1088/0264-9381/28/21/213001
Clowe, D., Bradac, M., Gonzalez, A. H., Markevitch, M., Randall, S. W., Jones, C. și Zaritsky, D. (2006). O dovadă empirică directă a existenței materiei întunecate. Scrisorile din jurnalul astrofizic, 648(2), L109–L113. https://doi.org/10.1086/508162
Craig, W. L. și Sinclair, J. D. (2009). Argumentul cosmologic Kalam. În W. L. Craig și J. P. Moreland (Eds.), The Blackwell Companion to Natural Theology (pp. 101-201). Wiley-Blackwell.
Ellis, G. F. R. (2006). Probleme în filosofia cosmologiei. În J. Butterfield și J. Earman (Eds.), Filosofia fizicii (pp. 1183-1285). Olanda de Nord.
Guth, A. H. (1981). Universul inflaționist: O posibilă soluție la problemele de orizont și planeitate. Revizuirea fizică D, 23(2), 347–356. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.23.347
Hartle, J. B. și Hawking, S. W. (1983). Funcția de undă a universului. Revizuirea fizică D, 28(12), 2960–2975. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.28.2960
Hawking, S. W. și Penrose, R. (1970). Singularitățile colapsului gravitațional și cosmologiei. Lucrările Societății Regale din Londra A, 314 (1519), 529–548. https://doi.org/10.1098/rspa.1970.0021
Linde, A. (2015). O scurtă istorie a multiversului. Rapoarte privind progresul în fizică, 80(2), 022001. https://doi.org/10.1088/0034-4885/80/2/022001
Perlmutter, S., et al. (1999). Măsurători ale Ω și Λ de la 42 de supernove cu deplasare spre roșu ridicată. Jurnalul de astrofizică, 517(2), 565–586. https://doi.org/10.1086/307221
Colaborarea Planck. (2018). Rezultatele Planck 2018. VI. Parametrii cosmologici. Astronomie și astrofizică, 641, A6. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833910
Rees, M. (2001). Doar șase numere: forțele profunde care modelează universul. Cărți de bază.
Riess, A. G., et al. (1998). Dovezi observaționale din supernove pentru un univers în accelerare și o constantă cosmologică. Jurnalul astronomic, 116(3), 1009–1038. https://doi.org/10.1086/300499
Tegmark, M. (2003). Universuri paralele. Scientific American, 288(5), 40–51.
Vilenkin, A. (2006). Multe lumi într-una: căutarea altor universuri. Hill și Wang.
Weinberg, S. (1989). Problema constantei cosmologice. Recenzii ale fizicii moderne, 61(1), 1–23. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.61.1