Teoria generala a relativitatii a lui Einstein a dezvaluit un cosmos dinamic si bizar

Albert Einstein a reformulat tezele despre spatiu si timp, prevestind un univers atat de bizar si maret incat a provocat limitele imaginatiei umane. Ca doar el a fost cel care spunea ca imaginatia este mai importanta decat cunoasterea, nu-i asa? O idee nascuta intr-un birou elvetian de brevete care a evoluat intr-o teorie matura la Berlin a prezentat o noua imagine radicala despre cosmos, inradacinata intr-o noua intelegere mai profunda a gravitatiei.

Cu toate acestea, Mihai Eminescu si Nikola Tesla au formulat tezele lor despre spatiu si timp, in felul lor, cu mult inainte de Einstein, insa cel din urma a avut onoarea sa le faca cele mai publice dintre toate, dand nastere la nenumarate avansuri in tehnica si stiinta, dar si in cunoasterea Universului.

Ideea lui Newton, care a domnit timp de aproape doua secole, despre masele care se ciocnesc intre ele si se atrag, a fost demodata. Pe cealalta parte, Einstein a prezentat spatiul si timpul ca o tesatura unificata distorsionata de masa si energie. Obiectele deformeaza tesatura spatiu-timp ca o greutate asezata pe o trambulina, iar curbura tesaturii le ghideaza miscarile. Cu aceasta perspectiva, s-a explicat gravitatia.

Dar aceasta idee ne pare foarte timpuriu explicata in ceea ce s-a numit in scrierile antice vedice legea karmei sau a cauzelor si a efectelor, prin care practic se explica faptul ca ceea ce dam, aia primim, dupa fapta si rasplata. Nimic atins din aceasta tesatura universala a spatiului si a timpului nu ramane fara efecte. Totul are o cauza si un efect.

Einstein si-a prezentat teoria generala a relativitatii la sfarsitul anului 1915 intr-o serie de prelegeri la Berlin. Dar abia dupa o eclipsa de soare din 1919 toata lumea a luat-o in seama. Teoria sa a prezis ca un obiect masiv – sa zicem, soarele – ar putea distorsiona spatiul-timp suficient de aproape pentru a indoi lumina de la cursul sau drept. Stelele indepartate ar aparea astfel nu exact acolo unde se astepta. Fotografiile facute in timpul eclipsei au verificat daca schimbarea pozitiei se potrivea cu previziunea lui Einstein. „Luminile toate curbate in ceruri; oameni de stiinta mai mult sau mai putin nerabdatori”, a declarat un titlu al New York Times.

Chiar si la un deceniu mai tarziu, un articol din Science News Letter, predecesoarea revistei Science News, a scris despre „Revolte asupra intelegerii teoriei lui Einstein” (SN: 2/1/30, p. 79). Se pare ca au venit mai multi politisti ca sa tina sub control o multime de vreo 4500 de oameni care „au rupt portile de fier si s-au napustit ranindu-se in acelasi timp” intrand in Muzeul American de Istorie Naturala din orasul New York ca sa auda explicatia despre relativitatea generala.

In 1931, fizicianul Albert A. Michelson, primul american care a castigat Premiul Nobel pentru stiinte, a numit teoria „o revolutie a gandirii stiintifice fara precedent in istoria stiintei”.

Insa, pentru cat il divinizam pe Einstein astazi, el a fost un prevestitor reticent. Acum stim ca relativitatea generala a oferit mult mai mult decat Einstein a dorit sau a putut sa vada. „A fost un mod profund diferit de a privi universul”, spune astrofizicianul David Spergel de la Institutul Flatiron al Fundatiei Simons din New York, „si avea unele implicatii nebunesti pe care Einstein insusi nu a vrut sa le accepte”. Mai mult, spune Spergel (membru al Consiliului de Onoare al Societatii pentru Stiinta si editor la Science News), „cele mai neobisnuite aspecte ale relativitatii generale s-au dovedit a fi adevarate”.

Randare artistica a unei stele cu neutroni. Lucrare de Kevin Gill.

Ceea ce se parea un loc linistit, static, finit si predictibil s-a dovedit a fi, in schimb, o arena dinamica, in continua expansiune, unde proprii ei monstri se revolta ca sa indoaie spatiul. Galaxiile se aduna in supergrupuri pe ierarhii mult mai mari decat orice considerasera expertii inainte de secolul al XX-lea. In aceste galaxii nu numai stelele si planetele, ci si pletora de alte obiecte exotice care ilustreaza tendinta relativitatii generale catre ciudatenie, inclusiv stelele cu neutroni, care inmagazineaza masa unei stele imense de marimea unui oras si gaurile negre, care transforma spatiul-timp atat de puternic incat nu poate scapa nici o farama de lumina. Iar cand acesti monstri se ating, zguduie spatiu-timpul, emanand cantitati enorme de energie. Cosmosul nostru este aprig, evolueaza si este plin de posibilitati parca rupte din stiintifico-fictionalul relativitatii generale.

„Relativitatea generala ne-a deschis o scena uriasa de evenimente pe care sa le contemplam si cu care sa ne jucam”, spune astrofizicianul Saul Perlmutter de la Universitatea din Berkeley, California. El indica ideea ca universul se schimba dramatic de-a lungul existentei sale — „ideea duratei de viata a universului este un concept bizar” — si ideea de cosmos in expansiune, plus gandul ca s-ar putea prabusi si ar putea ajunge la un final, si chiar aceea ca ar putea exista si alte universuri. „Realizezi ca lumea ar putea fi mult mai interesanta chiar decat ne-am imaginat vreodata ca ar putea fi”.

Ecuatiile relativitatii generale ale lui Einstein au fost un izvor de unde a plecat viziunea noastra actuala asupra cosmosului. Faptul ca teoria continua sa ofere atat de multe si bogate intrebari face parte din ceea ce o face sa fie „doar incredibila”, spune David Spergel. In secolul trecut, am descoperit uriasi cosmici care sfideaza imaginatia. De asemenea, am aflat cateva lucruri esentiale despre cosmosul nostru: Universul se extinde cu o viteza din ce in ce mai mare.

Relativitatea generala a devenit baza pentru intelegerea de astazi a cosmosului. Dar imaginea actuala este departe de a fi completa. Au ramas o multime de intrebari despre materie si fortele sale misterioase, despre inceputurile si sfarsitul universului, despre stiinta campurilor si mecanica cuantica, stiinta particulelor minuscule. Unii astronomi cred ca un mod promitator prin care putem raspunde la unele dintre aceste necunoscute este printr-o alta caracteristica a relativitatii generale initial subapreciate — puterea luminii curbate care mareste aspectele cosmosului.

Astazi, oamenii de stiinta incearca „marea cu degetul”, cum s-ar spune, cautand in teoria relativitatii indicii care lipsesc. Au evoluat foarte mult experimentarile in ziua de azi si au ajuns la un nivel de precizie fara precedent, ne spune astrofizicianul Priyamvada Natarajan de la Universitatea Yale. „Relativitatea generala ne-a extins viziunea cosmica, apoi ne-a directionat mai precis modul de a  observa cosmosul, ca sa ne spuna ca acum il putem experimenta intr-un mod mult mai puternic, care ar putea indica calea catre o imagine mai completa.”

Cu toate acestea, la un secol de la debutul teoriei generale a relativitatii, inca mai avem multe de descoperit. Universul poate sa para si mai neobisnuit decat ne putem noi imagina inca.

Astfel ca, oamenii de stiinta au acum prima imagine a unui eveniment cosmic de grandioasa magnitudine. In 2019, o retea globala de telescoape au putut capta imaginea curbarii spatiu-timpului avand o asemenea putere ca nici lumina nu-i putea scapa. Telescopul Event Horizon a lansat prima imagine a unei gauri negre in centrul galaxiei M87. Aceasta galaxie se afla la 55 de milioane de ani-lumina de Pamant, in Constelatia Fecioarei.

Gaura neagra fotografiata de telescopul Event Horizon, din inima galaxiei M87. In imagine vedem un monstru inconjurat de un disc gazos luminos.

„O imagine face intr-adevar cat o mie de cuvinte”, ne spune Kazunori Akiyama, astrofizician la Observatorul MIT Haystack din Westford, Massachusetts, fiind unul dintre aceia care a coordonat intreaga imagerie. „Ma asteptam sa vad ceva oarecum exotic.” Insa, dupa ce a examinat imaginea, „Oh, Doamne!”, isi reaminteste ca spunea, „este exact asa cum ne asteptam de la relativitatea generala.”

Mult timp, gaurile negre au fost doar curiozitati matematice. Insa, abia pe la jumatatea secolului XX au inceput sa apara ca acum sa fie aparitii foarte obisnuite prin analele fizicii. La inceput apare ca o ciudatenie, ca un fenomen necunoscut si bizar, ca apoi sa fie captat, analizate dovezile si realizate descoperirile.

In continuare despre gaurile negre ne relateaza fizicianul Karl Schwarzschild ca a gasit o solutie la ecuatia lui Einstein cu privire la masele lor sferice singulare. Rezulta ca prin matematicile lui Schwarzschild curbele spatiu-timp ar fi diferite in jurul unor stele cu aceeasi masa, dar marimi semnificativ mai mici. Cu alte cuvinte, este vorba despre stele din ce in ce mai compacte. Din aceste matematici mai rezulta si cat de mult s-ar putea comprima masele lor. Mai mult, in anii 1930, Robert Oppenheimer si Hartland Snyder au descris ceea ce s-ar fi intamplat daca o stea masiva, prabusindu-se sub greutatea propriei sale atractii gravitationale, s-ar micsora dincolo de acea marime critica, ceea ce astazi este cunoscut sub numele de „Raza Schwarzschild”, care ne spune ca lumina sa nu ar ajunge niciodata la noi. Cu toate acestea, Einstein s-a indoit si spunea ca gaurile negre nu ar fi plauzibile.

Termenul de gaura neagra a aparut prima oara in 1964 intr-o conferinta a Asociatiei Americane de Stiinte Avansate tinuta de Ann Ewing in Cleveland (SN: 1/18/64, pg. 39). Abia atunci s-a presupus existenta gaurilor negre. Iar la cateva luni mai tarziu, Ewing a raportat si descoperirea quasarilor, descriindu-i in Science News Letter ca fiind „cele mai indepartate, mai puternice, mai grele si mai enigmatice surse de lumina si unde radio.” (SN: 8/15/64, pg. 106).

Quasarii sunt atat de luminosi ca emana mai multa lumina decat intreaga galaxie in care se afla. Desi nedumeresc, atunci cand au fost descoperite prima data, aceste izbucniri luminoase sunt alimentate de gauri negre masive. Sa fie oare lumina acumulata, concentrata si proiectata in diverse parti ale Universului? Oare de ce? De unde provine aceasta lumina?

Gaurile negre ies in evidenta dintre alti uriasi cosmici datorita puterii imense pe care o au. Cea mai mare descoperita are o masa de multe miliarde de ori mai mare decat masa soarelui nostru si atunci cand captureaza o stea, arunca particule de 200 de trilioane de electroni volti energie.

Incepand cu anii 1990, oamenii de stiinta si-au dat seama ca gaurile negre nu numai ca exista dar si ca dau forma cosmosului. „Aceste corpuri pe care relativitatea generala le-a prezis, erau curiozitati matematice, au devenit reale, apoi lasate la o parte. Acum sunt iar in centrul atentiei”, ne spune Natarajan.

Acum stim ca gaurile negre supermasive rezida in centrul majoritatii, daca nu tuturor galaxiilor, din care redirectioneaza energii care impacteaza modul in care iau nastere stelele. „Din centrul galaxiilor, definesc totul”, ne relateaza in continuare.

Ele sunt si ca niste metafore stiintifico-fantastice pentru spatiul necunoscut, abisul cosmic profund etc.

Pentru fizicianul Nicolas Yunes de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign, gaurile negre si alti behemoti cosmici continua sa uimeasca. „Doar gandindu-ne la dimensiunile acestor corpuri, cat de mari sunt, cat de grele sunt, cat de dense sunt”, spune el, „este cu adevarat uluitor”.