Universul
este foarte vast.
Noi trăim într-o galaxie, galaxia Calea Lactee.
Există în jur de 100 miliarde de stele în Calea Lactee.
Dacă iei un aparat foto,
îl îndrepţi într-un loc aleatoriu pe cer,
şi ţii diafragma deschisă,
cât timp camera e ataşată de Telescopul Spaţial Hubble,
va vedea ceva de genul ăsta.
Fiecare din aceste mici luminiscențe
e o galaxie precum Calea noastră Lactee --
100 miliarde de stele în fiecare din aceste perluțe.
Există în jur de 100 miliarde de galaxii
în universul observabil.
100 de miliarde e singurul număr pe care trebuie să-l reţii.
Vechimea universului, de la Big Bang până acum,
e de 100 miliarde de ani câineşti.
(Râsete)
Ceea ce spune ceva despre locul nostru în univers.
Un lucru pe care poţi să-l faci cu o astfel de poză e s-o admiri.
E superbă.
M-am întrebat adesea, care a fost presiunea evoluţionară
ce i-a determinat pe strămoşii noștri din câmpiile Africii să evolueze
să se poată bucura de fotografii ale galaxiilor
când ei nu aveau nici una.
Dar noi am vrea să le și înţelegem.
Cosmolog fiind, vreau să întreb de ce-i universul aşa cum este?
Un indiciu evident e că universul se schimbă în timp.
Dacă te uiţi la una din aceste galaxii și-i măsori viteza,
observi că se îndepărtează de tine.
Dacă te uiţi la o galaxie mai depărtată,
observi că se îndepărtează mai repede.
Deci spunem ca universul se extinde.
Asta înseamnă, desigur, că în trecut
corpurile erau mai apropiate.
În trecut, universul era mai dens,
şi de asemenea mai fierbinte.
Dacă comprimi materia, temperatura crește.
Asta pare intuitiv.
Lucrul care nu e chiar așa intuitiv
e că universul, la începuturi, aproape de Big Bang,
era foarte, foarte uniform.
Poate nu te surprinde.
Aerul din această cameră e foarte uniform.
Ai fi tentat să zici, "Ei bine, unele lucruri se uniformizează de la sine."
Dar condiţiile de la momentul Big Bang-ului erau foarte diferite
de condiţiile aerului din această cameră.
În special, lucrurile erau mult mai dense.
Atracţia gravitaţională
era mult mai puternică la momentul Big Bang-ului.
Trebuie să realizezi că
avem un univers cu o sută de miliarde de galaxii,
cu o sută miliarde de stele fiecare.
La începuturi, aceste sute de miliarde de galaxii
erau înghesuite într-o regiune doar atât de mare.
Literalmente, la începuturi.
Şi trebuie să-ţi imaginezi acea compactare
fără nici o imperfecţiune,
fără nici un loc
unde să fie mai puţini atomi decât în alte locuri.
Altfel totul s-ar fi prăbuşit sub atracţia lor gravitaţională
într-o imensă gaură neagră.
Păstrând Universul foarte, foarte uniform la începuturi
nu-i uşor, e un aranjament fragil.
E un indiciu
că universul timpuriu nu s-a format întâmplător.
Ceva l-a facut aşa.
Am dori să ştim ce.
O parte din înțelegerea noastră ne-a fost dată de Ludwig Boltzmann,
un fizician austriac din secolul 19.
Contribuţia lui Boltzmann ne-a ajutat să înţelegem entropia.
Aţi auzit de entropie.
Reprezintă dezordinea, gradul de haos dintr-un sistem.
Boltzmann ne-a dat o formulă --
gravată pe mormântul său acum --
care cuantifică entropia.
În principiu formula spune că
entropia reprezintă numărul de posibilităţi
prin care putem rearanja constituenţii unui sistem fără să observăm,
astfel încât, macroscopic să arate la fel.
În cazul aerului din această cameră,
noi nu observăm fiecare atom individual.
Într-o configurație cu entropie scăzută
există puţine aranjamente care o fac să arate aşa.
Într-un sistem cu entropie ridicată
există multe aranjamente care îl fac să arate la fel.
E important,
pentru că ne ajută să explicăm
a doua lege a termodinamicii --
legea care spune că entropia creşte în univers,
sau în părţile izolate ale universului.
Motivul pentru care entropia creşte
e simplu pentru că există mult mai multe căi
de-a avea o entropie mare decât una scăzută.
Asta e o înțelegere profundă,
dar omite ceva.
Această intuiție că entropia creşte
stă la baza a ceea ce se numește 'săgeata timpului',
diferenţa între trecut și viitor.
Orice diferenţă care există
între trecut și viitor
se datorează creşterii entropiei --
faptul pentru care poţi să-ţi aminteşti trecutul, dar nu viitorul.
Faptul că te naşti, apoi trăieşti și apoi mori,
totdeauna în această ordine,
e din cauză că entropia crește.
Boltzmann a explicat că dacă începi cu entropie scăzută,
e foarte natural ca ea să crească,
pentru că există mai multe modalități să ai entropie ridicată.
Ce nu a explicat
a fost de ce entropia a fost scăzută la început.
Faptul că entropia universului era scăzută
era o reflexie a faptului că
universul timpuriu era foarte, foarte uniform.
Am vrea să înţelegem asta.
Ăsta e scopul nostru al cosmologilor.
Din nefericire, nu e o problemă
căreia să-i fi acordat destulă atenţie.
Nu e un lucru pe care oamenii să-l spună,
dacă ai întreba un cosmolog modern:
"Care sunt problemele pe care încercăm să le adresăm?"
Unul din cei care au înţeles că asta era o problemă
a fost Richard Feynman.
Acum 50 de ani el a predat o serie de cursuri.
A ţinut faimoasele conferințe
care au devenit "Caracterul Legii Fizice."
A ţinut cursuri pentru studenţii de la Caltech
care au devenit "Cursurile Feynman de Fizică."
A oferit cursuri studenților doctoranzi de la Caltech
care au devenit "Cursurile lui Feynman despre Gravitaţie."
În fiecare din aceste cărţi, în fiecare curs,
el a subliniat acest puzzle:
De ce universul timpuriu avea entropie aşa scăzută?
El spunea -- nu voi încerca să-i imit accentul --
"Din cine știe ce motiv, universul, mai de mult,
avea o entropie foarte scăzută pentru conținutul său energetic,
şi de atunci entropia a tot crescut.
Săgeata timpului nu poate fi înţeleasă complet
până când misterul începuturilor istoriei universului
e redus
de la speculaţie la înţelegere."
Deci asta e slujba noastră.
Vrem să ştim -- asta a fost acum 50 de ani, vă gândiţi desigur,
"că am reuşit să rezolvăm misterul până acum."
Nu e adevărat că am reuşit.
Motivul pentru care problema s-a înrăutăţit,
în loc să se îmbunătăţească,
e pentru că în 1998
am aflat ceva crucial despre univers ce nu ştiam înainte.
Am aflat că universul accelerează.
Nu doar se extinde.
Dacă te uiţi la o galaxie, se îndepărtează.
Dacă te întorci peste un miliard de ani și te uiţi din nou la ea,
se va îndepărta mai rapid.
Galaxiile individuale se îndepărtează de noi din ce în ce mai repede.
Deci noi spunem că universul accelerează.
Spre deosebire de entropia scăzută a universului timpuriu,
chiar dacă nu avem raspunsul pentru asta,
cel puțin avem o teorie explicativă,
dacă acea teorie e corectă,
asta e teoria energiei latente.
E doar idea că spațiul gol în sine are energie.
În fiecare centimentru cub de spaţiu,
indiferent că are sau nu materie,
indiferent dacă avem sau nu particule, materie, radiaţii,
există energie difuză, în spaţiul însuși.
Şi această energie, comform lui Einstein,
exercită o forţă de apăsare asupra universului.
Este un impuls perpetuu
care depărtează galaxiile una de alta.
Pentru că energia latentă, spre deosebire de materie sau radiaţie,
nu se diluează când universul se extinde.
Cantitatea de energie în fiecare centrimetru cub
rămâne constantă,
chiar dacă universul devine din ce în ce mai mare.
Acest fapt are implicaţii cruciale
pentru felul în care va evolua universul în viitor.
Un lucru e clar, universul se va extinde pentru totdeauna.
Când eram de vârsta voastră,
nu se știa ce urma să se întâmple cu universul.
Unii credeau că universul se va recompacta la loc în viitor.
Lui Einstein îi plăcea această idee.
Dar dacă există energie latentă şi acea energie nu dispare,
atunci universul se va extinde la infinit.
14 miliarde de ani în trecut,
sau 100 de miliarde de ani câineşti,
dar o infinitate de ani în viitor.
Între timp, concret,
nouă spaţiul ne apare finit.
Spaţiul poate fi finit sau infinit,
dar pentru că universul accelerează,
există părţi din el pe care nu le vedem
și nu le vom vedea niciodată.
Există o regiune finită în spaţiu la care avem acces,
înconjurată de un orizont.
Deci chiar dacă timpul înaintează pentru toteauna,
nouă spaţiul ne apare limitat.
În final, spaţiul gol are o temperatură.
În anii '70, Stephen Hawking ne-a spus
că o gaură neagră, chiar dacă o credem neagră,
de fapt emite radiaţii,
când iei în considerare mecanica cuantică.
Spaţiu-timpul e curbat în jurul unei găuri negre
făcând posibile fluctuaţiile cuantum mecanice,
și gaura neagră emană radiaţii.
Un calcul precis făcut de Hawking şi Gary Gibbons
a arătat că, dacă avem energie latentă în spațiu gol,
atunci tot universul emană radiaţii.
Energia spaţiului gol
permite fluctuaţii cuantice.
Prin urmare, chiar dacă universul va dura o veşnicie,
iar materia și radiaţiile se vor rarefia,
vor mai rămâne mereu nişte radiaţii,
nişte fluctuaţii termice,
chiar în spaţiul gol.
Deci asta înseamnă că
universul e ca o cutie de gaze
ce durează o veşnicie.
Care sunt implicaţiile?
Posibilele implicaţii au fost studiate de Boltzman în secolul 19.
El a spus că entropia creşte
pentru că sunt mult mai multe aranjamente pentru
un univers cu entropie mare decât cu entropie joasă.
Dar asta-i o afirmaţie probabilistică.
Probabil va creşte,
iar probabilitatea e imens de mare.
Nu trebuie să ne facem griji
că aerul din această cameră s-ar muta într-un colţ şi ne-ar sufoca.
Este foarte, foarte improbabil.
Exceptând cazul în care s-ar încuia uşile
și ne-ar ţine aici literalmente pe veci,
atunci s-ar întâmpla.
Tot ce este permis,
orice configuraţie posibilă pentru moleculele acestei camere,
va fi obţinută într-un final.
Așa că Boltzmann spune, uite, poți începe cu un univers
care se află în echilibru termic.
El nu știa de Big Bang. Nu știa de expansiunea universului.
Credea că spațiul și timpul erau explicate de legile lui Isaac Newton:
erau absolute, existau veșnic.
Așa ca idea lui de univers natural
presupunea că moleculele de aer se distribuiau în mod egal peste tot --
sau moleculele de orice altceva.
Dacă gândești ca Boltzmann știi că, așteptând destul timp,
mișcările aleatorii ale acestor molecule
le vor aduce ocazional
în configurații cu entropie scăzută.
Apoi, desigur, urmând cursul natural,
se vor extinde înapoi.
Deci nu-i neapărat ca entropia tot timpul să crească --
e posibil să obții fluctuații cu entropie mică,
să ajungi la configurații mai organizate.
Dacă asta e adevărat,
Boltzmann continuă să raționeze
introducând două idei moderne --
multiversul și principiul antropic.
El spune că problema cu echilibrul termic
e că noi nu putem trăi în el.
Rețineți, viața însăși depinde de săgeata timpului.
N-am putea procesa informații,
să metabolizăm, să umblăm sau să vorbim,
dacă am trăi în echilibru termic.
Deci dacă vă imaginați un univers foarte, foarte mare,
un univers infinit de mare,
cu particule ciocnindu-se între ele aleator,
vor exista ocazional mici fluctuații în stările joase de entropie,
după care își revin la loc.
Dar vor fi de asemenea și fluctuații la scară mare.
Ocazional, se va crea o planetă
sau o stea sau o galaxie
sau 100 de miliarde de galaxii.
Așa că Boltzmann raționează că,
noi putem trăi doar în partea multiversului,
în partea acestei mulțimi infinite de fluctuații de particule,
în care viața e posibilă.
E zona în care entropia e scăzută.
Poate universul nostru e doar unul din acele fenomene
care se întamplă din când în când.
Acum tema voastră de casă
e să vă gandiți la implicațiile acestui aspect.
Faimosul astrofizician Carl Sagan a spus odată
că "pentru a face o plăcintă de mere de la zero,
trebuie mai întâi să inventezi universul."
Dar nu avea dreptate.
În scenariul lui Boltzmann, dacă vrei o plăcintă cu mere,
trebuie doar să aștepți ca mișcarea haotică a atomilor
să-ți facă o plăcintă cu mere.
Asta se va întâmpla mult mai frecvent
decât mișcarea haotică a atomilor
să-ți facă o livadă de mere
niște zahăr și un cuptor,
după care să-ți facă plăcinta cu mere.
Deci acest scenariu face previziuni.
Și acele previziuni sunt
că fluctuațiile care ne fac pe noi sunt minime.
Chiar dacă îți imaginezi că această cameră în care ne aflăm
există în realitate și noi ne aflăm aici,
și că avem, nu numai memoriile noastre,
ci și impresia că afară există ceva
numit Caltech, Statele Unite și galaxia Calea Lactee,
e mult mai ușor ca toate acele impresii să fluctueze aleator în creierul tău
decât să fluctueze
în Caltech, Statele Unite și galaxie.
Vestea bună e că
în concluzie acest scenariu nu funcționează; nu e corect.
Acest scenariu prezice că noi ar trebui să reprezentăm o fluctuație minimă.
Chiar dacă lași galaxia noastră deoparte,
nu ai avea o sută de miliarde de galaxii.
Feynman a înțeles și el acest lucru.
Feynman spunea, "De la ipoteza că lumea e o fluctuație,
toate prezicerile spun
că dacă ne uităm la o parte a lumii pe care n-am văzut-o încă,
o vom găsi schimbată, diferită de cea la care ne-am uitat
din cauza entropiei înalte.
Dacă ordinea noastră s-ar datora unei fluctuații,
nu ne-am aștepta la ordine peste tot ci doar acolo unde am observat-o.
Așadar concluzionăm că universul nu e o fluctuație.
Bine. Atunci întrebarea e care-i răspunsul corect?
Dacă universul nu e o fluctuație,
atunci de ce a avut universul timpuriu o entropie scăzută?
Aș vrea să vă dau răspunsul, dar n-a mai rămas timp.
(Râsete)
Iată universul pe care vi-l descriem,
vs. universul care există cu adevărat.
V-am arătat această poză.
Universul se extinde de 10 miliarde de ani.
Devine din ce în ce mai rece.
Dar acum știm destul despre viitorul universului
ca să putem spune mult mai mult.
Dacă energia latentă rămâne prezentă,
stelele din jur în final vor folosi tot combustibilul nuclear și se vor stinge.
Vor cădea în găuri negre.
Vom trăi într-un univers
cu nimic în el în afară de găuri negre.
Acel univers va dura 10 la puterea 100 ani --
mult mai mult decât tânărul nostru univers.
Viitorul e mult mai îndelungat decât trecutul.
Dar nici găurile negre nu durează la nesfârșit.
Se vor evapora,
și vom rămâne cu nimic mai mult decât spațiul gol.
Acel spațiu gol va dura, în principiu, la nesfârșit.
Cu toate acestea, vedeți voi, spațiul gol emană radiație,
în realitate există fluctuații termice,
ce trec prin
toate combinațiile posibile
ale gradelor de libertate ce există în spațiul gol.
Chiar dacă universul e veșnic,
există un număr finit de aranjamente
care se pot petrece în univers.
Toate astea se întâmplă pe o perioadă
egală cu 10 la puterea 10 la puterea 120 de ani.
Am două întrebări pentru voi.
Prima: Dacă universul durează 10 la puterea 10 la puterea 120 de ani,
de ce ne-am născut
în primii 14 miliarde de ani ai săi,
în comfortabilul afterglow de după Big Bang?
De ce nu existăm în spațiul gol?
Ai putea spune că nimic nu poate trăi acolo,
dar e fals.
Am putea fi o fluctuație aleatorie apărută din spațiul gol.
De ce nu suntem?
Încă o temă de casă pentru voi.
După cum am spus, nu știu răspunsul.
Vă voi da scenariul meu favorit.
Fie pur și simplu nu există o explicație.
E un fapt frustrant despre univers
pe care trebuie să învățăm să-l acceptăm și să nu mai căutăm răspunsuri.
Sau poate că Big Bang-ul
nu e începutul universului.
Un ou, un ou întreg, e o configurație cu entropie scăzută,
și totuși când deschidem frigiderul,
nu ne mirăm, "Ha, ce surpiză să găsim
această configurație cu entropie scăzută în frigider."
Asta pentru că un ou nu e un sistem închis
provine de la o găină.
Poate universul provine și el de la o 'găină universală'
Poate există ceva care în mod natural,
prin acțiunea legilor fizicii,
dă naștere la un univers ca al nostru
în configurații cu entropie scăzută.
Dacă e adevărat atunci s-ar întâmpla de mai multe ori,
am face parte dintr-un multivers mult mai mare.
Acesta e scenariul meu favorit.
Așa că organizatorii m-au rugat să închei cu o speculație îndrăzneață.
Speculația mea îndrăzneață
e că voi fi îndreptățit de istorie.
Și peste 50 de ani,
toate ideile mele nebunești vor fi acceptate ca adevăr
de comunitatea științifică și externă.
Vom crede cu toții că universul nostru
face parte dintr-un multivers mult mai vast.
Și chiar mai bine, vom înțelege ce s-a întâmplat la Big Bang
sub forma unei explicații teoretice
care va putea fi comparată cu observații.
Asta e o predicție. Poate n-am dreptate.
Dar noi, rasa umană, ne-am tot gândit
la cum arată universul
și de ce e așa cum e de mulți, mulți ani.
Mă entuziasmează să cred că într-o bună zi vom ști raspunsul.
Vă mulțumesc.
(Aplauze)