George Smoot despre designul universului

M-am gândit să încerc să vă schimb puţin perspectiva asupra lumii, şi să vă arăt unele din modelele pe care le avem în natură. Aşa că în primul slide voi vorbi despre zorile universului şi despre ceea ce eu numesc investigaţia scenei cosmice, adică, să privim la relicvele creaţiei şi să deducem ce s-a întâmplat la început, şi apoi s-o urmărim şi să încercăm s-o înţelegem.

Iar una din întrebările puse de mine este, ce vedeţi când vă uitaţi în jur? Păi, vedeţi acest spaţiu care a fost creat de proiectanţi şi de munca oamenilor, dar ceea ce vedeţi de fapt sunt multe materiale care erau deja aici, fiind remodelate într-o anumită formă. Aşa că întrebarea este: cum a ajuns materialul aici? Cum a ajuns în forma anterioară remodelării, şi aşa mai departe? Este o întrebare legată de ce este continuitatea? Deci unul din lucrurile de care mă ocup este, cum a început şi cum a evoluat universul? Care a fost întregul proces în crearea şi evoluţia universului pentru a ajunge în punctul în care avem acest fel de materiale?

Deci despre astfel de lucruri voi vorbi şi acum vă voi arăta Hubble Ultra Deep Field. Dacă priviţi această imagine, veţi vedea mult întuneric cu câteva obiecte luminoase. Patru din acele obiecte luminoase sunt stele, şi le puteţi vedea aici -- micile semne plus. Asta e o stea, asta e o stea, restul sunt galaxii, în regulă? Deci sunt câteva mii de galaxii care se pot vedea uşor aici. Şi când mă uit în mod special la această galaxie, care seamănă mult cu a noastră, mă întreb dacă şi acolo are loc o conferinţă de design a unei universităţi de arte, şi fiinţe inteligente gândesc acolo despre, ştiţi, ce proiecte să facă, şi poate că sunt câţiva cosmologi acolo încercând să înţeleagă de unde a venit universul însuşi, şi poate că sunt câţiva în acea galaxie privind la a noastră chiar încercând să înţeleagă ce se întâmplă aici.

Dar sunt multe alte galaxii, şi unele sunt aproape, şi sunt de culoarea Soarelui, iar altele sunt mai departe şi sunt puţin mai albastre, şi aşa mai departe. Dar una din întrebări este -- acesta este pentru voi -- cum de sunt aşa de multe galaxii? Fiindcă aceasta reprezintă o fracţiune foarte curată a cerului. Sunt doar 1000 de galaxii. Credem ca sunt de ordinul -- vizibile telescopului spaţial Hubble, dacă aţi avea timpul să scanaţi în jur -- aproximativ 100 de miliarde de galaxii. Corect? Este un număr foarte mare de galaxii. Şi asta este cam câte stele sunt în galaxia noastră.

Dar când vă uitaţi în unele regiuni ca aceasta, veţi vedea mai multe galaxii decât stele, ceea ce este un fel de enigmă. Aşa că întrebarea firească ar fi, ce fel de design, ce fel de proces creativ şi ce fel de design a produs lumea în acest fel? Şi apoi vă voi arăta că de fapt este mult mai complicat. Vom încerca şi vom reveni. Avem o unealtă care de fapt ne ajută în acest studiu, iar asta este faptul că universul este incredibil de mare încât într-un anume sens este o maşină a timpului. Am desenat acest set de sfere concentrice decupate pentru a o vedea. Am pus Pământul în centrul sferelor, doar fiindcă de acolo facem observaţiile. Iar Luna este la doar 2 secunde depărtare, deci dacă faci o poză a Lunii folosind lumina obişnuită, este Luna cu două secunde în urmă, şi cui îi pasă. Două secunde este ca şi prezentul. Soarele este cu opt minute în urmă. Asta nu este mare lucru, corect, până nu vin erupţiile solare, când vei dori să nu le fii în cale. Aţi dori un sistem de avertizare în avans.

Dar ajungeţi la Jupiter şi este la 40 de minute. Este o problemă. Auziţi despre Marte, este o problemă comunicarea cu Marte, fiindcă luminii îi trebuie mult timp ca să ajungă acolo. Dar dacă vă uitaţi la cele mai apropiate stele, la cele mai apropiate 40 sau 50 de stele, este cam 10 ani. Aşa că dacă faceţi o poză, ea arată ce a fost cu 10 ani în urmă. Dar dacă vă uitaţi la centrul galaxiei, este cu mii de ani în urmă. Dacă vă uitaţi la Andromeda, care este cea mai apropiată galaxie mare, ea este cu două milioane de ani în urmă. Dacă aţi face o poză a Pământului cu două milioane de ani în urmă, nu ar fi vreo dovadă a prezenţei oamenilor, deoarece credem că nu existau oameni încă. Deci asta vă dă o scară a lucrurilor. Cu telescopul spaţial Hubble, ne uităm la sute de milioane până la miliarde de ani.

Dar dacă am fi în stare să venim cu o idee pentru a privi chiar mai departe -- sunt lucruri chiar şi mai departe, şi asta am făcut în multe din activităţile mele, am dezvoltat tehnicile -- am putea privi înapoi chiar şi la epoci dinainte ca stelele şi galaxiile să existe, înapoi la perioada când universul a fost fierbinte şi dens şi foarte diferit. Deci aceasta este un fel de secvenţă, şi am şi o varianta mai artistică a acesteia. Avem o galaxie în mijloc, care este Calea Lactee, iar în jur sunt galaxiile mai apropiate văzute prin Hubble, şi există o sferă care marchează diversele epoci. Iar în spate sunt câteva galaxii mai moderne.

Vedeţi întreaga imagine? Este ciudat că începutul timpului este în exterior, corect? Şi apoi există o parte invizibilă a universului fiindcă este aşa de dens şi fierbinte, încât lumina nu poate scăpa. Este la fel ca faptul că nu poţi vedea în centrul Soarelui, trebuie să utilizezi alte tehnici pentru a şti ce se întâmplă în interiorul Soarelui. Dar poţi vedea marginea Soarelui, iar universul scapă pe acolo şi poţi vedea asta. Şi apoi vezi această zonă din exterior, iar asta este radiaţia care vine de la Big Bang, care este de fapt incredibil de uniformă. Universul este aproape o sferă perfectă, dar există aceste foarte mici variaţii care le-am arătat aici foarte exagerat. Şi de la ele vom merge în secvenţă temporală, de la aceste mici variaţii la aceste galaxii neregulate şi primele stele la aceste galaxii mai avansate, şi în final sistemul solar, şi aşa mai departe.

Deci e o mare problemă de design, dar vom vedea cum decurg lucrurile. Aşa că modul în care se fac aceste măsurători, există un grup de sateliţi şi aici puteţi vedea. A fost satelitul COBE, lansat în 1989, şi am descoperit aceste mici variaţiuni. Şi apoi în 2000 a fost lansat satelitul MAP - de fapt WMAP -- şi a făcut nişte poze puţin mai bune. Iar mai târziu în acest an -- acesta este versiunea grozavă invizibilă, cel care are de fapt nişte caracteristici de design minunate, şi ar trebui să-l priviţi -- satelitul Planck va fi lansat, şi va face hărţi cu rezoluţie foarte mare. Şi acesta va fi ordinea de înţelegere a adevăratului început al universului.

Iar ceea ce am văzut, am văzut aceste variaţii, şi ele ne-au spus secretele, atât despre structura spaţiu-timpului, cât şi despre conţinutul universului, şi despre cum a început mişcarea originală a universului. Aşa că avem această poză, care este una foarte spectaculoasă, şi voi reveni la început, unde vom avea nişte procese misterioase care pornesc universul la început. Şi trecem printr-o perioadă de expansiune accelerată, şi universul se extinde şi se răceşte până ajunge în punctul în care devine transparent, apoi la Epoca Întunecată, şi apoi apar primele stele, iar ele evoluează în galaxii, şi apoi ajung la galaxii şi mai mari. Şi undeva în această perioadă se formează sistemul nostru solar. Şi se maturizează până în zilele noastre. Şi sunt nişte lucruri spectaculoase. Iar această parte ca un coş de gunoi, care reprezintă ce face structura spaţiu-timpului însăşi în această perioadă. Şi este un model destul de straniu, corect? Ce fel de dovezi avem pentru asta?

Să vă arăt nişte modele ale naturii care sunt rezultatul acestuia. Eu întotdeauna ma gândesc la spaţiu-timp ca fiind substanţa reală a spaţiului, iar galaxiile şi stelele sunt doar ca spuma de pe ocean. Este un marcaj al poziţiei undelor interesante şi a orice s-a întâmplat. Aşa că iată studiul Sloan Digital Sky Survey arătând locaţia a milioanelor de galaxii. Fiecare punct reprezintă câte o galaxie. Ei îndreaptă telescopul către cer, fac o poză, identifică care sunt stele şi le elimină, se uită la galaxii, estimează cât de departe sunt ele, şi le reprezintă pe grafic, şi doar le pun radial pe măsură ce merg spre exterior. Şi vedeţi aceste structuri, acest lucru îl numim Marele Zid, dar sunt şi goluri şi lucruri de acel tip, şi ele par să se estompeze fiindcă telescopul nu este suficient de sensibil pentru asta.

Acum vă voi arăta asta in trei dimensiuni. Ce se întâmplă, faci poze în timp ce Pământul se roteşte, obţii un evantai prin cer. Sunt nişte locuri unde nu poţi privi din cauza propriei noastre galaxii, sau fiindcă nu sunt telescoape disponibile. Următoarea imagine arată versiunea tridimensională a aceluiaşi lucru în rotaţie. Vedeţi scanările ca un evantai pe cer? Ţineţi minte, fiecare punct de aici este o galaxie şi vedeţi galaxiile, cam cele din vecinătatea noastră, şi reuşiţi să vedeţi structura. Şi vedeţi acest lucru pe care îl numim Marele Zid, şi puteţi vedea structura complicată, şi vedeţi aceste spaţii vide. Sunt locuri unde nu există galaxii şi sunt locuri unde sunt mii de galaxii îngrămădite, nu? Deci este un model interesant, dar nu avem destule date aici pentru a vedea modelul real. Avem doar un milion de galaxii, corect? Deci e ca şi cum am ţine în aer cam un milion de mingi dar ce se întâmplă de fapt? Există o altă cercetare foarte similară cu aceasta, numită Two-degree Field of View Galaxy Redshift Survey.

Vom zbura acum prin ea cu warp de un milion. Şi de fiecare dată când avem o galaxie -- la locaţia ei avem o galaxie -- şi dacă ştim ceva despre galaxie - şi chiar ştim, fiindcă există o măsurătoare a alunecării spre roşu şi altele, reprezentaţi tipul galaxiei şi culoarea, şi rezultă o reprezentare reală. Iar când te afli în mijlocul galaxiilor este greu de văzut modelul; este ca şi cum am fi în mijlocul vieţii. Este greu de văzut modelul în mijlocul audienţei, este greu de văzut modelul acesteia. Deci vom ieşi şi ne întoarcem şi privim înapoi la asta. Şi veţi vedea întâi structura modelului, şi apoi veţi vedea structura galaxiilor pe care le vedem acolo. Din nou puteţi vedea extensia acestui Mare Zid al galaxiilor apărând aici.

Dar puteţi vedea golurile, puteţi vedea structura complicată, şi spuneţi, ei bine, cum s-a întâmplat asta? Să presupunem că sunteţi proiectantul cosmic. Cum veţi pune galaxiile acolo, undeva, într-un asemenea model? Ele nu sunt aruncate la întâmplare. Aici are loc un proces mult mai complicat. Cum veţi realiza această sarcină? Aşa că intrăm într-un joc serios (Serious Play). Adică, va trebui să ne jucăm în mod serios de a Dumnezeu, nu numai să schimbăm viaţa oamenilor, ci să creăm universul. Deci dacă asta este responsabilitatea voastră, cum veţi realiza asta? Cu ce fel de tehnică? Ce fel de lucruri veţi face?

Aşa că vă voi arăta rezultatele unei simulări la scară foarte mare a ceea ce credem că ar fi universul, folosind de fapt, câteva principii ale jocului şi câteva principii de design pe care, ştiţi, oamenii au muncit aşa de greu să le aleagă, dar se pare că natura ştia de la început cum să facă. Adică porniţi cu câteva ingrediente foarte simple şi câteva reguli simple, dar trebuie să aveţi destul de multe ingrediente pentru a-l face complicat. Apoi adăugaţi nişte caracteristici aleatoare, ceva fluctuaţii şi ceva parametrii aleatori, şi obţineţi o mulţime de reprezentări diferite.

Aşa că vă voi arăta distribuţia masei ca o funcţie a scării. Vom mări imaginea, dar ăsta este un grafic a ceea ce am obţinut. Şi mai trebuie să adăugăm un lucru pentru ca universul să iasă corect. Este numită materie întunecată. Asta este materie care nu interacţionează cu lumina în modul tipic al materiei obişnuite, modul în care lumina străluceşte pe mine sau pe scenă. Este transparentă la lumină, dar pentru ca voi s-o vedeţi, o vom face albă. În regulă? Deci chestia albă din imagine este materia întunecată. Ar trebui numită materie invizibilă, dar noi am făcut-o vizibilă. Iar chestia colorată în galben este materia obişnuită transformată în stele şi galaxii.

Aşa că vă voi arăta următorul filmuleţ. Deci acesta -- vom apropia. Observaţi acest model şi fiţi atenţi la acest model. Ne vom apropia mai mult şi mai mult. Şi veţi vedea că există aceste filamente şi structuri şi goluri. Iar când un număr de filamente se întâlnesc într-un nod, asta produce un supergrup de galaxii. Acesta în care intrăm conţine undeva între 100.000 şi un milion de galaxii într-o regiune mică. Aşa că trăim la periferie. Nu trăim în centrul sistemului solar, nu trăim în centrul galaxiei iar galaxia noastră nu este în centrul grupului.

Deci mărim magnificarea. Aceasta este o regiune care probabil are mai mult de 100.000, cam de ordinul a un milion de galaxii în acea regiune. Continuăm să ne apropiem. OK. Şi am uitat să vă spun de scară. Un parsec este 3.26 ani lumină. Deci un gigaparsec este trei miliarde de ani lumină -- asta este scara. Deci lumina are nevoie de trei miliarde de ani să călătorească peste acea distanţă. Acum suntem la o distanţă intermediară. Aceasta este distanţa dintre noi şi galaxia Andromeda, corect? Aceste pete mici văzute aici, sunt galaxii.

Acum ne vom depărta din nou, şi veţi vedea această structură care, privită de la distanţă foarte mare, pare foarte regulată, dar este făcută din multe variaţiuni neregulate. Deci sunt cărămizi simple. La început avem un fluid foarte simplu. Conţine materie întunecată, materie obişnuită, conţine fotoni şi neutrino, care nu prea mai au vreun rol în partea târzie a universului. Şi este doar un simplu fluid, care în timp se dezvoltă în această structură complicată. Când aţi văzut prima dată această imagine, ea nu însemna aşa de mult pentru voi. Aici priviţi la un procent din volumul universului vizibil şi vedeţi miliarde de galaxii şi noduri, dar înţelegeţi că ele nici măcar nu sunt structura principală. Aceasta este o reţea, care este materia întunecată, materia invizibilă, care este acolo şi care ţine de fapt totul împreună.

Să zburăm deci prin ea şi vedeţi cât de greu este să-ţi dai seama, când eşti în mijlocul a ceva. Iată aici acelaşi rezultat final. Vedeţi un filament, vedeţi cea albă care este materia invizibilă, iar galbenul sunt stelele sau galaxiile care apar. Şi vom zbura prin ea, şi vom zbura prin ea, şi veţi vedea ocazional că o pereche de filamente se intersectează, şi veţi obţine un grup mai mare de galaxii. Şi apoi vom zbura acolo unde se află un grup foarte mare, şi veţi vedea cum arată el. Deci văzut din interior nu arată foarte complicat, corect? Doar dacă o vezi la o scară foarte mare şi o explorezi, îţi dai seama că este un model foarte complex şi complicat, corect? Şi a fost crescut într-un anume mod.

Deci întrebarea este, cât de greu ar fi să asamblezi asta? Cât de mare ar fi echipa de construcţie pentru a construi acest univers? Aceasta este problema, nu? Şi iată-ne aici. Vedeţi cum filamentul -- vedeţi cum mai multe filamente se întâlnesc, în consecinţă rezultând acest supergrup de galaxii. Şi trebuie să înţelegeţi, aceasta nu este cum ar arăta de fapt dacă voi -- în primul rând nu puteţi călători aşa de repede, totul ar fi distorsionat, dar asta este o simplă redare prin artă grafică 3D. Aşa ar arăta, dacă aţi avea miliarde de ani pentru a călători în jurul ei, corect? Şi dacă aţi putea vedea materia invizibilă, de asemenea.

Deci ideea este, cum aţi construi universul într-un mod foarte simplu? Vom porni şi vom înţelege că întregul univers vizibil, tot ce putem vedea în toate direcţiile prin telescopul spaţial Hubble şi alte instrumente, a fost cândva într-o regiune care a fost mai mică decât un atom. A început cu mici fluctuaţii la nivelul mecanicii cuantice, dar extinzându-se cu o viteză colosală. Şi acele fluctuaţii au fost întinse la dimensiuni astronomice, iar acele fluctuaţii sunt în final lucrurile pe care le vedem în fundalul cosmic de microunde. Şi apoi am avut nevoie de o cale de a transforma acele fluctuaţii în galaxii şi grupuri de galaxii, şi a face ca aceste structuri să continue.

Aşa că vă voi arăta o simulare mai mică. Această simulare a rulat pe 1000 de procesoare timp de o lună doar pentru a vizualiza acest rezultat simplu. Deci vă voi arăta în imaginea următoare o simulare care poate fi rulată pe un calculator de birou în două zile. Deci porniţi cu fluctuaţii mititele când universul era în acest punct, acum de patru ori mai mic, şi aşa mai departe. Şi veţi începe să vedeţi aceste reţele, reţeaua cosmică de formare a structurii. Şi aceasta este una simplă, fiindcă nu are materia obişnuită ci are doar materia intunecată în ea. Şi vedeţi cum materia întunecată se concentrază, iar materia obişnuită rămâne în urmă. Deci iat-o aici. La început este foarte uniformă. Fluctuaţiile sunt o parte la 100.000. Sunt câteva vârfuri care sunt o parte la 10.000, şi apoi peste miliarde de ani, gravitaţia doar le atrage.

Aceasta este lumina supra densitate, atrage materia din jurul ei. Care atrage şi mai multă materie, apoi şi mai multă materie. Dar distanţele din univers sunt aşa de mari, iar scara timpului este aşa de mare, încât este nevoie de mult timp pentru a se forma aşa ceva. Şi continuă să se formeze până când universul ajunge jumătate din cât e acum, în ceea ce priveşte expansiunea. Şi în acel punct universul începe să accelereze într-un mod misterios expansiunea şi întrerupe formarea structurilor de scară şi mai mare. Deci vedem doar o structură la o scară pe cât de mare posibil, iar apoi numai lucrurile care deja au început să se formeze se vor forma, şi apoi va continua acelaşi proces.

Deci suntem în stare să facem simularea, dar necesită două zile pe un calculator de birou. Avem nevoie de 30 de zile pe 1000 de procesoare pentru simularea pe care v-am arătat-o înainte. Deci avem o idee despre cum să ne jucăm serios, creând universul pornind practic de la mai puţin decât o picătură de materie, şi realizăm tot ce vedem în orice direcţie, nu, din aproape nimic -- adică din ceva extrem de micuţ, extrem de mic -- şi este aproape perfect, cu excepţia că are aceste mici fluctuaţii la nivelul de o parte din 100.000, care s-au dovedit a produce aceste modele interesante şi designuri pe care le vedem, adică, galaxiile şi stelele şi aşa mai departe.

Deci avem un model, putem să-l calculăm, putem să-l folosim pentru a face modele a ceea ce credem noi că universul arată de fapt. Iar acest model este într-un fel mult peste ce ne-am imaginat noi iniţial că am obţine. Deci cu asta am pornit cu 15 ani în urmă, cu COsmic Background Explorer (COBE) -- a făcut harta din dreapta sus, care practic ne-a arătat că există fluctuaţii la scară mare, şi de fapt fluctuaţii pe mai multe scări. Puteţi să vedeţi acest lucru. De atunci am avut WMAP, care ne-a dat doar rezoluţie unghiulară mai mare. Vedem aceleaşi structuri la scară mare, dar vedem şi structuri adiţionale de scară redusă. Iar în dreapta jos este ca şi cum satelitul s-ar fi întors invers şi ar fi cartografiat Pământul, ce fel de hartă a Pământului am fi avut. Ei bine, vedeţi că puteţi distinge toate continentele majore, dar cam atât.

Dar sperăm că atunci când vom ajunge la Planck, vom avea o rezoluţie echivalentă rezoluţiei cu care vedeţi Pământul aici, unde puteţi într-adevăr să vedeţi modelul complicat care există pe Pământ. Şi puteţi de asemenea să spuneţi, din cauza muchiilor clare şi a modului în care lucrurile se potrivesc împreună, că există nişte procese neliniare. Geologia are aceste efecte, care deplasează plăcile tectonice şi aşa mai departe. Puteţi vedea asta doar privind harta în sine. Vrem să ajungem în punctul în care în hărţile noastre ale universului timpuriu să putem vedea dacă există efecte nelineare care încep să mişte, să modifice, şi ne dau o idee despre cum spaţiu-timpul însuşi a fost creat în momentele de început. Deci aici suntem azi, şi despre asta am vrut să vă dau o idee. Să vă arăt o perspectivă diferită despre cum arată designul şi cum arată restul lucrurilor. Vă mulţumesc. (Aplauze)