© 2019 by Editura POLIROM

www.polirom.ro

Editura POLIROM

Iaşi, B-dul Carol I nr. 4; P.O. BOX 266, 700506

Bucureşti, Splaiul Unirii nr. 6, bl. B3A, sc. 1, et. 1;

sector 4, 040031, O.P. 53

ISBN ePub: 978-973-46-8176-1

ISBN PDF: 978-973-46-8177-8 

ISBN print: 978-973-46-8004-7

Coperta: Radu Răileanu

Pe copertă: © agsandrew/Depositphotos.com; © deltaoff/Depositphotos.com (colaj)

Această carte în format digital (e-book) este protejată prin copyright şi este destinată exclusiv utilizării ei în scop privat pe dispozitivul de citire pe care a fost descărcată. Orice altă utilizare, incluzând împrumutul sau schimbul, reproducerea integrală sau parţială, multiplicarea, închirierea, punerea la dispoziţia publică, inclusiv prin internet sau prin reţele de calculatoare, stocarea permanentă sau temporară pe dispozitive sau sisteme cu posibilitatea recuperării informaţiei, altele decât cele pe care a fost descărcată, revânzarea sau comercializarea sub orice formă, precum şi alte fapte similare săvârşite fără permisiunea scrisă a deţinătorului copyrightului reprezintă o încălcare a legislaţiei cu privire la protecţia proprietăţii intelectuale şi se pedepsesc penal şi/sau civil în conformitate cu legile în vigoare.

Lectura eco - un supererou al lumii moderne!

Versiune digitală realizată în colaborare cu Libris.ro

Profesor de chimie fizică la Universitatea „Alexandru Ioan Cuza” din Iaşi (1990-2012), GELU BOURCEANU este în prezent Professor Emeritus. A fost directeur de recherche la CNRS, Franţa (1991-1992), decan al Facultăţii de Chimie din cadrul Universităţii „Alexandru Ioan Cuza” din Iaşi (2004-2008), director al Centrului de Cercetare Interdisciplinară în Religie, Filosofie şi Ştiinţă al aceleiaşi universităţi (2009-2012) şi visiting professor la universităţile din Budapesta (2002), Lyon (2006) şi Sofia (2010). A mai publicat: Evoluţie şi autoorganizare în sisteme departe de echilibru (1989), lucrare pentru care i s-a decernat Premiul Academiei în 1991, Fundamentele termodinamicii chimice (1998, 2005, 2009), Termodinamica evoluţiei şi dinamica neliniară (2004).

„Minunate sunt lucrurile pe care le vedem,
Mai minunate – acelea pe care le înţelegem,
Cele mai minunate – acelea pe care nu le putem cuprinde.”

Niels Steensen

Nepoţilor mei, Sebastian şi Andrei, cu toată dragostea

Introducere

De mai multe milenii oamenii s-au întrebat dacă nu cumva există vreo conexiune între frumuseţea cerului înstelat şi frumuseţea Pământului acoperit de viaţă, în toată complexitatea ei. Sau, mai precis formulat, dacă nu există vreo conexiune între lumea vie de pe Pământ şi poziţia traiectoriei planetei Pământ faţă de Soare. Dacă traiectoria planetei Pământ faţă de Soare ar fi fost alta, viaţa pe Pământ ar mai fi fost oare posibilă? Există un lanţ de cauzalităţi între fenomenele din cer şi cele de pe Pământ. Strălucirea Soarelui şi frumuseţea crinului, rotaţia Lunii şi producerea mareelor, formarea ozonului în stratosfera scăldată de Soare şi viaţa pe Pământ etc.

Universul a fost creat, are un început sau a fost aşa dintotdeauna? Cum au fost posibile apariţia şi evoluţia speciilor biologice, până la cea mai evoluată, omul, care, culmea, mai are şi cutezanţa de a medita asupra propriei existenţe şi asupra universului, descoperind legile după care evoluează acesta? Cunoscându-i legile, la nivel macro şi micro, legi ce se află într-o coerenţă perfectă unele în raport cu altele, exprimată prin ecuaţii matematice de o mare supleţe, te întrebi dacă nu cumva aceste legi au fost „gândite” din condiţiile iniţiale, înainte de naşterea universului.

Ordinea ce guvernează întregul univers a fost oare determinată de prezenţa unei raţiuni? La început a fost Raţiunea, Logosul, Cuvântul?

Iată doar câteva dintre întrebările fundamentale pe care, de mii de ani, şi le-au pus marii gânditori.

Prima parte a acestei cărţi, „Originea şi evoluţia universului”, îşi propune să analizeze succint problemele legate de naşterea şi evoluţia universului, luând în considerare rezultatele obţinute până acum de fizică, cosmologie şi astrofizică.

Dintre toate modelele propuse pentru originea şi evoluţia universului, s-a impus cel numit Big Bang, devenit modelul standard, conform căruia universul are un început. În acord cu teoria Big Bang, universul a luat naştere printr-o Mare Explozie a unei sfere de diametru infinit mic, de aproximativ 10⁻³⁵ metri, în care se afla concentrată întreaga energie, ce a rămas constantă după o evoluţie de miliarde de ani şi aşa va şi rămâne, în acord cu principiul I al termodinamicii. Ultimul argument care vine în favoarea modelului standard Big Bang este bosonul Higgs, supranumit şi „particula lui Dumnezeu”. Existenţa bosonului a fost dovedită teoretic în anii ’60 ai secolului trecut de fizicianul englez Peter Higgs şi fizicienii belgieni François Englert şi Robert Brout. Experimental, bosonul Higgs a fost pus în evidenţă pe 4 iulie 2012, la acceleratorul LHC de la CERN, Elveţia. Peter Higgs şi François Englert au primit Premiul Nobel pentru fizică în 2013. Robert Brout, coautor al descoperirii teoretice, a murit în 2011, iar Premiul Nobel nu se acordă post-mortem.

Modelul Big Bang este capabil să răspundă la peste 99,5% dintre întrebările suscitate de evoluţia universului, dar nu poate răspunde la întrebarea cine a făcut ca explozia să aibă loc. Dacă Marea Explozie s-a produs cu adevărat înseamnă că avem de-a face cu cea mai mare instabilitate din întreaga istorie a universului. Din acel moment, de aproximativ 15 miliarde de ani, a început expansiunea universului unic în care trăim.

Partea a doua a lucrării, „Originea şi evoluţia vieţii”, îşi propune să răspundă, în acord cu ştiinţele biologice, chimice şi fizice, la întrebări privind naşterea şi evoluţia speciilor biologice – o sarcină cu mult mai dificilă decât prima, referitoare la evoluţia universului. Căci cea mai complexă problemă dintre toate rămâne cea cu privire la apariţia şi originea vieţii pe Pământ. Până în prezent nu există nicio teorie ştiinţifică în acest sens demnă de a fi luată în considerare. Începutul vieţii pe Terra rămâne învăluit în mister.

S-ar părea că producerea acestor două mari evenimente originare, Marea Explozie şi Apariţia Vieţii, nu ar putea fi explicată niciodată de ştiinţă. Poate că sunt, într-adevăr, lucrarea lui Dumnezeu, aşa cum a afirmat papa Ioan Paul al II-lea. Odată create universul şi viaţa, acestea au evoluat în acord cu condiţiile iniţiale unice, poate transcendente, care au determinat legile ce guvernează universul.

Partea a treia a lucrării, „Creşterea entropiei biosferei sau distrugerea Creaţiei lui Dumnezeu”, tratează succint starea actuală a biosferei, care se degradează continuu ca urmare a activităţilor umane, multe dintre ele realizate fără nicio raţiune, fără o minimă morală. Odată cu tranziţia de la cimpanzeu la om, când creierul a făcut saltul de la 450 g (la maimuţă) la 1.350-1.400 g (la om), a început marea aventură a cunoaşterii umane; de la uneltele simple, nepoluante ale lui Homo habilis la „maşinăriile” de astăzi – terestre, navale, aeriene etc. – create de Homo sapiens, omul actual, toate poluante, mari producătoare de entropie.

Pregătirea mea ştiinţifică, de chimist fizician, mi-a permis să abordez o plajă extrem de largă de procese, de la cosmologie la biologia moleculară, citind lucrările marilor oameni de ştiinţă, mulţi dintre ei laureaţi Nobel, care au studiat originea şi evoluţia universului şi ale vieţii. Pentru originea şi evoluţia universului, într-o perioadă de peste 30 de ani, am citit în acest domeniu zece mii de pagini. Dorinţa mea a fost ca întreaga succesiune temporală a evenimentelor cosmice, de la Marea Explozie până la formarea stelelor şi planetelor, ce se întinde pe o perioadă de aproximativ zece miliarde de ani, să fie redată succint şi riguros ştiinţific într-un număr cât mai mic posibil de pagini. Astfel, din miile de pagini citite am sublimat aproximativ 120 de pagini, pentru a pune în evidenţă faptul că, în evoluţia universului, coerenţa şi corelaţia proceselor cosmice au jucat rolul determinant, şi nu hazardul. Pe lângă cărţile ştiinţifice, elaborate cu rigoarea matematică impusă de natura proceselor din univers, am citit şi multe cărţi apărute în traducere românească în care se prezintă fenomenologic evenimentele cosmice. Printre acestea, chiar aici, în prefaţă, voi reliefa câteva ce tratează cu precădere teoria Big Bang. Cea mai elaborată, scrisă cu multă competenţă şi pasiune, este Big Bang, Originea universului, o lucrare remarcabilă a lui Simon Singh, doctor în fizica particulelor elementare la Universitatea Cambridge. Această carte va fi citată de foarte multe ori. Apoi, cărţile profesorilor John Barrow, Martin Rees, Stephen Hawking, Steven Weinberg, Paul Davies, Mario Livio etc. sunt scrise într-o manieră captivantă, păstrând mereu rigoarea ştiinţifică.

Pentru partea a doua, de asemenea, am studiat peste patru mii de pagini, cu precădere biologie moleculară, între care şi cartea Biologia moleculară a genei de J.D. Watson, laureat Nobel împreună cu Crick pentru determinarea structurii dublu helix a ADN-ului şi a fluxului informaţiei genetice ADN → ARNm → proteină, flux numit de Crick şi „dogma centrală a biologiei moleculare”. Acest flux al informaţiei se realizează de la cea mai simplă specie biologică până la cea mai complexă, omul, dovedind astfel valabilitatea teoriei evoluţiei speciilor a lui Darwin. Şi în acest caz, pentru scopul propus, am sublimat miile de pagini citite în mai puţin de 60 de pagini!

Pentru partea a treia, începând din anii 1970-1980, literatura ştiinţifică abundă în lucrări care studiază acţiunea poluanţilor asupra atmosferei, a apei mărilor, a oceanelor şi a solului.

Această carte poate fi citită şi înţeleasă, cu puţină voinţă şi râvnă, de oricine are cunoştinţe minime de fizică, chimie şi biologie moleculară, care se studiază chiar la liceu. Cu toţii veţi fi surprinşi să constataţi că prin ştiinţă puteţi înţelege cu adevărat grandoarea creaţiei lui Dumnezeu şi urmând şi această cale veţi fi mereu cu El. Pentru că, aşa cum, spune profesorul Francis Collins, directorul Proiectului Genomului Uman şi autorul cărţii Limbajul lui Dumnezeu (apărută în limba română la Editura Curtea Veche), „Biserica poate cădea în ridicol dacă nu ia în considerare ştiinţa”. „Neştiinţa sufletului nu este bună, iar cel ce umblă repede dă greş.” (Pilde 19:2)

Partea I

Originea și evoluția universului

„Natura şi legile Naturii zăceau ascunse în beznă: Dumnezeu a spus: Să fie Newton! Şi s-a făcut lumină.”

Alexander Pope

I.1. Universul static al lui Newton

Originea sau naşterea universului constituie şi astăzi o problemă fundamentală asupra căreia s-au aplecat marii gânditori şi oamenii de ştiinţă începând încă din Antichitate. Starea actuală a universului în care trăim, caracterizată printr-o coerenţă perfectă între fenomenele cosmice şi cele de la nivel atomic şi biologic, ar sugera că nu hazardul ar fi avut un rol în evoluţia sa, ci mai degrabă această stare ar fi fost „gândită” din condiţiile iniţiale, înainte de naşterea universului. Cu un set „dat” de condiţii iniţiale care au determinat legile naturii, acestea din urmă au condus la evoluţia universului aşa cum o cunoaştem astăzi. Evident, se poate vorbi de condiţii iniţiale numai dacă universul are un început. Deci prima întrebare fundamentală este: are universul un început? În cele ce urmează vom încerca să răspundem la această întrebare şi la multe altele în conexiune cu ea.

Până prin anii 1920 se credea că universul a existat dintotdeauna şi va exista pentru totdeauna. De unde venea această credinţă într-un univers veşnic, fără de început şi fără de sfârşit? Pentru a răspunde la întrebările formulate mai sus trebuie să pornim de la analiza legilor mecanicii clasice, care dominau întreaga ştiinţă până la începutul secolului XX. În acest scop, vom lua în considerare legea fundamentală a dinamicii lui Newton, ce se exprimă prin ecuaţia simplă¹:

F = m(d²x/dt²) = ma     (1)

În această ecuaţie, F este forţa care acţionează asupra unui corp de masă m ce este deplasat pe distanţa x cu acceleraţia a, iar t este timpul. Această ecuaţie a fost obţinută de Newton prin neglijarea frecării dintre corp şi mediul în care se deplasează. În astfel de condiţii, forţele se conservă. Să observăm că această ecuaţie este invariantă în raport cu timpul. Într-adevăr, înlocuindu-l pe t cu –t, ecuaţia rămâne neschimbată, pentru că un număr negativ ridicat la o putere pară dă un număr pozitiv.

Fig.1. Mişcarea corpului de la punctul A către punctul B este reversibilă cu mişcarea inversă, de la B către A. Sensul de curgere a timpului nu are nicio preferinţă

Astfel, reprezentând deplasarea unui corp în funcţie de timp, x = f(t), se obţine o traiectorie AB, precum cea din figura 1. Din această reprezentare, în acord cu ecuaţia (1), rezultă că ambele mişcări ale corpului, „înainte”, de la A către B, şi „înapoi”, de la B către A, sunt la fel de probabile, adică cele două mişcări sunt reversibile. În acest caz, parametrii ce caracterizează fiecare etapă a mişcării, coordonatele şi impulsul, au aceleaşi valori în ambele sensuri, direct şi invers. Ambele deplasări, în sens direct şi în sens invers, fiind descrise de aceeaşi ecuaţie a dinamicii, rezultă că sensul de curgere a timpului nu are nicio preferinţă. Dinamica clasică nu poate distinge viitorul de trecut². Viitorul şi trecutul sunt conţinute în prezent, în sensul că stările din trecut şi cele din viitor pot fi cunoscute din starea prezentă. Datorită acestei proprietăţi se pot prezice eclipsele de Soare în viitor sau se pot determina cele care au avut loc în trecut³.

Mecanica lui Newton, dezvoltată mai târziu de Lagrange, Hamilton şi Laplace, a dobândit succese remarcabile în mecanica cerească. Mişcarea planetelor în jurul Soarelui, fiind conservativă (fără pierderi de energie), întăreşte imaginea unei mişcări repetabile, periodice, a unei mişcări ce se reia în mod etern⁴ (fig. 2).

Toate aceste aspecte au condus la viziunea unui univers infinit în timp şi spaţiu, a unui univers fără de început şi fără de sfârşit, a unui univers static şi etern, fără devenire, a unui univers fără nicio ambiţie şi fără niciun scop⁵. Evident, unui astfel de univers, fără de început şi fără de sfârşit, nu i se poate atribui o origine. O origine a universului ar implica naştere, creaţie, iar creaţia ar implica un Creator. Or, universul descris mai sus de mecanica lui Newton nu avea nevoie nici de un început şi nici de un Creator.

Fig. 2. Sistemul nostru solar cu Soarele în centru şi planetele care se rotesc în jurul acestuia: Mercur, Venus, Pământ, Marte, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun şi Pluto

În concluzie, universul descris de mecanica lui Newton ar corespunde unui univers static, fără de început şi fără de sfârşit, fără devenire, infinit în timp şi spaţiu.

Pe de altă parte, şi matematicianul francez Henri Poincaré demonstrează că sistemele planetare sunt sisteme conservative. În acest caz, poziţiile traiectoriilor pe care evoluează planetele în jurul Soarelui depind de condiţiile iniţiale⁶ (v. fig. 2). De exemplu, în cazul în care condiţiile iniţiale ar fi fost altele, poziţia traiectoriei planetei Pământ faţă de Soare ar fi fost alta, şi viaţa, aşa cum vom arăta, ar fi fost imposibilă.

Nu există nicio dovadă care să ateste dacă marele matematician a fost uimit de acest rezultat referitor la „condiţiile iniţiale” care au determinat poziţiile traiectoriilor planetelor din sistemul nostru solar şi, prin extensie, poziţiile tuturor planetelor, stelelor şi galaxiilor din univers! Au fost aceste condiţii iniţiale fixate? Şi, dacă da, de cine şi cu ce scop? Sau, prin hazard, au fost chiar condiţiile care au determinat evoluţia ulterioară a universului în care trăim? Care dintre aceste două căi este cea adevărată? Aceasta este întrebarea la care încercăm să răspundem în cele ce urmează.

I.2. Universul static al lui Einstein

În 1915, Einstein elaborează teoria generală a relativităţii. În acord cu această teorie, câmpul gravitaţional care se manifestă în univers este descris de nişte ecuaţii numite ecuaţii de câmp⁷.

Aceste ecuaţii admit un punct de singularitate⁸. În acest punct de singularitate, densitatea, gravitaţia şi curbura spaţiu-timp devin infinite, iar legile fizicii sunt inaplicabile. Existenţa acestui punct de singularitate ar sugera un început, o naştere a universului, un moment zero de la care începe expansiunea acestuia. Deoarece ne referim la univers, această singularitate se numeşte singularitate cosmologică. Se pare că Einstein a fost puternic afectat de rezultatele ce decurgeau din propria teorie: naştere şi evoluţie. Teoria universului static, obţinută din mecanica lui Newton, era atât de puternic înrădăcinată în conştiinţa oamenilor de ştiinţă, încât nici Einstein nu a vrut să admită un început al universului şi, implicit, o expansiune a acestuia. Un început ar implica o creaţie, un Creator! Or, tocmai acest aspect nu-l putea admite Einstein. Pentru a ocoli un astfel de rezultat neaşteptat, Einstein introduce în ecuaţia de câmp o constantă L, numită constantă cosmologică⁹.

Această constantă L ar măsura nişte forţe repulsive ce acţionează împotriva forţelor de atracţie gravitaţională. Cu această constantă, introdusă forţat, ecuaţiile de câmp ale lui Einstein nu mai admit niciun punct de singularitate. Şi astfel ecuaţiile descriu tot un univers static şi etern, fără a mai fi necesară existenţa unor condiţii iniţiale. După Einstein, egalitatea dintre forţele gravitaţionale şi cele de respingere, desemnate de constanta cosmologică L, ar determina stabilitatea universului. În realitate, soluţia ecuaţiilor de câmp cu constanta L descria o stare de echilibru instabil, asemănătoare cu stabilitatea unui creion aşezat cu vârful în jos¹⁰. O perturbaţie extrem de mică, prezenţa unui meteorit, de exemplu, ar destabiliza universul. Or, de miliarde de ani, universul este în expansiune şi prezintă o mare stabilitate. Pe de altă parte, Einstein recunoştea că ecuaţia, cu această constantă, nu mai arată la fel de elegantă precum toate celelalte ecuaţii ce exprimă legi ale naturii. „Experienţa noastră de până acum ne încredinţează că în natură este realizat idealul simplităţii matematice. De când am introdus această constantă cosmologică, am avut conştiinţa încărcată”, afirma Einstein¹¹. Exista şi există şi în prezent un consens în privinţa faptului că legile fizicii trebuie să fie exprimate prin ecuaţii matematice suple sau, potrivit lui Paul Dirac şi Werner Heisenberg, legile fizicii trebuie să aibă o frumuseţe matematică¹².

Modelul de univers rezultat prin adăugarea acestei constante cosmologice este cunoscut ca „universul static şi etern al lui Einstein”¹³.

Fig. 3. Dimensiunea universului static rămâne constantă în timp

Aşa cum se observă din figura 3, universul static nu-şi modifică dimensiunea odată cu scurgerea timpului, t. Dacă R este raza universului, atunci R(t) = constant. Rezultă că modelul universului static şi etern al lui Einstein nu diferă cu nimic de modelul universului static al lui Newton, deşi mecanica lui Einstein este diferită de cea a lui Newton.