Pela Scientific American - Brasil
O Cosmos talvez tenha surgido a partir de uma contração do espaço-tempo que existia anteriormente, gerando um “big Bang” que fez tudo começar de novo
NASA / JPLO Universo começou com uma explosão ou um “rebote”- ou com algo totalmente diferente? A questão sobre as nossas origens é uma das mais árduas da física, com poucas respostas, muita especulação e fortes sentimentos. A teoria mais popular é a da Inflação, a noção de que o Cosmos explodiu em tamanho nas primeiras frações de segundo depois de seu nascimento de um estrondo - um “Big Bang”. Mas uma ideia menos famosa propõe que o nascimento do Universo não foi o começo — que uma versão anterior do espaço-tempo existia e se contraiu em um grande colapso, ou “big crunch”, depois se sacudiu e começou a se expandir no que conhecemos hoje. Agora, um novo estudo sugerindo uma mudança no cenário do “rebote” instigou aqueles que apoiam a teoria e inflamou os ânimos dos opositores desse “rival” — os quais já afirmam tê-lo refutado repetidamente, mas que teima em ressurgir.
A teoria da Inflação tem muitos admiradores porque a rápida expansão que ela propõe parece explicar inúmeras características do Universo, como o fato de ele aparentar ser relativamente plano (oposto de curvo, em grande escala) e uniforme em todas as direções (em todos os lados existem, de maneira geral, a mesma quantidade de coisas, de novo em grande escala). Ambas essas condições resultam de cenários nos quais regiões do espaço que acabaram longe umas das outras começaram próximas inicialmente. No entanto, versões mais recentes da teoria parecem sugerir — ou mesmo exigir — que a inflação tenha criado não só o nosso mas um conjunto infinito de universos, no qual todos os tipos de universo possíveis, com todos os conjuntos de leis físicas e características possíveis, foram formados. Alguns cientistas apreciam essa implicação porque ela poderia explicar porque nosso Universo particular, com suas condições aleatória e perfeitamente ajustadas para a vida, existe — se todo tipo de cosmo existe, não é de se estranhar que o nosso também esteja presente. Mas outros físicos consideram a ideia de múltiplos universos repulsiva, em parte porque se a teoria prevê que toda possibilidade acontecerá, não prevê exclusivamente um universo como o que temos.
Teorias de “grande rebote” também predizem um cosmos plano e uniforme, graças à efeitos de suavização no espaço que podem acontecer durante a contração. Mas o ponto de discórdia da ideia de rebote é, há muito tempo, a transição entre o encolhimento e a expansão, que parece exigir a odiada ideia de uma “singularidade” — um período onde o Universo era um ponto singular de densidade infinita — visto por muitos como uma proposta matematicamente sem significado e que indica que uma teoria que saiu dos trilhos. Agora, físicos dizem ter encontrado um modo de calcular o rebote sem encontrar quaisquer singularidades. “Nós descobrimos que poderíamos descrever a evolução quântica do Universo exatamente,” diz o coautor do estudo Neil Turok, diretor do Instituto Perimeter de Física Teórica, em Ontário. “Nós descobrimos que o Universo passa suavemente através da singularidade e sai pelo outro lado. Essa era nossa esperança, mas nós nunca conseguimos conquistas isso antes.” Ele e Steffen Gielen, do Imperial College London, publicaram seus cálculos na edição do mês de julho da revista científica Physical Review Letters.
Um Cosmos Quântico
A importante descoberta aconteceu graças à duas técnicas que os cientistas adotaram. Uma foi usar a recente e ainda não completa teoria da Cosmologia Quântica — uma mistura entre mecânica quântica e relatividade geral — no lugar da clássica Relatividade Geral para descrever o universo. A segunda foi assumir que, quando o Cosmos era jovem, a matéria se comportava como luz, no sentido de que as leis da física que a descreviam não dependiam de escala. Por exemplo, a luz age do mesmo jeito independentemente de comprimento de onda. A física da matéria, por outro lado, usualmente varia de menores para maiores escalas. “Nós sabemos que nos primeiros 50 000 anos, o Universo era essencialmente preenchido com radioatividade,” diz Anna Ijjas, física da Universidade de Princeton que não estava envolvida no estudo. “A matéria normal que nós vemos agora não era muito significante. Eu acho que um universo anterior sem escalas é muito sugerido pelas nossas medidas atuais.”
Partindo dessas condições, Turok e Gielen descobriram que um universo em contração nunca teria se tornado uma singularidade — essencialmente, ele atravessaria, por um “túnel”, o ponto preocupante saltando de um estado logo antes dele para um estado logo depois dele. Embora isso soe como trapaça, é um fenômeno comprovado da Mecânica Quântica. Já que partículas não existem em estados absolutos, mas sim em possibilidades indeterminadas, existe uma pequena mas real chance de que elas possam atravessar por ‘“túnel” as barreiras físicas para alcançar locais aparentemente “fora dos limites” delas — o equivalente, em uma escala microscópica, de atravessar paredes. “A imprecisão do espaço-tempo e da matéria conspiram para tornar incerto onde o Universo está em um dado tempo,” explica Turok. “Isso permite ao Universo passar através da singularidade.”
Outros proponentes da teoria do “grande rebote” dizem que o trabalho é um passo significativo. “Ao fazer essas duas premissas plausíveis, eles encontram um resultado muito interessante, o de que um ‘rebote’ pode acontecer,” diz o físico de Princeton Paul Steinhardt, um dos fundadores da teoria da Inflação e que, mais recentemente, se tornou um de seus maiores críticos. Ele não esteve envolvido no estudo de Turok e Gielen. “O trabalho mostra que, em princípio, uma singularidade pode ser evitada.” Steinhardt e Ijjas têm trabalhado em outro modo de demonstrar matematicamente a possibilidade de um “rebote”, através da introdução no Universo de um tipo especial de campo que faz a contração virar um tipo de expansão bem antes do espaço se tornar pequeno o suficiente para se tornar uma singularidade. A solução deles usa a relatividade geral clássica, em oposição à cosmologia quântica. “Significa que ‘rebotes’ clássicos e não singulares também são possíveis,” diz Steinhardt. Eles reportaram seu trabalho em um estudo publicado no dia 28 de junho no servidor arXiv.org.
Ambos os estudos ainda são preliminares. Turok e Gielen conseguiram calcular o “rebote” apenas para o caso de um universo idealizado que é completamente regular e não possui as flutuações de densidade que levam à formação de estrelas e galáxias no cosmos real. “Os casos que podemos resolver de maneira exata são universos muito simples,” afirma Gielen. “A questão que sempre se tem é ‘Essa ideia ainda se sustentará se você for para algo mais complicado?’ É nisso que estamos trabalhando no momento.”
Se o Universo ricocheteou uma vez, uma pergunta natural é se ele fará isso de novo. Mas nem todas as teorias de rebote sugerem que estejamos destinados a viver um ciclo infinito de contrações e expansões — por exemplo, mesmo que nosso Universo já tenha ricocheteado antes, não temos nenhuma indicação até agora de que ele esteja no caminho para outra contração. A cota de energia escura que, acredita-se, compõe a maior parte da massa total do Universo, parece estar afastando nosso Universo em um ritmo cada vez mais acelerado. O que o futuro nos reserva é uma questão muito aberta — tão aberta quanto o fato de como tudo começou.
Sangue Ruim
Outros proponentes da teoria do “grande rebote” dizem que o trabalho é um passo significativo. “Ao fazer essas duas premissas plausíveis, eles encontram um resultado muito interessante, o de que um ‘rebote’ pode acontecer,” diz o físico de Princeton Paul Steinhardt, um dos fundadores da teoria da Inflação e que, mais recentemente, se tornou um de seus maiores críticos. Ele não esteve envolvido no estudo de Turok e Gielen. “O trabalho mostra que, em princípio, uma singularidade pode ser evitada.” Steinhardt e Ijjas têm trabalhado em outro modo de demonstrar matematicamente a possibilidade de um “rebote”, através da introdução no Universo de um tipo especial de campo que faz a contração virar um tipo de expansão bem antes do espaço se tornar pequeno o suficiente para se tornar uma singularidade. A solução deles usa a relatividade geral clássica, em oposição à cosmologia quântica. “Significa que ‘rebotes’ clássicos e não singulares também são possíveis,” diz Steinhardt. Eles reportaram seu trabalho em um estudo publicado no dia 28 de junho no servidor arXiv.org.
Ambos os estudos ainda são preliminares. Turok e Gielen conseguiram calcular o “rebote” apenas para o caso de um universo idealizado que é completamente regular e não possui as flutuações de densidade que levam à formação de estrelas e galáxias no cosmos real. “Os casos que podemos resolver de maneira exata são universos muito simples,” afirma Gielen. “A questão que sempre se tem é ‘Essa ideia ainda se sustentará se você for para algo mais complicado?’ É nisso que estamos trabalhando no momento.”
Se o Universo ricocheteou uma vez, uma pergunta natural é se ele fará isso de novo. Mas nem todas as teorias de rebote sugerem que estejamos destinados a viver um ciclo infinito de contrações e expansões — por exemplo, mesmo que nosso Universo já tenha ricocheteado antes, não temos nenhuma indicação até agora de que ele esteja no caminho para outra contração. A cota de energia escura que, acredita-se, compõe a maior parte da massa total do Universo, parece estar afastando nosso Universo em um ritmo cada vez mais acelerado. O que o futuro nos reserva é uma questão muito aberta — tão aberta quanto o fato de como tudo começou.
Sangue Ruim
Muitos adeptos da inflação são céticos em relação a qualquer modelo de “rebote”, especialmente porque eles dizem que os proponentes disseram muitas vezes, no passado, que poderiam calcular o “rebote” sem singularidades, mas nunca o fizeram. “Não fico satisfeito com o fato de eles não admitirem que todos os seus estudos anteriores deveriam ser desconsiderados,” diz a física da Universidade de Santdford, Renata Kallosh, que calculou os erros em modelos de rebote propostos anteriormente. “Agora eles fazem uma nova afirmação, na qual eu não acredito.” Alan Guth, um pioneiro da inflação do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, concorda. “Eu continuo cético sobre se eles realmente alcançaram uma solução que exclua singularidades,” ele diz. “Eu gostaria de esperar e ver como isso se desenvolve. Se eles obtiverem sucesso no que afirmam que fizeram, eu concordo que seja muito importante — ainda que não seja o melhor modelo para a história do Universo.”
Alguns pesquisadores adeptos da Inflação são mais clementes, no entanto. “Eu acho que essa é uma linha de pesquisa bastante intrigante,” diz Marc Kamionkowski, da Universidade Johns Hopkins. “O cenário do ‘rebote’, ainda que ainda não tenha sido desenvolvido no mesmo nível que a inflação, é promissor e seu desenvolvimento futuro é imperativo. Esse estudo fornece um resultado matemático a partir de um modelo supersimplificado,” acrescenta, se referindo ao universo idealizado com o qual os pesquisadores trabalharam.
Kallosh e outros se opõem ao uso de Cosmologia Quântica para descrever um “rebote”, porque o Universo talvez fosse pequeno a níveis microscópicos nesse estágio. “Eles têm o colapso de um grande universo — porque um universo grande deveria ser diferente do que a relatividade geral diz?” Turok responde dizendo que qualquer teoria definitiva sobre o universo terá que incorporar Mecânica Quântica na Relatividade Geral, porque a teoria clássica por si só é conhecida por falhar em certos extremos. “A natureza é quântica,” ele afirma. “Nós sabemos que teorias clássicas não fazem nenhum sentido em um nível muito básico.”
Turok e outros críticos do modelo da inflação têm seus próprios problemas com a teoria dominante. Eles afirmam que ela exige circunstâncias improváveis para ter começado (uma afirmação com a qual os proponentes discordam) e que ela não resolve o fantasma de uma singularidade no momento do “Big Bang” em si. Além disso, “a inflação leva a esse cenário assombroso de universos múltiplos,” diz Turok, “que por alguma razão estranha é surpreendentemente popular.”
Ele sugere que o debate acalorado no campo e a pesquisa minuciosa de novas ideias ajudarão cientistas a, definitivamente, convergir para uma melhor teoria sobre nossas origens. “As pessoas possuem opiniões muito fortes,” afirma Turok. “Eu admito que tenho e que minhas ideias não são compartilhadas por 95% dos cosmólogos. Eu, na verdade, sou um crítico de todas essas teorias, incluindo as que eu inventei. Mas nós temos hoje observações espetaculares apontando para uma simplicidade incrível no Universo. Para mim, isso significa que todas as nossas teorias existentes são complicadas demais. As observações estão apontando para a simplicidade e é nosso trabalho criar uma teoria simples que, esperançosamente, as explique.
Alguns pesquisadores adeptos da Inflação são mais clementes, no entanto. “Eu acho que essa é uma linha de pesquisa bastante intrigante,” diz Marc Kamionkowski, da Universidade Johns Hopkins. “O cenário do ‘rebote’, ainda que ainda não tenha sido desenvolvido no mesmo nível que a inflação, é promissor e seu desenvolvimento futuro é imperativo. Esse estudo fornece um resultado matemático a partir de um modelo supersimplificado,” acrescenta, se referindo ao universo idealizado com o qual os pesquisadores trabalharam.
Kallosh e outros se opõem ao uso de Cosmologia Quântica para descrever um “rebote”, porque o Universo talvez fosse pequeno a níveis microscópicos nesse estágio. “Eles têm o colapso de um grande universo — porque um universo grande deveria ser diferente do que a relatividade geral diz?” Turok responde dizendo que qualquer teoria definitiva sobre o universo terá que incorporar Mecânica Quântica na Relatividade Geral, porque a teoria clássica por si só é conhecida por falhar em certos extremos. “A natureza é quântica,” ele afirma. “Nós sabemos que teorias clássicas não fazem nenhum sentido em um nível muito básico.”
Turok e outros críticos do modelo da inflação têm seus próprios problemas com a teoria dominante. Eles afirmam que ela exige circunstâncias improváveis para ter começado (uma afirmação com a qual os proponentes discordam) e que ela não resolve o fantasma de uma singularidade no momento do “Big Bang” em si. Além disso, “a inflação leva a esse cenário assombroso de universos múltiplos,” diz Turok, “que por alguma razão estranha é surpreendentemente popular.”
Ele sugere que o debate acalorado no campo e a pesquisa minuciosa de novas ideias ajudarão cientistas a, definitivamente, convergir para uma melhor teoria sobre nossas origens. “As pessoas possuem opiniões muito fortes,” afirma Turok. “Eu admito que tenho e que minhas ideias não são compartilhadas por 95% dos cosmólogos. Eu, na verdade, sou um crítico de todas essas teorias, incluindo as que eu inventei. Mas nós temos hoje observações espetaculares apontando para uma simplicidade incrível no Universo. Para mim, isso significa que todas as nossas teorias existentes são complicadas demais. As observações estão apontando para a simplicidade e é nosso trabalho criar uma teoria simples que, esperançosamente, as explique.
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