O universo | Multiverso | Universo paralelo | Espaço tempo | Teoria do Big Bang

Há um grande conjunto de evidências científicas que apóiam a imagem do universo em expansão e do Big Bang. Toda a energia de massa do Universo foi liberada em um evento com duração inferior a 10 ^ -30 segundos; a coisa mais enérgica que já ocorreu na história do nosso Universo.NASA / GSFC

Faz apenas 13,8 bilhões de anos desde o Big Bang, e a velocidade máxima em que qualquer informação pode viajar - a velocidade da luz - é finita. Embora todo o próprio universo possa ser verdadeiramente infinito, o universo observável é limitado. De acordo com as idéias principais da física teórica, no entanto, nosso Universo pode ser apenas uma região minúscula de um multiverso muito maior, dentro da qual muitos Universos, talvez até um número infinito, estão contidos. Parte disso é ciência de fato, mas parte nada mais é do que especulação e desejo. Veja como saber qual é qual. Mas primeiro, uma rápida explicação.

O Universo hoje tem alguns fatos relativamente fáceis de observar, pelo menos com instalações científicas de classe mundial. Sabemos que o Universo está se expandindo: podemos medir propriedades sobre galáxias que nos ensinam a distância e a rapidez com que parecem se afastar de nós. Quanto mais distantes estão, mais rapidamente parecem retroceder. No contexto da Relatividade Geral, isso significa que o Universo está se expandindo.

E se o Universo está se expandindo hoje, isso significa que era menor e mais denso no passado. Extrapole para trás o suficiente e você descobrirá que as coisas também são mais uniformes (porque a gravidade leva tempo para fazer as coisas se agruparem) e mais quentes (porque comprimentos de onda menores para luz significam energias / temperaturas mais altas). Isso nos leva de volta ao Big Bang.

Uma ilustração de nossa história cósmica, do Big Bang até o presente, dentro do contexto do universo em expansão. A primeira equação de Friedmann descreve todas essas épocas, da inflação ao Big Bang até o presente e para o futuro, perfeitamente precisa até hoje.Equipe da CIÊNCIA NASA / WMAP

Mas o Big Bang não foi o começo do Universo! Só podemos extrapolar de volta a uma certa época antes que as previsões do Big Bang desmoronem. Observamos várias coisas no Universo que o Big Bang não pode explicar, mas uma nova teoria que estabelece o Big Bang - a inflação cósmica - pode.

As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em larga escala do Universo atual, bem como às flutuações de temperatura observadas no CMB.E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA / PLANCK E DA FORÇA DE TAREFA DE INTERAGÊNCIA DOE / NASA / NSF NA PESQUISA DA CMB

Na década de 1980, um grande número de consequências teóricas da inflação foi elaborado, incluindo:

  • como devem ser as sementes da estrutura em larga escala,
  • que flutuações de temperatura e densidade deveriam existir em escalas maiores que o horizonte cósmico,
  • que todas as regiões do espaço, mesmo com flutuações, devem ter entropia constante,
  • e que deve haver uma temperatura máxima atingida pelo quente Big Bang.

Nas décadas de 1990, 2000 e 2010, essas quatro previsões foram confirmadas observacionalmente com grande precisão. A inflação cósmica é um vencedor.

A inflação faz com que o espaço se expanda exponencialmente, o que pode resultar rapidamente em qualquer espaço curvo ou não suave pré-existente aparecendo plano. Se o Universo é curvado, ele tem um raio de curvatura que é no mínimo centenas de vezes maior do que o que podemos observar. SIEGEL (L); TUTORIAL DE COSMOLOGIA DA NED WRIGHT (R)

A inflação nos diz que, antes do Big Bang, o Universo não estava cheio de partículas, antipartículas e radiação. Em vez disso, era preenchido com energia inerente ao próprio espaço, e essa energia fazia com que o espaço se expandisse a uma velocidade rápida, implacável e exponencial. Em algum momento, a inflação termina e toda (ou quase toda) essa energia é convertida em matéria e energia, dando origem ao quente Big Bang. O fim da inflação, e o que é conhecido como o reaquecimento de nosso universo, marca o início do quente Big Bang. O Big Bang ainda acontece, mas não é o começo.

A inflação prediz a existência de um enorme volume de universo não observável além da parte que podemos observar. Mas isso nos dá ainda mais do que isso. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA

Se essa fosse a história completa, tudo o que teríamos era um universo extremamente grande. Teria as mesmas propriedades em todos os lugares, as mesmas leis em todos os lugares, e as partes que estavam além do nosso horizonte visível seriam semelhantes a onde estamos, mas não seria justificadamente chamado de multiverso.

Até que você se lembre de que tudo o que existe fisicamente deve ser inerentemente quântico por natureza. Mesmo a inflação, com todas as incógnitas ao seu redor, deve ser um campo quântico.

A natureza quântica da inflação significa que ela termina em alguns

Se você exigir que a inflação tenha as propriedades de todos os campos quânticos:

  • que suas propriedades têm incertezas inerentes a eles,
  • que o campo é descrito por uma função de onda,
  • e os valores desse campo podem se espalhar ao longo do tempo,

você chega a uma conclusão surpreendente.

Onde quer que a inflação ocorra (cubos azuis), gera exponencialmente mais regiões do espaço a cada passo no tempo. Mesmo se houver muitos cubos onde a inflação termina (Xs vermelhos), há muito mais regiões em que a inflação continuará no futuro. O fato de isso nunca chegar ao fim é o que torna a inflação

A inflação não termina em todos os lugares ao mesmo tempo, mas em locais selecionados e desconectados a qualquer momento, enquanto o espaço entre esses locais continua a aumentar. Deve haver várias regiões enormes do espaço onde a inflação termina e um Big Bang quente começa, mas eles nunca podem se encontrar, pois estão separados por regiões do espaço inflado. Onde quer que a inflação comece, é garantido que continuará por uma eternidade, pelo menos em alguns lugares.

Onde a inflação termina para nós, temos um Big Bang quente. A parte do Universo que observamos é apenas uma parte desta região onde a inflação terminou, com um universo mais inobservável além disso. Mas existem inúmeras regiões, todas desconectadas uma da outra, com a mesma história exata.

Uma ilustração de múltiplos universos independentes, causalmente desconectados um do outro em um oceano cósmico em constante expansão, é uma representação da idéia do multiverso. Em uma região em que o Big Bang começa e a inflação termina, a taxa de expansão cairá, enquanto a inflação continua entre essas duas regiões, separando-as para sempre.ZYTIVE / PUBLIC DOMAIN

Essa é a ideia do multiverso. Como você pode ver, ela se baseia em dois aspectos independentes, bem estabelecidos e amplamente aceitos da física teórica: a natureza quântica de tudo e as propriedades da inflação cósmica. Não há maneira conhecida de medir isso, assim como não há maneira de medir a parte não observável do nosso universo. Mas as duas teorias subjacentes, inflação e física quântica, demonstraram ser válidas. Se eles estão certos, o multiverso é uma conseqüência inevitável disso, e nós estamos vivendo nele.

A idéia do multiverso afirma que existe um número arbitrariamente grande de Universos como o nosso, mas isso não significa necessariamente que exista outra versão de nós por aí, e certamente não significa que há chance de encontrar uma versão alternativa de si mesmo. ... ou qualquer coisa de outro universo.LEE DAVY / FLICKR

E daí? Isso não é muito, é? Existem muitas consequências teóricas que são inevitáveis, mas que não podemos ter certeza porque não podemos testá-las. O multiverso é um de uma longa fila deles. Não é uma realização particularmente útil, apenas uma previsão interessante que cai fora dessas teorias.

Então, por que tantos físicos teóricos escrevem artigos sobre o multiverso? Sobre Universos paralelos e sua conexão com a nossa através deste multiverso? Por que eles afirmam que o multiverso está conectado à paisagem das cordas, à constante cosmológica e até ao fato de que o nosso Universo está afinado para a vida?

Porque mesmo que seja obviamente uma má ideia, eles não têm nenhuma melhor.

O cenário das cordas pode ser uma ideia fascinante, cheia de potencial teórico, mas não prevê nada que possamos observar em nosso Universo. Essa idéia de beleza, motivada pela solução de problemas

No contexto da teoria das cordas, há um enorme conjunto de parâmetros que poderiam, em princípio, assumir quase qualquer valor. A teoria não faz predições para eles, por isso temos que colocá-los à mão: os valores de expectativa da cadeia vacua. Se você já ouviu falar de números incrivelmente grandes, como o famoso 10500, que aparece na teoria das cordas, os possíveis valores da string vacua são a que eles se referem. Não sabemos o que são ou por que têm os valores que possuem. Ninguém sabe como calculá-los.

Uma representação dos diferentes

Então, em vez disso, algumas pessoas dizem "é o multiverso!" A linha de pensamento é assim:

  • Não sabemos por que as constantes fundamentais têm os valores que possuem.
  • Não sabemos por que as leis da física são o que são.
  • A teoria das cordas é uma estrutura que poderia nos dar nossas leis da física com nossas constantes fundamentais, mas poderia nos dar outras leis e / ou outras constantes.
  • Portanto, se tivermos um enorme multiverso, onde muitas regiões diferentes têm leis e / ou constantes diferentes, uma delas pode ser nossa.

O grande problema é que isso não só é enormemente especulativo, mas não há razão, dada a inflação e a física quântica que conhecemos, de presumir que um espaço-tempo inflável tenha leis ou constantes diferentes em diferentes regiões.

Não está impressionado com esta linha de raciocínio? Nem é praticamente mais ninguém.

Qual a probabilidade ou improvável de nosso Universo produzir um mundo como a Terra? E quão plausíveis seriam essas probabilidades se as constantes ou leis fundamentais que governam nosso Universo fossem diferentes? Um universo afortunado, de cuja capa essa imagem foi tirada, é um desses livros que explora essas questões.GERAINT LEWIS E LUKE BARNES

Como expliquei antes, o Multiverso não é uma teoria científica por si só. Pelo contrário, é uma consequência teórica das leis da física, como são melhor compreendidas hoje. Talvez seja uma conseqüência inevitável dessas leis: se você tem um universo inflacionário governado pela física quântica, isso é algo com o qual você provavelmente acabará. Mas - bem como a Teoria das Cordas - ele tem alguns grandes problemas: não prevê nada que tenhamos observado e não podemos explicar sem ela, e não prevê nada definitivo que possamos procurar.

Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. Mesmo no espaço vazio, essa energia de vácuo é diferente de zero. Se ele tem o mesmo valor constante em outras regiões do multiverso é algo que não podemos saber, mas não há motivação para que seja assim.

Nesse universo físico, é importante observar tudo o que podemos e medir todo conhecimento que podemos obter. Somente do conjunto completo de dados disponíveis podemos esperar tirar conclusões científicas válidas sobre a natureza do nosso Universo. Algumas dessas conclusões terão implicações que talvez não possamos medir: a existência do multiverso decorre disso. Mas quando as pessoas afirmam que podem tirar conclusões sobre constantes fundamentais, as leis da física ou os valores da string vacua, não estão mais fazendo ciência; eles estão especulando. O pensamento positivo não substitui dados, experimentos ou observáveis. Enquanto não os tivermos, esteja ciente de que o multiverso é uma conseqüência da melhor ciência que temos hoje, mas não faz nenhuma previsão científica que possamos colocar à prova.

Espero que isso traga alguma importância ao assunto Astrofísica.

Jyotiraditya