13,8 bilhões de anos atrás, o universo começou com um Big Bang quente. Desde então, tem se expandido e resfriado, até os dias atuais. Do nosso ponto de vista, podemos observar o Universo em um raio de 46 bilhões de anos, graças à limitação da velocidade da luz e à expansão do Universo. E embora essa distância seja enorme, é finita. Mas esta é apenas a parte que vemos. O que está além dele e é possível que haja infinito?
Adam Stevens quer saber:
O que você acha do infinito do universo? Muitos cosmologistas me disseram que o infinito do universo não foi provado. Como isso pode ser comprovado empiricamente?
Primeiro, podemos aprender mais do que vemos em 46 bilhões de anos-luz.
Quanto mais longe olhamos em qualquer direção, mais longe olhamos para as profundezas do tempo. A galáxia mais próxima, localizada a 2,5 milhões de anos-luz de nós, é visível para nós como era há 2,5 milhões de anos, porque a luz viaja de lá para os nossos olhos a partir do momento em que é emitida. Galáxias mais distantes são visíveis para nós como eram há dezenas de milhões, centenas de milhões ou mesmo bilhões de anos atrás. Olhando ainda mais longe, vimos a luz do universo desde sua juventude. Então, se olharmos para a luz emitida a 13,8 bilhões de anos atrás, uma relíquia do Big Bang, vemos a radiação relíquia.
O padrão de flutuação é extremamente confuso, com diferentes temperaturas médias em diferentes escalas angulares. Também criptografa uma grande quantidade de informações sobre o Universo, incluindo um fato surpreendente: a curvatura do espaço, pelo que podemos julgar, está ausente, ou seja, é plana. Se o espaço tivesse uma curvatura positiva, como se vivêssemos na superfície de uma esfera quadridimensional, veríamos a convergência de raios de luz distantes. Se ele tivesse curvatura negativa, como na superfície de uma sela quadridimensional, veríamos raios de luz distantes divergirem. Em vez disso, os raios de luz se movem da mesma forma, e as flutuações nos falam sobre um plano ideal.
A partir de um conjunto de dados sobre a radiação residual e estruturas em grande escala do Universo (acessíveis através do estudo das oscilações acústicas bárions), podemos concluir que, se o Universo é finito e fechado sobre si mesmo, deve ser pelo menos 250 vezes maior do que o que podemos ver. Como vivemos em três dimensões, um aumento no raio 250 vezes significa um aumento no volume 250 ^ 3 vezes, ou 15 milhões de vezes mais espaço. Mas este ainda não é um volume infinito. A estimativa mínima para o tamanho do universo é de 11 trilhões de anos-luz em todas as direções, o que é muito, mas ainda não infinito.
Há razões para acreditar que é ainda maior. Um Big Bang quente pode marcar o início do universo observável, mas não o nascimento do espaço e do tempo. Antes do Big Bang, o universo estava passando por um período de inflação cósmica. Em vez de ser preenchido com matéria e radiação e ser quente, o universo era:
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• foi preenchido com energia inerente ao próprio espaço,
• expandido a uma taxa exponencial, • criou um novo espaço tão rapidamente que o menor tamanho físico, o comprimento de Planck, se estendia ao tamanho do Universo observado hoje a cada 10 ^ -32 s.
Em nossa região do Universo, a inflação realmente acabou. Mas há várias perguntas, cujas respostas desconhecemos, que têm um grande impacto no tamanho do universo e em sua finitude ou infinito.
1) Qual era o tamanho da seção do Universo após a inflação que deu origem ao nosso Big Bang quente? Observando o Universo atual e a homogeneidade do pós-brilho do Big Bang, a proximidade do Universo a um plano, as flutuações que se estendem pelo Universo em todas as escalas, etc., etc., podemos aprender muito. Podemos calcular o limite superior da escala de energia em que ocorreu a inflação, o quanto a inflação aumentou o universo, o limite inferior da duração da inflação. Mas aquele bolsão do Universo em expansão, do qual nossa parte se originou, poderia exceder em muito o limite inferior! Pode ser centenas, milhões, googols vezes maior do que podemos observar - ou ser verdadeiramente infinito. Sem a capacidade de observar mais do que está disponível para nós agora, não obteremos informações suficientes para responder a esta pergunta.
2) A ideia de "inflação eterna" está correta? Se você considerar a possibilidade de que a inflação seja um campo quântico, então, em qualquer momento de expansão exponencial, existe a possibilidade de que a inflação acabe, levando ao Big Bang, e a probabilidade de que a inflação continue, criando mais espaço. Esses cálculos estão disponíveis para nós (dentro da estrutura de certas suposições) e levam à conclusão: se precisamos de inflação suficiente antes da criação do universo observável, a inflação sempre criará ainda mais espaço que continuará a se expandir, ao contrário das seções onde terminará e haverá um Big Bang. E embora nosso Universo observável pudesse ter surgido após o fim da inflação em nossa região de 13,8 bilhões de anos atrás, existem regiões onde a inflação continua - e cria cada vez mais espaço,e gera cada vez mais Big Bangs - até hoje. Essa ideia é conhecida como inflação eterna e geralmente aceita na comunidade física. Então, quão grande é todo o universo inobservável hoje?
3) Quanto tempo durou a inflação antes de terminar e ocorrer o Big Bang? Só temos acesso ao Universo criado pelo fim da inflação e nosso Big Bang quente. Sabemos que a inflação deveria ter continuado por pelo menos 10 ^ -32 s, mas provavelmente continuou por mais tempo. Mas quanto? Segundos? Anos? Bilhões de anos? Infinitamente? O universo sempre esteve sujeito à inflação? A inflação começou? Resultou de um estado anterior que durou para sempre? Ou talvez o espaço e o tempo surgiram do nada há um tempo limitado? Existem muitas possibilidades, mas a resposta não pode ser verificada neste momento.
Com base em nossas melhores observações, sabemos que o universo é muito maior do que a porção observável. Suspeitamos que cada vez mais o Universo se espalha além desses limites, igual ao nosso, com as mesmas leis da física, tipos de estruturas (estrelas, galáxias, aglomerados, filamentos, vazios, etc.), e com as mesmas chances de um complexo uma vida. A bolha em que terminou a inflação deve ser finita, e o maior espaço-tempo em expansão deve conter um número exponencialmente grande dessas bolhas. Mas, mesmo que todo este Universo, ou o Multiverso, seja tão incrivelmente grande, pode não ser infinito. Na verdade, se a inflação não durou indefinidamente, o universo deve ser finito.
Mas o maior problema é que só temos acesso às informações contidas na parte observável do Universo, nesses 46 bilhões de anos-luz em todas as direções. A resposta à maior questão - se o universo é finito ou infinito - pode ser codificada no universo, mas não podemos acessar uma parte grande o suficiente para saber. Até que resolvamos esse problema ou encontremos uma maneira inteligente de expandir as possibilidades da física, tudo isso estará no reino das possibilidades.
