Como e como o universo começou? Quase todas as religiões, credos e cultos oferecem respostas a essa pergunta, tão antiga quanto o mundo. Mas a ciência levou isso a sério recentemente - apenas no século XX.
A resposta mais simples será a mais curta - tudo começou com o Big Bang. Isso é evidenciado pelas soluções de todos os modelos razoáveis da evolução do Universo, construídos com base na teoria geral da relatividade. Se voltarmos no tempo, chegaremos inevitavelmente ao momento em que a densidade e a temperatura da matéria se tornam infinitas. Ele também deve ser tomado como a origem, o ponto zero no tempo. É impossível continuar soluções para a área de tempos anteriores: a matemática não permite.
A única saída
Os físicos nunca gostaram dessa situação. Desde que aprenderam a calcular modelos de mundo rigorosamente, as esperanças de se livrar do infinito e olhar, por assim dizer, para o passado do Big Bang, não desapareceram. Mas todas as tentativas de encontrar modelos razoáveis do "sem começo", em outras palavras, o Universo eterno, acabaram sendo malsucedidas. Esse estado de coisas persistiu mesmo depois que os modelos de expansão inflacionária do início do Universo foram desenvolvidos no início dos anos 1980, os quais se baseavam não apenas na relatividade geral, mas também na hipótese do falso vácuo emprestada da teoria quântica de campos.
A inflação é uma expansão super rápida do Universo no início de sua existência. Ela surge devido ao fato de o vácuo neste momento estar em um estado com densidade de energia positiva muito alta, ultrapassando incomensuravelmente seu valor mínimo. O vácuo com a densidade de energia mais baixa é chamado de verdadeiro, com uma maior - falso. Qualquer vácuo positivo atua como antigravidade, ou seja, faz o espaço se expandir. Um falso vácuo com densidade de energia extremamente alta também é extremamente instável, ele se desintegra rapidamente e sua energia é gasta na formação de radiação e partículas aquecidas a temperaturas extremamente altas. Essa decadência do vácuo é chamada de Big Bang. Ele deixa para trás o espaço comum cheio de matéria gravitante, que se expande a uma taxa moderada.
No entanto, existe um cenário que supera o beco sem saída dos infinitos matemáticos. Nesse cenário, o Universo surgiu do nada, mais precisamente, de um estado onde não há tempo, nem espaço, nem matéria no sentido clássico desses termos. À primeira vista, essa ideia parece ridícula - como nada pode dar origem a algo? Ou, passando das metáforas para a física, como você pode contornar as leis fundamentais de conservação? Digamos que a lei da conservação de energia, que é considerada absoluta. As energias da matéria e da radiação são sempre positivas, então como poderiam surgir de um estado com energia zero?
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Sobre os benefícios do isolamento
Felizmente, essa dificuldade é completamente solucionável - no entanto, não para nenhum universo, mas apenas para os fechados. Pode-se provar que a energia total de qualquer universo fechado é exatamente zero. Como pode ser isso, já que o universo está cheio de matéria e radiação? No entanto, existe também a energia da gravidade, que se sabe ser negativa. Acontece que em um universo fechado, a contribuição de energia positiva das partículas e campos eletromagnéticos é exatamente compensada pela contribuição de magnitude igual e sinal oposto do campo gravitacional, de modo que a energia total é sempre zero. Essa conclusão se aplica não apenas à energia, mas também à carga elétrica. Em um universo fechado, qualquer carga positiva é necessariamente acompanhada pela mesma carga com um sinal de menos, de modo que a soma total de todas as cargas é novamente zero. O mesmo pode ser dito sobre outras quantidades físicas que obedecem a rígidas leis de conservação.
O que se segue disso? Se um universo fechado surge do vazio absoluto, todas as quantidades conservadas são como eram e permanecem zero. Acontece que as leis fundamentais de conservação não proíbem tal nascimento de forma alguma. Agora, vamos lembrar que qualquer processo da mecânica quântica não proibido por essas leis pode ocorrer, mesmo com uma probabilidade muito baixa. Portanto, o nascimento de um universo fechado do nada é, em princípio, possível. É assim que a mecânica quântica difere da mecânica clássica, onde o vazio em si não pode dar origem a nada.
Para o começo dos tempos
As chances de nascimento espontâneo de diferentes universos de acordo com este cenário podem ser calculadas: a física tem um aparato matemático para isso. É intuitivamente óbvio que eles caem à medida que o tamanho do universo aumenta, e as equações confirmam isso: universos liliputianos têm mais probabilidade de surgir do que universos maiores. Ao mesmo tempo, o tamanho do universo está associado às propriedades do falso vácuo que o preenche: quanto maior a densidade de sua energia, menor é o universo. Assim, as chances máximas de nascimento espontâneo são dadas a micro-universos fechados preenchidos com um vácuo de alta energia.
Agora, digamos que a probabilidade funcionou a favor desse cenário e um universo fechado nasceu do nada. O falso vácuo cria gravidade negativa, que força o universo recém-nascido a se expandir em vez de se contrair. Como resultado, ela evoluirá desde o momento inicial que fixa seu nascimento espontâneo. Ao abordar este momento pela perspectiva do futuro, não corremos para o infinito. Mas a questão do que aconteceu antes desse momento não faz sentido, pois então não havia tempo nem espaço.
Deve ter um começo
Vários anos atrás, eu, juntamente com dois co-autores, provei um teorema que está diretamente relacionado ao nosso problema. Em termos gerais, ela argumenta que qualquer universo que se expande em média tem um começo. Esclarecimento "na média" significa que em alguns estágios o universo pode se contrair, mas ao longo de sua existência ele ainda está principalmente em expansão. E a conclusão sobre a existência do início significa que este universo tem histórias que, continuadas no passado, se separam, suas linhas de mundo têm certos pontos de partida. Pelo contrário, qualquer universo que existe eternamente não pode ter tais linhas de mundo, todas as suas histórias continuamente retrocedem no passado a uma profundidade infinita. E uma vez que os universos que nascem como resultado de processos inflacionários satisfazem as condições do teorema,eles devem ter um começo.
Você também pode simular matematicamente um universo fechado que ficou em um estado estático por um tempo infinitamente longo e então começou a se expandir. É claro que nosso teorema não se aplica a ele, porque a taxa média no tempo de sua expansão é zero. No entanto, esse universo sempre terá uma chance de entrar em colapso: isso é exigido pela mecânica quântica. A probabilidade de colapso pode ser muito pequena, mas como o universo está em um estado estático por um tempo infinito, isso certamente acontecerá, e tal universo simplesmente não viverá para se expandir. Portanto, novamente chegamos à conclusão de que o universo em expansão deve ter um início. Naturalmente, também se aplica ao nosso próprio universo.
Alexander Vilenkin, diretor do Instituto de Cosmologia da Tufts University, autor de The World of Many Worlds. Físicos em busca de outros universos”.
Entrevistado por: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
