Recentemente, a ideia principal de Stephen Hawking - de que o universo poderia ter surgido do nada - foi desafiada, e os cosmologistas tiveram que escolher de que lado tomar. Depois de dois anos de confronto, os cientistas concordaram que suas diferenças se resumem em visões diferentes sobre como a natureza funciona. O debate amigável ajudou a preservar o valor da ideia de Hawking.
Em 1981, muitos dos principais cosmólogos do mundo reuniram-se na Pontifícia Academia de Ciências, que testemunhou a fusão da ciência e da teologia e está localizada em uma elegante villa nos jardins do Vaticano. Stephen Hawking escolheu o dia de agosto para apresentar o que mais tarde chamaria de sua ideia mais importante: a hipótese de que o universo poderia ter surgido do nada.
Antes do discurso de Hawking, todas as histórias de origem cosmológica, científica ou teológica, eram questionáveis: "O que aconteceu antes disso?" Por exemplo, a teoria do Big Bang - proposta pela primeira vez 50 anos antes da palestra de Hawking pelo físico e padre católico belga Georges Lemaître, que mais tarde serviu como presidente da Academia de Ciências do Vaticano - diz que antes do início da expansão, o universo era um feixe quente e denso de energia … Mas de onde veio a energia original?
A teoria do Big Bang também tinha outras falhas. Os físicos entenderam que o feixe de energia em expansão preferiria se transformar em algo amassado e caótico, em vez de no enorme espaço liso que os astrônomos modernos observam. Em 1980, um ano antes do discurso de Hawking, o cosmologista Alan Guth percebeu que as imprecisões do Big Bang poderiam ser corrigidas com um pequeno acréscimo: um pico inicial exponencial no crescimento conhecido como inflação cósmica que tornaria o universo enorme, uniforme e plano. antes que a gravidade pudesse destruí-lo. A inflação rapidamente se tornou a principal teoria para a origem do nosso cosmos. E, no entanto, permanecia a questão de quais eram as condições iniciais: de onde veio o minúsculo ponto que supostamente se expandiu para o nosso universo e a energia potencial que o expandiu?
O magnífico Hawking encontrou uma maneira de acabar com as tentativas intermináveis de olhar ainda mais para o passado: ele presumiu que não havia fim nem começo. De acordo com a ata da conferência no Vaticano, o físico de Cambridge, então com 39 anos e que ainda falava com sua própria voz, disse ao público: “Deve haver algo especial nas condições nos confins do universo, e o que poderia ser mais especial do que isso. um estado em que não há fronteira?"
Hawking e James Hartle, com quem muitas vezes trabalharam juntos, finalmente formularam sua "hipótese sem fronteiras" em seu artigo de 1983, onde sugeriram que o espaço tem o formato de uma peteca. Assim como uma peteca tem um diâmetro zero em seu ponto mais baixo e se expande gradualmente ao longo do caminho, o universo, de acordo com a hipótese de não haver fronteiras, se expande suavemente de um ponto de tamanho zero. Hartle e Hawking criaram uma fórmula que descreve toda a peteca - a chamada "função de onda do universo" que abrange todo o passado, presente e futuro - tornando sem sentido a busca pelas origens da criação, um criador ou qualquer transição de um estado para outro no passado.
“De acordo com a hipótese da ausência de limites, não faz sentido questionar o que aconteceu antes do Big Bang, já que não existe um conceito de tempo que possa se tornar um ponto de partida”, disse Hawking durante outra palestra na Pontifícia Academia em 2016, um ano e meio antes de sua morte. "É como perguntar o que fica ao sul do Pólo Sul."
A hipótese de Hartle-Hawking revisou radicalmente o conceito de tempo. Cada momento no universo tornou-se um corte transversal de uma peteca; embora percebamos o universo se expandindo e evoluindo de um momento para o outro, o tempo na verdade consiste em correlações entre o tamanho do universo em cada seção e outras propriedades - especialmente sua entropia, ou desordem. A entropia aumenta da cortiça às penas, visando a seta emergente do tempo. No entanto, perto do fundo arredondado da nave, as correlações são menos confiáveis; o tempo deixa de existir e é substituído pelo espaço puro. Hartle, um professor da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, agora com 79 anos, comentou recentemente em uma conversa por telefone: “Não havia pássaros no universo primitivo; posteriormente, os pássaros apareceram. Não havia tempo no início do universoe então o tempo apareceu."
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A hipótese da não-fronteira fascinou e inspirou físicos por quase quarenta anos. “É uma ideia incrivelmente bela e provocativa”, disse Neil Turok, cosmologista do Instituto Canadense de Física Teórica em Waterloo e ex-colaborador de Hawking. A hipótese foi o primeiro esboço de uma descrição quântica do cosmos - a função de onda do universo. Logo, todo um campo da ciência, cosmologia quântica, emergiu, e vários pesquisadores começaram a oferecer ideias alternativas de como o universo poderia surgir do nada, analisaram várias previsões e maneiras de testar essas teorias e interpretaram suas implicações filosóficas. A função de onda infinita "era, de certa forma, a explicação mais simples para isso", disse Hartle.
Mas há dois anos, um artigo de Turok, Job Feldbrugge do Perimeter Institute e Jean-Luc Lehners do Max Planck Institute for Gravitational Physics na Alemanha desafiou a hipótese de Hartl-Hawking. Essa hipótese, é claro, só é viável se um universo que emerge de um ponto adimensional, como Hartle e Hawking imaginaram, crescer naturalmente para um universo como o nosso. Hawking e Hartl argumentaram que este é realmente o caso: universos sem fronteiras provavelmente serão enormes, incrivelmente lisos, impressionantemente planos e em expansão, assim como o próprio cosmos. “O problema com a abordagem de Stephen e Jim é que era ambígua”, disse Turok, “profundamente ambígua”.
Em um artigo de 2017 na Physical Review Letters, Turok e seus co-autores abordaram a hipótese do não-limite de Hartle-Hawking com novos métodos matemáticos que eles acreditam tornar suas previsões muito mais específicas. do que antes. “Descobrimos que havia falhado miseravelmente”, disse Turok. "Em termos de mecânica quântica, o universo simplesmente não poderia ter aparecido da maneira que eles imaginavam." Os três cientistas verificaram cuidadosamente os cálculos e os dados básicos antes de publicá-los, mas "infelizmente", disse Turok, "parecia inevitável que a proposta de Hartle-Hawking fosse inadequada".
A controvérsia surgiu sobre este artigo. Outros especialistas defenderam veementemente a ideia de não haver fronteiras e refutaram os argumentos de Turok e seus colegas. "Discordamos de seus argumentos técnicos", disse Thomas Hertog, físico da Universidade Católica de Leuven, na Bélgica, que trabalhou em estreita colaboração com Hawking nos últimos 20 anos de sua vida. “Mas, mais importante, também discordamos de sua definição, de seu conceito, de sua metodologia. Isso é o que gostaríamos de discutir em primeiro lugar”.
Após dois anos de confronto, os grupos de cientistas concordaram que suas diferenças se resumem em visões diferentes de como a natureza funciona. Um debate acalorado, mas ao mesmo tempo amigável, ajudou a preservar o valor da ideia que excitava Hawking. Mesmo seus críticos com Hartl da fórmula especial, e incluindo Turok e Lehner, desenvolvem modelos cosmológicos quânticos concorrentes, tentando evitar as alegadas armadilhas do original, enquanto mantém o encanto da ideia de infinito.
O jardim das delícias cósmicas
Desde a década de 1970, Hartle e Hawking se encontraram com frequência, geralmente quando tinham longas colaborações em Cambridge. Estudos teóricos de buracos negros e misteriosas singularidades em seus centros os forçaram a se voltar para a questão da origem de nosso universo.
Em 1915, Albert Einstein descobriu que concentrações de matéria ou energia deformam a estrutura do espaço-tempo, produzindo gravidade. Na década de 1960, Hawking e o físico Roger Penrose da Universidade de Oxford provaram que quando o espaço-tempo se curva de forma abrupta, por exemplo, dentro de um buraco negro ou talvez durante o Big Bang, ele inevitavelmente entra em colapso, curvando-se infinitamente abruptamente para dentro lado da singularidade, onde as equações de Einstein não funcionam e uma nova teoria quântica da gravidade é necessária. Os Teoremas da Singularidade de Penrose-Hawking dizem que o espaço-tempo não pode surgir suavemente, não agudamente em um ponto.
Assim, Hawking e Hartl ponderaram a possibilidade de que o universo surgiu como espaço puro em vez de espaço-tempo dinâmico. E isso os levou à ideia da geometria da peteca. Eles definiram uma função de onda ilimitada para descrever tal universo usando uma abordagem inventada pelo físico ídolo de Hawking, Richard Feynman. Na década de 1940, Feynman desenvolveu um esquema para calcular os resultados mais prováveis dos eventos da mecânica quântica. Feynman descobriu que, digamos, para prever os resultados mais prováveis de uma colisão de partículas, seria possível somar todos os caminhos possíveis que as partículas em colisão poderiam percorrer, dando aos caminhos retos mais importância do que os caminhos curvos. O cálculo desta "integral de caminho" dá a função de onda: a distribuição de probabilidade,indicando os vários estados possíveis das partículas após a colisão.
Da mesma forma, Hartle e Hawking apresentaram a função de onda do universo - descrevendo seus estados prováveis - como a soma de todos os caminhos possíveis nos quais ele poderia se expandir suavemente a partir de um ponto. Eles esperavam que a soma de todas as "histórias de expansão" possíveis, universos de fundo liso de todas as formas e tamanhos, produzisse uma função de onda que provavelmente geraria um universo enorme, liso e plano como o nosso. Se a soma ponderada de todas as histórias de expansão possíveis for o resultado mais provável de algum outro tipo de universo, a hipótese da não-fronteira é inconsistente.
O problema é que a integral de todas as histórias de expansão possíveis é muito complexa para ser calculada com precisão. Existem inúmeras variações nas formas e tamanhos dos universos, e cada uma delas pode ser uma história muito confusa. "Murray Gell-Mann costumava me perguntar", disse Hartle sobre o falecido físico ganhador do Prêmio Nobel, "se você conhece a função de onda do universo, por que não enriqueceu?" Claro, para realmente encontrar a função de onda usando o método de Feynman, Hartl e Hawking tiveram que simplificar radicalmente a situação, ignorando até mesmo as partículas específicas que habitam nosso mundo (o que significa que sua fórmula estava muito longe de prever os mercados de ações). Eles acreditavam que a trajetória é integral para todos os universos de brinquedo possíveis no "mini-superespaço",isto é, no agregado de todos os universos com um único campo de energia passando por eles: a energia que alimentou a inflação cósmica. (Na peteca Hartle-Hawking, este período de expansão inicial corresponde a um rápido aumento no diâmetro na base do plugue.)
Mesmo o minisuperspaço é difícil de calcular com precisão, mas os físicos sabem que existem duas histórias de expansão possíveis que poderiam ser os resultados mais prováveis desses cálculos. Essas formas concorrentes do universo correspondem a dois lados do debate atual.
Essas duas teorias concorrentes representam duas histórias "clássicas" da expansão do universo que poderia ter ocorrido. Após a explosão inicial da inflação cósmica de tamanho zero, esses universos estão se expandindo continuamente de acordo com a teoria da gravidade e do espaço-tempo de Einstein. Histórias de expansão mais complexas, como universos bola de futebol e lagarta, são amplamente negadas pela computação quântica.
Uma das duas soluções clássicas lembra o nosso universo. Em uma escala maior, é suave e a energia é espalhada aleatoriamente por ele devido às flutuações quânticas durante a inflação. Como no universo real, as diferenças de densidade entre suas diferentes regiões formam uma curva gaussiana próxima de zero. Se esta possível solução é de fato a mais plausível ao calcular a função de onda para o minisuperspaço, é possível imaginar que uma versão muito mais detalhada e precisa da função de onda infinita poderia servir como um modelo cosmológico viável do universo real.
Outra forma potencialmente dominante do universo não é nada parecida com a real. À medida que se expande, a energia que o preenche varia cada vez mais nitidamente, criando enormes gradientes de densidade de um lugar para outro, e a gravidade está constantemente aumentando. As mudanças de densidade formam uma curva gaussiana invertida, onde as diferenças entre as regiões se aproximam do infinito, em vez de zero. Se este é o termo dominante na função de onda infinita para minisuperspace, então a proposta de Hartle-Hawking pode parecer errada.
Duas histórias de expansão dominantes nos forçam a escolher como a integral de caminho deve ser realizada. Se as histórias dominantes são dois locais em um mapa, megacidades no reino de todos os universos da mecânica quântica possíveis, a questão é que trajetória devemos seguir por essas terras. Que história de expansão dominante, e só pode haver uma, deve nosso "contorno de integração" escolher? Os pesquisadores já trilharam caminhos diferentes.
Em um artigo de 2017, Turok, Feldbrugge e Lehner percorreram o jardim de possíveis histórias de expansão que os levaram a uma segunda decisão dominante. Em sua opinião, o único contorno lógico é aquele que olha para valores reais (em oposição a valores imaginários, que incluem as raízes quadradas de números negativos) para uma variável chamada "espaçamento". Basicamente, o espaçamento é a altura de cada universo de peteca possível, a distância em que atinge um determinado diâmetro. Como o desvio não tem ponto de partida, não se encaixa em nossa compreensão do tempo. Não obstante, Turok e seus colegas referem-se parcialmente em seu raciocínio a uma relação causal, argumentando que os significados físicos têm apenas valores reais do intervalo. E a soma dos universos com os valores reais dessa variável leva a uma solução altamente instável e sem sentido do ponto de vista da física.
“As pessoas dão muito valor à intuição de Steven”, disse Turok ao telefone. “Por razões óbvias - quero dizer, ele provavelmente teve a melhor intuição sobre esses assuntos. Mas ele nem sempre estava certo."
Mundos imaginários
Jonathan Halliwell, um físico do Imperial College London, estudou a hipótese da não-fronteira desde que estudou com Hawking nos anos 1980. Junto com Hartl, eles analisaram a questão do contorno da integração em 1990. Do ponto de vista deles, assim como do ponto de vista de Hertog e, aparentemente, de Hawking, o contorno não é fundamental, mas sim a ferramenta matemática que mais benefícios proporciona. Da mesma forma, a trajetória de um planeta em torno do Sol pode ser representada matematicamente como uma série de ângulos, como uma série de vezes ou como qualquer um dos vários outros parâmetros convenientes. “Você pode fazer essa estimativa de parâmetro de várias maneiras, mas nenhuma delas é mais física do que a outra”, disse Halliwell.
Ele e seus colegas argumentam que, no caso do minisuperspace, apenas os contornos que capturam a história de expansão correta fazem sentido. A mecânica quântica requer probabilidades para somar 1 ou ser "normalizável", mas o universo altamente instável ao qual a equipe de Turok veio não é. Essa decisão não tem sentido, sofre com o infinito e não obedece às leis quânticas - de acordo com os defensores da hipótese da não-fronteira, isso indica claramente a necessidade de seguir outro caminho.
É verdade que os contornos que passam pela solução correta somam os universos possíveis com os valores imaginários de suas variáveis. Mas, além de Turok e companhia, poucos consideram isso um problema. Os números imaginários permeiam a mecânica quântica. Os críticos da equipe Hartle-Hawking citam um equívoco de causalidade ao exigir que o "intervalo" seja real. “Esse é um princípio que não foi ordenado pelo céu e do qual discordamos profundamente”, diz Hertog.
Hertog diz que Hawking raramente mencionou a forma integral do caminho da função de onda infinita nos últimos anos, em parte devido à ambigüidade na escolha do contorno. Ele viu a história da expansão normalizada, que foi recentemente descoberta usando o caminho integral, como uma solução para uma equação mais fundamental do universo, apresentada na década de 1960 pelos físicos John Wheeler e Bryce DeWitt. Wheeler e DeWitt, ponderando esta questão enquanto paravam no Aeroporto Internacional de Raleigh-Durham, argumentaram que a função de onda do universo, seja ela qual for, não pode ser dependente do tempo, uma vez que não há relógio externo pelo qual poderia ser a medida. Portanto, a quantidade de energia no universo quando você soma as contribuições positivas e negativas de matéria e gravidade deve permanecer sempre zero. A função de onda ilimitada satisfaz a equação de Wheeler-DeWitt para minisuperspace.
Nos últimos anos da vida de Hawking, ele e seus colegas de trabalho começaram a usar a holografia, uma nova abordagem de sucesso que vê o espaço-tempo como um holograma, para compreender melhor a função de onda como um todo. Hawking buscou uma descrição holográfica do universo na forma de uma peteca, na qual a geometria de todo o passado seria projetada a partir do presente.
Esses esforços continuam na ausência de Hawking. Mas o turco vê essa mudança de ênfase como uma mudança nas regras. Segundo ele, recusando-se a formular a integral do caminho, os partidários do modelo sem fronteira o tornaram mal definido. Em sua opinião, o que eles estão estudando não é mais o modelo Hartle-Hawking, embora o próprio Hartl não concorde com isso.
No ano passado, Turok e seus colegas do Perimeter Institute Latham Boyle e Kieran Finn desenvolveram um novo modelo cosmológico que tem muito em comum com o modelo sem fronteiras. Mas, em vez de uma peteca, ela consiste em dois plugues em forma de ampulheta nos quais o tempo flui em ambas as direções. Embora o modelo ainda não esteja suficientemente desenvolvido para predizer nada, sua beleza reside no fato de que suas pétalas implementam a simetria CPT, aparentemente um espelho natural fundamental que reflete simultaneamente matéria e antimatéria, esquerda e direita, bem como para frente e de volta no tempo. Uma de suas desvantagens é que as pétalas da imagem espelhada do universo ocorrem no singular, no espaço-tempo,que requer uma compreensão da desconhecida teoria quântica da gravidade. Boyle, Finn e Turok apostam na singularidade, mas essa tentativa é especulativa.
Há também um ressurgimento do interesse no "modelo de tunelamento", uma visão alternativa da origem do universo a partir do nada, desenvolvida na década de 1980 pelos cosmólogos russos-americanos independentes Alexander Vilenkin e Andrey Linde. O modelo, que difere da função de onda ilimitada principalmente pelo sinal menos, considera o nascimento do Universo como um evento de "tunelamento" da mecânica quântica, semelhante a quando uma partícula flutua atrás de uma barreira em um experimento de mecânica quântica.
Existem muitas questões sobre como os vários modelos se relacionam com o raciocínio antrópico e a ideia infame de um multiverso. Por exemplo, uma função de onda infinita favorece universos vazios, enquanto um enorme universo complexo requer quantidades significativas de matéria e energia. Hawking argumentou que uma vasta gama de universos possíveis que se encaixam na função de onda deve ser realizada em algum multiverso maior, dentro do qual apenas universos complexos como o nosso terão habitantes capazes de observar. (A controvérsia recente gira em torno da questão de se esses universos habitáveis complexos serão suaves ou altamente flutuantes.) A vantagem do modelo de tunelamento é que ele favorece universos cheios de matéria e energia.como o nosso, não há necessidade de recorrer ao raciocínio antrópico - embora os universos em tunelamento possam ter outros problemas.
Aconteça o que acontecer, talvez parte da essência da pintura, pintada pela primeira vez por Hawking na Pontifícia Academia de Ciências há 38 anos, ainda permaneça. Ou, talvez, em vez de um não-começo como o Pólo Sul, o universo emergiu da singularidade e algum tipo completamente diferente de função de onda é necessário. Em qualquer caso, a busca continuará. "Se estamos falando sobre teoria da mecânica quântica, o que mais pode ser encontrado além da função de onda?" perguntou Juan Maldacena, um distinto físico teórico do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, Nova Jersey, que se manteve bastante afastado da polêmica recente. Segundo Maldacena, que, aliás, é membro da Pontifícia Academia, a questão da função de onda do universo é "a questão certa". “Será que encontramos a função de onda correta,ou como devemos imaginar a função de onda não é mais tão claro."
Natalie Wolchover
