Uma das maiores questões sobre o nosso universo é de onde tudo veio. Quando descobrimos que as espirais gigantes no céu eram galáxias não muito diferentes de nossa Via Láctea, primeiro começamos a entender a magnitude do que percebemos. Essas distantes “ilhas do universo” não estão na Via Láctea: são coleções de bilhões ou trilhões de estrelas, separadas por milhões ou bilhões de anos-luz no espaço.
Quando descobrimos que quanto mais longe uma galáxia está de nós, mais rápido ela sai de nossa perspectiva, uma coisa curiosa se abriu diante de nós, o que é consistente com a relatividade geral: talvez não sejam as galáxias que estão se afastando de nossa localização, mas a própria estrutura do espaço está se expandindo. Nesse caso, o universo não deve apenas se expandir, mas também esfriar, e o comprimento de onda da luz deve se estender para energias cada vez mais baixas ao longo do tempo. Além disso, podemos extrapolar isso não apenas para a frente, mas também para trás: em uma época em que o universo era menor.
Olhando nesta direção, vemos que o universo era mais denso, mais quente, se expandia mais rapidamente e era mais compacto. Em sua juventude, o universo era tão enérgico que átomos neutros se despedaçavam e, mesmo antes disso, não podiam formar nem mesmo núcleos atômicos individuais.
Tal quadro - o Big Bang - foi confirmado pela descoberta da radiação relíquia, a radiação cósmica de fundo, medições de seu espectro e flutuações, bem como a descoberta dos elementos primários que permaneceram desde então. Mas por mais tentador que seja voltar a um estado extremamente quente e denso, a uma singularidade, isso é simplesmente impossível em nosso universo.
Veja, existem alguns problemas sérios que surgem se você tentar voltar tão longe:
- O universo não se expandiria indefinidamente, não entraria em colapso imediatamente, não permitiria a formação de estrelas ou galáxias, se a taxa de expansão inicial e a densidade de energia não estivessem perfeitamente equilibradas.
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- O universo teria temperaturas diferentes em direções diferentes - o que não observamos - se algo não levasse a uma distribuição uniforme de temperatura.
- O universo seria preenchido com relíquias de alta energia que nunca foram encontradas, como resultado de extrapolações arbitrárias de volta ao passado.
E, novamente, quando observamos o universo, vemos estrelas e galáxias; ela tem a mesma temperatura em todas as direções; nenhuma relíquia de alta energia é visível.
A solução para esses problemas foi a teoria da inflação cósmica, que substituiu a ideia de uma singularidade por um período de expansão exponencial do espaço e que prescreveu tais condições iniciais que não poderia haver um Big Bang. Além disso, a inflação fez seis previsões do que devemos observar em nosso universo:
- Universo perfeitamente plano.
- Um universo com flutuações em uma escala maior do que a luz poderia superar.
- Um universo com uma temperatura máxima que não será arbitrariamente alta.
- o Universo, cujas flutuações eram adiabáticas, ou entropia igual em todos os lugares.
- O Universo, cujo espectro de flutuações era ligeiramente menor do que a natureza invariante de escala (n_s <1).
- Finalmente, o Universo com um certo espectro de flutuações das ondas gravitacionais.
O primeiro foi confirmado, o sexto ainda está sendo procurado.
A próxima pergunta lógica sobre nossas origens será, claro, de onde veio a inflação? Esse estado era eterno em relação ao passado (ou seja, não teve origem e sempre existiu) até o fim e a criação do Big Bang? Esse estado teve um início quando emergiu do estado não inflacionário do espaço-tempo em algum tempo específico no passado? Ou estava em um estado cíclico quando o tempo estava travado em um loop?
O difícil é que não há nada que pudéssemos observar em nosso Universo, o que nos permitiu escolher uma dessas três opções. Em todos os modelos de inflação, exceto os mais rebuscados (e outros além dos que excluímos), nosso universo foi afetado apenas pelos últimos 10 (-33) segundos de inflação ou algo assim. A natureza exponencial da inflação apaga qualquer informação que nasceu antes dela, separando-a de tudo que podemos observar, soprando-a para fora de nosso universo observável.
Mas o que resta para nós na forma do Universo observável é enorme: 46 bilhões de anos-luz de raio, 1.012 galáxias, 1.024 estrelas, 1.080 átomos e cerca de 1.090 fótons. Mas esses números, embora astronômicos, são finitos e não nos fornecem nenhuma informação sobre o que aconteceu no universo antes dessa minúscula última fração de segundo de inflação. Podemos fazer cálculos teóricos para tentar extrair mais algumas suposições, mas todas dependerão do modelo escolhido. Com exceção de alguns modelos específicos que deixariam pegadas observáveis em nosso universo (a maioria não), não temos como saber como - ou mesmo se - o universo teve seu início.
A quantidade total de informações disponíveis para nós no Universo é limitada, e com ela a quantidade de conhecimento que podemos obter sobre ela. Porém, ainda há muito a ser aprendido, ainda há muita ciência que não se conhece. Mas algumas coisas provavelmente nunca saberemos. O universo pode ser infinito, mas nosso conhecimento dele nunca será.
