As pessoas sempre foram fascinadas por duas teorias principais sobre a origem do universo. “Em uma delas, o Universo surge em um único momento de criação (como na cosmogonia judaico-cristã e brasileira)”, escreveram os cosmólogos Mario Novello e Santiago Perez-Bergliff em 2008. Em outro - "O universo é eterno e consiste em uma série infinita de ciclos (como na cosmogonia dos babilônios e egípcios)." A divisão na cosmologia moderna "de alguma forma ecoa mitos cosmogônicos", escreveram cosmologistas.
Pode parecer que não houve muitos confrontos nas últimas décadas. A Teoria do Big Bang, um tópico padrão em livros e programas de TV, tem forte apoio de cosmologistas modernos. A imagem de um universo eterno era preferível cerca de cem anos atrás, mas perdeu apoio quando os astrônomos viram que o cosmos estava se expandindo e que era pequeno e simples 14 bilhões de anos atrás. Na versão moderna mais popular desta teoria, o Big Bang começou com a chamada "inflação cósmica" - uma explosão de expansão exponencial, durante a qual uma fatia infinitesimal do espaço-tempo se transformou em um grande espaço plano e macroscópico, que continuou a se expandir desde então.
Hoje, usando um ingrediente inicial (o campo do ínflaton), os modelos inflacionários reproduzem muitos dos detalhes conhecidos do cosmos. Mas, como história de origem, a teoria da inflação perde de muitas maneiras: não está claro o que a precedeu e o que foi antes. Muitos teóricos acreditam que o campo do ínflaton deveria se encaixar naturalmente em uma teoria mais completa, embora ainda desconhecida, da origem do tempo.
Nos últimos anos, mais e mais cosmologistas começaram a revisar cautelosamente a alternativa. Dizem que o Big Bang poderia ter sido … o Big Rebound. Alguns cosmologistas preferem ver uma imagem na qual o universo se expande e se contrai ciclicamente como um pulmão, saltando sempre que se contrai até certo tamanho; outros sugerem que o cosmos apenas saltou uma vez - e que entrou em colapso antes de se recuperar por um tempo infinitamente longo e se expandiria indefinidamente depois disso. Em qualquer modelo, o tempo continua fluindo para o passado e o futuro sem fim.
Há esperança com a ciência moderna de resolver esse antigo debate. Nos próximos anos, os telescópios devem encontrar evidências convincentes da inflação cósmica. Durante o primeiro crescimento desenfreado - se é que houve um - as ondulações quânticas na estrutura do espaço-tempo deveriam ter se estendido e impresso como pequenos redemoinhos na polarização da luz antiga - o fundo cósmico de microondas. Experimentos com telescópios modernos e futuros procuram esses redemoinhos. Se não forem encontrados nas próximas décadas, também não significará que a teoria da inflação esteja errada (afinal, esses vórtices podem ser muito turvos), mas fortalecerá a posição da cosmologia de rebote, segundo a qual esses vórtices não deveriam estar.
Vários grupos de cientistas fizeram simultaneamente progressos notáveis. No ano passado, os físicos identificaram duas novas opções para uma possível recuperação. Um dos modelos, descrito em um artigo publicado no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, foi apresentado por Anna Idjas, da Columbia University, após seu trabalho anterior com o cosmologista Paul Steinhardt. Surpreendentemente, outra nova solução de salto, aceita para publicação na Physical Review D, foi proposta por Peter Graham, David Kaplan e Surjit Rahendran, um trio conhecido de cientistas que estavam mais focados na física de partículas e não eram afiliados à comunidade de cosmologistas de salto.
Em geral, essa questão ganhou um novo significado em 2001, quando Steinhardt e três outros cosmologistas afirmaram que o período de lenta compressão na história do Universo poderia explicar sua suavidade e planura excepcionais que observamos hoje, mesmo depois de uma recuperação - sem ter que controlar a inflação.
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A impecável simplicidade do universo, o fato de que nenhuma região do céu contém mais matéria do que qualquer outra, e que o espaço é tão plano quanto os telescópios podem ver, são todos incríveis e inexplicáveis. Para que o espaço seja tão homogêneo quanto é, os especialistas acreditam que quando o espaço tinha um centímetro de largura, ele precisava ter a mesma densidade em todos os lugares dentro de uma parte por 100.000. Mas, à medida que crescia de pequenas dimensões, matéria e energia tinham que imediatamente aglomeram e distorcem o espaço-tempo. Por que nossos telescópios não conseguem ver um universo destruído pela gravidade?
"A inflação surgiu da ideia de que a suavidade e a planura do universo são insanas", diz o cosmologista Neil Turok, diretor do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Ontário, e coautor de um artigo de 2001 sobre contração cósmica de Steinhardt, Justin Howry e Bert Ovroot. … No cenário de inflação, uma região centimétrica emergiu no processo de expansão inflacionária de uma região ainda menor - uma pequena mancha não maior que um trilionésimo de um trilionésimo de centímetro. Estendendo-se em um campo inflatônico plano e liso, essa partícula não deveria ter passado por fortes flutuações de espaço e tempo e se estendido em um universo grande e liso como o nosso. Raman Sundrum, um físico teórico da Universidade de Maryland, disse que gosta de "resiliência embutida" na inflação. Se, durante a fase de crescimento explosivo, houvesse um acúmulo de energia que distorcesse o espaço-tempo em determinado local, essa concentração deveria ter se expandido rapidamente.
No entanto, ninguém sabe de onde exatamente essa partícula incrivelmente pequena veio e por que era tão lisa e plana. Os teóricos encontraram muitas opções possíveis para incorporar o campo do ínflaton à teoria das cordas, a partir da qual uma teoria quântica da gravidade pode ser derivada. Mas até agora não há fatos a favor ou contra essas idéias.
A inflação cósmica também tem uma consequência controversa. A teoria apresentada na década de 1980 por Alan Guth, Andrey Linde, Alexei Starobinsky e Steinhardt leva quase que automaticamente à hipótese de que nosso universo é uma bolha aleatória em um mar infinito de multiversos. Assim que a inflação começar, os cálculos mostram que ela continuará para sempre e só parará nos lugares, nos "bolsos", nos quais universos como o nosso florescerão. A possibilidade de um multiverso em constante expansão no processo de inflação sugere que nossa bolha particular pode permanecer para sempre incompreensível, uma vez que tudo o que é possível aconteceu no multiverso um número infinito de vezes. Claro, essa conclusão faz os especialistas engasgarem. É difícil imaginar que nosso universo só pode ser um entre muitos. O próprio Steinhardt chamou essa ideia de "lixo".
Essa atitude em parte motivou ele e outros pesquisadores a lidar com rebotes. “Não há período de inflação no modelo de recuperação”, diz Turok. Em vez disso, eles adicionaram um período de compressão pré-Big Bang explicando nosso universo homogêneo. "Assim como o gás em sua sala é completamente homogêneo porque as moléculas de ar colidiram e se misturaram, o universo era grande e lentamente comprimido, o que deu tempo para se alisar."
Embora os primeiros modelos de um universo em encolhimento fossem confusos e imprecisos, muitos cientistas se convenceram da ideia básica: que o encolhimento lento poderia explicar muitas das características de nosso universo em expansão. “E então a recuperação se tornou o gargalo. As pessoas concordaram que entrar na fase de contração é muito interessante, mas não se você não puder entrar na fase de expansão."
Pular não é fácil. Na década de 1960, os físicos britânicos Roger Penrose e Stephen Hawking provaram um conjunto dos chamados "teoremas da singularidade" mostrando que, sob condições muito gerais, a compressão da matéria e da energia resultaria inevitavelmente em um ponto incomensuravelmente denso - uma singularidade. Esses teoremas dificilmente podem acomodar a ideia de como um universo em encolhimento, no qual matéria, espaço-tempo e energia rolam para dentro, escapa do colapso para uma singularidade - em que a teoria clássica de gravidade e espaço-tempo de Albert Einstein deixa de funcionar e em que as regras da gravidade quântica começam a funcionar … Por que um universo em encolhimento escaparia do destino de uma estrela massiva que morre, encolhe a um ponto e se torna um buraco negro?
Ambos os modelos de rebote propostos exploram lacunas nos teoremas de singularidade - aqueles que pareceram becos sem saída por muitos anos. Os cosmologistas de rebote há muito reconheceram que os rebotes poderiam ser possíveis se o universo contivesse matéria de energia negativa (ou outras fontes de pressão negativa) que neutraliza a gravidade e repele tudo. Os cientistas tentaram explorar essa lacuna desde o início dos anos 2000, mas sempre descobriram que adicionar ingredientes de energia negativa torna seu modelo do universo instável, porque as flutuações quânticas de energia positiva e negativa podem emergir espontaneamente em um vácuo de energia zero do espaço. Em 2016, o cosmólogo russo Valery Rubakov e seus colegas até provaram um teorema que excluía uma grande classe de mecanismos de rebote.
Então, Idjas encontrou um mecanismo de recuperação que também pode contornar essa exceção. O ingrediente principal em seu modelo é uma entidade simples, um "campo escalar" que, em teoria, poderia entrar em ação quando o universo estivesse se contraindo e a energia se tornasse altamente concentrada. O campo escalar poderia se esconder no campo gravitacional de forma a exercer pressão negativa sobre o universo, evitando a compressão e alongamento do espaço-tempo. O trabalho de Idjas é “a melhor tentativa de controlar todas as instabilidades possíveis e criar um modelo verdadeiramente estável com este tipo específico de substância”, diz Jean-Luc Leiners, cosmologista teórico do Instituto Max Planck de Física Gravitacional na Alemanha que também trabalhou em variações de salto.
Graham, Kaplan e Rahendran apresentaram sua ideia de recuperação não singular em uma pré-impressão no arxiv.org em setembro de 2017. Eles começaram seu trabalho perguntando se a fase anterior de contração na história do universo poderia explicar o significado da constante cosmológica - um número surpreendentemente pequeno que determina a quantidade de energia escura costurada na estrutura do espaço-tempo, a energia que impulsiona a expansão acelerada do universo.
Trabalhando na parte mais difícil - a recuperação - o trio explorou uma segunda lacuna, em grande parte esquecida, nos teoremas da singularidade. Eles se inspiraram no estranho modelo de universo proposto pelo lógico Kurt Gödel em 1949, quando ele e Einstein trabalhavam no Instituto de Estudos Avançados de Princeton. Gödel usou as leis da relatividade geral para criar uma teoria de um universo em rotação, cuja rotação o impedia de colapso gravitacional, da mesma forma que a órbita da Terra o impede de cair sobre o sol. Gödel enfatizou especialmente o fato de que seu universo rotativo permitia "curvas temporais fechadas", ou seja, loops temporais. Até sua morte, ele acreditava que o universo girava exatamente como seu modelo sugere. Os cientistas hoje sabem que esse não é o caso;caso contrário, algumas direções e ordenação no espaço seriam preferíveis a outras. Mas Graham e companhia refletiram sobre dimensões espaciais pequenas e giratórias que poderiam existir no espaço, como as seis dimensões extras postuladas pela teoria das cordas. Um universo em encolhimento poderia girar nessas direções?
Imagine que haja apenas uma dessas dimensões extras torcidas, um minúsculo círculo em cada ponto do espaço. Como diz Graham, "em cada ponto do espaço há uma direção adicional na qual você pode se mover, a dimensão da quarta dimensão, mas você só pode caminhar uma curta distância e retornar ao ponto de partida". Se houver pelo menos três dimensões extras compactas, então à medida que o universo se contrai, matéria e energia podem começar a girar nelas, e as próprias dimensões girarão com matéria e energia. Um giro em dimensões extras pode repentinamente iniciar uma recuperação. “Todas essas coisas que deveriam ter colapsado em uma singularidade não chegarão lá por causa da rotação em dimensões extras”, diz Graham. “Toda essa substância teve que entrar em colapso em um ponto,mas em vez disso, ele vai voar para longe."
O trabalho dos cientistas chamou a atenção de pessoas fora do círculo usual de cosmologistas de rebote. Sean Carroll, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, é cético em relação a ela, mas chama a própria ideia de "muito inteligente". Ele acredita que é importante desenvolver alternativas à história tradicional da inflação para entender o quão melhor a teoria da inflação se comparará - especialmente quando os telescópios da próxima geração forem lançados. Ele também acredita que, se uma teoria alternativa tem até 5% de chance de sucesso, vale a pena testá-la. E este trabalho não é exceção.
Ilya Khel
