O universo teve um começo. Mas onde tudo começou? O que você se tornou no começo? Sabemos que tudo começou com uma expansão bastante rápida e terminou com o aparecimento de um grande número de galáxias feitas de pequenas partículas. Mas o que veio antes disso? Quais eram as leis da física quando tudo começou? Os físicos famosos James Hartl e Stephen Hawking ofereceram várias respostas a essas perguntas há várias décadas. Um novo trabalho de outro grupo de físicos analisou a interpretação popular de Hawking e Hartle da geometria do Big Bang e teve alguns problemas. Esses resultados lançam luz sobre o problema do início do universo. Um novo obstáculo que todas as teorias do futuro terão que superar.
“Tentamos um cálculo mais rigoroso e encontramos uma solução diferente”, diz Job Feldbrügge, um estudante de graduação residente no Perimeter Institute. "A teoria que estamos usando lança uma nova luz sobre a teoria existente e mostra que pode não funcionar como esperávamos."
Os cientistas geralmente tentam entender o início do universo observando as leis da gravidade de Einstein, chamadas relatividade geral, e jogando-as de trás para frente. Afinal, eles querem chegar ao ponto em que o universo era muito pequeno. Mas surgem as questões mais interessantes sobre como era o universo jovem, era pequeno o suficiente para obedecer às leis da mecânica quântica, que governa as menores partículas, átomos e fótons.
Existem várias maneiras de iniciar um universo como o nosso. Talvez, Hawking e Hartle pensaram, este universo condensado fosse apenas um ponto no espaço com um estado quântico especial, a chamada função de onda, que descreve tudo na linguagem da mecânica quântica. Então chegou a hora. Filosofia e religião precisam falar muito sobre esse assunto, mas os matemáticos só precisam de papel e caneta. Este universo de pontos se desenvolveu com base na matemática da relatividade geral com as propriedades originais da mecânica quântica embutidas em sua estrutura. Assim, essas pequenas flutuações aleatórias de energia no espaço deveriam ter, no curso de rápida expansão - inflação - se transformado em diferenças de densidade em grande escala que observamos no Universo moderno, com galáxias e vazios. A teoria de Hawking e Hartle era uma das várias maneiras de marcar o início de um universo sem singularidade, um ponto de volume zero e massa infinita que não fazia muito sentido. Outras ideias, como as sugeridas por Alexander Vilenkin, não implicaram essa singularidade inicial.
Um novo artigo que apareceu recentemente no servidor de pré-impressão arXiv apresenta um problema. Calculando na matemática de Hawking, Hartles e Vilenkin, a nova equipe não obteve as pequenas flutuações quânticas necessárias para criar o universo atual. Em vez disso, essas flutuações são gigantescas e criam um universo completamente diferente do nosso.
“Os cálculos que fizemos levaram a fortes ondas gravitacionais após o Big Bang”, diz Feldbrugge - enormes flutuações na forma do próprio espaço-tempo. “Não poderia levar a um universo como o de hoje. Os cálculos contradizem o que vemos."
Hartl não está particularmente preocupado com os resultados da equipe Feldbrugge. “Em cosmologia, ainda temos poucos dados em comparação com o que poderia ter sido”, diz ele. "Portanto, fazemos o nosso melhor para apoiar a parte da teoria que melhor se adequa às nossas observações." Ele vê o novo trabalho como mais uma tentativa de virar o jogo, oferecendo mais informações e um caminho matemático diferente que os cientistas podem seguir. "Os pesquisadores têm o direito de escolher se querem seguir essa ideia ou outra."
Sua equipe também publicou recentemente outro artigo revisando sua própria matemática e demonstrando por que sua teoria ainda funciona.
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Ainda assim, a matemática de Feldbrugge e sua equipe parecem mostrar que uma aparência suave de um universo sem qualquer singularidade "não é uma opção". Sua matemática contesta diretamente Hartle e Hawking.
Ligar a mecânica quântica e a relatividade geral para explicar o início do universo não é algo novo nem um problema próximo de ser resolvido. Na verdade, este é um dos principais problemas que os físicos teóricos estão tentando resolver, dada a sua importância para a compreensão da origem do universo, quando os dois conjuntos de leis são aplicadas na mesma escala, e a importância para os buracos negros em que a gravidade é tão forte que a luz não pode deixá-la.
Mas o mais importante, Feldbrugge não acredita que um universo que começa com as leis da mecânica quântica e da relatividade poderia criar pequenas flutuações que levariam a um universo como o nosso - ele acha que deve haver algo mais. “Não está claro qual solução será a opção final”, diz ele.
As opiniões dos físicos sobre este assunto são muito diferentes. Paul Steinhardt, professor de física da Universidade de Princeton, diz que já existem maneiras alternativas de evitar problemas em um novo emprego, bem como outras reclamações sobre o modelo Hawking-Hartle. Este chamado modelo infinito requer algumas soluções matemáticas para criar um universo como o nosso.
“Qual é a alternativa? Um salto sem singularidade”, diz ele, referindo-se a um modelo que está desenvolvendo com a cosmóloga teórica de Princeton Anna Idjas. De acordo com esse modelo, o universo entra em colapso e então se desdobra em nosso próprio universo, muito antes que se possa começar a pensar sobre os efeitos da mecânica quântica.
Sabine Hossenfelder, pesquisadora do Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt, não tem certeza dos novos resultados. “A única coisa que posso concluir é que não sabíamos como o universo começou antes deste trabalho ser escrito. E não sabíamos disso depois que esse trabalho foi publicado”. Os teóricos levam a matemática a sério e têm feito esses cálculos com o tempo e o espaço muito antes que os telescópios os confirmassem. A única maneira de saber com certeza o que está acontecendo é experimentando.
Hoje, a maioria dessas teorias pode ser confirmada ou refutada por observações da luz mais antiga que chegou até nós, a radiação cósmica de fundo. Os cientistas esperam que os insights de suas teorias ajudem a isolar assinaturas importantes desses dados.
É possível verificar o trabalho de Feldbrugge e sua equipe? Eles estão apenas começando. Obviamente, a verificação levará muito tempo. Os cientistas precisam criar um universo que se assemelhe ao nosso. Mas os detalhes desse processo ainda não foram determinados.
ILYA KHEL
