Os físicos teóricos e cosmologistas devem buscar respostas para as questões mais fundamentais: "Por que estamos aqui?", "Quando o Universo apareceu?" e "Como isso aconteceu?" No entanto, apesar da óbvia importância de encontrar respostas para essas questões, há uma questão que ofusca todas elas com seu interesse: "O que aconteceu antes do Big Bang?"
Sejamos honestos: não podemos responder a essa pergunta. Ninguém pode. Mas afinal, ninguém proíbe especular sobre este assunto e considerar várias suposições interessantes? Sean Carroll, do California Institute of Technology, por exemplo, concorda com isso. No mês passado, Carroll participou de uma reunião semestral da American Astronomical Society, onde propôs vários cenários "pré-explosivos", cujo "acorde final" poderia ser o surgimento de nosso universo. Novamente, isso é apenas especulação, não teoria, portanto, mantenha isso em mente.
"Naquela época, por assim dizer, as leis da física que conhecemos ainda não estavam em vigor, porque" então "ainda não existiam", diz Carroll.
“Quando os físicos dizem que não têm ideia do que aconteceu então, eles falam com toda a seriedade. Este segmento da história está em uma escuridão absolutamente impenetrável”, concorda Peter Voight, físico teórico da Universidade de Columbia.
Uma das propriedades mais estranhas do nosso universo é que ele tem um nível muito baixo de entropia. Este termo tem muitas interpretações, mas neste caso estamos falando sobre o grau de desordem. E no caso do Universo, há mais ordem nele do que desordem. Imagine uma bomba cheia de areia. A bomba explode, e os bilhões de bilhões de grãos de areia contidos nela se espalham em diferentes direções - na verdade, na sua frente está um modelo do Big Bang.
“Só que em vez da dispersão caótica esperada, esses grãos de areia, representando a matéria do nosso universo, imediatamente se transformam em muitos“castelos de areia”prontos, formados de forma incerta e sem ajuda externa,” - diz Stephen Countryman, estudante de graduação na Universidade de Columbia.
O resultado do Big Bang poderia (e talvez devesse ter) sido o surgimento de um alto nível de entropia de massa na forma de matéria distribuída desigualmente. Em vez disso, porém, vemos sistemas estelares, galáxias e aglomerados de galáxias inteiros interconectados. Vemos ordem.
Além disso, é importante entender que a entropia, ou desordem, só pode aumentar com o tempo - o mesmo castelo de areia mais cedo ou mais tarde e sem ajuda externa novamente se desintegrará em muitos grãos de areia. Além disso, como Carroll aponta, nossa observação do tempo está diretamente relacionada ao nível de entropia desde o início do universo. Ao mesmo tempo, a própria entropia pode ser considerada como um tipo de propriedade física dependente do tempo com apenas uma direção de movimento - para o futuro.
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Então, a entropia, de acordo com as leis da física, só pode aumentar, mas seu nível atual no Universo é muito baixo. Segundo Carroll, isso só pode significar uma coisa: o Universo primitivo tinha um nível ainda mais baixo, ou seja, o Universo deveria ser ainda mais organizado e ordenado. E isso, por sua vez, pode dar origem à ideia do que aconteceu de fato ao nosso Universo antes do próprio Big Bang.
“Existem muitas pessoas que acreditam que o universo primitivo era um sistema muito simples, desinteressante e sem expressão. No entanto, assim que você conecta a entropia a essa pergunta, a perspectiva muda imediatamente e você percebe que, neste caso, há coisas que precisam ser explicadas”, continua Carroll.
Mesmo se colocarmos de lado a entropia, teremos outros aspectos igualmente importantes que precisam ser ajustados de alguma forma ao nosso Universo atual em que vivemos. Além disso, em alguns casos, um baixo nível de entropia parece menos significativo do que em outros. Portanto, tentaremos considerar as três suposições mais populares sobre o que poderia ter acontecido ao Universo antes do Big Bang.
O modelo do Big Rebound
Segundo uma das hipóteses, o baixo nível de entropia do nosso Universo se deve ao fato de que seu próprio surgimento foi o resultado da desintegração de algum Universo "anterior". Essa hipótese afirma que nosso Universo poderia ter se formado como resultado de uma rápida compressão ("salto") impulsionada por efeitos complexos da gravidade quântica (singularidade), que por sua vez deu origem ao Big Bang. Por sua vez, isso pode indicar que podemos viver com igual sucesso tanto em qualquer ponto da seqüência infinita de Universos emergentes, quanto, inversamente, na “primeira iteração” do Universo.
Este modelo hipotético do surgimento do Universo às vezes é chamado de modelo "Big Bounce". A primeira menção a este termo remonta aos anos 60, mas este modelo tornou-se uma hipótese mais ou menos formada apenas nos anos 80 - início dos 90.
Entre os pontos polêmicos menos significativos, o modelo Big Bounce também tem falhas claras. Por exemplo, a ideia de colapso em uma singularidade contradiz a teoria geral da relatividade de Einstein - as regras pelas quais a gravidade funciona. Os físicos acreditam que o efeito de singularidade pode existir dentro de buracos negros, mas as leis físicas que conhecemos não podem nos fornecer um mecanismo para explicar por que “outro universo”, tendo atingido a singularidade, deveria dar origem ao Big Bang.
“Não há nada na relatividade geral que indique um 'salto' do novo universo como resultado de uma singularidade”, diz Sean Carroll.
No entanto, esse não é o único grande ponto polêmico. O fato é que o modelo Big Bounce implica na presença de um curso retilíneo de tempo com entropia decrescente, porém, como mencionado acima, a entropia só aumenta com o tempo. Em outras palavras, de acordo com as leis da física que conhecemos, o surgimento de um universo saltitante é impossível.
O desenvolvimento posterior do modelo levou ao surgimento da hipótese de que o tempo no Universo pode ser cíclico. Mas, ao mesmo tempo, o modelo ainda não é capaz de explicar como a expansão atual do Universo será substituída por sua contração. No entanto, isso não significa necessariamente que o modelo Big Bounce esteja completamente errado. É possível que nossas teorias atuais sobre isso sejam simplesmente imperfeitas e não totalmente elaboradas. Afinal, as leis da física que temos agora derivam do limite segundo o qual somos capazes de observar o universo.
O modelo do universo adormecido
“Talvez antes do Big Bang, o universo era um espaço estático muito compacto, de evolução lenta”, teorizam físicos como Kurt Hinterbichler, Austin Joyce e Justin Khoury.
Esse universo "pré-explosivo" precisava ter um estado metaestável, ou seja, ser estável até que aparecesse um estado ainda mais estável. Por analogia, imagine um penhasco, na beira do qual uma rocha está em estado de vibração. Qualquer contato com a pedra levará ao fato de ela cair no abismo ou - o que é mais próximo do nosso caso - um Big Bang. De acordo com algumas teorias, o universo "pré-explosivo" poderia existir de uma forma diferente, por exemplo, na forma de um espaço achatado e muito denso. Como resultado, esse período metaestável chegou ao fim: expandiu-se dramaticamente e adquiriu a forma e o estado do que vemos agora.
“O modelo do universo adormecido, porém, também tem seus problemas”, diz Carroll.
"Também assume que nosso Universo tem um baixo nível de entropia e não explica por que isso acontece."
No entanto, Hinterbichler, um físico teórico da Case Western Reserve University, não vê o surgimento de baixa entropia como um problema.
“Estamos apenas procurando uma explicação da dinâmica que ocorreu antes do Big Bang, o que explica por que vemos o que vemos agora. Até agora, isso é a única coisa que resta para nós”, diz Hinterbichler.
Carroll, no entanto, acredita que haja outra teoria de um universo "pré-explosivo" que pode explicar o baixo nível de entropia que existe em nosso universo.
O Modelo Multiverso
O surgimento de novos universos do "universo pai"
O modelo hipotético de multiverso evita a reticência de redução de entropia do modelo Big Bounce e fornece uma explicação para seu baixo nível hoje, Carroll diz. Origina-se da ideia de "inflação" - um modelo de universo bem aceito, mas incompleto. O termo "inflação" e a primeira explicação para esse modelo foi proposto em 1981 pelo físico Alan Guth, atualmente no Massachusetts Institute of Technology. De acordo com esse modelo, o espaço após o Big Bang se expandiu dramaticamente. Tão dramaticamente que a velocidade dessa expansão foi maior do que a velocidade da luz. De acordo com a mecânica quântica, flutuações aleatórias e sutis de energia ocorrem constantemente no espaço. Em algum momento do período inflacionário, os picos dessas flutuações atingiram seu máximo e causaram o surgimento de galáxias,vazios e estruturas de baixa entropia em grande escala que observamos no Universo hoje.
O próprio modelo inflacionário foi desenvolvido com base em observações da radiação cósmica de fundo em microondas - o tipo mais antigo de radiação que apareceu apenas algumas centenas de milhares de anos após o Big Bang. Os cientistas acreditam que o modelo inflacionário prediz sua existência perfeitamente.
Uma hipótese é que o multiverso pode ser o resultado da inflação. A suposição diz que existe um Universo muito, muito grande, de vez em quando dando origem a universos mais compactos. Além disso, nenhuma forma de comunicação entre esses universos é possível. Markus Wu da PBS Nova explica:
“No início dos anos 80, os físicos chegaram à conclusão de que a inflação pode ter a natureza do infinito, parando apenas em algumas regiões do espaço, criando uma espécie de“bolsos”fechados. No entanto, entre esses "bolsões" a inflação continua e flui mais rápido do que a velocidade da luz. Por sua vez, isolados uns dos outros, "bolsões" eventualmente se tornam Universos."
Carroll está mais impressionado com este modelo, embora seu próprio modelo proposto seja um pouco diferente do que é descrito acima:
“Esta é apenas uma versão da teoria do multiverso, mas a principal diferença aqui é que o 'universo pai' pode ter um alto nível de entropia e cria universos com um baixo nível de entropia”, diz Carroll.
De acordo com esse modelo, antes do Big Bang, havia uma espécie de grande espaço em expansão do qual nasceram o nosso e um número infinito de outros universos. Outros universos estão além de nossa capacidade de detectá-los e poderiam ter se formado antes e depois do nosso universo.
Deve ser destacado que atualmente este é um dos modelos mais populares. No entanto, os cientistas, é claro, percebem isso de forma diferente. Alguns apoiam esta ideia, outros, pelo contrário, discordam totalmente dela. Mas se tomarmos Peter Voight da Columbia University como exemplo, então a teoria do Multiverso, embora pareça muito atraente do ponto de vista da ciência popular, pode deixar os físicos preguiçosos e fazer com que parem de procurar respostas para as questões mais básicas, por exemplo, por que existem constantes físicas em nosso Universo? exatamente como eles são - eliminando toda a variabilidade.
"Os teóricos especulam sobre a possibilidade de um número infinito de universos e, eventualmente, podemos chegar a modelos claros que podem explicar porque os valores (como as propriedades fundamentais das partículas que observamos) podem diferir uns dos outros em cada universo individual", diz Voight …
Voight teme que um dia a principal questão para a ciência nesta área seja o raciocínio sobre o tema “a sorte que temos de estar neste universo aleatório, onde tudo acontece assim, e não de forma diferente, apesar da infinita variedade de possibilidades, então vamos desistir dessa aventura com teorias"
O que pode ser resumido? Muitos físicos são pagos para discutir e escrever livros nos quais tentam descrever como o Big Bang e o modelo de um universo "pré-explosivo" podem explicar o que vemos hoje, embora eles próprios não saibam e realmente não possam saber. por que é tão. O fato é que, embora haja sérias simplificações tanto nos modelos matemáticos quanto nas explicações, não chegamos perto da resposta correta e ainda temos muito raciocínio sobre esse assunto até chegarmos ao resultado desejado.
“É importante não apenas apresentar teorias e hipóteses. É muito mais importante fazer as pessoas entenderem que, na verdade, nós mesmos ainda não entendemos do que estamos falando. Tudo isso ocorre apenas no nível das suposições, mas espero que, mais cedo ou mais tarde, possamos encontrar a resposta certa para todos”, diz Carroll.
NIKOLAY KHIZHNYAK
