O título deste artigo pode não soar como uma piada inteligente. De acordo com o conceito cosmológico geralmente aceito, a teoria do Big Bang, nosso Universo surgiu de um estado extremo de vácuo físico gerado por uma flutuação quântica. Nesse estado, nem o tempo nem o espaço existiam (ou estavam emaranhados na espuma do espaço-tempo) e todas as interações físicas fundamentais se fundiam. Mais tarde, eles se separaram e adquiriram uma existência independente - primeiro gravidade, depois interação forte, e só então - fraca e eletromagnética.
Vamos voltar para a base científica
A teoria do Big Bang conta com a confiança da maioria absoluta dos cientistas que estudam a história inicial do nosso Universo. Na verdade, ele explica muito e não contradiz os dados experimentais de forma alguma. Recentemente, no entanto, tem um concorrente em face de uma nova teoria cíclica, cujas bases foram desenvolvidas por dois físicos extra-classe - Diretor do Instituto de Ciências Teóricas da Universidade de Princeton, Paul Steinhardt e ganhador da Medalha Maxwell e do prestigioso prêmio internacional TED Neil Turok, diretor do Instituto Canadense de Estudos Avançados em Física (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Com a ajuda do professor Steinhardt, a Popular Mechanics tentou falar sobre a teoria cíclica e as razões de seu surgimento.
O momento que precede os eventos, quando “primeiro a gravidade, depois a interação forte, e só então - fraca e eletromagnética”. Apareceu, costuma-se designar como tempo zero, t = 0, mas isso é pura convenção, um tributo ao formalismo matemático. De acordo com a teoria padrão, o fluxo contínuo do tempo só começou depois que a força da gravidade se tornou independente. Esse momento é geralmente atribuído ao valor t = 10-43 s (mais precisamente, 5,4x10-44 s), que é chamado de tempo de Planck. As teorias físicas modernas simplesmente não são capazes de trabalhar significativamente com períodos de tempo mais curtos (acredita-se que isso requer uma teoria quântica da gravidade, que ainda não foi criada). No contexto da cosmologia tradicional, não faz sentido falar sobre o que aconteceu antes do momento inicial no tempo,porque o tempo em nosso entendimento simplesmente não existia então.
O conceito de inflação é uma parte essencial da teoria cosmológica padrão (veja a barra lateral). Após o fim da inflação, a gravidade voltou ao normal e o Universo continuou a se expandir, mas a uma taxa decrescente. Essa evolução durou 9 bilhões de anos, a partir dos quais entrou em ação outro campo antigravitacional de natureza ainda desconhecida, a chamada energia escura. Ele novamente levou o Universo a um modo de expansão exponencial, que, ao que parece, deve continuar no futuro. Deve-se notar que essas conclusões são baseadas em descobertas astrofísicas feitas no final do século passado, quase 20 anos após o surgimento da cosmologia inflacionária.
A interpretação inflacionária do Big Bang foi proposta pela primeira vez há cerca de 30 anos e foi refinada muitas vezes desde então. Essa teoria resolveu vários problemas fundamentais com os quais a cosmologia anterior não conseguiu lidar. Por exemplo, ela explicou porque vivemos em um universo com geometria euclidiana plana - de acordo com as equações clássicas de Friedmann, é exatamente isso que devemos fazer com a expansão exponencial. A teoria inflacionária explicava por que a matéria cósmica é granular em uma escala que não excede centenas de milhões de anos-luz e é uniformemente distribuída por grandes distâncias. Ela também deu uma interpretação do fracasso de qualquer tentativa de detectar monopólos magnéticos, partículas muito massivas com um único pólo magnético, que se acredita seremnasceram em abundância antes do início da inflação (a inflação esticou o espaço sideral de modo que a densidade inicialmente alta de monopólos foi reduzida a quase zero e, portanto, nossos instrumentos não podem detectá-los).
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Logo após o surgimento do modelo inflacionário, vários teóricos perceberam que sua lógica interna não contradizia a ideia de nascimento múltiplo permanente de mais e mais novos universos. Na verdade, as flutuações quânticas, como aquelas às quais devemos nosso mundo existir, podem ocorrer em qualquer quantidade, desde que as condições sejam adequadas. É possível que nosso universo tenha deixado a zona de flutuação formada no mundo antecessor. Da mesma forma, pode-se supor que em algum momento e em algum lugar de nosso próprio Universo se formará uma flutuação que “explodirá” um universo jovem de um tipo completamente diferente, também capaz de “procriação” cosmológica. Existem padrões nos quais tais universos infantis emergem continuamente, ramificam-se de seus pais e encontram seu próprio lugar. Além disso, não é necessário que as mesmas leis físicas sejam estabelecidas em tais mundos. Todos esses mundos estão "aninhados" em um único continuum de espaço-tempo, mas estão tão espaçados que não sentem a presença um do outro de forma alguma. Em geral, o conceito de inflação permite - aliás, obriga! - a acreditar que nos megacosmos gigantescos existem muitos universos isolados com arranjos diversos.
Os físicos teóricos adoram propor alternativas até mesmo para as teorias mais geralmente aceitas. O modelo inflacionário do Big Bang também tem concorrentes. Eles não receberam amplo apoio, mas receberam e tiveram seus próprios seguidores. A teoria de Steinhardt e Turok entre eles não é a primeira e certamente não é a última. No entanto, hoje ele foi desenvolvido com mais detalhes do que os outros e explica melhor as propriedades observadas em nosso mundo. Tem várias versões, algumas das quais são baseadas na teoria quântica das cordas e espaços multidimensionais, enquanto outras contam com a teoria quântica de campos tradicional. A primeira abordagem fornece imagens mais vívidas dos processos cosmológicos, então vamos nos alongar sobre ela.
A versão mais avançada da teoria das cordas é conhecida como teoria-M. Ela afirma que o mundo físico tem 11 dimensões - dez espaciais e uma temporal. Espaços de dimensões inferiores, as chamadas branas, flutuam nele. Nosso universo é apenas uma dessas branas, com três dimensões espaciais. É preenchido com várias partículas quânticas (elétrons, quarks, fótons, etc.), que na verdade são cordas vibratórias abertas com apenas uma dimensão espacial - comprimento. As pontas de cada corda são firmemente ancoradas dentro de uma brana tridimensional, e a corda não pode deixar a brana. Mas também existem cordas fechadas que podem migrar para fora das branas - são grávitons, quanta do campo gravitacional.
Como a teoria cíclica explica o passado e o futuro do universo? Vamos começar com a era atual. O primeiro lugar agora pertence à energia escura, que faz com que nosso universo se expanda exponencialmente, dobrando de tamanho periodicamente. Como resultado, a densidade da matéria e da radiação está constantemente caindo, a curvatura gravitacional do espaço está enfraquecendo e sua geometria se torna cada vez mais plana. Nos próximos trilhões de anos, o tamanho do universo dobrará cerca de cem vezes e se tornará um mundo quase vazio, completamente desprovido de estruturas materiais. Próximo a nós está outra brana tridimensional, separada de nós por uma pequena distância na quarta dimensão, e ela também sofre uma expansão exponencial e achatamento semelhantes. Todo esse tempo, a distância entre as branas praticamente não muda.
E então essas branas paralelas começam a convergir. Eles são empurrados um contra o outro por um campo de força, cuja energia depende da distância entre as branas. Agora, a densidade de energia de tal campo é positiva, então o espaço de ambas as branas está se expandindo exponencialmente - portanto, é esse campo que fornece o efeito explicado pela presença de energia escura! No entanto, esse parâmetro está diminuindo gradualmente e em um trilhão de anos cairá para zero. Ambas as branas continuarão a se expandir de qualquer maneira, mas não exponencialmente, mas em um ritmo muito lento. Consequentemente, em nosso mundo, a densidade das partículas e da radiação permanecerá quase zero, e a geometria permanecerá plana.
Mas o fim da velha história é apenas um prelúdio para o próximo ciclo. As branas se movem uma em direção à outra e eventualmente colidem. Nesse estágio, a densidade de energia do campo entre ramos cai abaixo de zero e começa a agir como a gravidade (lembre-se de que a gravidade tem energia potencial negativa!) Quando as branas estão muito próximas, o campo interbrana começa a amplificar as flutuações quânticas em todos os pontos do nosso mundo e as transforma em deformações macroscópicas da geometria espacial (por exemplo, em um milionésimo de segundo antes da colisão, o tamanho calculado de tais deformações chega a vários metros). Após a colisão, é nessas zonas que a maior parte da energia cinética liberada durante o impacto é liberada. Como resultado, é lá que ocorre a maior parte do plasma quente com uma temperatura de cerca de 1.023 graus. São essas regiões que se tornam nós locais de gravitação e se transformam em embriões de futuras galáxias.
Essa colisão substitui o Big Bang da cosmologia inflacionária. É muito importante que toda a matéria recém-formada com energia positiva apareça devido à energia negativa acumulada do campo inter-ramificações, pois a lei de conservação de energia não é violada.
E como tal campo se comporta neste momento decisivo? Antes da colisão, a densidade de sua energia atinge um mínimo (e negativo), então começa a aumentar e, com a colisão, torna-se zero. As branas então se repelem e começam a se dispersar. A densidade da energia inter-ramificada passa pela evolução reversa - novamente ela se torna negativa, zero, positiva. A brana, enriquecida com matéria e radiação, primeiro se expande com velocidade decrescente sob o efeito de frenagem de sua própria gravitação, e então passa novamente para a expansão exponencial. O novo ciclo termina como o anterior - e assim por diante até o infinito. Os ciclos anteriores ao nosso também ocorreram no passado - neste modelo, o tempo é contínuo, então o passado existe além dos 13,7 bilhões de anos que se passaram desde o último enriquecimento de nossa brana com matéria e radiação!Se eles tiveram algum começo, a teoria é silenciosa.
A teoria cíclica explica as propriedades do nosso mundo de uma nova maneira. Possui uma geometria plana, pois ao final de cada ciclo estica-se excessivamente e apenas se deforma ligeiramente antes de iniciar um novo ciclo. As flutuações quânticas, que se tornam as precursoras das galáxias, surgem caoticamente, mas em média de maneira uniforme - portanto, o espaço sideral está cheio de aglomerados de matéria, mas a distâncias muito grandes é bastante homogêneo. Não podemos detectar monopólos magnéticos simplesmente porque a temperatura máxima do plasma do recém-nascido não excedeu 1023 K, e energias muito maiores são necessárias para o aparecimento de tais partículas - da ordem de 1027 K.
A teoria cíclica existe em várias versões, assim como a teoria da inflação. Porém, segundo Paul Steinhardt, as diferenças entre eles são puramente técnicas e interessam apenas aos especialistas, o conceito geral permanece inalterado: “Em primeiro lugar, em nossa teoria não há momento de início do mundo, não há singularidade. Existem fases periódicas de intensa criação de matéria e radiação, cada uma das quais, se desejada, pode ser chamada de Big Bang. Mas qualquer uma dessas fases não marca o surgimento de um novo universo, mas apenas a transição de um ciclo para outro. Tanto o espaço quanto o tempo existem antes e depois de qualquer um desses cataclismos. Portanto, é bastante natural perguntar qual era o estado das coisas 10 bilhões de anos antes do último Big Bang, a partir do qual a história do universo é contada.
A segunda diferença fundamental é a natureza e o papel da energia escura. A cosmologia inflacionária não previu a transição de uma expansão lenta do Universo para uma acelerada. E quando os astrofísicos descobriram esse fenômeno observando as explosões de supernovas distantes, a cosmologia padrão nem sabia o que fazer a respeito. A hipótese da energia escura foi apresentada simplesmente para ligar de alguma forma os resultados paradoxais dessas observações à teoria. E nossa abordagem é muito melhor selada pela lógica interna, já que temos inicialmente a energia escura e é essa energia que garante a alternância dos ciclos cosmológicos. " No entanto, como observa Paul Steinhardt, a teoria cíclica também tem pontos fracos: “Ainda não fomos capazes de descrever de forma convincente o processo de colisão e rebote de branas paralelas que ocorre no início de cada ciclo. Outros aspectos da teoria cíclica são muito mais desenvolvidos, mas ainda há muitas ambigüidades a serem esclarecidas."
Mas mesmo os mais belos modelos teóricos precisam de verificação experimental. A cosmologia cíclica pode ser confirmada ou refutada por observações? “As teorias inflacionária e cíclica prevêem a existência de ondas gravitacionais relíquias”, explica Paul Steinhardt. - No primeiro caso, surgem de flutuações quânticas primárias, que se espalham pelo espaço durante a inflação e geram oscilações periódicas de sua geometria - e estas, segundo a relatividade geral, são ondas gravitacionais. Em nosso cenário, as flutuações quânticas também são a causa raiz de tais ondas - as mesmas que são amplificadas por colisões de branas. Cálculos mostraram que cada mecanismo gera ondas com um espectro específico e polarização específica. Essas ondas foram obrigadas a deixar marcas na radiação cósmica de microondas, que é uma fonte inestimável de informações sobre o espaço primitivo. Até agora, tais vestígios não foram encontrados, mas, provavelmente, isso será feito na próxima década. Além disso, os físicos já estão pensando no registro direto de ondas gravitacionais relíquias usando espaçonaves, que aparecerão em duas a três décadas.”
Outra diferença, segundo o professor Steinhardt, é a distribuição da temperatura da radiação de fundo de microondas: “Essa radiação vinda de diferentes partes do céu não é muito uniforme em temperatura, tem cada vez menos zonas aquecidas. No nível de precisão de medição fornecido por equipamentos modernos, o número de zonas quentes e frias é aproximadamente o mesmo, o que coincide com as conclusões de ambas as teorias - tanto inflacionárias quanto cíclicas. No entanto, essas teorias prevêem diferenças mais sutis entre as zonas. Em princípio, eles serão capazes de identificar o observatório espacial europeu 'Planck', lançado no ano passado, e outras espaçonaves mais recentes. Espero que os resultados dessas experiências ajudem a fazer uma escolha entre as teorias inflacionárias e cíclicas. Mas pode acontecer assim,que a situação permanecerá incerta e nenhuma das teorias receberá apoio experimental inequívoco. Bem, então terei que inventar algo novo."
De acordo com o modelo inflacionário, o Universo se expandiu exponencialmente por um período muito curto logo após seu nascimento, dobrando suas dimensões lineares muitas vezes. Os cientistas acreditam que o início desse processo coincidiu no tempo com a separação da interação forte e ocorreu em uma marca de tempo de 10-36 s. Essa expansão (com a mão leve do físico teórico americano Sidney Coleman, foi chamada de inflação cosmológica) teve uma vida extremamente curta (até 10-34 s), mas aumentou as dimensões lineares do Universo em pelo menos 1030-1050 vezes, e possivelmente muito mais. De acordo com a maioria dos cenários específicos, a inflação foi lançada por um campo escalar quântico antigravitacional, cuja densidade de energia diminuiu gradualmente e finalmente atingiu um mínimo. Antes que isso acontecesse, o campo começou a oscilar rapidamente,gerando partículas elementares. Como resultado, no final da fase inflacionária, o Universo foi preenchido com um plasma superquente consistindo de quarks livres, glúons, léptons e quanta de radiação eletromagnética de alta energia.
Uma alternativa radical
Na década de 1980, o professor Steinhardt fez uma contribuição significativa para o desenvolvimento da teoria padrão do Big Bang. No entanto, isso não o impediu de buscar uma alternativa radical à teoria, na qual tanto trabalho havia sido investido. Como o próprio Paul Steinhardt disse à Popular Mechanics, a hipótese da inflação revela muitos mistérios cosmológicos, mas isso não significa que não vale a pena procurar outras explicações: “No início, eu estava apenas interessado em tentar entender as propriedades básicas do nosso mundo sem recorrer à inflação. Mais tarde, quando me aprofundei nessa questão, me convenci de que a teoria inflacionária não é tão perfeita quanto seus proponentes afirmam. Quando a cosmologia inflacionária estava apenas sendo criada, esperávamos que ela explicasse a transição do estado caótico original da matéria para o atual Universo ordenado. Ela fez isso - mas foi muito mais longe.
A lógica interna da teoria exigia admitir que a inflação cria constantemente um número infinito de mundos. Estaria tudo bem se o dispositivo físico deles estivesse copiando o nosso, mas simplesmente não funciona. Por exemplo, com a ajuda da hipótese inflacionária, foi possível explicar por que vivemos em um mundo euclidiano plano, mas afinal, a maioria dos outros universos certamente não terá a mesma geometria. Em suma, estávamos construindo uma teoria para explicar nosso próprio mundo, e ela saiu do controle e gerou uma variedade infinita de mundos exóticos. Este estado de coisas deixou de me agradar. Além disso, a teoria padrão é incapaz de explicar a natureza do estado anterior, que precedeu a expansão exponencial. Nesse sentido, é tão incompleto quanto a cosmologia pré-inflacionária. Finalmente,ela não consegue dizer nada sobre a natureza da energia escura, que tem impulsionado a expansão do nosso universo por 5 bilhões de anos.
