O que acontece se você virar o espaço-tempo de cabeça para baixo?
Uma série de artigos virais afirmou que a NASA havia descoberto partículas de outro universo paralelo, no qual o tempo retrocede. Essas alegações estavam incorretas. A história verdadeira é muito mais emocionante e estranha, envolvendo uma jornada para o Big Bang e para o outro lado.
As manchetes sensacionais haviam atrapalhado as descobertas de um artigo obscuro de 2018, nunca publicado em uma revista revisada por pares, que argumentava que nosso universo poderia ter um reflexo do espelho ao longo do tempo, um universo parceiro que se estende além do Big Bang. Se for esse o caso, e uma série de outras hipóteses extremamente improváveis e estranhas se tornarem verdadeiras, argumentou o jornal, então isso poderia explicar um sinal misterioso sugerindo que uma partícula completamente nova está voando fora do gelo na Antártida.
A alegação de que a NASA descobriu um universo paralelo parecia ter sido inventada pelo tablóide britânico The Daily Star, e a história foi contada por agências britânicas e americanas, incluindo o The New York Post.
O “espelho” do nosso universo Para entender como o Daily Star chegou à sua alegação bizarra e viral, é necessário entender as alegações de dois artigos separados a partir de 2018.
O primeiro artigo, de Latham Boyle, físico do The Perimeter Institute em Alberta, Canadá, e seus colegas, propôs um universo espelho – um reflexo do nosso universo ao longo do tempo. Foi publicado em dezembro de 2018 na revista Physical Review Letters (após uma aparição no servidor arXiv em março daquele ano).
“Acho que ninguém mais entende a composição completa do que eles compuseram”, disse John Learned, astrofísico da Universidade do Havaí e co-autor de um segundo artigo, que se baseia na teoria de Boyle.
O trabalho de Boyle é um tipo de pacote de expansão destinado a tapar buracos na teoria que conta a história de origem dominante do universo: Lambda-Cold Dark Matter (λCDM).
λCDM explica o cosmos usando duas idéias principais: Uma energia escura desconhecida faz com que o universo se expanda. Rebobine essa expansão o suficiente para trás no tempo e todo o universo ocupa um único ponto no espaço. Segundo, uma matéria escura invisível puxa gravitacionalmente as coisas do universo, mas não emite luz. Essa matéria escura, explica a idéia, é responsável pela grande maioria da massa do universo.
“O MDL é basicamente o único jogo na cidade”, disse Learned. “Funciona em muitos casos, mas existem alguns lapsos perturbadores na modelagem”.
Por exemplo, as medidas de expansão não se alinham ao longo do tempo, de modo que as medidas feitas dessa expansão com base nos dados do universo primitivo não combinam com as medidas usando dados do universo moderno. Além disso, o MCDM não pode explicar por que a matéria existe, pois prevê que matéria e antimatéria se formariam em taxas iguais após o Big Bang e se aniquilariam, deixando nada para trás.
O novo universo de Boyle e seus colegas desenrola a história do λCDM ainda mais no tempo, mergulhando na singularidade no início dos tempos e saindo do outro lado.
Eis como a equipe de Boyle vê sua teoria: imagine o universo de hoje como um círculo amplo e plano, sentado no topo do círculo ligeiramente menor de ontem, que fica no topo do círculo ainda menor do dia anterior, disse Boyle.
Empilhe todos os círculos de hoje de volta ao Big Bang e você acabaria com um cone na ponta.
Quando os astrônomos olham profundamente no espaço, estão efetivamente olhando para trás no tempo. A galáxia mais distante que podemos ver, GN-z11, aparece para nós como existia 13,4 bilhões de anos atrás, ou 400 milhões de anos após o Big Bang.
Antes disso, o universo tinha uma “idade das trevas” que durava milhões de anos, onde nada de brilhante o suficiente para nós podermos ver formado. Antes disso, o universo produzia a coisa mais antiga que podemos ver: o Fundo Cósmico de Microondas (CMB), que se formou 370.000 anos após o Big Bang, enquanto o universo esfriava em um plasma quente e opaco.
Os telescópios não podem ver nada antes do CMB.
Olhar para trás no tempo como este, disse Boyle, é como olhar para baixo através do cone cosmológico.
Visto dessa maneira, a história do λCDM termina com o universo se unindo em um único ponto escondido atrás do CMB. A teoria de Boyle examina a parede opaca que o CMB forma ao longo do tempo e tira uma conclusão diferente sobre o que o CMB esconde.
A visão padrão, disse ele, é que a era quente e densa abaixo da CMB (do nosso ponto de vista sobre o cone) era mais ou menos uma “grande bagunça”. Na cosmologia do MDL, esse é o período acelerado de expansão conhecido como “a época da inflação”. Naquela época, tudo era caos, afirma a teoria.
Mas o CMB não é tão caótico. Sua estrutura simples, de acordo com o λCDM, surgiu após um intenso processo de achatamento que limpou a velha bagunça.
“Estávamos interessados em explorar uma imagem mais simples, na qual as evidências são mais valorizadas”, disse ele. “Você diz: ‘Ok, não podemos ver todo o caminho até o Bang, mas podemos parecer muito próximos, e tão perto quanto parecemos as coisas parecem super simples. E se considerarmos essas observações pelo valor de face?'”
Essa visão do espaço-tempo ainda tem um Big Bang escondido atrás da CMB, disse ele.
Mas “é muito mais simples do que a maioria das singularidades que surgem na teoria da gravidade de Einstein”, disse ele. “É um tipo muito especial de singularidade ultra-simples, onde é possível seguir a solução [para as equações que governam o espaço-tempo] através da singularidade”.
Enquanto as observações não vão além do CMB, os modelos cosmológicos normais vão um pouco mais longe, mas ainda tendem a parar no Big Bang. Não está no esquema de Boyle.
“Você acha que extrapola, se estende – continua analiticamente, diriam os físicos, a este cone duplo”, disse ele, referindo-se ao segundo universo que se estende para longe do Big Bang a tempo
“Parece ser a extensão mais simples e natural das equações que parecem descrever o universo como o vemos”, disse ele.
Esse universo que está dentro do “segundo cone” está muito longe no espaço-tempo para que possamos ver. O tempo pode parecer retroceder para lá a partir do nosso quadro de referência, disse Learned. Mas os seres desse universo ainda veriam a causa surgir antes do efeito, assim como fazemos no nosso. O tempo foge do Big Bang nesse universo, exatamente como no nosso. “Longe do Big Bang” nesse universo é a direção oposta à direção do tempo em nosso universo. mas não corre “para trás” da maneira que podemos imaginar.
Nosso universo existe do outro lado da história antiga desse universo, e esse universo existe do outro lado da nossa.
O “estado zero da partícula” Não temos evidências de que esse universo refletido exista, disse Boyle.
No entanto, ele disse: “uma vez que você o tenha, acontece que este universo tem uma simetria extra, que você não viu quando estava apenas olhando a metade superior do cone”.
As simetrias “tocam um sino alto” para os físicos, disse Boyle. Eles sugerem uma verdade mais profunda.
E esse universo de cone duplo poderia, por sua vez, ajudar a restaurar uma rachadura em uma simetria que incomoda os físicos há anos.
A simetria em questão, conhecida como simetria de carga, paridade, tempo (CPT), afirma que se você girar uma partícula para seu gêmeo antimatéria – um elétron em um pósitron, por exemplo – ou torná-lo destro em vez de canhoto, ou movê-lo para trás no tempo, em vez de para frente, essa partícula ainda deve se comportar da mesma maneira e obedecer às mesmas leis que antes de ser lançada. (Destro ou canhoto refere-se ao giro de uma partícula e à direção do movimento.)
“Todo mundo pensou que essas simetrias fundamentais não poderiam ser escapadas”, disse Learned.
Eventualmente, em 1956, o físico Chien-Shiun Wu da Universidade de Columbia liderou um experimento que estabeleceu que a simetria do CPT não era absoluta. (Os dois colegas do sexo masculino que propuseram a idéia subjacente a Wu ganharam o Prêmio Nobel de 1957 por sua descoberta, mas ela ficou de fora.)
O experimento de Wu mostrou que o “C” na simetria do CPT é imperfeito. E outros experimentos mostraram que algumas partículas quebram “C” e “P.” Mas, apesar de rachados, a maioria dos físicos pensa que a simetria da CPT ainda se mantém em geral, e não foi encontrada nenhuma partícula que quebre os três elementos dessa simetria. No nível das partículas, o universo parece simétrico de CPT.
Mas o próprio modelo λCDM do universo carece de simetria clara de CPT – uma consequência da curvatura do espaço-tempo e do estranho vácuo quântico. Uma característica do universo que Boyle chamou de “estado zero de partícula”, a natureza do espaço-tempo quando esvaziado de partículas, é incerta. Isso significa que, na escala de todo o espaço, a simetria da CPT é violada.
Boyle diz que seu modelo preserva a simetria do CPT do universo de uma maneira que a cosmologia do MCDM não. Adicione um segundo cone ao espaço-tempo, e o estado de partícula zero não é mais incerto. A assimetria de CPT do universo é reparada.
“Pensamos: ‘Espere um pouco. Parecia que o universo violava a simetria da CPT, mas na verdade simplesmente não estávamos olhando para o cenário todo”, disse ele. Se o universo é realmente simétrico de CPT, se realmente compreende dois cones de espaço-tempo em vez de um, o que isso significaria para o resto da física?
A verdade por trás do que aqueles “cientistas da NASA” realmente detectaram
A consequência mais importante do universo simétrico da CPT é uma explicação simples para a matéria escura.
Um conjunto popular de teorias baseia-se na existência de um quarto tipo de neutrino não detectado – geralmente denominado neutrino estéril. A simetria da CPT de Boyle parece apontar nessa direção. Os três sabores conhecidos de neutrino, neutrinos de elétrons, múons e tau, são todos canhotos. Isso significa que eles voam sem um parceiro destro. O Modelo Padrão pressupõe que, diferentemente de outras partículas, os neutrinos não têm tais parceiros. Mas o universo simétrico da CPT discorda, indicando que eles deveriam ter esses parceiros.
Boyle e seus colegas descobriram que sua cosmologia implica a existência de um parceiro destro em nosso universo para cada neutrino canhoto no Modelo Padrão. Mas, diferentemente dos quarks esquerdos e destros, essas partículas espelhadas esquerdas e destros não se juntam. Em vez disso, dois dos neutrinos parceiros destros já haviam se perdido há muito tempo no espaço-tempo, decaindo no espaço. nossa visão no universo primitivo. Um terceiro parceiro destro teria ficado por aqui, no entanto – uma conseqüência das equações que governam o início dos tempos.
Não está claro com qual dos três neutrinos conhecidos ele teria parceria, disse Boyle. Mas ele teria uma assinatura de energia específica: 480 picoelétron-volts (PeV), uma medida da massa de uma partícula. E esse neutrino de 480PeV pode ser responsável por toda essa matéria escura que falta no universo.
Os detalhes de como o universo simétrico da CPT leva a um neutrino de 480 PeV são complicados – tão complicados, disse Learned, que poucos físicos além de Boyle e sua equipe os entendem.
“Mas esses caras não são malucos”, disse ele. “Eles são membros respeitados do campo e sabem o que estão fazendo. Se toda essa teoria complicada do campo está correta ou não, não posso dizer.”
Ainda assim, a previsão de uma partícula de 480 PeV saltou para a Learned.
Quatro anos atrás, um detector de partículas pendurado em um balão sobre a Antártica detectou algo que a física não podia explicar: duas vezes, como a Live Science relatou anteriormente, o instrumento Antita Impulsiva Transiente Antártica (ANITA) captou sinais de partículas de alta energia que pareciam disparar diretamente fora do gelo antártico.
Partículas como essa não deveriam existir. Nenhuma das partículas conhecidas do Modelo Padrão deveria ter sido capaz de voar por toda a Terra e explodir o outro lado com energias tão altas, mas era isso que a ANITA parecia estar detectando.
Em junho de 2020, a explicação mais popular é que a ANITA detectou neutrinos estéreis. Learned, que esteve envolvido nos primeiros dias do projeto ANITA, percebeu que a figura de 480 PeV estava bem alinhada com as descobertas da ANITA.
Se as partículas realmente vieram do espaço e então mergulharam na Terra para produzir a anomalia, elas devem ter se deteriorado logo abaixo da superfície antártica, produzindo uma chuva de partículas mais leves que a ANITA detectou surgindo do gelo. O neutrino de matéria escura de 480 PeV de Boyle se encaixava diretamente na faixa de massa que poderia explicar a partícula misteriosa em decomposição da ANITA.
Learned e uma equipe de quatro outros pesquisadores elaboraram um esquema em que esse neutrino de matéria escura de 480 PeV poderia ter desencadeado esse truque, que eles escreveram em um artigo de 2018 intitulado “Eventos ANITA em andamento como evidência do universo simétrico da CPT” e publicado para o banco de dados arXiv. Este é o jornal The Daily Star se transformou em uma manchete confusa.
Se a partícula ANITA realmente se encaixasse no esquema de Boyle, isso seria um forte peso na escala em favor do cosmos de dois cones, disse Learned. Mas é um tiro no escuro. O problema mais importante que eles tiveram que resolver: aproximar a partícula o suficiente da Antártica. Os modelos mostram que partículas candidatas à matéria escura como este neutrino de 480 PeV cairiam no centro da Terra logo depois de correrem para o nosso planeta, deixando nenhuma perto o suficiente para produzir a anomalia ANITA.
Esses pesquisadores argumentaram que talvez um encontro recente com um enorme disco invisível de matéria escura tenha agitado os neutrinos de 480 PeV da Terra, deixando alguns vagando perto da superfície do nosso planeta.
Foi uma ideia interessante de se brincar, disse Learned, mas mesmo ele não está convencido por seu próprio trabalho.
“Essa foi a nossa desculpa fraca, não pensar em outra maneira boa de fazer o trabalho [de levar os neutrinos de Boyle perto o suficiente da Antártida para disparar os sensores da ANITA]”, disse Learned. Embora Learned e seus colegas tenham trabalhado duro no papel, ele acha que suas conclusões certamente estão erradas, disse ele.
“Entre o pessoal da cosmologia, há uma idéia de que você pode usar uma ‘fada dos dentes’ uma vez no seu modelo de cosmologia, mas duas vezes simplesmente não é credível”, disse ele. “E acho que precisávamos da fada dos dentes duas ou três vezes para fazer esta funcionar, então, tudo bem.”
Boyle concordou. Embora a idéia de usar as idéias de sua equipe para explicar a ANITA fosse atraente, ele disse que os números não são suficientes. Mas ele ainda está confiante de que a ideia subjacente de um universo simétrico de CPT é sólida.
“Meu palpite pessoal é que, esteja correto ou não, está no caminho certo”, disse ele. “Estou muito animado com isso.”
Publicado em 22/06/2020 13h15
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