Nos cantos do mundo cosmológico de Paul Steinhardt, dizer que a história se repete seria um eufemismo risível. Isso porque, de acordo com ele e um punhado de colegas, a forma do universo pode estar disparando em um novo ciclo a cada trilhão de anos ou mais.
“Cem milhões de anos parece muito tempo, mas cosmicamente é como amanhã”, diz Steinhardt.
O professor de física e diretor do Princeton Center for Theoretical Science foi coautor de um artigo sobre o tema, Um modelo cíclico do universo, com Neil Turok. O modelo cíclico do universo que ele ajudou a criar é apenas isso: uma teoria de que o universo se forma repetidamente em ciclos.
Os proponentes deste modelo estão nos pedindo para repensar o Big Bang e a rápida inflação do universo. Eles afirmam que fazer isso poderia preencher algumas das maiores lacunas em nosso entendimento comum sobre a maneira como o espaço e o tempo funcionam.
O Big Bang e o modelo de inflação
O entendimento geralmente aceito do universo é este: cerca de 14 bilhões de anos atrás, o Big Bang aconteceu. Em seus primeiros segundos, as leis da física como as entendemos não se aplicavam. Tudo o que eventualmente se tornaria matéria explodiu em questão de segundos – primeiras partículas, como elétrons e fótons, e eventualmente nêutrons e prótons, os blocos de construção de nossos átomos. As primeiras sementes de estrelas, planetas e galáxias se expandiram a partir desse momento importante no tempo e no espaço. Ele se espalhou de tal forma que o universo se tornou altamente liso.
Suavidade, em uma escala enorme, significa apenas que as coisas dentro do universo estão distribuídas de maneira relativamente uniforme. Ou seja, se você colocasse um cubo em torno de uma seção do universo, ele não seria muito mais denso do que outro cubo colocado aleatoriamente. Em uma escala menor, como entre galáxias ou dentro de um sistema solar, a matéria é “irregular” e cheia de aglomerados.
Os físicos teorizam que logo após o Big Bang, algo chamado “inflação” ocorreu. Essencialmente, o que antes era um universo minúsculo e compactado se expandiu rapidamente em uma fração de segundo e continua a se expandir hoje. A inflação faz parte do atual modelo padrão do universo, denominado modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM). No LCDM, a forma da trajetória do universo parece, em algumas representações, como um funil, sua parte superior larga crescendo e se espalhando ao longo do tempo.
Essa é uma interpretação. Mas há outros que surgiram das mesmas informações que os cientistas podem realmente observar e medir na vida real – ou seja, astronomia observacional. As informações da vida real são cruciais se os cientistas quiserem usar modelos para fazer previsões reais sobre o futuro do nosso cosmos.
“A cosmologia é uma espécie de trabalho em equipe, você precisa de algumas pessoas focando em coisas realmente pragmáticas e observacionais e você precisa de pessoas para ir à ficção científica”, diz Leonardo Giani, um pós-doutorando na Universidade de Queensland, na Austrália, cujos estudos se concentram em alternativas modelos do universo além do modelo padrão. “É assim que é.”
O que sabemos com certeza
Astrofísica teórica trata de suposições fundamentadas que são moldadas pelas poucas coisas que sabemos com certeza. Algo chamado Cosmic Microwave Background (CMB) contribui para uma grande parte dessa informação observável. O CMB é formado pelos traços de radiação que sobraram de uma fase inicial do universo. Radiotelescópios podem detectá-lo e então traduzir as ondas em uma espécie de imagem de mapa de calor.
Esta imagem realmente nos mostra como o conteúdo do universo foi distribuído cerca de 400.000 anos após o Big Bang – o primeiro instantâneo observável de um universo desprovido de estrelas, sistemas solares e galáxias. Tudo estava mais próximo e quase uniforme, exceto por pequenas flutuações que se tornaram a matéria formando estrelas e galáxias. Esta imagem serve como evidência de que o universo começou compactado e se expandiu até onde está hoje.
Também sabemos que o universo continua a se expandir e podemos até medir, até certo ponto, a velocidade com que isso ocorre. O CMB também serve para confirmar que uma versão anterior do universo era muito quente e nossa era é muito mais fria.
Problemas com nosso modelo atual
Steinhardt diz que vários problemas surgem com o modelo de inflação, que expandiu e corrigiu modelos anteriores que surgiram da teoria do Big Bang. O modelo de inflação deveria explicar por que, por exemplo, o universo parece tão homogêneo em uma escala enorme sem as mesmas condições iniciais. Mas, diz Steinhardt, existem tantas possibilidades que surgem de um modelo inflacionário que torna o próprio modelo menos útil.
Modelos anteriores, diz Steinhardt, não descartam previsões erradas sobre o cosmos. “É como se eu tivesse explicado por que o céu é azul, mas quando você olha minha teoria mais de perto,? Oh! Minha teoria também poderia ter previsto vermelho, verde, bolinhas, listrado, [cores] aleatórias'”, diz Steinhardt. “E então você diz ‘Ok, para que serve essa teoria?'”
Depois, há o problema da singularidade. A teoria da inflação, argumenta Steinhardt, também fica presa no ponto ?anterior? ao Big Bang, porque, de acordo com ela, não há nada antes dele. “O problema filosófico fundamental com o Big Bang é que existe um depois, mas não um antes”, diz Steinhardt. “De forma semelhante, não sabemos ‘uma vez’ apenas as coisas que aconteceram na história.”
Matematicamente, o Big Bang parece que veio de um estado indefinido – algo que não é explicado pelas leis da física da teoria da relatividade geral de Einstein. Isso também é chamado de “singularidade”. Para Steinhardt – mas não para todos – isso é o equivalente matemático de uma bandeira vermelha. ?Todos nós aprendemos na escola, quando você obtém um acima de zero como resposta, você está em apuros, porque essa é uma resposta sem sentido. Você cometeu um erro. ”
Em um problema relacionado, também há alguma dificuldade em reconciliar a teoria da inflação com a teoria das cordas e a mecânica quântica, diz Steinhardt. Se o modelo descrevesse corretamente o universo, outras estruturas aceitas da física concordariam com ele. Em vez disso, Steinhardt diz que eles estão em desacordo. “Quando alguém está pensando sobre cosmologia, muitas vezes você está alcançando campos de pensamento, que são bastante distantes, tanto no lado astro quanto no lado da física fundamental e visão, eles se encaixam?” O modelo cíclico, diz ele, ajuda a fazer isso.
O modelo cíclico e seus desdobramentos
Um modelo cíclico do universo é projetado para resolver alguns dos problemas aparentemente insolúveis do Big Bang e dos modelos de inflação. “Isso nos permite ir além do Big Bang, mas sem nenhum tipo de questão filosófica mágica”, diz Stephon Alexander, professor de física na Brown University e co-inventor de um modelo de inflação do universo baseado na teoria das cordas. “Porque o tempo sempre existiu no passado.”
Os cientistas propuseram um modelo cíclico que poderia funcionar matematicamente de algumas maneiras. O modelo de universo cíclico de Steinhardt e Turok é um deles. Seus princípios básicos são os seguintes: O Big Bang não foi o começo dos tempos; havia uma fase anterior que o conduzia, com múltiplos ciclos de contração e expansão que se repetiam indefinidamente; e o período-chave que definiu a forma de nosso universo foi logo antes do chamado bang. Lá você encontraria um período de contração lenta chamado Big Crunch.
Assim, em vez de um início de tempo surgindo do nada, o modelo cíclico permite um longo período de tempo no início. Afirma resolver os mesmos problemas que a teoria inflacionária fez, mas vai ainda mais longe. Por um lado, a existência de tempo antes do Big Crunch remove o problema da singularidade – aquele número indefinido. Ele também utiliza a teoria das cordas e flutuações quânticas.
Como o LCDM, um modelo cíclico também seria responsável pela energia escura, uma força inobservável que os cientistas acreditam estar por trás da expansão acelerada do universo. Mas no modelo de Stenhardt e Turok, as coisas ficam um pouco mais parecidas com ficção científica: dois planos idênticos, ou “branas” (na teoria das cordas, um objeto que pode ter qualquer número de dimensões) se unem e se expandem. Podemos observar as três dimensões do nosso plano, mas não as dimensões extras do outro. A energia escura é a força que leva as branas a uma colisão, com separação entre elas. A expansão das próprias branas segue, e a energia escura os une novamente, uma vez que eles estão tão planos e lisos quanto podem se tornar.
Giani, o pesquisador, não tem tanta certeza, por causa de algumas das suposições que esse modelo traz da teoria das cordas. Ele gosta de outro modelo cíclico de Roger Penrose, um físico teórico de Oxford que propôs o que o próprio Penrose chamou de “uma nova perspectiva ultrajante” do universo. “Fiquei completamente pasmo com isso”, disse Giani.
É difícil entender: em um futuro distante, distante, nosso sistema solar e galáxia serão engolfados por buracos negros, que comem todas as outras massas do universo, e depois de um período de tempo inimaginável, apenas buracos negros existirá. Eventualmente, existem apenas fótons, que não têm massa e, portanto, nenhuma energia ou frequência, de acordo com nossas leis aceitas da física.
As medições de escala, explica Penrose, não se aplicam mais neste estágio, mas a forma do universo permanece. No momento do Big Bang, ele argumenta, quando as partículas estão tão quentes e próximas umas das outras que também se movem quase na velocidade da luz, elas também perdem sua massa. Isso cria as mesmas condições no Big Bang que o universo futuro distante e frio. Sua escala não é mais relevante e um pode gerar o outro. O futuro remoto e o Big Bang tornam-se um e o mesmo.
Desmentindo os modelos
Em última análise, o que os humanos podem observar de nosso universo é limitado. É por isso que as teorias do universo nunca estão completas. Eles equilibram a pequena porção do universo que podemos observar com modelos matemáticos e teorias para preencher o resto. Assim, na cosmologia, os cientistas procuram fenômenos observáveis que refutam seus modelos e remodelam suas teorias novamente para se adequar ao problema.
Mas, à medida que nossa tecnologia avança rapidamente, as observações que apóiam ou prejudicam um ou outro modelo vêm com mais frequência. “Vale muito a pena fazer toda essa especulação neste trabalho, porque estamos chegando ao ponto em que esses dados vão chegar”, diz Giani. Uma dessas observações poderia produzir suporte convincente para um modelo cíclico ou confirmar a teoria inflacionária mais aceita.
Por causa de como a matéria é distribuída em nossa visão da parte mais antiga do universo (vista na CMB), as ondas gravitacionais que nos alcançam podem ser polarizadas, como a luz, em uma frequência particular. Em breve – dentro de alguns anos, na verdade – os cientistas poderão determinar se essa polarização existe. Em caso afirmativo, apoiará o modelo inflacionário. Se essa polarização não existir, ela prejudicará a “contração lenta”, uma marca registrada do modelo cíclico.
Estaremos um passo mais perto de dar sentido ao tempo e ao espaço, mas ainda em uma jornada dentro do cosmos que está longe do fim.
Publicado em 06/09/2021 17h42
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