Um trilhão de anos antes do Big Bang

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Um trilhão de anos antes do Big Bang
Um trilhão de anos antes do Big Bang
Anonim

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 emergiu 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.

O momento que precedeu essas mudanças é geralmente denotado 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 do tempo, uma vez que o tempo, em nosso entendimento, simplesmente não existia naquela época.

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A teoria do Big Bang conta com a confiança da maioria absoluta dos cientistas que estudam a história inicial do nosso Universo. Isso realmente explica muito e não contradiz os dados experimentais de forma alguma. Recentemente, no entanto, ela tem um rival em face de uma nova teoria cíclica, cujas bases foram desenvolvidas por dois físicos extra-classe - o diretor do Instituto de Ciências Teóricas da Universidade de Princeton, Paul Steinhardt, e o laureado de Maxwell Medalha e prestigioso prêmio internacional TED Neil Turok, diretor do Instituto Canadense de Estudos Avançados na área de Física Teórica (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.

Cosmologia inflacionária

Uma parte indispensável da teoria cosmológica padrão é o conceito de inflação (veja a barra lateral). Após o fim da inflação, a gravitação ganhou força e o Universo continuou a se expandir, mas a uma taxa decrescente. Essa evolução se estendeu por 9 bilhões de anos, após os quais outro campo antigravitacional de natureza ainda desconhecida, que se chama energia escura, entrou em ação. Ele novamente trouxe o Universo a um modo de expansão exponencial, que parece ser preservado em tempos futuros. 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 40 anos e foi refinada muitas vezes desde então. Essa teoria resolveu vários problemas fundamentais que a cosmologia anterior não conseguiu resolver. Por exemplo, ela explicou por que 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 explicou por que a matéria cósmica é granular em uma escala que não excede centenas de milhões de anos-luz e está uniformemente distribuída por longas distâncias. Ela também deu uma interpretação do fracasso de quaisquer tentativas de detectar monopólos magnéticos, partículas muito massivas com um único pólo magnético, que se acredita terem nascido em abundância antes do início da inflação (a inflação esticou tanto o espaço que a densidade inicialmente alta de monopólos foi reduzido 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 que devemos nosso mundo à existência, podem ocorrer em qualquer quantidade se as condições forem adequadas. Não está excluído que nosso universo deixou a zona de flutuação formada no mundo predecessor. 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 gigantescos megacosmos existem muitos universos isolados com arranjos diversos.

Alternativa

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 não é a primeira entre eles, e certamente não é a última. No entanto, até o momento, 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, por isso vamos nos alongar sobre ela.

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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. Ele 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 fixadas dentro de uma brana tridimensional, e a corda não pode sair da 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 está fazendo com que nosso universo se expanda exponencialmente, dobrando periodicamente de tamanho. Como resultado, a densidade da matéria e da radiação diminui constantemente, a curvatura gravitacional do espaço enfraquece 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 distância insignificante na quarta dimensão, e ela também sofre uma expansão exponencial semelhante e achatamento. Todo esse tempo, a distância entre as branas permanece praticamente inalterada.

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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 da 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.

Novo ciclo

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 as ramificações cai abaixo de zero e começa a agir como a gravidade (deixe-me lembrar a você que a energia potencial da gravidade é 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 atingem 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 o plasma mais quente, com uma temperatura de cerca de 1023 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.

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A teoria inflacionária permite a formação de múltiplos universos filhos que brotam continuamente dos existentes.

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 entre os ramos sofre uma evolução reversa - novamente torna-se negativa, zero, positiva. A brana, enriquecida com matéria e radiação, primeiro se expande a uma velocidade decrescente sob o efeito de frenagem de sua própria gravitação, e depois passa novamente para a expansão exponencial. O novo ciclo termina como o anterior - e assim por diante, ad infinitum. Os ciclos anteriores ao nosso aconteceram 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. Tem 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 os precursores das galáxias, surgem caoticamente, mas em média uniformemente - 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 recém-nascido não excedeu 1023 K, e energias muito maiores são necessárias para o aparecimento de tais partículas - da ordem de 1027 K.

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Criação cíclica

O momento do Big Bang é a colisão das branas. Uma grande quantidade de energia é liberada, as branas se espalham, há uma expansão lenta, a matéria e a radiação se resfriam e as galáxias são formadas. A expansão é novamente acelerada devido à densidade de energia positiva entre as ramificações e, em seguida, diminui, a geometria torna-se plana. As branas se atraem, antes da colisão, as flutuações quânticas são amplificadas e se transformam em deformações da geometria espacial, que no futuro se tornarão as sementes das galáxias. Ocorre uma colisão e o ciclo recomeça.

Um mundo sem começo nem fim

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, na 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 em desaceleração 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 energia escura desde o início 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 bem desenvolvidos e ainda há muitas ambigüidades a serem esclarecidas."

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Teste de prática

Mas mesmo os mais belos modelos teóricos precisam de verificação experimental. A cosmologia cíclica pode ser confirmada ou refutada pela observação? “Tanto a teoria inflacionária quanto a cíclica prevêem a existência de ondas gravitacionais relíquia”, 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 teoria geral da relatividade, 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 eram necessárias para deixar marcas na radiação cósmica de microondas, que é uma fonte inestimável de informações sobre o cosmos primitivo. Até agora, nenhum desses vestígios foi encontrado, 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.”

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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 haja sentido em procurar outras explicações: “No início, eu estava apenas interessado em tentar entender as propriedades básicas de nosso mundo sem recorrer à inflação. Mais tarde, quando me aprofundei nessas questões, 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 exatamente isso - mas foi muito mais longe. A lógica interna da teoria exigia admitir que a inflação cria constantemente um número infinito de mundos. Não haveria problema 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, não é possível dizer nada sobre a natureza da energia escura, que tem impulsionado a expansão de nosso Universo por 5 bilhões de anos.

Outra diferença, segundo o professor Steinhardt, é a distribuição de temperatura da radiação de fundo de microondas: “Essa radiação vinda de diferentes partes do céu não é totalmente 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 podem ser detectados pelo observatório espacial europeu 'Planck', lançado no ano passado, e por outras espaçonaves mais recentes. Espero que os resultados desses experimentos ajudem a fazer uma escolha entre as teorias inflacionárias e cíclicas. Mas também pode acontecer que a situação permaneça incerta e nenhuma das teorias receba apoio experimental inequívoco. Bem, então terei que inventar algo novo."

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