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Pergunte a Ethan #63: O Nascimento do Espaço e do Tempo

Crédito da imagem: John Williams/TerraZoom, via http://www.universetoday.com/96526/.

Se há algo antes do Big Bang, então o que isso significa para o início do nosso Universo?

Você pode tentar mentir para si mesmo. Você pode tentar dizer a si mesmo que dedicou tempo. Mas você sabe – e eu também. – J.J. Watt

Já faz meio século desde que as maiores novas previsões do Big Bang foram confirmadas, mudando nossa concepção do Universo para sempre. Em vez de ter existido para sempre, e em vez de a parte acessível a nós ser infinita em extensão, agora sabemos que tudo o que percebemos existe há apenas um fio de cabelo sob 14 bilhões de anos de tempo cósmico, com nosso Sol e Sistema Solar presentes apenas por o último terço dele. Que é o que faz a pergunta de hoje do Ask Ethan tão interessante, cortesia de Sebastián:

Quando começou o espaço-tempo? Quando eu era criança, aprendi que o Big Bang foi o começo de tudo. Eu acho que essa imagem não é verdadeira atualmente, já que antes do Big Bang havia a inflação cósmica, e o Big Bang não era nem um estrondo, mas um estado onde o Universo era mais quente e mais denso. Se havia inflação antes do Big Bang, então havia espaço-tempo antes do Big Bang, certo?

Há três coisas em que precisamos pensar para responder plenamente à questão de Sebastián, e a primeira é o que queremos dizer com espaço e tempo.

Crédito da imagem: Firefly / Serenity.

Você pode estar acostumado com nossas experiências cotidianas de espaço - noções como comprimento, largura e profundidade - e tempo, que você pode simplesmente pensar como as respostas para as perguntas de Onde e quando . Na verdade, essa não é uma concepção tão ruim das coisas, mas há duas coisas que você precisa saber sobre espaço e tempo que podem ser um pouco menos intuitivas. Na verdade, foi literalmente preciso um Einstein para descobrir tudo, e até ele precisava de ajuda!

A primeira é que espaço e tempo não eram noções separáveis, como Newton pensava que eram. Se você se move pelo espaço, isso muda fundamentalmente como o tempo passa para você, e se duas pessoas se movem pelo espaço em taxas diferentes uma em relação à outra, a maneira como elas experimentam o tempo para si mesmas e a maneira como veem o tempo passando para a outra pessoa será diferentes um do outro.

Crédito da imagem: John D. Norton de Pittsburgh, via http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods/index.html .

A maneira como isso faz mais sentido – e não foi Einstein quem descobriu isso, mas sim o matemático Hermann Minkowski — é considerar um conceito unificado de espaço-tempo , onde em vez de três dimensões espaciais e uma dimensão temporal, consideramos uma nova entidade quadridimensional conhecida como espaço-tempo. Falando em 1908, Minkowski apresentou a ideia :

As visões de espaço e tempo que desejo apresentar a vocês surgiram do solo da física experimental, e é aí que reside sua força. Eles são radicais. Doravante, o espaço por si mesmo e o tempo por si só estão condenados a desaparecer em meras sombras, e apenas uma espécie de união dos dois preservará uma realidade independente.

Embora Einstein tenha resistido inicialmente a essa revolução, sua eventual aceitação levou a uma revelação ainda maior.

Crédito da imagem: NASA, ESA, L. Calçada.

A ideia de que não apenas o espaço e o tempo estavam conectados em um tecido 4D unificado, o espaço-tempo, mas que a curvatura desse tecido 4D era causada pela presença de matéria e energia! Assim como o movimento através do espaço-tempo afetou a forma como diferentes observadores experimentam a passagem do tempo e as distâncias do espaço, a presença de matéria e energia (e da curvatura em geral) também afeta a experiência do espaço e do tempo.

E nos exemplos mais extremos de concentrações de matéria e energia – em uma singularidade – as noções de espaço e tempo se desfazem!

Crédito da imagem: Sociedade Astronômica do Pacífico.

Nossas concepções mais comuns de singularidades são nos centros dos buracos negros , onde atingimos uma densidade arbitrariamente grande (e possivelmente infinita) de matéria e energia em um único ponto. Nesse caso, nossa concepção de espaço-tempo se desfaz, pois as equações de Einstein dão resultados sem sentido.

O que traz à tona a segunda coisa que precisamos pensar: a estrutura do Big Bang!

Crédito da imagem: NASA, ESA, equipe GOODS e M. Giavalisco (STScI); Telescópio espacial Hubble.

Pensamos no Universo como um lugar relativamente frio e vazio hoje, exceto pelas densas concentrações de matéria, estrelas, planetas e vida que se formaram ao longo dos bilhões de anos em que o Universo existe. Graças à gravidade, ao eletromagnetismo e às forças nucleares, construímos essa imponente estrutura cósmica que varia da escala subatômica até tremendos aglomerados de galáxias.

Mas se voltarmos no tempo, descobrimos que não apenas as coisas eram gravitacionalmente mais uniformes no passado, mas também que nosso Universo em expansão e resfriamento era mais quente (já que os comprimentos de onda da luz eram mais curtos) e mais denso, tudo devido à natureza do forma como o espaço-tempo se expande.

Crédito da imagem: Take 27 LTD / Science Photo Library (principal); Chaisson & McMillan (inserção).

Podemos voltar no tempo o quanto quisermos, aos primeiros estágios imagináveis, a energias cada vez mais altas, temperaturas mais quentes e densidades crescentes. Podemos voltar para:

• Um tempo antes de quaisquer estrelas ou galáxias se formarem, até quando o Universo era apenas um mar de átomos quentes e neutros.
• Uma época em que era muito quente para formar átomos neutros, quando o Universo era apenas um plasma ionizado de núcleos e elétrons.
• Uma época em que era quente demais para formar núcleos simples, quando reinavam prótons e nêutrons livres (junto com elétrons e fótons).
• Uma época em que as densidades e temperaturas eram tão altas que as colisões de partículas criavam rotineira e espontaneamente pares de matéria/antimatéria de todas as partículas conhecidas no Universo.

E você pode pensar em ir mesmo mais longe do que isso, a uma densidade arbitrária, alta temperatura e a um evento no espaço-tempo que também corresponde a uma singularidade: um momento em que todo o Universo está concentrado em um único ponto.

Crédito da imagem: wiseGEEK, 2003 — 2014 Conjecture Corporation, via http:// www.wisegeek.com/what-is-cosmology.htm# ; original da Shutterstock / DesignUA.

Se este fosse o caso, este é exatamente o lugar onde o espaço e o tempo começasse , pois não existe algo fora do espaço, e não existe algo fora do tempo. Mas haveria uma infinidade de quebra-cabeças que simplesmente não foram explicados sobre o nosso Universo se aceitássemos isso como o verdadeiro começo , como agora temos a física que nos ensina que não podemos ir arbitrariamente para trás , mas sim que um estado de inflação - de um espaço-tempo em expansão exponencial com energia inerente ao próprio espaço - precedeu e levou ao estado de expansão quente e denso que identificamos com o Big Bang.

Crédito da imagem: ESA e a colaboração Planck, modificada por mim.

Porque no momento em que essa energia, toda ligada no próprio espaço, fica convertido em matéria e radiação, a expansão exponencial termina e nos dá um Universo que aparece exatamente como concebemos que nosso Universo primitivo tenha sido.

Imagem gerada por mim. Cada X representa uma região onde termina a inflação e nasce um Universo como o nosso; cada caixa sem uma continua a inflar. Em todos os momentos no futuro, há mais caixas sem Xs do que com um. Mas ele vai arbitrariamente para o passado, sem nenhum começo no espaço-tempo.

Mas agora isso leva ao terceiro e último ponto, mantendo nossas noções de singularidades no espaço-tempo e a grande explosão em mente: se o Universo antes de o Big Bang - na época da inflação - consistia em expandir exponencialmente o espaço-tempo, de onde veio esse espaço-tempo?

Por mais louco que pareça, são três opções bem intuitivas.

1. O Universo poderia ter tido um começo, antes do qual nada existia.
2. Poderia ter existido eternamente, como uma linha infinita que se estende em ambas as direções.
3. Poderia ter sido cíclico como a circunferência de um círculo, repetindo-se infinitamente.

Crédito da imagem: eu.

Se fôssemos com o velho Big Bang (e não inflação), a evidência favoreceria a opção 1: o Universo nascendo no momento de infinitas energias arbitrariamente altas e, junto com ele, o nascimento do espaço-tempo.

No entanto, a inflação muda isso tremendamente. Ele nos diz que, em vez de uma singularidade em t = 0, ou onde ocorreu o Big Bang, ele nos diz que o Universo existia em um estado inflacionário, ou um estado em que estava se expandindo exponencialmente, por um tempo indeterminado .

Crédito das imagens: eu. As linhas azul e vermelha representam um cenário tradicional do Big Bang, onde tudo começa no tempo t=0, incluindo o próprio espaço-tempo. Mas em um cenário inflacionário (amarelo), nunca alcançamos uma singularidade, onde o espaço vai para um estado singular; em vez disso, ele só pode ficar arbitrariamente pequeno no passado, enquanto o tempo continua a retroceder para sempre.

Portanto, parece favorecer a opção 2: o Universo sendo eterno ao passado.

Mas há uma pegadinha para mesmo que , como se vê. Existe um teorema que nos diz que um Universo inflacionário é incompleto como o tempo passado: que um Universo em constante expansão devo partiram de uma singularidade.

Crédito da imagem: Cosmic Inflation por Don Dixon.

Mas isso pode não ser justo, no sentido de que o teorema é baseado nas leis conhecidas da física e aplicá-las a um momento em que as leis conhecidas da física falham. Além disso, tão grande e cheio de coisas como o nosso Universo é, a quantidade de material (e, portanto, em formação ) nele ainda não é infinito! Com cerca de 10^90 partículas (incluindo fótons e neutrinos), voltando até o estado de expansão quente e denso do Big Bang e depois cerca de 10^-30 segundos antes dos últimos momentos de inflação, há algumas coisas que ainda são observacionalmente inacessíveis para nós.

Crédito da imagem: Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); modificações por mim.

Infelizmente, uma dessas coisas é de onde veio aquele espaço-tempo inflado !

Se tudo isso significa que um Universo inflando não podia duraram para sempre ou se isso significa que nossas regras atuais da física não são aplicáveis ​​para descobrir se durou para sempre, teve um começo ou é cíclica são desconhecidas. É até possível que o tempo seja cíclico, e que os ciclos mudança a cada iteração! Apesar de todo o nosso progresso, ainda temos as mesmas três opções que filósofos e teólogos consideraram por milênios: o tempo é finito, o tempo é infinito ou o tempo é cíclico .

Crédito da imagem: eu.

A única coisa que sabemos é que, se houver foi uma singularidade no passado, não tem algo a ver com o nosso Hot Big Bang que cada partícula de matéria e energia em nosso Universo observável é rastreável.

E a menos que descubramos uma nova maneira de obter informações sobre o que aconteceu antes que o Universo observável para nós existisse em qualquer sentido significativo, a resposta pode estar para sempre além do alcance do que é cognoscível. Nem todas as perguntas do Ask Ethan terão uma resposta definitiva, mas esta é a melhor sabemos, dado o nosso atual corpo de conhecimento. Tenho o prazer de anunciar que as próximas cinco perguntas do Ask Ethan escolhidas também serão o vencedor de um sorteio de férias gratuito (a ser anunciado amanhã), então não apenas mande suas dúvidas e sugestões aqui , mas também deixe-me saber como entrar em contato com você, caso você seja um dos vencedores!

Deixe seus comentários em o fórum Começa com um estrondo aqui , e envie suas perguntas e sugestões do Ask Ethan aqui para uma chance de ganhar!

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