Pergunte a Ethan #87: A Forma do Universo
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Sam Derbyshire.
Com três dimensões espaciais, as possibilidades são enormes. Mas apenas uma resposta se encaixa no que vemos.
Nunca apague seu passado. Ele molda quem você é hoje e o ajudará a ser a pessoa que será amanhã. – Ziad K. Abdelnour
Ainda mais do que nós, o Universo é moldado pelas condições com que nasceu. Cada transição, interação e componente dela permitiu que ela se tornasse da maneira que observamos hoje. Mas o que, exatamente, é essa forma? Depois de peneirar seus enviados perguntas e sugestões , o Ask Ethan de hoje foi escolhido pelo leitor Tom Berry, que pergunta:
É meu entendimento que o universo é em forma de sela. Minha pergunta é, na época do big bang, por que tudo não se expandiu em todas as direções igualmente, causando um universo de forma esférica?
Vamos começar tirando uma dimensão e falando sobre o que molda um dois superfície dimensional - ou universo imaginário - poderia ter.
Crédito da imagem: NASA / equipe StarChild, via http://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/question35.html .
Quando você pensa em uma superfície bidimensional, provavelmente pensa em um plano : algo como um pedaço de papel plano. Você pode imaginar enrolando-o em um cilindro e, embora isso possa torná-lo mais uma superfície conectada – na qual você pode sair de um lado e entrar novamente no outro – mas mesmo que façamos isso, ainda é uma superfície plana.
Como você sabe que é plano? Uma maneira é desenhar um triângulo e somar os ângulos dos três ângulos internos. Se eles somarem 180 graus, você terá uma superfície plana. Além disso, se você desenhar duas linhas paralelas, elas permanecerão paralelas até onde você puder desenhá-las.
Claro, plano não é a única opção para a curvatura de uma superfície.
Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.
A superfície de uma esfera também é bidimensional, mas não é plana. Qualquer ponto que você olha parece curvar-se para baixo em ambos os lados se você se mover em uma direção, e também para baixo em ambos os lados se você se mover na direção perpendicular à primeira. Se você somar os ângulos dentro desse triângulo, obterá um número maior que 180 graus. E se você desenhar duas linhas paralelas (ou melhor, linhas que começaram paralelas), você descobrirá – assim como as linhas de longitude em um globo – elas sempre se encontrarão eventualmente e se cruzarão em dois lugares. (As linhas de latitude, a propósito, não são realmente linhas retas, com a única exceção do equador.) Esse tipo de superfície é conhecido como superfície positivamente curvada.
A superfície de uma sela, por outro lado, é o outro tipo de superfície bidimensional não plana. Ele é curvado para baixo em uma direção (onde você coloca as pernas ao redor da sela), mas para cima na direção perpendicular (ao longo da coluna do cavalo), o que o torna um curvado negativamente superfície. Se você desenhasse um triângulo com três linhas retas em uma superfície como essa, os ângulos somariam menos de 180 graus. E se você desenhasse duas linhas inicialmente paralelas, descobriria que elas divergiam em ambas as direções e acabariam se afastando cada vez mais uma da outra.
Crédito da imagem: superfícies curvadas negativamente, via Math Forums em Drexel, e usuário narasimham , através da http://mathforum.org/kb/thread.jspa?forumID=13&threadID=2079728&messageID=7095062 .
Outra maneira de visualizar isso é imaginar um pedaço de papel plano e circular. Se você cortar uma fatia deste papel e recolocar as bordas juntas, você criará uma superfície com curvatura positiva a partir de uma superfície plana. Se você cortar uma fatia em um novo círculo e inserir essa cunha, obterá algum tipo de superfície curvada negativamente, como as mostradas acima.
Mas isso é apenas em dois dimensões: é fácil visualizar uma superfície como essa de um ponto de vista tridimensional. Mas nosso Universo tridimensional é muito mais complicado do que isso.
Crédito da imagem: Christopher Vitale de Networkologies e Pratt Institute.
Quando se trata da curvatura do Universo, ainda existem três possibilidades principais:
- curvatura positiva, que é como uma esfera de dimensão superior,
- curvatura negativa, que é como uma sela de dimensão superior,
- ou curvatura zero (plana), que é como uma grade 3-D.
Você pode pensar que o Big Bang preferiria a resposta esférica, já que está bem claro que o Universo parece ser o mesmo em todas as direções, mas isso acaba sendo um arenque vermelho. Há uma razão convincente pela qual o Universo parece o mesmo em todas as direções e não tem nada a ver com curvatura.
Crédito da imagem: E. Siegel, baseado em um original do usuário do Wikimedia Commons Azcolvin429.
O Universo parecendo o mesmo em todos os locais (homogêneo) e em todas as direções (isotrópico) é uma evidência a favor do Big Bang, que prevê que todo o Universo - tudo o que podemos observar - começou a partir de um ambiente quente, denso, uniforme estado onde todas as leis e condições iniciais eram as mesmas em todos os lugares.
Com o passar do tempo, as pequenas imperfeições, ou desvios da uniformidade, dão origem à estrutura: estrelas, galáxias e aglomerados, bem como grandes vazios cósmicos. Mas a razão pela qual parece a mesma em todas essas maneiras e lugares é porque tudo no Universo teve uma origem comum , não por causa da curvatura.
Mas existe uma maneira de medir o que essa curvatura realmente é.
Crédito da imagem: NASA/WMAP Science Team.
Você olha para os padrões de flutuações impressos no fundo cósmico de micro-ondas! Com base em como nosso Universo funciona e do que é feito, essas flutuações devem ter seus picos – ou seus pontos mais quentes e frios – em escalas angulares muito específicas. Se o seu Universo tem uma curvatura negativa (semelhante a uma sela), essa escala fica tendenciosa para ser um pouco menor. Se o seu Universo tem uma curvatura positiva (semelhante a uma esfera), essa escala torna-se tendenciosa a ser maior.
A razão para isso é a mesma de que falamos anteriormente: como as linhas retas se curvam ao longo de cada um desses três tipos de superfícies. O que é verdade em duas dimensões, mesmo quantitativamente , ainda é verdade em três dimensões neste caso.
Crédito da imagem: Smoot Cosmology Group / Lawrence Berkeley Labs.
Então, tudo o que precisamos fazer é observar as flutuações no fundo cósmico de micro-ondas, e podemos a medida a curvatura do Universo (observável) diretamente!
O que encontramos quando fazemos exatamente isso?
Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.
Crédito da imagem: Planck Colaboração: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A Preprint.
Descobrimos - de forma bastante convincente - que a quantidade de curvatura, mostrada acima nos círculos azuis, é no máximo cerca de 0,5% , o que quer dizer que a curvatura do Universo é indistinguível do apartamento.
Isto fez expandir em todas as direções igualmente, mas a planicidade não tem nada a ver com isso. Claro, em escalas muito, muito maiores do que observamos, o Universo ainda pode ser curvo. Lembre-se, o que veio antes, se configurou e deu origem ao Big Bang foi um período de inflação cosmológica , que pega qualquer região do Universo que começou a inflar e a estica, exponencialmente, para ser ridiculamente maior do que seu tamanho original.
Crédito da imagem: eu (L); Tutorial de cosmologia de Ned Wright (R).
Pode significar que o Universo na verdade é curva positiva ou negativa, que é esférica ou sela, ou possivelmente que está conectada no sentido de que podemos sair de uma extremidade e reentrar na outra. Não podemos descartar isso, mas só podemos partir do que podemos observar. E pelo que podemos ver, o Universo parece ser indistinguível do plano. Mas assim como se você pudesse ver apenas o que está no painel inferior direito (D) acima, você concluiria que seu espaço era plano, o Universo pode não ser assim. Simplesmente é, até os limites das informações disponíveis para nós.
E isso, Tom (e todos), é o que sabemos sobre a forma do Universo. Obrigado por uma ótima pergunta, e se você tiver uma ideia para a próxima coluna Pergunte ao Ethan, vá em frente e mande aqui . Vejo você de volta na próxima semana para mais maravilhas e alegrias do Universo!
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