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Pergunte a Ethan #96: O Multiverso é ciência?

Crédito da imagem: Karen46 de http://www.freeimages.com/profile/karen46.

Há três coisas que uma ideia deve fazer para se tornar uma teoria científica completa. Como o Multiverso se acumula?

É difícil construir modelos de inflação que não levem a um multiverso. Não é impossível, então acho que ainda há pesquisas que precisam ser feitas. Mas a maioria dos modelos de inflação leva a um multiverso, e as evidências de inflação nos levarão a levar a sério [a ideia de um] multiverso. – Alan Guth

De vez em quando, recebo um pergunta ou sugestão para Ask Ethan que sonda os limites do que podemos perceber, teorizar ou imaginar. Perguntas sobre o início ou fim do Universo, das leis da natureza como as conhecemos, ou mesmo da própria ciência. A seleção desta semana é cortesia de John Pashkow, que pergunta:

Você escreveu que há 3 coisas que entram em uma teoria científica revolucionária, a terceira é que ela precisa ser testável e capaz de ser confirmada ou refutada (o que o filósofo Karl Popper chamou de falseabilidade), e ainda assim a teoria do multiverso não parecem cumprir esse teste.

Então vamos falar sobre tudo isso: os três critérios, o multiverso e de onde ele vem, e se ele atende ao alto padrão exigido para ser sua própria teoria científica.

Crédito da imagem: Max Tegmark / Scientific American, por Alfred T. Kamajian.

Na semana passada, escrevi os três componentes de qualquer nova teoria científica revolucionária . Aqui está o que eu disse que eles eram:

1.) Deve reproduzir todos os sucessos da teoria anteriormente existente.

2.) Tem que explicar os novos resultados que contradiziam a velha teoria.

3.) Ele precisa fazer previsões novas e testáveis ​​que não foram testadas antes e que podem ser confirmadas e validadas ou refutadas.

Foi assim que os avanços científicos ocorreram em praticamente todos os campos, desde os mais simples, como a física, até os mais complexos, como a biologia.

Crédito da imagem: Michael Perryman, via Eur.Phys.J. H37 (2012) 745 arXiv:1209.3563 [physics.hist-ph].

O geocentrismo descritivo – com epiciclos, equantes e deferentes – foi substituído pelo heliocentrismo e órbitas elípticas de Kepler, expandidos posteriormente pela gravidade de Newton. Não apenas as posições e movimentos dos planetas foram explicados, mas também as luas de Júpiter, as fases de Vênus, a órbita excêntrica de Marte e novas previsões foram feitas sobre a periodicidade e retorno dos cometas.

Centenas de anos depois, a própria gravidade de Newton falhou em prever as características orbitais detalhadas de Mercúrio, e foi a Relatividade Geral de Einstein que não apenas reproduziu todos os sucessos de Newton, mas explicou as anomalias orbitais de Mercúrio e fez previsões sobre a curvatura da luz das estrelas por fontes gravitacionais que poderia ser testado. Em poucos anos, a Relatividade Geral foi confirmada e tivemos outra revolução científica completa em nossas mãos.

Crédito das imagens: New York Times, 10 de novembro de 1919 (L); Illustrated London News, 22 de novembro de 1919 (R).

(Para os biólogos, a teoria da evolução de Darwin foi um grande exemplo, superada pela genética e depois superada pela descoberta do DNA. A ciência avança dessa maneira: não invalidando o que veio antes, mas expandindo-o para melhor descrever o conjunto completo de fenômenos aplicáveis ​​no Universo.)

Então, onde está o Multiverso - o real Multiverso - vem, e o que é? Para entender isso, vamos começar com nossa imagem do próprio Universo. E por Universo, quero dizer o universo observável : a soma total de tudo o que podemos ver, medir e interagir.

Crédito da imagem: usuários do Wikimedia Commons Frédéric MICHEL e Azcolvin429, anotado por mim.

Em todos os lugares que olhamos no céu, vemos estrelas e galáxias, agrupadas em uma grande teia cósmica. Mas quanto mais longe no espaço olhamos, mais longe no tempo olhamos também. As galáxias mais distantes são mais jovens e, portanto, menos evoluídas. Suas estrelas têm menos elementos pesados, parecem menores à medida que ocorrem menos fusões, há mais espirais e menos elípticas (que levam tempo para se formar a partir de fusões), e assim por diante. Se formos até os limites do que podemos ver, encontraremos as estrelas mais antigas do Universo e, em seguida, uma região de escuridão além disso, onde a única luz é o brilho remanescente do Big Bang.

Mas o próprio Big Bang – ocorrendo em todos os lugares ao mesmo tempo cerca de 13,8 bilhões de anos atrás – não foi o início do espaço e do tempo, mas sim o início do nosso Universo observável. Antes disso, houve uma época conhecida como inflação cósmica, onde o próprio espaço se expandiu exponencialmente, cheio de energia inerente ao tecido do espaço-tempo.

Crédito da imagem: Cosmic Inflation por Don Dixon.

A inflação cósmica é em si um exemplo de uma teoria que veio e substituiu a que veio antes dela, na medida em que:

1.) Foi consistente com todos os sucessos do Big Bang e abrangeu toda a cosmologia moderna,

2.) Explicou uma série de problemas que o Big Bang não conseguiu resolver, incluindo por que o Universo tinha a mesma temperatura em todos os lugares, por que era tão espacialmente plano e por que não havia sobras de relíquias de alta energia, como monopolos magnéticos, e

3.) Feito cinco novas previsões distintas que poderiam ser testados observacionalmente, quatro dos quais foram confirmados.

Há também, no entanto, uma consequência que a inflação prevê que façamos não saber se podemos confirmar ou não: o Multiverso.

Crédito da imagem: Ozytive, via http://www.ozytive.com/wp-content/uploads/2013/09/Parallel-Universe.jpg .

Você vê, a maneira como a inflação funciona é fazendo com que o espaço se expanda a uma taxa exponencial. Isso pega tudo o que existia antes do Big Bang quente e o torna muito, muito, muito maior do que era anteriormente. Até agora, tudo bem: isso explica como conseguimos um Universo tão uniforme e grande. Quando a inflação termina, esse Universo fica cheio de matéria e radiação, que é o que vemos como o Big Bang quente. Mas aqui é onde fica estranho.

De acordo com os mecanismos viáveis ​​que nos dão o suficiente inflação para produzir o Universo que vemos, também existem muitas regiões do espaço ao redor do nosso (onde a inflação fez final) onde a inflação não terminar imediatamente, levando a um fenômeno conhecido como inflação eterna.

Crédito da imagem: E. Siegel.

Graças à mecânica quântica, a inflação tem uma chance de terminar em qualquer região a qualquer momento… não terminando em qualquer região a qualquer momento também. Onde a inflação termina, temos um Big Bang quente e um Universo – do qual podemos observar papel daquele em que estamos - muito parecido com o nosso. (Denotado pelo X vermelho acima.)

Mas onde a inflação não termina, isso produz mais espaço inflado, o que dá origem a algumas regiões que terão Big Bangs quentes causalmente desconectados do nosso, e outras regiões que continuarão a inflar.

E assim por diante.

Crédito da imagem: BellaCielo do deviantART, via http://bellacielo.deviantart.com/art/Multiverse-143191929 .

Agora há muito que nós não saber sobre esses outros Universos, incluindo:

• Eles têm as mesmas leis físicas, partículas e constantes fundamentais que as nossas?
• Eles têm densidades e históricos de propriedades semelhantes aos nossos?
• Estamos de alguma forma emaranhados, mecanicamente quântica, com esses outros Universos?

A resposta pode ser não ou sim para qualquer uma ou todas essas perguntas; a suposição conservadora é que as respostas são sim, sim e não, respectivamente, mas isso nos leva ao ponto principal da pergunta de John: isso é uma teoria científica?

Crédito da imagem: Mario Livio, via http://www.huffingtonpost.com/mario-livio/how-can-we-tell-if-a-multiverse-exists_b_2285406.html .

A questão é que o Multiverso é não uma teoria científica por si só. Em vez disso, é uma consequência teórica das leis da física como são melhor compreendidas hoje. É talvez até um inevitável consequência dessas leis: se você tem um universo inflacionário governado pela física quântica, isso é algo que você está prestes a acabar.

Mas o Multiverso não é necessário explicar qualquer coisa sobre o Universo em que vivemos. Não resolve nenhum dos problemas pendentes que temos atualmente. (E se você diz coisas como paisagem, energia do vácuo, princípio antrópico e constante cosmológica, você não entende o que significa resolver.) E o pior é que não faz previsões concretas para algo que podemos necessariamente observar.

Crédito de imagem: Moonrunner Design, via http://news.nationalgeographic.com/news/2014/03/140318-multiverse-inflation-big-bang-science-space/ .

Então, o que isso significa, quando juntamos tudo? Isso significa que o Multiverso – supondo que nossa imagem atual do Universo e sua história seja válida – provavelmente é real. Provavelmente há muito mais universo além do que é observável para nós, e provavelmente há outros universos que começaram com outro Big Bang que nunca interagirá com o nosso.

Mas também significa que está além do domínio da testabilidade, mesmo em princípio. A única maneira que eu poderia conceber de fazer isso é catastrófica: restaurar o estado inflacionário, enredar vários observadores que se estendem em diferentes regiões infladas e ver se a inflação termina e dá origem a coisas diferentes em momentos diferentes, presumindo que você pode aprender algo quando você quebra o emaranhamento quântico. (E eu não tenho certeza se você pode.)

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

Isso exige sobreviver a um Big Bang quente, lembre-se, então boa sorte com isso. A menos que você possa, estou com John na frente cética: o Multiverso pode ser interessante e uma consequência teórica aparentemente inevitável da física. Mas até que possamos testá-lo cientificamente - e pode ser que Nunca pode - não é bom o suficiente para ser ciência. É uma conjectura teórica, que faz sentido, mas não é uma teoria científica e, graças às limitações do Universo, pode nunca ser.

Então o que é? Pode ser uma nova classe de tópicos que estamos começando a entender: o primeiro motivado fisicamente metafísica que já encontramos. Pela primeira vez, estamos entendendo os limites do nosso Universo, as informações nele contidas e o que isso significa para o que podemos aprender sobre ele. Além disso? Depois disso? Talvez seja realmente aí que a metafísica comece, e talvez seja aí que o Multiverso residirá para sempre.

Então, obrigado por uma pergunta carregada de filosofia esta semana, John, e espero que você tenha gostado do seu Ask Ethan!

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