Pergunte a Ethan: O Universo poderia ser infinito?
Concepção artística em escala logarítmica do universo observável. Crédito da imagem: usuário da Wikipédia Pablo Carlos Budassi.
Talvez os limites do que podemos observar não sejam apenas artificiais; talvez não haja limites para o que está lá fora.
Duas coisas são infinitas, o universo e a estupidez humana, e ainda não estou completamente certo sobre o universo. – Frederick S. Perls, citando Einstein
13,8 bilhões de anos atrás, o Universo começou com o Big Bang quente. Ele vem se expandindo e esfriando desde então, até os dias atuais. Do nosso ponto de vista, podemos observá-lo por cerca de 46 bilhões de anos-luz em todas as direções, graças à velocidade da luz e à expansão do espaço. Embora seja uma distância enorme, é finita. Mas essa é apenas a parte que podemos ver. O que está além disso, e isso é possivelmente infinito? Adam Stephens quer saber:
[Q] quais são seus pensamentos sobre o universo ser infinito ou até mesmo a existência ser assim? Muitos cosmólogos me disseram que um universo infinito ou existência não foi materialmente provado. Como isso pode ser provado empiricamente de qualquer maneira?
Em primeiro lugar, o que vemos nos diz mais do que esses 46 bilhões de anos-luz nos revelam diretamente.
Olhar para objetos cada vez mais distantes no Universo revela-nos como eram mais distantes no tempo. Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI).
Quanto mais longe olhamos em qualquer direção, mais para trás no tempo vemos. A galáxia mais próxima, a cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância, parece-nos como era há 2,5 milhões de anos, porque a luz requer tanto tempo para chegar aos nossos olhos desde o momento em que foi emitida. Galáxias mais distantes aparecem como eram dezenas de milhões, centenas de milhões ou mesmo bilhões de anos atrás. À medida que olhamos cada vez mais longe no espaço, vemos a luz do Universo como era quando era mais jovem. Então, se olharmos para a luz que foi emitida há 13,8 bilhões de anos, como uma relíquia do quente Big Bang, podemos realmente encontrá-lo: o fundo cósmico de microondas .
Apenas algumas centenas de µK separam as regiões mais quentes das mais frias, mas a forma como as flutuações se correlacionam em escala e magnitude codifica uma enorme quantidade de informações sobre o Universo primitivo. Crédito da imagem: ESA and the Planck Collaboration, via http://crd-legacy.lbl.gov/~borrill/cmb/planck/217poster.html .
Esse padrão de flutuações é incrivelmente intrincado, com diferentes diferenças de temperatura média em diferentes escalas angulares. Ele também codifica uma quantidade incrível de informações sobre o Universo, incluindo um fato surpreendente: a curvatura do espaço, pelo que podemos dizer, é completamente plana. Se o espaço fosse curvado positivamente, como vivemos na superfície de uma esfera 4D, veríamos esses raios de luz distantes convergirem. Se fosse curvado negativamente, como vivemos na superfície de uma sela 4D, veríamos esses raios de luz distantes divergirem. Em vez disso, os raios de luz distantes se movem em sua direção original, e as flutuações que temos indicam uma planicidade perfeita.
As magnitudes dos pontos quentes e frios, bem como suas escalas, indicam a curvatura do Universo. Para o melhor de nossas capacidades, medimos para ser perfeitamente plano. Crédito da imagem: Smoot Group, LBL, via http://aether.lbl.gov/universe_shape.html .
A partir do fundo cósmico de micro-ondas e da estrutura em grande escala do Universo (via oscilações acústicas bariônicas) combinadas, podemos concluir que, se o Universo é finito e volta a si mesmo, deve ser pelo menos 250 vezes o tamanho da parte. nós observamos. Porque vivemos em três dimensões, 250 vezes o raio significa (250)3 vezes o volume, ou mais de 15 milhões vezes mais espaço. Mas, por maior que seja, ainda não é infinito. Um limite inferior do Universo sendo de pelo menos 11 trilhões de anos-luz em todas as direções é tremendo, mas ainda é finito.
O Universo observável pode ter 46 bilhões de anos-luz em todas as direções do nosso ponto de vista, mas certamente há mais, Universo inobservável como o nosso além disso. Crédito da imagem: usuários do Wikimedia Commons Frédéric MICHEL e Azcolvin429, anotado por E. Siegel.
Há razões para acreditar que é ainda maior, no entanto. O Big Bang quente pode marcar o início do Universo observável como o conhecemos, mas não marca o nascimento do espaço e do tempo em si. Antes do Big Bang, o Universo passou por um período de inflação cósmica. Em vez de ser preenchido com matéria e radiação, e em vez de ser quente, o Universo era:
- cheio de energia inerente ao próprio espaço,
- expandindo a uma taxa constante e exponencial,
- e criando novo espaço tão rapidamente que a menor escala de comprimento físico, o comprimento de Planck , seria esticado para o tamanho do Universo atualmente observável a cada 10-32 segundos.
A inflação faz com que o espaço se expanda exponencialmente, o que pode resultar muito rapidamente em qualquer espaço curvo pré-existente parecendo plano. Crédito das imagens: E. Siegel (L); Tutorial de cosmologia de Ned Wright (R).
É verdade que em nossa região do Universo, a inflação chegou ao fim. Mas há algumas perguntas para as quais não sabemos a resposta que têm uma tremenda influência sobre o tamanho real do Universo e se é infinito ou não.
A inflação criou o Big Bang quente e deu origem ao Universo observável ao qual temos acesso, mas só podemos medir a última fração de segundo do impacto da inflação em nosso Universo. Crédito da imagem: Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); modificações por E. Siegel.
1.) Qual era o tamanho da região do Universo, pós-inflação, que criou nosso Big Bang quente? Olhando para o nosso Universo hoje, o quão uniforme é o brilho remanescente do Big Bang, o quão plano é o Universo, as flutuações que se estendem pelo Universo em todas as escalas, etc., há muito que podemos aprender. Podemos aprender o limite superior da escala de energia em que ocorreu a inflação; podemos aprender o quanto o Universo deve ter inflado; podemos aprender um limite inferior por quanto tempo a inflação deve ter durado. Mas o bolso do Universo inflado que nos deu origem pode ser muito, muito maior do que esse limite inferior! Pode ser centenas, ou milhões, ou googols de vezes maior do que podemos observar… ou mesmo verdadeiramente infinito. Mas sem poder observar mais do Universo do que podemos acessar atualmente, não temos informações suficientes para decidir.
A inflação termina (topo) quando uma bola rola no vale. Mas o campo inflacionário é quântico (meio), se espalhando ao longo do tempo. Enquanto muitas regiões do espaço (roxo, vermelho e ciano) verão a inflação acabar, muitas outras (verde, azul) verão a inflação continuar, potencialmente por uma eternidade (parte inferior). Crédito das imagens: E. Siegel.
2.) A ideia de inflação eterna está correta? Se você considerar que a inflação deve ser um campo quântico, então em qualquer ponto durante essa fase de expansão exponencial, há uma probabilidade de que a inflação termine, resultando em um Big Bang, e uma probabilidade de que a inflação continue, criando cada vez mais espaço . Estes são cálculos que sabemos fazer (dadas certas suposições), e levam a uma conclusão inevitável: se você quer que ocorra inflação suficiente para produzir o Universo que vemos, então a inflação sempre criar mais espaço que continua a inflar em comparação com as regiões que terminam e produzem Big Bangs. Embora nosso Universo observável possa ter surgido da inflação que terminou em nossa região do espaço cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, existem regiões onde a inflação continua – criando cada vez mais espaço e dando origem a mais Big Bangs – continuando até os dias atuais. Essa ideia é conhecida como inflação eterna e é geralmente aceita pela comunidade de física teórica. Quão grande, então, é todo o Universo não observável até agora?
Mesmo que a inflação possa terminar em mais de 50% de qualquer uma das regiões em um determinado momento (indicado por Xs vermelhos), regiões suficientes continuam a se expandir para sempre para que a inflação continue por uma eternidade, sem dois Universos colidindo. Crédito da imagem: E. Siegel.
3.) E quanto tempo durou a inflação antes de seu fim e o resultante Big Bang quente? Só podemos ver o Universo observável criado pelo fim da inflação e nosso Big Bang quente. Sabemos que a inflação deve ter ocorrido para pelo menos cerca de 10 a 32 segundos ou mais, mas provavelmente durou mais. Mas quanto tempo mais? Por segundos? Anos? Bilhões de anos? Ou mesmo uma quantidade arbitrária e infinita de tempo? O Universo sempre esteve inflando? A inflação teve um começo? Surgiu de um estado anterior que existia eternamente? Ou, talvez, todo o espaço e o tempo tenham emergido do nada há um tempo finito? Estas são todas as possibilidades, e ainda assim a resposta não é testável e indescritível no momento.
Um grande número de regiões separadas onde ocorrem os Big Bangs são separados pela inflação contínua do espaço em inflação eterna. Mas não temos ideia de como testar, medir ou acessar o que existe além do nosso próprio Universo observável. Crédito da imagem: Karen46 de http://www.freeimages.com/profile/karen46 .
A partir de nossas melhores observações, sabemos que o Universo é muito maior do que a parte que podemos observar. Além do que podemos ver, suspeitamos fortemente que há muito mais Universo como o nosso, com as mesmas leis da física, os mesmos tipos de estruturas (estrelas, galáxias, aglomerados, filamentos, vazios, etc.) chances na vida complexa. Também deve haver um tamanho e escala finitos para a bolha em que a inflação terminou, e um número exponencialmente grande de tais bolhas contidas no espaço-tempo maior e inflado. Mas, por mais inconcebivelmente grande que seja todo o Universo (ou Multiverso, se preferir), pode não ser infinito. Na verdade, a menos que a inflação continuasse por um período de tempo verdadeiramente infinito, o Universo deve ser finito em extensão.
Por mais vasto que seja o nosso Universo observável e por mais que possamos ver, é apenas uma pequena fração do que deve estar lá fora. Crédito da imagem: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen e M. Mechtley (ASU), R. O'Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis), & H. Yan (tOSU).
Mas o maior problema de todos? É que só sabemos acessar as informações disponíveis dentro do nosso Universo observável: aqueles 46 bilhões de anos-luz em todas as direções. A resposta para a maior de todas as perguntas – se o Universo é finito ou infinito – pode estar codificada no próprio Universo, mas não podemos acessar o suficiente para saber. Até descobrirmos ou criarmos um esquema inteligente para expandir o que sabemos que a física é capaz, tudo o que teremos são as possibilidades.
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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