Pergunte a Ethan: O Universo é infinito ou finito?
Se você olhar cada vez mais longe, você também olhará cada vez mais longe no passado. Quanto mais cedo você for, mais quente e denso, além de menos evoluído, o Universo se torna. A parte que podemos ver é limitada e finita. Mas e o que está além? Crédito da imagem: NASA / STScI / A. Feild (STScI).
Qualquer uma das possibilidades oferece uma existência tremenda, mas filosoficamente, há muito mais em que pensar.
Se as portas da percepção fossem limpas, tudo pareceria ao homem como é, Infinito. Pois o homem se fechou até ver todas as coisas através das estreitas fendas de sua caverna. – William Blake
13,8 bilhões de anos atrás, o que conhecemos como nosso 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 olhar para trás 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, não é infinitamente grande. Mas isso é apenas o que podemos ver. O que está além disso, e isso poderia ser infinito? É isso que Buck quer saber, enquanto pergunta:
O que eu gostaria de ver discutido se o universo é finito ou infinito, e por que pode ser. Eu vi algumas discussões limitadas de [Sean Carroll] e [Lisa] Randall sobre o efeito que poderia ser. Nós simplesmente não sabemos.
É verdade que não sabemos se é finito ou infinito, mas sabemos muito mais do que vemos dentro da parte que nos é observável.
Olhar para objetos cada vez mais distantes no Universo nos revela como eles estavam mais atrás no tempo, indo até antes de haver átomos, até o Big Bang. Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI).
À medida que olhamos para distâncias maiores, também acabamos olhando para trás no tempo. 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, a luz que vemos do Universo vem de seus dias progressivamente mais jovens. Então, por que não voltar ao início: à luz que foi emitida há 13,8 bilhões de anos? Nós não apenas procuramos, mas encontramos: o fundo cósmico de microondas, que é o brilho restante do Big Bang .
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 e a Colaboração Planck.
O que descobrimos é que o Universo era quase perfeitamente uniforme naquela época, mas algumas regiões eram mais ou menos densas que a média, em apenas 1 parte em 30.000. Isso é suficiente para crescer nas estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e vazios cósmicos que vemos hoje. Mas essas imperfeições iniciais que vemos neste instantâneo cósmico codificam uma quantidade incrível de informações sobre o Universo. Uma dessas informações é um fato surpreendente: a curvatura do espaço, tanto quanto podemos dizer, é completamente plana. Se o espaço fosse positivamente curvo, como vivemos na superfície de uma esfera 4D, os raios de luz distantes convergiriam. Se o espaço fosse curvado negativamente, como a superfície de uma sela 4D, os raios de luz distantes divergiriam. Em vez disso, os raios de luz distantes se movem em sua direção original, com as flutuações que temos indicando um nivelamento perfeito.
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 Cosmology Group / LBL.
Das restrições decorrentes tanto do fundo cósmico de micro-ondas quanto da estrutura em grande escala do Universo combinados, podemos concluir que, se o Universo é finito e volta a si mesmo, ele precisa ser pelo menos 250 vezes a extensão da parte que observar. Porque vivemos em três dimensões, 250 vezes o raio significa (250) 3 vezes o volume, ou mais de 15 milhões de 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 razão para acreditar nosso universo é ainda maior do que isso , Apesar. 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 da imagem: 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 três perguntas para as quais não sabemos a resposta e 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: E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da força-tarefa interagências DoE/NASA/NSF em pesquisa CMB.
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 a inflação ocorreu; 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.
Se a inflação é um campo quântico, então o valor do campo se espalha ao longo do tempo, com diferentes regiões do espaço tendo diferentes realizações do valor do campo. Em muitas regiões, o valor do campo terminará no fundo do vale, acabando com a inflação, mas em muitas mais, a inflação continuará, arbitrariamente, no futuro. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.
2.) A ideia de inflação eterna correto? 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 criará mais espaço que continua a inflar em comparação com o 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?
Onde quer que a inflação ocorra (cubos azuis), ela dá origem a mais regiões do espaço exponencialmente a cada passo adiante no tempo. Mesmo que haja muitos cubos onde a inflação termina (Xs vermelhos), há muito mais regiões onde a inflação continuará no futuro. O fato de que isso nunca chega ao fim é o que torna a inflação “eterna” uma vez que começa. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.
3.) E, finalmente, quanto tempo durou a inflação antes de seu fim e do Big Bang quente resultante? Só podemos ver o Universo observável criado pelo fim da inflação e nosso Big Bang quente. Sabemos que a inflação deve ter ocorrido por 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: Ozytive — domínio público.
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 físicas e cósmicas e as mesmas chances de 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 todo esse Universo – ou Multiverso, se você preferir – possa ser, pode não ser infinito. Na verdade, a menos que a inflação continuasse por um período de tempo verdadeiramente infinito, ou o Universo nascesse infinitamente grande, o Universo deveria 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 não temos informações suficientes para responder definitivamente à pergunta. 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.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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