Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: o multiverso e a estrada não percorrida

crédito de idade: domínio público, recuperado de https://pixabay.com/en/globe-earth-country-continents-73397/ .

Existe um universo alternativo com uma versão diferente de você e todos os resultados que você não escolheu?

Vá então, existem outros mundos além destes. – Stephen King, A Torre Negra

O Multiverso é uma palavra usada por muitas pessoas, mas nem todos querem dizer a mesma coisa quando a dizem. Leitor (e meu ex-aluno de Lewis & Clark!) Chris Olson escreveu e perguntou sobre dois significados diferentes em particular:

De que maneira, se é que estão, as ideias da Mecânica Quântica Everettiana e a Inflação Eterna estão relacionadas? Podemos distinguir entre o multiverso como implícito em cada um?

Existem muitas possibilidades diferentes para o que as pessoas podem querer dizer com Multiverso em oposição ao Universo, então vamos passar por elas, começando pelas menos conservadoras (com o menor número de novas suposições) e avançando pelas cada vez mais especulativas.

1.) O Universo além do que podemos observar . Quando falamos do Universo, muitas vezes queremos dizer o Universo que podemos observar. Porque o Universo que conhecemos e reconhecemos começou com um evento que conhecemos como o Big Bang quente – onde um Universo quente, denso, cheio de matéria e radiação surgiu e começou a expandir, resfriar e desmoronar sob sua própria gravidade – alguns 13,8 bilhões de anos atrás, somos fundamentalmente limitados em termos do que podemos ver. Os sinais podem ter surgido exatamente naquele instante e viajado, sem impedimentos, na velocidade da luz através do Universo em constante expansão durante todo esse tempo, e ainda assim há uma distância finita que o sinal poderia ter viajado. Em nosso Universo com matéria normal, matéria escura, energia escura, neutrinos, radiação e tudo o que sabemos, isso corresponde a uma distância de 46,1 bilhões de anos-luz, centrada em nós.

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

Mas não há razão para acreditar que não há muito mais Universo por aí. Simplesmente não houve tempo suficiente para tudo o que conhecemos como o uma Universo observável para chegar até nós. Com o passar do tempo, mais e mais do Universo será revelado a nós em nosso ponto de vista, mesmo considerando a energia escura. Mas quanto mais está lá fora? Com base na curvatura observada do espaço que podemos observar, o que existe em comparação com o que podemos ver é pelo menos 250 vezes mais em todas as dimensões, o que significa que o Universo tem (250³) ou mais Quinze milhões vezes o volume do espaço (e coisas) que podemos ver. É possivelmente até infinito, embora não tenhamos certeza. No entanto, essa é apenas a versão mais conservadora do Multiverso por aí: mais coisas como nós. Mas pode haver…

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

2.) Diferentes bolsões do Universo onde a inflação termina . O Big Bang pode ter sido o começo do que conhecemos como nosso Universo, mas não é possível (nem preciso) extrapolar para trás para um estado arbitrariamente quente e denso. Em vez disso, sabemos (a partir do fundo cósmico de microondas) que o máximo temperatura que o Universo atingiu no Big Bang quente não era maior do que cerca de 10³⁰ K. Agora, isso é um imenso número, mas não é quente o suficiente para atingir a escala de Planck, uma singularidade, ou fazer com que as leis da física como as conhecemos sejam quebradas. Uma das coisas que nos diz é que havia algo mais anterior ao Big Bang, consistente com o que percebemos como as condições iniciais para montá-lo: a inflação cósmica. A inflação é basicamente um período no Universo anterior ao Big Bang que a configura, tornando-a:

esticado plano,
vazio de todas as partículas de relíquia criadas anterior ao fim da inflação,
com a mesma temperatura e densidade de energia em todos os lugares,
que contém um espectro uniforme de flutuações.

A inflação é como uma bola que rola morro abaixo, só que é um quântico bola, então há probabilidades em todos os locais de que ela irá (ou não) rolar por aquela colina.

Crédito das imagens: E. Siegel. 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).

Nos lugares onde a inflação fica no topo da colina, não rolando para baixo, a inflação continua, criando cada vez mais espaço (inflando). Onde ele rola morro abaixo, a inflação chega ao fim, criando o Big Bang quente. Enquanto a inflação acabava em nosso região do espaço cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, não é razoável esperar que tenha chegado ao fim em todos os lugares. Em vez disso, algumas regiões do espaço continuarão a inflar para sempre. Enquanto a taxa na qual o espaço infla é maior do que a taxa em que os bolsões de inflação chegam ao fim (o que é em todos os modelos de trabalho), haverá um número infinito de Big Bangs desconectados um do outro, e também a inflação continuará nas regiões onde não não terminar por uma eternidade no futuro.

Crédito da imagem: E. Siegel. 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.

Os Xs vermelhos, acima, indicam regiões (como a nossa) onde a inflação termina, mas há um número infinito de lugares onde a inflação chega ao fim. Este é um Multiverso ainda maior do que a versão de mais Universo além do que podemos ver dado em #1. Este também é o primeiro dos Multiversos que Chris alude: aquele dado pela inflação eterna.

3.) Diferentes versões de tu em diferentes seções do Multiverso . Existem cerca de 10⁹⁰ partículas (incluindo fótons e neutrinos) em nosso Universo observável, todas tendo sofrido interações e colisões com muitas outras partículas. Eles têm posições e momentos, eles têm sua própria história única, e cerca de 10²⁸ deles se combinam, neste momento, para fazer cada um de nós. Se tomarmos a taxa esperada de expansão do espaço durante a inflação e permitirmos que maioria do espaço vem se expandindo nessa taxa por toda a história do nosso Universo (13,8 bilhões de anos), podemos calcular quantos possível Universos lá são semelhantes ao nosso.

A história do nosso Universo observável. Crédito da imagem: ESA and the Planck Collaboration, modificado por E. Siegel para correção.

É um número grande! Realisticamente, estamos falando de pelo menos (10¹⁰)^50 Universos que começaram com condições iniciais que podem ser muito semelhantes às nossas. São 10⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰ universos, que podem ser um dos maiores números que você já imaginou. E, no entanto, há números maiores que descrevem quantos resultados possíveis existem para interações de partículas; lembre-se, se você quiser obter um idêntico tu , você precisa que toda a história do Universo tenha se desenrolado exatamente da mesma maneira que a nossa, até que você decida de uma maneira ou de outra:

aceite esse trabalho,
comprar aquela casa,
beije a pessoa que você gosta,

ou qualquer outra decisão que você fez (ou não) fez.

Nosso Universo tem muitas partículas: cerca de 10⁹⁰. Toda vez que duas partículas interagem, não há apenas 1 resultado possível, mas todo um espectro quântico de resultados. Por mais triste que seja o caso, há muito mais do que (10⁹⁰)! resultados possíveis para as partículas no Universo, e aquele número é muitos googolplexes vezes maior do que um número insignificante como (10¹⁰)^50. Em outras palavras, o número de resultados possíveis de partículas em qualquer Universo interagindo umas com as outras tende ao infinito mais rápido do que o número de universos possíveis aumenta devido à inflação. Você precisaria que a inflação estivesse acontecendo literalmente para todo sempre antes do nosso Big Bang para que isso fosse possível, e isso violaria o teorema da singularidade de Borde-Guth-Vilenkin , o que mostra que a inflação não pode ser completa do tipo passado. Em outras palavras, este parece improvável.

Trajetórias quânticas em uma interpretação (de Broglie-Bohm) da mecânica quântica. Imagem de domínio público do usuário do Wikimedia Commons Opasson, Modificações feitas por Krzysztof Zajączkowski.

4.) Versões entrelaçadas de você em diferentes universos de bolso . Isso atinge a segunda parte da pergunta de Chris: a parte sobre a mecânica quântica de Everett. Supondo que a opção 3 seja verdadeira e que existam outras versões suas em outros bolsões do Multiverso, elas estão emaranhadas? A física quântica está aberta à interpretação, o que significa que existem várias abordagens diferentes (ou maneiras de olhar para ela) que dão as mesmas respostas. Os sistemas quânticos podem ter funções de onda que se espalham ao longo do tempo e colapsam instantaneamente quando ocorre uma interação, por exemplo, ou podem ter um conjunto de resultados possíveis dos quais um é selecionado à medida que percorremos esse caminho. A interpretação de Hugh Everett – a Interpretação de Muitos Mundos da mecânica quântica – sustenta que há um número infinito de Universos paralelos por aí, e sempre que uma decisão é tomada, descemos algum desses caminhos e não de outros. Então existem Universos por aí onde você aceitou (e não) aquele emprego, onde você comprou (e não) aquela casa, e onde você beijou (e não) seu interesse amoroso no momento crítico , entre outros.

Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Christian Schirm.

Mesmo que um número verdadeiramente infinito de Universos fez existem, não há como criar um emaranhado entre eles que seja claro, embora isso não impeça as pessoas de especular. Esta é outra possibilidade não testável, e que requer uma série de suposições bastante extraordinárias. No entanto, podemos ir ainda mais longe na toca do coelho do Multiverso, se quisermos.

5.) Diferentes universos com diferentes leis da física . Esta é ainda mais altamente especulativa, baseada em uma suposição: que quando a inflação termina, há múltiplos maneiras para que termine, resultando em diferentes leis da física e/ou constantes fundamentais do Universo que habitamos atualmente. Este seria um Multiverso onde alguns bolsões se recolhiam, outros se expandiam tão rapidamente que nenhuma estrela ou galáxia jamais se formaria; onde alguns não têm matéria escura e outros têm todo matéria escura; onde alguns têm constantes cosmológicas maiores ou menores ou até mesmo negativas. Pode até haver Universos por aí que tenham partículas e interações totalmente diferentes das nossas. Não há como testar isso.

Paisagem montanhosa no Parque Nacional Badlands, Dakota do Sul. Imagem de domínio público via http://www.goodfreephotos.com/places/south-dakota/badlands-national-park/south-dakota-badlands-national-park-hilly-landscape.jpg.php ; cada mínimo, onde uma gota de água escorreria até o fundo, representa um resultado possível diferente para o que seriam as leis da física e/ou constantes fundamentais.

Pelo que podemos observar, temos certeza de que a opção 1 é verdadeira: há é mais Universo lá fora do que podemos ver. Pelo que sabemos sobre inflação, temos certeza de que a opção 2 também é verdadeira: existem regiões do espaço fora do nosso Universo onde a inflação terminou em momentos diferentes, cada uma com seus próprios Big Bangs quentes, bem como regiões onde a inflação ainda é em curso, e onde continuará eternamente no futuro. E pelo que sabemos de diferentes infinitos, temos certeza de que o número 3 não é verdadeiro e, portanto, a opção quatro também não pode ser verdadeira. Opção cinco? Muitos consideram isso, mas não há evidências disso, não é testável, e o fato de a inflação acabar bem abaixo a escala de Planck nos dá sérias razões para duvidar que isso seja possível. (Ainda assim, muitos continuarão a entretê-lo sem nunca pensar duas vezes nisso.) O Multiverso é quase definitivamente real além de qualquer dúvida razoável, mas a versão do Multiverso que você assina faz toda a diferença no Universo.

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