Pergunte a Ethan: O fim do nosso universo dará origem a um novo?
A ideia de Penrose de uma cosmologia cíclica conforme levanta a hipótese de que nosso Universo surgiu de um Universo pré-existente que deixaria marcas em nosso cosmos hoje. Esta é uma alternativa fascinante e imaginativa à inflação, mas os dados não a suportam, apesar das afirmações duvidosas de Penrose de que sim. No entanto, outros cenários de 'renascimento' permanecem em jogo. (SKYDIVEPHIL / YOUTUBE)
Tudo isso já aconteceu antes, e tudo isso vai acontecer mais uma vez?
Existem apenas algumas perguntas, quando as fazemos, que nos forçam a contar com a natureza fundamental da existência. De onde veio o nosso Universo? Alguma coisa pode deixar nosso Universo e, se assim for, voltará a emergir em outro lugar? Estamos realmente limitados pela segunda lei da termodinâmica, indicando que a entropia deve aumentar para sempre em nosso Universo, não importa o que façamos, ou existe uma brecha? E, no final de tudo, o que acontecerá com a matéria, a energia, o espaço e o tempo quando ocorrer a morte por calor do nosso Universo?
Essas perguntas ainda não são totalmente respondidas hoje, mesmo com todo o conhecimento que reunimos ao longo dos anos. Ainda assim, eles não valem apenas a pena ponderar, mas um deles atingiu meu radar esta semana, cortesia de Steve Harbert, que quer saber:
Quando nosso universo terminar, um novo universo começará em todo o novo espaço vazio?
Esta é uma possibilidade fascinante, e uma que devemos considerar. Aqui está o que sabemos hoje sobre a oportunidade de nosso Universo renascer novamente.
Uma ilustração de como o espaço-tempo se expande quando é dominado pela Matéria, Radiação ou energia inerente ao próprio espaço. Todas essas três soluções são deriváveis das equações de Friedmann. Embora a matéria e a radiação vejam suas densidades de energia cair à medida que o Universo se expande, a energia inerente ao próprio espaço não mudará em densidade de energia. (E. SIEGEL)
Existem duas ferramentas incrivelmente poderosas que – quando as combinamos – nos permitem aprender o que compõe o Universo. A primeira ferramenta é a Relatividade Geral de Einstein e, em particular, a solução exata para um Universo uniformemente preenchido com coisas. A segunda ferramenta é a capacidade de identificar as distâncias e velocidades de recessão de vários objetos em vários momentos da história do Universo.
Com base apenas nessas ferramentas, podemos concluir:
- do que é feito o universo,
- que fração de energia está em cada componente diferente,
- e como essas densidades de energia fracionárias evoluirão com o tempo.
No início, por exemplo, o Universo era principalmente radiação: na forma de fótons e neutrinos. Mais tarde, era principalmente matéria: na forma de matéria escura e matéria normal. E só recentemente, cosmologicamente falando, a energia escura passou a ser o componente dominante do Universo, mas isso se tornará ainda mais grave com o passar do tempo.
Nosso Universo consiste em muitos tipos diferentes de energia, que dominam o Universo e determinam a taxa de expansão em diferentes momentos. No início, fótons e neutrinos dominam na era da radiação. Mais tarde, a matéria normal e a matéria escura dominam na era da matéria. E hoje e para sempre, a energia escura dominará. Se a energia escura é uma constante cosmológica ou não, continua a ser determinado. (E. SIEGEL)
A maioria das formas de energia – como matéria ou radiação – são baseadas em partículas: quanta de energia. À medida que o Universo se expande, o volume aumenta, mas o número de partículas dentro dele permanece o mesmo. Tanto para a matéria quanto para a radiação, isso significa que a densidade deve diminuir: se você tem a mesma quantidade de material, mas o volume é maior, sua densidade é menor.
Mas a energia escura é diferente: é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que o Universo se expande, o volume aumenta, enquanto a densidade de energia (a energia por unidade de volume) permanece constante. Essa diferença é importante. Normalmente, à medida que o Universo se expande e a densidade de energia cai, a taxa de expansão também cai; o Universo se expande mais lentamente com o passar do tempo. Mas se a densidade de energia permanecer constante, a taxa de expansão não cairá, mas permanecerá em um valor constante e implacável.
Isso leva à expansão exponencial, onde, eventualmente, todos os objetos não ligados no Universo irão acelerar para longe de todos os outros objetos, levando a um Universo em expansão, mas vazio.
Um Universo que se expande exibirá propriedades diferentes se dominado por matéria, radiação ou energia escura. Enquanto a matéria e a radiação ficam menos densas ao longo do tempo, fazendo com que um Universo dominado por esses componentes se expanda mais lentamente ao longo do tempo, um Universo dominado por energia escura (abaixo) não verá a taxa de expansão cair, fazendo com que galáxias distantes pareçam acelerar de nós. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
Aqueles de vocês que estão familiarizados com a cosmologia moderna podem reconhecer essa descrição – de um Universo em expansão implacável que não foi preenchido com matéria ou radiação, mas com energia intrínseca ao próprio espaço – de um ponto diferente em nossa história. Isso é precisamente o que acreditamos ter ocorrido durante a inflação cósmica: uma expansão exponencial onde dominava a energia inerente ao espaço vazio. Eventualmente, essa energia passou por uma transição, de ser inerente ao espaço para ser despejada em partículas e antipartículas: um evento que agora identificamos como sendo o início do Big Bang quente.
Muitos especularam, ao longo dos anos, que esses dois períodos de tempo podem estar relacionados. Se o nosso Universo começou a partir do rescaldo da natureza em expansão do espaço vazio, e terminará em um estado, uma vez que todas as galáxias e buracos negros tenham decaído, de expansão, espaço vazio também, o fim de um Universo poderia realmente corresponder com o nascimento de outro Universo? Poderia nosso Universo ter surgido da morte de um anterior, e a morte de nosso Universo poderia anunciar o início de um novo?
Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Depois de um tempo suficiente, a aceleração deixará todas as estruturas galácticas ou supergalácticas ligadas completamente isoladas no Universo, à medida que todas as outras estruturas aceleram irrevogavelmente. Só podemos olhar para o passado para inferir a presença e as propriedades da energia escura, que requerem pelo menos uma constante, mas suas implicações são maiores para o futuro. (NASA e ESA)
Seu primeiro pensamento pode ser objetar com base na termodinâmica. Afinal, a segunda lei da termodinâmica nos diz que a entropia sempre aumenta, mas a ideia de que as coisas seriam as mesmas no início e no fim do Universo claramente não se encaixa nessa ideia.
Em uma variedade de épocas em todo o Universo, por exemplo, podemos calcular a entropia do Universo em termos de k_B : constante de Boltzmann. No início do Big Bang quente, imediatamente após o fim da inflação, a entropia era ~ 10⁸⁸ k_B , que é um número grande, mas finito. Naquela época, a entropia era dominada pela radiação. Hoje, 13,8 bilhões de anos depois, a entropia é muito maior: mais como ~10¹⁰³ k_B , onde a entropia é dominada por buracos negros. (Na verdade, o buraco negro no centro da nossa Via Láctea, por si só, tem uma entropia de ~10⁹¹ k_B : maior que a entropia de todo o Universo no Big Bang.)
Quando a energia escura nos levar, efetivamente, ao fim do Universo, a entropia será de 10¹²³ k_B : cerca de 35 ordens de magnitude maior do que era no início. Mas você tem que lembrar que há uma grande diferença entre entropia, que sempre aumenta, e densidade de entropia, que pode diminuir em um Universo em expansão. Contanto que a entropia total aumente, estamos bem aos olhos da segunda lei da termodinâmica.
Isso deixa, até onde sabemos, quatro possibilidades de como um novo Universo poderia começar das cinzas do nosso.
Os destinos distantes do Universo oferecem uma série de possibilidades, mas se a energia escura for realmente uma constante, como os dados indicam, ela continuará seguindo a curva vermelha, levando ao cenário de longo prazo descrito aqui: do eventual calor morte do Universo. No entanto, a temperatura nunca cairá para zero absoluto. (NASA/GSFC)
1.) O Universo pode entrar em colapso . É verdade que a energia escura parece ser algum tipo de energia inerente ao próprio espaço, fazendo com que o Universo não apenas se expanda, mas que a expansão se acelere. No entanto, não temos provas de que a força e o sinal da energia escura permanecerão sempre constantes. Claro, a melhor evidência que temos é consistente com isso, mas devemos permanecer abertos à possibilidade de que a energia escura evolua ao longo do tempo.
Se isso acontecer, um dos cenários plausíveis é que a energia escura decai em alguma outra forma de energia, enquanto outra é que ela eventualmente inverte o sinal: de positivo para negativo. Se qualquer um desses cenários ocorrer, é possível – no caso de reversão de sinal, até provável – que o destino do Universo seja alterado. Em vez de se expandir para sempre até que o Universo esteja frio e vazio, o Universo deixará de se expandir, começará a se contrair e entrará em colapso.
Embora isso possa levar a uma série de resultados, incluindo um novo Universo surgindo dos restos do antigo, ele não surgiria do espaço vazio, mas de toda a matéria e energia que se recolhiam em um ponto.
O cenário Big Rip ocorrerá se descobrirmos que a energia escura aumenta em força, enquanto permanece negativa em direção ao longo do tempo. Nos momentos finais, no entanto, a densidade de energia aumentará para o valor que possuía durante a inflação cósmica, o que poderia levar a um novo Big Bang. (JEREMY TEAFORD/ UNIVERSIDADE DE VANDERBILT)
2.) O Universo acelera sua expansão devido ao fortalecimento da energia escura, desencadeando um renascimento . Curiosamente, no entanto, exatamente o oposto desse cenário pode resultar em um novo universo renascido também. E se, em vez de permanecer constante, a energia escura fica mais forte com o tempo? A energia inerente ao espaço não permaneceria apenas em uma densidade de energia constante, mas a densidade de energia - a magnitude da energia escura em qualquer região do espaço - aumentará com o tempo.
Por causa da relação entre o espaço, o tempo, a expansão do Universo e a densidade de energia de tudo no Universo, isso faz com que a taxa de expansão cresça e cresça ao longo do tempo, sem fim à vista. Em algum momento, a taxa de expansão pode ser tão grande quanto era durante o estágio de inflação cósmica que precedeu o Big Bang. Enquanto a energia no próprio espaço decair em partículas e antipartículas, poderíamos desencadear outro Big Bang quente.
Emocionantemente, o objetivo científico do próximo Nancy Roman Telescope da NASA, anteriormente conhecido como WFIRST, é medir se a energia escura muda ao longo do tempo e, em caso afirmativo, como, com a maior precisão de todos os tempos: até ~ 1% de variações de uma verdadeira constante cosmológica .
Um campo escalar φ em um falso vácuo. Observe que a energia E é maior do que no vácuo verdadeiro ou estado fundamental, mas há uma barreira que impede o campo de rolar classicamente para o vácuo verdadeiro. Observe também como o estado de energia mais baixa (vácuo verdadeiro) pode ter um valor finito, positivo e diferente de zero. Sabe-se que a energia do ponto zero de muitos sistemas quânticos é maior que zero. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS STANNERED)
3.) Talvez a energia escura possa decair, desencadeando o surgimento de um universo muito diferente . Este geralmente atende por um nome mais curto: decaimento a vácuo. Por alguma razão, temos um Universo com energia escura nele, onde a energia inerente ao espaço não é zero, mas tem um valor positivo, diferente de zero. Você pode imaginar que isso ocorre porque não estamos na base de uma colina, mas no que chamamos de falso mínimo: um ponto baixo – como um vale – mas não o mais baixo de todos os pontos possíveis.
Se o Universo não fosse de natureza quântica, simplesmente permaneceríamos no vale. No entanto, em um universo quântico, ainda é possível fazer um túnel quântico para o verdadeiro mínimo: um estado de energia ainda mais baixo. Se isso ocorresse, no entanto, várias coisas ficariam malucas.
- As leis da física e os valores das constantes fundamentais mudariam.
- A energia anteriormente inerente ao espaço cairia.
- O que faria com que novos quanta, como partículas e antipartículas, fossem arrancados do vácuo.
- O que desencadearia um novo Big Bang, embora muito mais baixo em energia, mais frio e menos denso que o original.
Talvez levaria trilhões de anos para que uma única transição atômica ocorresse neste novo Universo, mas se não aprendemos mais nada com Einstein, é que o tempo, como o espaço, é relativo ao observador.
Nas proximidades de um buraco negro, o espaço flui como uma esteira rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. No horizonte de eventos, mesmo se você corresse (ou nadasse) na velocidade da luz, não haveria como superar o fluxo do espaço-tempo, que o arrasta para a singularidade no centro. Fora do horizonte de eventos, porém, outras forças (como o eletromagnetismo) podem frequentemente superar a atração da gravidade, fazendo com que até mesmo a matéria em queda escape. (ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSIDADE DO COLORADO)
4.) Buracos negros podem ser portais para outros universos . Esta é talvez a ideia mais empolgante, mas pode ser inevitável. No centro de cada buraco negro há uma singularidade: um ponto onde o tempo e o espaço se quebram. No entanto, se o seu buraco negro girar, essa singularidade será espalhada em um anel ou um círculo unidimensional. Se você cair em um buraco negro em rotação, alguns cálculos teóricos de física muito interessantes sugerem que você nunca atinge a singularidade, mas que, uma vez que você cruza o horizonte de eventos, o que você experimenta é assustadoramente semelhante à inflação cósmica e o levaria a um novo Universo.
Embora não tenhamos nenhuma maneira conhecida de testar esse cenário, ele leva a várias conexões possíveis fascinantes. Poderia o decaimento de um buraco negro, via radiação Hawking, emular o que você vê dentro do Universo como energia escura? A época inflacionária que iniciou nosso Universo poderia ter surgido de um buraco negro em um Universo anterior se formando pela primeira vez? E, se pudéssemos cair em um buraco negro e de alguma forma sobreviver à jornada, nos encontraríamos em outro Universo totalmente diferente do nosso?
Assim como um buraco negro produz consistentemente radiação térmica de baixa energia na forma de radiação Hawking fora do horizonte de eventos, um Universo em aceleração com energia escura (na forma de uma constante cosmológica) produzirá consistentemente radiação de uma forma completamente análoga: Unruh radiação devido a um horizonte cosmológico. Os paralelos são estranhos. (ANDREW HAMILTON, JILA, UNIVERSIDADE DE COLORADO)
Tal como está hoje, a melhor evidência indica que a energia escura é uma constante, que não mudará os sinais, enfraquecerá, fortalecerá ou decairá, e que os buracos negros são passagens de mão única para o esquecimento. Esperamos que o Universo continue se expandindo com uma densidade de energia constante, com objetos distantes e não ligados se afastando uns dos outros em velocidades cada vez maiores. À medida que as estrelas, galáxias e até buracos negros dentro dele decaem, nosso Universo se torna cada vez mais silencioso, com toda a atividade eventualmente sucumbindo à morte do calor: onde mais energia não pode ser extraída de nada.
Mas muitos resultados fascinantes que diferem do cenário padrão ainda estão em jogo e ainda podem acontecer. Se a energia escura evoluir ou o vácuo decair, um novo estado – rico em partículas – pode surgir. Se algumas das ideias mais loucas da física teórica em torno dos buracos negros forem verdadeiras, elas podem ser janelas ou até portais para outros universos. E se houver uma conexão entre energia escura e inflação, talvez nosso Universo não seja o primeiro de seu tipo, e talvez também não seja o último de seu tipo. Quando estamos à beira das fronteiras do desconhecido, somos compelidos a olhar maravilhados, abertos a todas as possibilidades que ainda não foram descartadas. Com maiores quantidades de dados superiores, podemos encontrar algo que revolucione nossa visão de como tudo um dia terminará.
Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !
Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
Compartilhar:
