Os quatro significados científicos de 'nada'
O Universo é um lugar vasto, diverso e interessante, cheio de matéria e energia, em várias formas, se desenrolando no palco do espaço-tempo, de acordo com as leis da física. Isso é exemplificado por esta imagem do telescópio espacial Hubble do aglomerado de galáxias IDCS J1426.5+3508. Quanto você precisa tirar, no entanto, antes de ficar realmente sem nada? Crédito da imagem: NASA, ESA e M. Brodwin (Universidade de Missouri).
Se você quer saber como conseguimos algo do nada, é melhor você entender o que queremos dizer!
Quando olhamos para o nosso mundo e Universo hoje, falamos e pensamos sobre todas as coisas que estão nele. Estes variam de partículas, átomos e seres humanos a planetas, estrelas, galáxias e as maiores estruturas de todas. Dependendo do que nos interessa, podemos discutir gás, poeira, radiação, buracos negros ou até matéria escura. Mas todas as coisas que vemos, observamos ou inferimos a existência de hoje podem não estar lá para sempre. Alguns deles surgiram de alguma matéria pré-existente que existia anteriormente, mas outros aparentemente vieram do nada. Sem surpresa, nem todos concordam sobre o que queremos dizer, cientificamente, quando falamos sobre o que nada realmente é. Dependendo de quem você pergunta (ou quando você pergunta), você pode obter um dos quatro significados separados. Veja por que todos eles são relevantes.
A galáxia mais solitária do Universo, que não tem outras galáxias em sua vizinhança por 100 milhões de anos-luz em qualquer direção. Ainda assim, esta não é uma verdadeira realização do espaço vazio. Crédito da imagem: ESA/Hubble & NASA e N. Gorin (STScI); Agradecimento: Judy Schmidt.
1.) Uma época em que sua coisa de interesse não existia . Como o Universo fez os planetas? Que tal estrelas? Que tal uma assimetria de matéria? Essas coisas nem sempre existiram, mas tiveram que ser criadas. Quando o mecanismo é conhecido, normalmente dizemos que nossa coisa foi criada a partir de algo, e não de nada. Os planetas vieram de detritos reciclados de gerações anteriores de estrelas, onde os elementos pesados que compõem seus núcleos e superfícies sólidas foram criados e depois expelidos de volta ao meio interestelar. As estrelas vêm de nuvens de gás em contração, que contêm regiões que ficam densas e quentes o suficiente para iniciar a fusão nuclear. Tanto os planetas quanto as estrelas são matéria que vem de formas pré-existentes de matéria; eles são uma coisa que vem de algo, ao invés de nada.
O Big Bang produz matéria, antimatéria e radiação, com um pouco mais de matéria sendo criada em algum momento, levando ao nosso Universo hoje. Como essa assimetria surgiu, ou surgiu de onde não havia assimetria para começar, ainda é uma questão em aberto. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.
Mas a matéria que temos hoje não veio de matéria pré-existente. Em algum ponto do passado distante, o Universo era composto de quantidades iguais de matéria e antimatéria; as leis da física que descobrimos apenas nos permitem criá-las em quantidades iguais. No entanto, o Universo que temos hoje é predominantemente feito de matéria e não de antimatéria, onde cada um dos bilhões e bilhões de galáxias que conhecemos são feitos de matéria e não de antimatéria. De onde veio nossa assimetria de matéria? De um estado anteriormente simétrico; de um estado onde matéria e antimatéria existiam em quantidades iguais. De uma época em que não havia assimetria. Segundo alguns, isso significa que o assunto que temos hoje surgiu do nada , embora outros que aderem estritamente a uma das outras definições contestem isso.
Ainda assim, ninguém contesta que o problema científico da bariogênese, ou a origem da assimetria matéria-antimatéria, é um dos quebra-cabeças mais urgentes da física teórica hoje. Muitas ideias e mecanismos abundam sobre como nossa matéria (e não antimatéria) veio a existir, mas não temos as evidências necessárias para declarar um vencedor.
O Modelo Padrão da física de partículas é responsável por três das quatro forças (exceto a gravidade), o conjunto completo de partículas descobertas e todas as suas interações. A partir da teoria quântica de campos associada, também podemos descobrir as propriedades do vácuo quântico. Crédito da imagem: Projeto de Educação Física Contemporânea / DOE / NSF / LBNL.
2.) Espaço vazio . Pense em todas as coisas que existem no Universo hoje. Pense em cada constituinte fundamental da matéria; cada quantum de radiação; cada buraco negro; cada massa; cada partícula e antipartícula. Agora, imagine removê-los todos. Imagine de alguma forma tirá-los do Universo, deixando nada além de espaço vazio para trás. O que você teria deixado? Alguns chamam isso de nada e estão muito felizes com essa definição.
Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. Mesmo no espaço vazio, essa energia do vácuo é diferente de zero. Crédito da imagem: Derek Leinweber.
A entidade conhecida como espaço-tempo ainda está lá, assim como as leis da física. Todos os campos presentes no espaço vazio, do campo de Higgs aos campos gravitacionais e aos campos quânticos que muitas vezes visualizamos como pares partícula-antipartícula surgindo e desaparecendo ainda estão por aí. Leis físicas como a teoria quântica de campos ainda existem; A Relatividade Geral ainda está por aí; as constantes fundamentais não apenas ainda estão lá, mas têm os mesmos valores que têm hoje. E o vácuo do próprio espaço vazio ainda tem uma energia de ponto zero que é diferente de zero. Isso se manifesta como energia escura hoje, e com um valor diferente de zero muito diferente no passado distante, foi a força motriz por trás da inflação cosmológica. Quando as pessoas falam sobre o universo surgindo do nada , este é o tipo de nada que eles estão referenciando: o Big Bang quente sendo gerado pela inflação.
Uma representação do espaço plano e vazio sem matéria, energia ou curvatura de qualquer tipo. Se esse espaço tiver a menor energia de ponto zero possível, não será possível reduzi-la ainda mais. Crédito da imagem: Amber Stuver / Living Ligo.
3.) Espaço-tempo vazio no estado de menor energia possível . E se a energia do ponto zero do Universo fosse reduzida ao seu verdadeiro estado fundamental? Quando a inflação acabou, houve uma grande queda na energia do vácuo do Universo: da escala de inflação para o valor que ela tem hoje. Essa queda na energia do espaço vazio foi responsável pelo aumento maciço na energia das partículas e a origem do Big Bang quente. Mas não há garantia de que estamos no verdadeiro estado de energia mais baixa agora; é possível que estejamos apenas em um falso estado de vácuo, e o verdadeiro vácuo nos espera após outra transição catastrófica que altera o Universo.
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. Durante a inflação. o Universo não está em um verdadeiro estado de vácuo; hoje, também pode não ser. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Stannered.
Se você alcançasse qualquer que seja o verdadeiro estado fundamental e expelisse toda a matéria, energia, radiação e ondulações do espaço-tempo do seu Universo, o que sobraria? Essa é, talvez, a ideia final do que pode ser o nada físico: onde você ainda tem um palco para o Universo se apresentar. Pode não haver atores, elenco, roteiro e cena, mas no grande abismo do nada, você ainda tem um palco. O vácuo cósmico estaria em seu mínimo; não haveria esperança de extrair trabalho, energia ou partículas reais desse vácuo, mas o espaço-tempo e as leis da física ainda estariam por aí. Em teoria, se você adicionasse uma partícula a este Universo, não seria tão diferente de uma partícula isolada existente em nosso Universo hoje.
O conjunto completo do que está presente hoje no Universo deve suas origens ao Big Bang quente. Mais fundamentalmente, o Universo que temos hoje só pode surgir por causa das propriedades do espaço-tempo e das leis da física. Sem eles, não podemos ter existência de qualquer forma. Crédito da imagem: NASA/GSFC.
4.) O que resta quando você tira todo o Universo e as leis que o governam . Finalmente, você pode conceber a remoção de tudo, incluindo espaço, tempo e as regras que governam qualquer tipo de partículas ou quanta de energia. Isso cria um tipo de nada para o qual os físicos não têm definição. Isso vai além do nada como existe no Universo, em vez disso, realiza algum tipo de nada filosófico e absoluto. Mas no contexto da física, não podemos entender esse tipo de nada. Teríamos que supor que existe algo como um estado fora do espaço e do tempo, onde você pode ter o surgimento do espaço-tempo a partir desse estado hipotético de verdadeiro nada.
Mas isso é possível? Como o espaço-tempo surge em um local específico, quando não existe espaço? Como você pode criar o início dos tempos se não há conceito de algo como antes sem que o tempo já exista? E de onde, então, surgiriam as regras que governam as partículas e suas interações? Essa definição final de nada significa nada, ou é apenas uma construção lógica sem significado físico próprio?
As flutuações no próprio espaço-tempo na escala quântica se estendem pelo Universo durante a inflação, dando origem a imperfeições na densidade e nas ondas gravitacionais. Embora inflar o espaço possa ser chamado de “nada” em muitos aspectos, nem todos concordam. Crédito da imagem: E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da força-tarefa interagências DoE/NASA/NSF em pesquisa CMB.
Não há consenso aqui. Com a linguagem tendo a ambiguidade que tem, você não pode dizer nada e legitimamente estar se referindo a qualquer um deles, com os puristas esperando ansiosamente para gritar com você se você não ousar usar nada em um contexto menos puro do que a definição deles. Se algo surgiu fundamentalmente onde não havia tal coisa antes, você pode chamá-lo de nada, mas nem todos concordarão. Se você retirar toda a matéria, antimatéria, radiação e até mesmo a curvatura espacial, certamente poderá reivindicar que nada é, mas há algumas coisas que ainda estão por aí. Se você então retirar qualquer energia inerente ao próprio espaço, deixando apenas o espaço-tempo e as leis da natureza, você também pode chamar isso de nada. Mas filosoficamente, algumas pessoas ainda estarão insatisfeitas. Somente tirando isso também, alguns finalmente concordarão em chamar tal entidade de nada.
Prevê-se que as partículas e antipartículas do Modelo Padrão existem como consequência das leis da física. Sem essas leis, ou sem o estágio do espaço-tempo, alguma coisa sensata pode surgir? Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.
Então quem está certo? Todos são, à sua maneira. A chave não é discutir ou brigar sobre o que nada realmente é, mas aceitar e entender essas definições à medida que as pessoas as usam. É fundamental não confundir um significado com outro, ou entrar em uma disputa sobre por que é errado usar uma palavra de uma maneira específica. Em vez disso, quando alguém – particularmente um cientista – diz a palavra nada, tente entender qual significado está usando e qual é o fenômeno que está tentando explicar. Pois até onde nossa imaginação pode nos levar, a única forma verdadeira de conhecimento que podemos esperar ter sobre qualquer coisa é testá-la em nossa própria realidade física. Todo o resto, não importa quão logicamente correto, é meramente uma construção de nossas mentes.
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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