Como o universo começou?
Crédito da imagem: BlueBackIMAGE via Shutterstock, em http://footage.shutterstock.com/clip-935422-stock-footage-flying-through-space.html.
Existe uma origem para o próprio tempo e, em caso afirmativo, como ele se parecia?
No início, o universo foi criado. Isso deixou muitas pessoas muito zangadas e foi amplamente considerada uma má jogada. – Douglas Adams
É humano fazer a mais fundamental de todas as perguntas: de onde veio tudo isso? E gostamos de pensar que sabemos a resposta; tudo veio desde o início.
Crédito da imagem: pesquisa de imagens do Google, que parece concordar.
Mas se você pensar um pouco sobre isso, essa resposta simplista – uma resposta que à primeira vista pode parecer uma tautologia – pressupõe algo muito importante sobre o nosso Universo: que ele teve um começo!
Por muito tempo, cientificamente, não parecia que sabíamos se isso era verdade ou não. O Universo poderia ter tido um começo, antes do qual nada existiu (ou, pelo menos, nada como entendemos que seja), ou poderia ter existido eternamente, como uma linha infinita estendendo-se em ambas as direções, ou poderia ter sido cíclico como a circunferência de um círculo, repetindo-se infinitamente.
Crédito da imagem: eu.
Várias ideias concorrentes foram, por um tempo, todas consistentes com as observações. Os mais proeminentes entre eles eram os modelos do Big Bang (que favorecia um passado finito) e do Estado Estacionário (que favorecia um passado infinito), mas não havia uma maneira infalível de confirmá-los ou refutá-los por um tempo.
Mas então, tudo mudou na década de 1960, quando um baixo nível de radiação de micro-ondas foi encontrado emanando de todas as direções do céu.
Crédito da imagem: NASA / Goddard Space Flight Center, via http://asd.gsfc.nasa.gov/archive/arcade/cmb_spectrum.html (principal), grupo de Princeton, 1966, via http://frigg.physastro.mnsu.edu/~eskridge/astr101/week15.html (inserir).
Essa radiação era da mesma magnitude em todos os lugares, a mesma em todas as direções e apenas alguns graus acima do zero absoluto. À medida que dados melhores chegavam, descobrimos que seguia um espectro de corpo negro e não era apenas consistente com o brilho remanescente do Big Bang, mas também era inconsistente com todas as outras explicações alternativas. Começou a parecer que havia um começo, afinal.
Aqui está o porquê.
Crédito da imagem: wiseGEEK, 2003 — 2014 Conjecture Corporation, via http://www.wisegeek.com/what-is-cosmology.htm# ; original da Shutterstock / DesignUA.
De acordo com o Big Bang, o Universo era mais quente, mais denso, mais uniforme e menor no passado, e só tem a aparência que tem hoje porque está se expandindo, esfriando e experimentando gravitação (e colapso gravitacional em escalas pequenas e grandes) por tanto tempo.
Crédito da imagem: Volker Springel / Virgo Consortium, via http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/data_vis/ .
Nos estágios iniciais, era tão quente que mesmo átomos neutros não podiam se formar sem serem destruídos. Ainda antes disso, porque o comprimento de onda da radiação se estende à medida que o Universo se expande, a radiação de micro-ondas de hoje era de comprimento de onda tão curto que os fótons eram mais energéticos do que a matéria no jovem Universo.
Crédito da imagem: Pearson / Addison Wesley, recuperada de Jill Bechtold.
E em épocas ainda anteriores, era muito energético para formar núcleos atômicos, ou mesmo ligar prótons e nêutrons.
E se continuarmos extrapolando todo o caminho de volta, chegaríamos a o início , onde não apenas todo o espaço foi contraído até um ponto, mas onde encontramos uma singularidade. À primeira vista, parece que não importam o que domina o Universo; uma singularidade parece inevitável!
Imagem gerada por mim, da escala do Universo (eixo y) vs. tempo (unidades arbitrárias).
Singularidades são incrivelmente interessantes, porque são onde a lei primordial da gravitação no Universo – a Relatividade Geral de Einstein – quebra e se torna um absurdo matemático. A relatividade, lembre-se, é a teoria que descreve o espaço e o tempo. Mas nas singularidades, não apenas as dimensões espaciais deixam de existir, mas assim como o tempo . Em outras palavras, fazer perguntas como o que veio antes de isso é tão absurdo quanto perguntar onde estamos se você tirar espaço, ou o que está ao norte do pólo norte?
De fato, este é o argumento que Paul Davies – o australiano Carl Sagan – faz quando afirma que não há antes do Big Bang , porque o Big Bang é onde o tempo começou. Mas por mais interessante que seja esse argumento, sabemos que o Big Bang não é onde o tempo começou mais. Porque desde que fizemos medições modernas e detalhadas das flutuações no fundo cósmico de micro-ondas - no brilho remanescente do Big Bang - aprendemos que esta extrapolação para uma singularidade está errada .
Crédito da imagem: NASA, ESA e a colaboração Planck, via http://aether.lbl.gov/planck.html .
Você vê, esses padrões de flutuações podem nos dizer várias coisas sobre as propriedades do Universo quando era muito jovem: quanta matéria estava presente em prótons, nêutrons e elétrons, qual é sua curvatura espacial, quanta matéria escura/escura energia existe, quantas espécies de neutrinos quentes existem, etc. Além disso diga-nos se houve uma temperatura máxima que o Universo atingiu em seu estado inicial quente, denso e em expansão.
Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.
Crédito da imagem: Planck Colaboração: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A Preprint.
De acordo com os dados desde o WMAP (e o Planck confirmou), o Universo só atingiu uma temperatura máxima de cerca de 10^29 Kelvin . Você pode pensar que este número é imenso , e eu garanto que é bem grande. Mas ainda é um fator de 1.000 muito pequeno para colocar o Universo em um estado que poderia se tornar uma singularidade.
De fato, as particularidades disso nos dizem que não apenas o tempo não comece no Big Bang, mas que sabemos o que aconteceu antes do big bang : houve um período de inflação cósmica, onde uma tremenda quantidade de energia intrínseca ao próprio espaço dominou o Universo, e expandiu-se exponencialmente rapidamente a uma taxa fantasticamente grande!
Crédito da imagem: Cosmic Inflation por Don Dixon.
Mas há outra coisa que a inflação - nossa melhor teoria científica sobre o que precedeu o Big Bang (agora, possivelmente, com provas extras ) — nos conta de onde veio tudo isso que é, talvez, muito surpreendente. Vamos ampliar o gráfico que gerei anteriormente de como o Universo cresce quando é dominado por diferentes tipos de energia.
Imagem gerada por mim, da escala do Universo (eixo y) vs. tempo (unidades arbitrárias).
Ele nos diz que, em vez de uma singularidade em t = 0, ou onde ocorreu o Big Bang, ele nos diz que o Universo existia em um estado inflacionário, ou um estado em que estava se expandindo exponencialmente, por um tempo indeterminado .
Imagem gerada por mim. Cada X representa uma região onde termina a inflação e nasce um Universo como o nosso; cada caixa sem uma continua a inflar. Em todos os momentos no futuro, há mais caixas sem Xs do que com um.
Agora, há um número maravilhoso de novas questões que surgem com esse conhecimento:
Primeiro , o estado inflacionário foi constante? Por exemplo, o Universo estava inflando na mesma taxa em todos os lugares e por longos períodos de tempo? Ou estava inflando de maneiras que mudavam muito rapidamente e variavam de local para local?
Segundo , o estado inflacionário durou para sempre indo para trás? A inflação tem o potencial de ser eterna e, de fato, temos boas razões para acreditar que - na maioria das partes do Universo - é eterno para o futuro . Mas e quanto ao passado ? Estava sempre inflando de uma forma ou de outra, ou houve um estado não inflacionário que o precedeu que deu origem à inflação?
Terceiro , podemos olhar para a energia escura, hoje, como forma de expansão exponencial. Esses dois estágios inflacionários estão relacionados e nossa expansão de energia escura dará origem a um estágio verdadeiramente inflacionário novamente, rejuvenescendo-o em algum tipo de ciclo?
Crédito da imagem: universo cíclico via http://universe-review.ca/F02-cosmicbg10.htm .
Observacionalmente, não sabemos a resposta para nada disso. O Universo que podemos observar contém apenas informações remanescentes dos ~10^-34 segundos finais (mais ou menos algumas ordens de magnitude) de inflação; o que aconteceu antes disso é eliminado pela natureza da inflação . E, teoricamente, não nos saímos muito melhor. Existe um teorema que nos diz que um Universo inflacionário é incompleto como o passado: que um Universo em constante expansão deve ter começado a partir de uma singularidade.
Mas se isso significa um Universo inflando não podia duraram para sempre ou se isso significa que nossas regras atuais da física não são aplicáveis para descobrir se durou para sempre, teve um começo ou é cíclica são desconhecidas. É até possível que o tempo seja cíclico, e que os ciclos mudança a cada iteração!
Crédito da imagem: Roen Kelly, via http://discovermagazine.com/2013/setembro/13-starting-point .
Mas mesmo que possamos traçar nossa história cósmica até o momento do Hot Big Bang, e mesmo antes disso (um pequeno bit) até a época da inflação cósmica, é aí que nosso conhecimento termina.
Então, milhares de anos depois, estamos de volta ao ponto de partida.
Crédito da imagem: eu.
O tempo teve um começo? Não apenas não temos a resposta, não temos a perspectiva de observações que possam nos dizer, e nossas teorias atuais apenas nos dizem onde nosso poder preditivo falha, não qual é a resposta. Portanto, temos as mesmas três possibilidades que filósofos e teólogos ponderaram desde que a história foi registrada: o tempo é finito, o tempo é infinito ou o tempo é cíclico. A única coisa que sabemos é que, se houver foi uma singularidade no passado, não tem algo a ver com o nosso Hot Big Bang que cada partícula de matéria e energia em nosso Universo observável é rastreável.
E a menos que descubramos uma nova maneira de obter informações sobre o que aconteceu antes que o Universo observável para nós existisse em qualquer sentido significativo, a resposta pode estar para sempre além do alcance do que é cognoscível.
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