Não há evidências de um Universo antes do Big Bang

O Prêmio Nobel Roger Penrose, famoso por seu trabalho sobre buracos negros, afirma que vimos evidências de um Universo anterior. Só que não temos.
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 para a inflação, mas os dados não a suportam, apesar das afirmações duvidosas de Penrose de que sim. (: SkyDivePhil/YouTube)
Principais conclusões
  • Desde então, o Big Bang original foi modificado para incluir uma fase inflacionária inicial, empurrando tudo o que veio antes da inflação para um lugar não observável.
  • Quando a inflação termina, ocorre o Big Bang quente, e podemos ver evidências da minúscula fração de segundo final da inflação impressa em nosso Universo observável.
  • No entanto, não podemos ver nada de antes dessa época. Apesar das afirmações de um dos mais famosos físicos vivos, não há evidências de um Universo anterior a isso.
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Um dos maiores sucessos científicos do século passado foi a teoria do Big Bang quente: a ideia de que o Universo, como o observamos e existimos nele hoje, emergiu de um passado mais quente, denso e uniforme. Originalmente proposto como uma alternativa séria para algumas das explicações mais convencionais para o Universo em expansão, foi confirmado de forma chocante em meados da década de 1960 com a descoberta da “bola de fogo primitiva” que permaneceu daquele estado inicial, quente e denso: hoje conhecido como Fundo Cósmico de Microondas.



Por mais de 50 anos, o Big Bang reinou supremo como a teoria que descreve nossas origens cósmicas, com um período inicial inflacionário precedendo-o e estabelecendo-o. Tanto a inflação cósmica quanto o Big Bang têm sido continuamente desafiados por astrônomos e astrofísicos, mas as alternativas desaparecem cada vez que novas observações críticas chegam. Cosmologia cíclica conforme , não pode igualar os sucessos do Big Bang inflacionário. Ao contrário de muitos anos de manchetes e afirmações contínuas de Penrose, não vemos nenhuma evidência de “um universo antes do Big Bang”.



  início inflacionário big bang As flutuações quânticas inerentes ao espaço, esticadas pelo Universo durante a inflação cósmica, deram origem às flutuações de densidade impressas nas micro-ondas cósmicas de fundo, que por sua vez deram origem às estrelas, galáxias e outras estruturas de grande escala no Universo atual. Esta é a melhor imagem que temos de como todo o Universo se comporta, onde a inflação precede e configura o Big Bang.
( Crédito : E. Siegel; ESA/Planck e a Força-Tarefa Interagências do DOE/NASA/NSF em pesquisa CMB)

O Big Bang é comumente apresentado como se fosse o começo de tudo: espaço, tempo e a origem da matéria e da energia. De um certo ponto de vista arcaico, isso faz sentido. Se o Universo que vemos está se expandindo e ficando menos denso hoje, isso significa que era menor e mais denso no passado. Se a radiação – coisas como fótons – estiver presente naquele Universo, então o comprimento de onda dessa radiação se estenderá à medida que o Universo se expande, o que significa que ele esfria com o passar do tempo e era mais quente no passado.



Em algum momento, se você extrapolar para trás o suficiente, alcançará densidades, temperaturas e energias tão grandes que criará as condições para uma singularidade. Se suas escalas de distância são muito pequenas, suas escalas de tempo são muito curtas ou suas escalas de energia são muito altas, as leis da física deixam de fazer sentido. Se retrocedermos o relógio cerca de 13,8 bilhões de anos em direção à mítica marca “0”, essas leis da física serão quebradas em um tempo de aproximadamente 10 -43 segundos: o tempo de Planck.

  espaço em expansão Uma história visual do Universo em expansão inclui o estado quente e denso conhecido como Big Bang e o crescimento e formação da estrutura subsequente. O conjunto completo de dados, incluindo as observações dos elementos leves e da radiação cósmica de fundo, deixa apenas o Big Bang como uma explicação válida para tudo o que vemos. À medida que o Universo se expande, ele também esfria, permitindo que íons, átomos neutros e, eventualmente, moléculas, nuvens de gás, estrelas e, finalmente, galáxias se formem.
( Crédito : NASA/CXC/M. Weiss)

Se esta fosse uma representação precisa do Universo – que começou quente e denso e depois se expandiu e esfriou – esperaríamos que um grande número de transições ocorresse em nossa história passada.



  • Todas as partículas e antipartículas possíveis seriam criadas em grande número, com o excesso sendo aniquilado pela radiação quando fica muito frio para criá-las continuamente.
  • As simetrias eletrofracas e de Higgs se quebram quando o Universo esfria abaixo da energia na qual essas simetrias são restauradas, criando quatro forças fundamentais e partículas com massas de repouso diferentes de zero.
  • Quarks e glúons se condensam para formar partículas compostas como prótons e nêutrons.
  • Os neutrinos param de interagir eficientemente com as partículas sobreviventes.
  • Prótons e nêutrons se fundem para formar os núcleos leves: deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio-7.
  • A gravitação trabalha para aumentar as regiões excessivamente densas, enquanto a pressão de radiação funciona para expandi-las quando ficam muito densas, criando um conjunto de impressões oscilatórias dependentes da escala.
  • E aproximadamente 380.000 anos após o Big Bang, torna-se frio o suficiente para formar átomos neutros e estáveis ​​sem que sejam instantaneamente destruídos.

Quando ocorre esse último estágio, os fótons que permeiam o Universo, que antes se dispersavam dos elétrons livres, simplesmente viajam em linha reta, alongando-se em comprimento de onda e diluindo-se em número à medida que o Universo se expande.



  plasma ionizado do universo primitivo No Universo inicial quente, antes da formação de átomos neutros, os fótons se espalham dos elétrons (e, em menor grau, dos prótons) a uma taxa muito alta, transferindo momento quando o fazem. Depois que os átomos neutros se formam, devido ao resfriamento do Universo abaixo de um certo limite crítico, os fótons simplesmente viajam em linha reta, afetados apenas no comprimento de onda pela expansão do espaço.
(Crédito: Amanda Yoho por Starts With A Bang)

Em meados da década de 1960, esse fundo de radiação cósmica foi detectado pela primeira vez, catapultando o Big Bang de uma das poucas opções viáveis ​​para a origem do nosso Universo para a única consistente com os dados. Enquanto a maioria dos astrônomos e astrofísicos aceitaram imediatamente o Big Bang, os proponentes mais fortes da principal teoria alternativa do estado estacionário - pessoas como Fred Hoyle - apresentaram argumentos cada vez mais absurdos para defender sua ideia desacreditada diante de dados esmagadores.

Mas cada ideia falhou espetacularmente. Não poderia ter sido a luz das estrelas cansada, nem a luz refletida, nem a poeira aquecida e irradiando. Toda e qualquer explicação que foi tentada foi refutada pelos dados: o espectro desse resplendor cósmico era um corpo negro muito perfeito, muito igual em todas as direções e muito não correlacionado com a matéria do Universo para se alinhar com essas explicações alternativas. Enquanto a ciência avançava para o Big Bang tornando-se parte do consenso, ou seja, um ponto de partida sensato para a ciência futura, Hoyle e seus aliados ideológicos trabalharam para conter o progresso da ciência defendendo alternativas cientificamente insustentáveis.



  temperatura do universo A luz real do Sol (curva amarela, à esquerda) versus um corpo negro perfeito (em cinza), mostrando que o Sol é mais uma série de corpos negros devido à espessura de sua fotosfera; à direita está o corpo negro perfeito real do CMB conforme medido pelo satélite COBE. Observe que as “barras de erro” à direita são impressionantes 400 sigma. A concordância entre a teoria e a observação aqui é histórica, e o pico do espectro observado determina a temperatura remanescente da Microondas Cósmica de Fundo: 2,73 K.
( Crédito : Sch/Wikimedia Commons (L); COBE/FIRAS, NASA/JPL-Caltech (R))

Por fim, a ciência seguiu em frente enquanto os contrários se tornavam cada vez mais irrelevantes, com seu trabalho trivialmente incorreto desaparecendo na obscuridade e seu programa de pesquisa eventualmente cessando após suas mortes.

Nesse ínterim, da década de 1960 até a década de 2000, as ciências da astronomia e astrofísica – e particularmente o subcampo da cosmologia, que se concentra na história, crescimento, evolução e destino do Universo – cresceram espetacularmente.



  • Mapeamos a estrutura em larga escala do Universo, descobrindo uma grande teia cósmica.
  • Descobrimos como as galáxias cresceram e evoluíram e como suas populações estelares mudaram com o tempo.
  • Aprendemos que todas as formas conhecidas de matéria e energia no Universo são insuficientes para explicar tudo o que observamos: alguma forma de matéria escura e alguma forma de energia escura são necessárias.

E fomos capazes de verificar previsões adicionais do Big Bang, como a abundância prevista dos elementos leves, a presença de uma população de neutrinos primordiais e a descoberta de imperfeições de densidade exatamente do tipo necessário para crescer no grande- estrutura de escala do Universo que observamos hoje.



  flutuação cmb versus estrutura O Universo não apenas se expande uniformemente, mas tem pequenas imperfeições de densidade dentro dele, que nos permitem formar estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias com o passar do tempo. Adicionar inomogeneidades de densidade em cima de um fundo homogêneo é o ponto de partida para entender como o Universo se parece hoje.
( Crédito : E. M. Huff, SDSS-III/South Pole Telescope, Zosia Rostomian)

Ao mesmo tempo, houve observações que sem dúvida eram verdadeiras, mas que o Big Bang não tinha poder preditivo para explicar. O Universo supostamente atingiu essas temperaturas e energias arbitrariamente altas nos primeiros tempos, e ainda não há restos de relíquias exóticas que possamos ver hoje: nenhum monopolo magnético, nenhuma partícula da grande unificação, nenhum defeito topológico, etc. Teoricamente, outra coisa além do que é conhecido devem estar lá fora para explicar o Universo que vemos, mas se eles existiram, eles foram escondidos de nós.

O Universo, para existir com as propriedades que vemos, deve ter nascido com uma taxa de expansão muito específica: uma que equilibrou exatamente a densidade total de energia, para mais de 50 dígitos significativos. O Big Bang não tem explicação de por que esse deve ser o caso.



E a única maneira de diferentes regiões do espaço terem exatamente a mesma temperatura é se estiverem em equilíbrio térmico: se tiverem tempo para interagir e trocar energia. No entanto, o Universo é muito grande e se expandiu de tal forma que temos muitas regiões causalmente desconectadas. Mesmo na velocidade da luz, essas interações não poderiam ter ocorrido.

O brilho remanescente do Big Bang, o CMB, não é uniforme, mas tem pequenas imperfeições e flutuações de temperatura na escala de algumas centenas de microkelvin. Embora isso desempenhe um papel importante nos últimos tempos, após o crescimento gravitacional, é importante lembrar que o Universo primitivo e o Universo em larga escala hoje são apenas não uniformes em um nível inferior a 0,01%. O Planck detectou e mediu essas flutuações com mais precisão do que nunca.
( Crédito : ESA e a Colaboração Planck)

Isso representa um tremendo desafio para a cosmologia e para a ciência em geral. Na ciência, quando vemos alguns fenômenos que nossas teorias não conseguem explicar, temos duas opções.



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  • Podemos tentar conceber um mecanismo teórico para explicar esses fenômenos, mantendo simultaneamente todos os sucessos da teoria anterior e fazendo novas previsões que são distintas das previsões da teoria anterior.
  • Ou podemos simplesmente supor que não há explicação, e o Universo simplesmente nasceu com as propriedades necessárias para nos dar o Universo que observamos.

Apenas a primeira abordagem tem valor científico e, portanto, é aquela que deve ser tentada, mesmo que não dê frutos. O mecanismo teórico mais bem-sucedido para estender o Big Bang foi a inflação cósmica, que estabelece uma fase antes do Big Bang em que o Universo se expandiu de maneira exponencial: esticando-o, dando-lhe as mesmas propriedades em todos os lugares, combinando a taxa de expansão com o densidade de energia, eliminando quaisquer relíquias anteriores de alta energia e fazendo a nova previsão de flutuações quânticas – levando a um tipo específico de densidade e flutuações de temperatura – sobrepostas no topo de um Universo uniforme.

  a inflação resolve o problema do monopolo do nivelamento do horizonte No painel superior, nosso Universo moderno tem as mesmas propriedades (incluindo temperatura) em todos os lugares porque se originou de uma região que possui as mesmas propriedades. No painel do meio, o espaço que poderia ter qualquer curvatura arbitrária é inflado a ponto de não podermos observar qualquer curvatura hoje, resolvendo o problema de planicidade. E no painel inferior, relíquias de alta energia pré-existentes são infladas, fornecendo uma solução para o problema da relíquia de alta energia. É assim que a inflação resolve os três grandes quebra-cabeças que o Big Bang não consegue explicar sozinho.
( Crédito : E. Siegel/Além da Galáxia)

Embora a inflação, como o Big Bang antes dela, tivesse um grande número de detratores, ela é bem-sucedida onde todas as alternativas falham. Ele resolve o problema da “saída graciosa”, onde um Universo em expansão exponencial pode fazer a transição para um Universo cheio de matéria e radiação que se expande de uma maneira que corresponde às nossas observações, o que significa que pode reproduzir todos os sucessos do Big Bang quente. Ele impõe um corte de energia, eliminando quaisquer relíquias de energia ultra-alta. Ele cria um Universo uniforme em um grau extremamente alto, onde a taxa de expansão e a densidade total de energia combinam perfeitamente.

E faz novas previsões sobre os tipos de estrutura e as flutuações iniciais de temperatura e densidade que devem aparecer, previsões que posteriormente foram confirmadas como corretas por observações. As previsões de inflação foram amplamente divulgadas na década de 1980, enquanto a evidência observacional que a validava veio em um fluxo lento nos últimos 30 anos. Embora existam muitas alternativas, nenhuma é tão bem-sucedida quanto a inflação.

  multiverso Enquanto muitos Universos independentes estão previstos para serem criados em um espaço-tempo inflado, a inflação nunca termina em todos os lugares ao mesmo tempo, mas apenas em áreas distintas e independentes separadas por espaço que continua a inflar. É daí que vem a motivação científica para um Multiverso e por que dois Universos nunca irão colidir. Simplesmente não há Universos suficientes criados pela inflação para manter todos os resultados quânticos possíveis devido às interações de partículas dentro de um Universo individual.
( Crédito : Ozytive/Domínio público)

Infelizmente, o Prêmio Nobel Roger Penrose, embora seu trabalho sobre Relatividade Geral, buracos negros e singularidades nas décadas de 1960 e 1970 fosse absolutamente digno do Nobel, gastou grande parte de seus esforços nos últimos anos em uma cruzada para derrubar a inflação: promovendo uma alternativa vastamente inferior cientificamente, sua ideia de estimação de um Cosmologia cíclica conforme , ou CC.

A maior diferença preditiva é que o CCC praticamente exige que uma impressão do “Universo antes do Big Bang” se mostre tanto na estrutura em larga escala do Universo quanto no fundo cósmico de micro-ondas: o brilho restante do Big Bang. Ao contrário, a inflação exige que qualquer lugar onde a inflação termine e um Big Bang quente surja deve ser causalmente desconectado e não pode interagir com qualquer região anterior, atual ou futura. Nosso Universo existe com propriedades que são independentes de qualquer outro.

As observações – primeiro do COBE e do WMAP e, mais recentemente, do Planck – colocam definitivamente restrições extremamente rígidas (aos limites dos dados existentes) em tais estruturas. Não há hematomas em nosso Universo; sem padrões de repetição; sem círculos concêntricos de flutuações irregulares; sem pontos Hawking. Quando se analisa os dados adequadamente, fica extremamente claro que a inflação é consistente com os dados, e a CCC claramente não.

  penrose ccc círculos concêntricos pontos de falcoaria Por aproximadamente uma década, Roger Penrose tem divulgado afirmações extremamente duvidosas de que o Universo exibe evidências de uma variedade de características, como círculos concêntricos de baixa variação de temperatura, que surgem da dinâmica impressa antes do Big Bang. Esses recursos não são robustos e insuficientes para fornecer suporte às afirmações de Penrose.
( Crédito : V. G. Gurzadyan & R. Penrose, Eur. J. Phys. Mais, 2013)

Embora, assim como Hoyle, Penrose não esteja sozinho em suas afirmações, os dados são totalmente opostos ao que ele afirma. As previsões que ele fez são refutadas pelos dados, e suas alegações de ver esses efeitos só são reproduzíveis se alguém analisar os dados de uma forma cientificamente infundada e ilegítima. Centenas de cientistas apontaram isso para Penrose - repetida e consistentemente por um período de mais de 10 anos - que continua a ignorar o campo e seguir em frente com suas alegações.

Como muitos antes dele, ele parece ter se apaixonado tanto por suas próprias ideias que não olha mais para a realidade para testá-las com responsabilidade. No entanto, esses testes existem, os dados críticos estão disponíveis publicamente e Penrose não está apenas errado, é trivialmente fácil demonstrar que os recursos que ele afirma que deveriam estar presentes no Universo não existem. Hoyle pode ter sido negado um Prêmio Nobel, apesar de suas valiosas contribuições para a nucleossíntese estelar por causa de suas posturas não científicas mais tarde na vida; embora Penrose agora tenha um Nobel, ele sucumbiu à mesma armadilha lamentável.

Embora devamos elogiar a criatividade de Penrose e celebrar seu trabalho inovador e digno do Nobel, devemos nos proteger contra o desejo de endeusar qualquer grande cientista, ou o trabalho que eles realizam que não é apoiado pelos dados. No final das contas, independentemente de celebridade ou fama, cabe ao próprio Universo discernir para nós o que é real e o que é apenas uma hipótese sem fundamento, e seguirmos o exemplo do Universo, independentemente de onde ele nos leve.

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