• Começa com um estrondo

Nós existimos. O que esse fato pode nos ensinar sobre o Universo?

O princípio antrópico tem usos científicos fascinantes, onde o simples fato de nossa existência traz profundas lições físicas. Não abuse!

Principais conclusões

• Uma vez que existimos dentro deste Universo, as regras que o Universo joga têm que ser consistentes com pelo menos a possibilidade de nossa existência.
• Essa simples percepção, conhecida como princípio antrópico fraco, pode levar a algumas conclusões científicas e filosóficas extremamente poderosas.
• Mas tenha cuidado: levar suas suposições longe demais pode levá-lo a algumas conclusões malucas que carecem das evidências de apoio necessárias. O princípio antrópico não deve ser abusado!

Ethan Siegel Compartilhe Nós existimos. O que esse fato pode nos ensinar sobre o Universo? no Facebook Compartilhe Nós existimos. O que esse fato pode nos ensinar sobre o Universo? no Twitter Compartilhe Nós existimos. O que esse fato pode nos ensinar sobre o Universo? no LinkedIn

Por milhares de anos, os humanos refletiram sobre o significado de nossa existência. De filósofos que debateram se suas mentes poderiam ser confiáveis ​​para fornecer interpretações precisas de nossa realidade a físicos que tentaram interpretar os aspectos mais estranhos da física quântica e da relatividade, aprendemos que alguns aspectos do nosso Universo parecem ser objetivamente verdadeiros para todos, enquanto outros dependem das ações e propriedades do observador.

Embora o processo científico, combinado com nossos experimentos e observações, tenha descoberto muitas das leis e entidades físicas fundamentais que governam nosso Universo, ainda há muito que permanece desconhecido. No entanto, assim como Descartes foi capaz de raciocinar: “Penso, logo existo”, o fato de nossa existência – o fato de “somos” – também tem consequências físicas inevitáveis ​​para o Universo. Aqui está o que o simples fato de existirmos pode nos ensinar sobre a natureza de nossa realidade.

O comportamento gravitacional da Terra ao redor do Sol não se deve a uma atração gravitacional invisível, mas é melhor descrito pela Terra caindo livremente através do espaço curvo dominado pelo Sol. A distância mais curta entre dois pontos não é uma linha reta, mas sim uma geodésica: uma linha curva que é definida pela deformação gravitacional do espaço-tempo. As leis do Universo permitem, mas não obrigam, a existência de observadores inteligentes.

Para começar, o Universo tem um conjunto de regras de governo, e conseguimos entender pelo menos algumas delas. Entendemos como a gravidade funciona em um nível contínuo e não quântico: por matéria e energia curvando o espaço-tempo e por esse espaço-tempo curvo ditando como a matéria e a energia se movem através dele. Conhecemos uma grande parte das partículas que existem (do Modelo Padrão) e como elas interagem através das outras três forças fundamentais, inclusive no nível quântico. E sabemos que existimos, compostos dessas mesmas partículas e obedecendo a essas mesmas leis da natureza.

Com base nesses fatos, o físico Brandon Carter formulou duas declarações em 1973 que parecem ser verdadeiras:

1. Nós existimos como observadores, aqui e agora, dentro do Universo e, portanto, o Universo é compatível com a nossa existência neste local particular no espaço-tempo.
2. E que nosso Universo – incluindo os parâmetros fundamentais dos quais depende – deve existir de tal forma que observadores como nós possam existir dentro dele em algum momento.

Essas duas declarações são conhecidas, hoje, como a Princípio Antrópico Fraco e Princípio Antrópico Forte , respectivamente. Quando usados ​​corretamente, eles podem nos permitir tirar conclusões e restrições incrivelmente poderosas sobre como é o nosso Universo.

Este gráfico das partículas e interações detalha como a partícula do Modelo Padrão interage de acordo com as três forças fundamentais que a Teoria Quântica de Campos descreve. Quando a gravidade é adicionada à mistura, obtemos o Universo observável que vemos, com as leis, parâmetros e constantes que sabemos que o governam. Mistérios, como matéria escura e energia escura, ainda permanecem.

Pense sobre esses fatos, todos juntos. O Universo tem parâmetros, constantes e leis que o regem. Nós existimos dentro deste Universo. Portanto, a soma total de tudo o que determina como o Universo funciona deve permitir que criaturas como nós passem a existir dentro dele.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

Isso parece um conjunto de fatos simples e auto-evidentes. Se o Universo fosse tal que fosse fisicamente impossível que criaturas como nós existissem, então nunca teríamos existido. Se o Universo tivesse propriedades incompatíveis com qualquer forma de vida inteligente existente, então nenhum observador como nós poderia ter surgido.

Mas estamos aqui. Nós existimos. E, portanto, nosso Universo existe com tais propriedades que um observador inteligente poderia ter evoluído dentro dele. O fato de estarmos aqui e nos engajarmos ativamente no ato de observar o Universo implica isso: o Universo está conectado de tal forma que nossa existência é possível.

Essa é a essência do Princípio Antrópico em geral.

Esta imagem de longa exposição captura várias estrelas brilhantes, regiões de formação de estrelas e o plano da Via Láctea acima do observatório ALMA do hemisfério sul. Esta é literalmente uma das maneiras mais poderosas que temos de ser “observadores” no Universo, e ainda não está claro qual o papel, se houver, de ser um observador inteligente em afetar o próprio Universo.

Não parece que essa afirmação deva ser controversa. Também não parece que nos ensina muito, pelo menos na superfície. Mas se começarmos a olhar para uma variedade de quebra-cabeças físicos que o Universo nos apresentou ao longo dos anos, começamos a ver o quão poderosa uma ideia pode ser para a descoberta científica.

O fato de sermos observadores feitos de átomos – e que muitos desses átomos são átomos de carbono – nos diz que o Universo deve ter criado carbono de alguma forma. Os elementos leves, como hidrogênio, hélio e seus vários isótopos, foram formados nos estágios iniciais do Big Bang. Os elementos mais pesados ​​são formados em estrelas de vários tipos ao longo de suas vidas.

Mas para formar esses elementos mais pesados, deve haver alguma maneira de formar carbono: o sexto elemento da tabela periódica. O carbono, em sua forma mais comum, possui 6 prótons e 6 nêutrons em seu núcleo. Se é formado em estrelas, deve haver alguma maneira de formá-lo a partir de outros elementos que já existem nas estrelas: elementos como hidrogênio e hélio. Infelizmente, os números não deram certo.

Este recorte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é o único local onde ocorre a fusão nuclear. Com o passar do tempo, o núcleo rico em hélio se contrai e aquece, permitindo a fusão de hélio em carbono. No entanto, estados nucleares adicionais para um núcleo de carbono-12 além do estado fundamental são necessários para que as reações necessárias ocorram.

Conhecemos a massa do carbono-12 e as massas dos núcleos de hélio e hidrogênio que são tão abundantes nas estrelas. A maneira mais fácil de chegar lá seria pegar três núcleos independentes de hélio-4 e fundi-los simultaneamente. O hélio-4 tem dois prótons e dois nêutrons em seu núcleo, então é fácil imaginar que a fusão de três deles daria carbono-12 e, portanto, poderia criar o carbono de que precisamos em nosso universo.

Mas três núcleos de hélio, combinados, são muito massivos para produzir eficientemente carbono-12. Quando dois núcleos de hélio-4 se fundem, eles produzem berílio-8 por apenas ~10 ^-16 s, antes de decair de volta para dois núcleos de hélio. Embora ocasionalmente um terceiro núcleo de hélio-4 possa entrar lá se as temperaturas forem altas o suficiente, as energias estão todas erradas para produzir carbono-12; há muita energia. A reação simplesmente não nos daria o suficiente do carbono que nosso Universo precisa.

Felizmente, o físico Fred Hoyle entendeu como o princípio antrópico funcionava e percebeu que o Universo precisava de um caminho para produzir carbono a partir do hélio. Ele teorizou que se houvesse um estado excitado do núcleo de carbono-12, em uma energia mais alta que estivesse mais próxima da massa de repouso de três núcleos de hélio-4 combinados, a reação poderia ocorrer. Este estado nuclear, conhecido como o estado de Hoyle , foi descoberto apenas cinco anos depois pelo físico nuclear Willie Fowler, que também descobriu o processo triplo alfa que o formou, assim como Hoyle previu.

A previsão do estado de Hoyle e a descoberta do processo triplo-alfa é talvez o uso mais surpreendentemente bem-sucedido do raciocínio antrópico na história científica. Esse processo é o que explica a criação da maior parte do carbono encontrado em nosso Universo moderno.

Outra vez que o princípio antrópico foi aplicado com sucesso foi no quebra-cabeça de entender o que é a energia do vácuo do Universo. Na teoria quântica de campos, você pode tentar calcular qual é a energia do espaço vazio: conhecida como energia do ponto zero do espaço. Se você removesse todas as partículas e campos externos de uma região do espaço – sem massas, sem cargas, sem luz, sem radiação, sem ondas gravitacionais, sem espaço-tempo curvo, etc. – você ficaria com um espaço vazio.

Mas esse espaço vazio ainda conteria as leis da física neles, o que significa que ainda conteria os campos quânticos flutuantes que existem em todo o Universo. Se tentarmos calcular qual é a densidade de energia desse espaço vazio, obteremos um valor absurdo que é muito alto: tão grande que faria com que o Universo voltasse a colapsar apenas uma pequena fração de segundo após o Big Bang. Claramente, a resposta que obtemos ao fazer esse cálculo está errada.

Mesmo no vácuo do espaço vazio, desprovido de massas, cargas, espaço curvo e quaisquer campos externos, as leis da natureza e os campos quânticos subjacentes a elas ainda existem. Se você calcular o estado de energia mais baixa, poderá descobrir que não é exatamente zero; a energia do ponto zero (ou vácuo) do Universo parece ser positiva e finita, embora pequena.

Então, qual é o valor certo? Embora ainda não saibamos como calculá-lo, hoje o físico Stephen Weinberg calculou um limite superior do que poderia ser em 1987, fazendo uso surpreendente do princípio antrópico. A energia do espaço vazio determina a rapidez com que o Universo se expande ou se contrai, mesmo sem toda a matéria e radiação dentro dele. Se essa taxa de expansão (ou contração) for muito alta, nunca poderemos formar vida, planetas, estrelas ou mesmo moléculas e átomos dentro do Universo.

Se usarmos o fato de que nosso Universo tem galáxias, estrelas, planetas e até seres humanos em um deles, podemos colocar limites extraordinários em quanta energia de vácuo poderia estar no Universo. O cálculo de Weinberg de 1987 demonstrou que deve ser pelo menos 118 ordens de magnitude - ou seja, um fator de 10 ¹¹⁸ — menor que o valor obtido pelos cálculos da teoria quântica de campos.

Quando a energia escura foi descoberta empiricamente em 1998, conseguimos medir esse número pela primeira vez: eram 120 ordens de magnitude (um fator de 10 ¹²⁰ ) menor que a previsão ingênua. Mesmo sem as ferramentas necessárias para realizar os cálculos necessários para obter a resposta, o princípio antrópico nos aproximou notavelmente.

A paisagem das cordas pode ser uma ideia fascinante cheia de potencial teórico, mas não pode explicar por que o valor de um parâmetro tão bem ajustado, como a constante cosmológica, a taxa de expansão inicial ou a densidade total de energia, tem os valores que eles têm. Ainda assim, entender por que esse valor assume o valor específico que assume é uma questão de ajuste fino que a maioria dos cientistas supõe ter uma resposta motivada fisicamente.

Há apenas dois anos, em 2020, o físico teórico John Barrow morreu, vítima de câncer de cólon. Em 1986, ele co-escreveu um livro proeminente com Frank Tipler, O Princípio Cosmológico Antrópico . Nesse livro, eles redefiniram o princípio antrópico como as duas seguintes afirmações:

1. Os valores observados de todas as grandezas físicas e cosmológicas não são igualmente prováveis, mas assumem valores restritos pela exigência de que existam locais onde a vida baseada em carbono possa evoluir e pela exigência de que o Universo tenha idade suficiente para que já o tenha feito. .
2. O Universo deve ter aquelas propriedades que permitem que a vida se desenvolva dentro dele em algum estágio da história.

Embora essas declarações possam parecer equivalentes às anteriores, elas somam algo muito diferente. Em vez de argumentar, como Carter originalmente fez, que “Nossa existência, como observadores, significa que as leis do Universo devem permitir que os observadores possivelmente existam”, agora temos “O Universo deve permitir vida inteligente baseada em carbono, e que Universos hipotéticos onde que a vida não se desenvolve não são permitidas”.

A existência de moléculas complexas à base de carbono em regiões de formação de estrelas é interessante, mas não é antropicamente exigida. Aqui, os glicoaldeídos, um exemplo de açúcares simples, são ilustrados em um local correspondente ao local onde foram detectados em uma nuvem de gás interestelar.

Essa ressignificação altamente influente (e controversa) do princípio antrópico nos leva de exigir que o Universo não torne impossível a existência de observadores, porque nós existimos, para exigir que um Universo onde não surjam observadores inteligentes não possa ser permitido. Se isso soa como um enorme salto de fé que não é apoiado pela ciência ou pela razão, você não está sozinho. Em seu livro, Barrow e Tipler vão ainda mais longe, oferecendo as seguintes interpretações alternativas do princípio antrópico:

• O Universo, tal como existe, foi concebido com o objetivo de gerar e sustentar observadores.
• Observadores são necessários para trazer o Universo à existência.
• Um conjunto de Universos com diferentes leis e constantes fundamentais são necessários para que nosso Universo exista.

Cada um desses cenários pode apresentar um banquete fascinante para a imaginação, mas todos eles representam saltos incrivelmente especulativos na lógica e fazem suposições sobre o propósito cósmico e a relação entre observadores e realidade que não são necessariamente verdadeiras.

Certamente podemos imaginar um número arbitrariamente grande de configurações possíveis para nosso Universo e as leis e constantes que o regem, e podemos ter certeza de que nosso Universo é um dos que admitem a existência de observadores inteligentes. No entanto, nem este nem qualquer outro argumento antrópico pode nos dizer algo significativo sobre entidades que não estão de alguma forma ligadas a observáveis ​​físicos.

Você não precisa ir muito longe para encontrar afirmações de que o princípio antrópico faz qualquer um ou todos os seguintes: suporta um multiverso, fornece evidências para a paisagem de cordas, exige que tenhamos um gigante gasoso semelhante a Júpiter para proteger a Terra de asteróides e para explicar por que a Terra está a ~26.000 anos-luz de distância do centro galáctico. Em outras palavras, as pessoas estão usando mal o princípio antrópico para argumentar que o Universo deve ser do jeito que é porque existimos com as propriedades que temos. Isso não é apenas falso, mas também não é o que o princípio antrópico nos permite concluir.

O que é verdade é que nós existimos, as leis da natureza existem e algumas das grandes incógnitas cósmicas podem ser legitimamente limitadas pelos fatos de nossa existência. Nesse sentido – e talvez apenas nesse sentido – o princípio antrópico tem valor científico. Mas assim que começamos a especular sobre relacionamentos, causas ou fenômenos que não podemos detectar ou medir, deixamos a ciência para trás.

Isso não quer dizer que tais especulações não sejam intelectualmente interessantes, mas envolver-se nelas de forma alguma melhora nossa compreensão do Universo da maneira que as previsões antrópicas de Hoyle ou Weinberg fizeram. O simples fato de nossa existência pode nos guiar para entender quais devem ser certos parâmetros que governam nosso Universo, mas apenas se nos atermos ao que é cientificamente mensurável, pelo menos em princípio.

Compartilhar: