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Nossos melhores modelos do Universo têm um passado conturbado

• O princípio central de qualquer modelo cosmológico do Big Bang é que o Universo evolui.
• No entanto, isso realmente não deveria ser o caso. É muito mais provável que o Universo tenha nascido em um estado de alta entropia que teria deixado pouco espaço para mudanças.
• Como seria uma solução natural para a questão das condições cósmicas iniciais, sem qualquer ajuste fino ou súplica especial?

Este artigo é o terceiro de uma série que explora as contradições no modelo padrão da cosmologia. Convidamos você a ler o primeiro e segundo parcelas.

A característica central de todos os modelos cosmológicos do Big Bang é um Universo que evolui. O passado parecia diferente do presente. O presente será diferente do futuro. Embora essas afirmações possam parecer inócuas, por que o Universo evolui é, na verdade, um grande mistério. Tanto que, de fato, o astrofísico Fulvio Melia incluiu a questão em seu recente artigo, onde elencava os motivos pelos quais modelo padrão de cosmologia pode precisar ser substituído.

Hoje, como parte do meu em andamento Series sobre o artigo de Melia e os enigmas cosmológicos que ele levantou, vamos abordar esse espinhoso problema do passado cósmico.

O Universo em equilíbrio morto

O problema do passado do Universo tem um longo pedigree e está ligado a uma das ideias mais importantes de toda a física: a entropia e a segunda lei da termodinâmica . Entropia é a maneira de um físico dizer desordem. De acordo com a segunda lei, qualquer sistema isolado deve evoluir de estados de baixa entropia para estados de alta entropia. A desordem sempre aumenta. Se você começar com um monte de átomos amontoados em um canto de uma caixa, eles evoluirão naturalmente para um estado com átomos espalhados uniformemente ao redor da caixa. Assim, passaram de um estado altamente ordenado e de baixa entropia para um estado de máxima desordem e máxima entropia.

O importante sobre a entropia máxima é que, uma vez atingido esse estado, a evolução para. Átomos individuais continuam a saltar, mas o estado macroscópico da caixa para de mudar. Em certo sentido, o tempo e sua direção não importam mais. O passado se parece exatamente com o futuro, então você não pode mais diferenciá-los.

Traga essa ideia para o Universo como um todo e você verá rapidamente o problema. Como o Universo é tudo o que existe, é como aquela caixa. A segunda lei da termodinâmica diz que a entropia do Universo só pode aumentar até atingir um máximo. Então o Universo deve estar se esgotando, e deve estar caminhando para um eventual morte por calor , onde a entropia foi maximizada e nenhum trabalho pode ser extraído. Nesse equilíbrio final, não haverá mais mudança e nenhuma seta do tempo apontando do passado para o futuro.

Mas esse não é o estado em que estamos agora. O Universo claramente ainda está evoluindo. As estrelas estão queimando seu combustível nuclear, liberando energia e gerando entropia. Isso deve significar que a entropia do Universo não atingiu seu máximo. Com base nisso, podemos concluir que a entropia do Universo deve ter sido muito menor no passado. E é aí que realmente reside o problema.

Suplicando ao cosmos

Por que a entropia do Universo era menor no passado?

Esta questão não é nova. Os fundadores da mecânica estatística e da termodinâmica modernas estavam cientes do assunto e o discutiram longamente antes mesmo do surgimento da cosmologia moderna. Mas uma vez que os cientistas desenvolveram o modelo do Big Bang do Universo, o problema ficou mais agudo.

O chamado Big Bang clássico – a primeira versão do nosso modelo padrão de cosmologia – diz que o Universo começou em um estado quente e denso, passando por expansão. A versão moderna do modelo padrão acrescenta um período de extrema expansão a essa história, um período muito breve e muito inicial, referido como inflação . Tanto para os modelos padrão clássicos quanto para os modernos, a questão crítica sobre o passado é a condição inicial do Big Bang — aquele estado sob o qual seu modelo inicia sua evolução.

Acontece que, se você escolher uma condição inicial aleatoriamente, é muito mais provável que encontre uma com alta entropia do que com baixa entropia. Afinal, existem muito mais maneiras de organizar os componentes de um sistema de maneira desordenada do que de maneira ordenada. Com base apenas na probabilidade, então, o Universo deveria ter começado em um estado que já estava em equilíbrio ou próximo a ele. Isso deixaria pouco espaço para a evolução cósmica. O Universo simplesmente ficaria lá como nossa caixa de átomos em equilíbrio. Não experimentaria nenhuma mudança e nenhum tempo correndo do passado para o futuro.

De alguma forma, nosso Universo deve ter evitado todos esses estados de alta entropia e começado em um estado de entropia muito improvável e muito baixo. Físicos e filósofos chamam isso de a hipótese passada . Mas o que torna essa hipótese correta? Por que o Universo começou em um estado tão improvável que nos permitiu emergir? Não queremos invocar um designer inteligente para fazer a escolha por nós - isso seria um caso flagrante de defesa especial.

É digno de nota que alguns cosmólogos pensaram que o breve período de inflação resolveria o problema. A expansão hiper-rápida de uma pequena fatia do espaço-tempo pós-Big Bang em nosso Universo visível deveria diluir a entropia e permitir que a evolução continuasse. Mas muitos críticos, incluindo Fulvio Melia, argumentam que os modelos de inflação devem ser ajustados para dar o resultado certo. A forma de um modelo inflacionário adequado e os parâmetros nele encontrados devem ser tão explícitos que tudo pareça tão forjado e arbitrário quanto a própria hipótese anterior. Assim, a inflação pode não resolver o problema.

Então Melia está certa? O modelo padrão da cosmologia é suspeito por causa do passado estranhamente de baixa entropia do Universo? Não há dúvida de que a hipótese do passado é um problema real, tanto física quanto filosoficamente. Parece também que o modelo padrão ainda não oferece uma solução clara e, nesse sentido, o Melia está correto. Uma questão maior é se algum modelo cosmológico poderia resolver a necessidade de uma hipótese passada. Como seria uma solução natural para a questão das condições cósmicas iniciais, sem qualquer ajuste fino ou súplica especial? Se um novo modelo pudesse resolver esse enigma, ele de fato forneceria um argumento poderoso para seguir em uma nova direção.

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