O “inflaton” pode lançar luz sobre o mistério do início do Universo
Podemos razoavelmente dizer que entendemos a história do Universo em um trilionésimo de segundo após o Big Bang. Isso não é bom o suficiente.
- Quando os físicos não têm dados, eles extrapolam a partir dos modelos atuais. Isso nos ajuda a explorar novas possibilidades e suas consequências. Mas deve ser feito com cuidado.
- A extrapolação mais popular sobre o Universo primitivo usa um campo chamado inflaton para mudar a forma como o Universo se expandiu por um curto período de tempo.
- Essa abordagem poderia resolver alguns problemas em nossa compreensão atual da cosmologia – mas gera novos problemas.
Este é o décimo artigo de uma série sobre cosmologia moderna.
À medida que o Universo se expande, galáxias se afastam umas das outras . Este movimento não está no caminho de estilhaços voando de um ponto de explosão - isso não é o que foi o big bang . Isso acontece porque as galáxias estão sendo carregadas pela expansão cósmica. Eles são como rolhas flutuando em um riacho, e seu movimento de recuo é chamado de fluxo cósmico . A expansão do Universo é uma expansão do próprio espaço, que pode ser considerado vagamente como uma espécie de meio elástico completamente misturado com a matéria e a energia nele. Como escreveu o grande físico americano John Archibald Wheeler: “A matéria diz ao espaço como se curvar e o espaço diz à matéria como se mover”.
Se olharmos para trás no tempo, veremos a matéria espremida em volumes cada vez menores. Quando isso acontece, a temperatura e a pressão aumentam, e as ligações que mantêm as coisas unidas em moléculas, átomos e núcleos atômicos são progressivamente quebradas. Volte o suficiente no tempo, cerca de um trilionésimo de segundo após o Big Bang, e o Universo será preenchido com uma sopa primordial de partículas elementares, todas girando e colidindo furiosamente umas com as outras.
Doze partículas para ligá-los todos
Inúmeros experimentos verificaram esta imagem extraordinária do Universo primitivo. No processo, chegamos a um entendimento resumido no modelo padrão de física de partículas : Existem 12 partículas elementares da matéria — seis quarks e seis léptons. Os mais famosos são os quarks up e down que constituem prótons e nêutrons, junto com o elétron e seu neutrino, que são dois dos léptons.
É notável que todos os átomos da tabela periódica sejam feitos de apenas três partículas – os quarks up e down e os elétrons – e que as centenas de outras partículas que encontramos em colisões de partículas possam ser construídas a partir dos 12 quarks e léptons. Em seguida, consideramos o bóson de Higgs, que dá massa às partículas elementares. No Universo primitivo, os ingredientes da sopa primordial vêm dessas partículas conhecidas. (Talvez eles incluíssem algumas partículas ainda desconhecidas, no entanto. Esse seria o caso se a matéria escura fosse, como acreditamos, feita de outros tipos de partículas - partículas que podem estar presentes em estrelas escuras.)
Se traduzirmos as energias nas quais essas partículas colidem para a física do Universo primitivo, chegaremos perto de entender o início do Universo - todo o caminho de volta para aquele trilionésimo de segundo após o Big Bang. Isso parece pouco para nós, mas para partículas é muito tempo. Ainda assim, podemos afirmar com alguma reserva que entendemos os fundamentos da o que estava acontecendo no universo nesta fase inicial.
Mapeando o desconhecido
Claro, queremos saber o que aconteceu ainda antes. Queremos chegar o mais próximo possível do Big Bang, t = 0. Como fazer isso quando nossos experimentos não conseguem atingir as altas energias presentes no início? Bem, nós extrapolamos. Tomamos as teorias que conhecemos para funcionar, conforme exemplificado no modelo padrão, e as empurramos para energias cada vez mais altas. Isso pode soar como pura suposição, mas não é. As teorias que descrevem como as partículas interagem, chamadas de teorias quânticas de campo, nos permitem escalar a força das interações para energias cada vez mais altas. Dentro das limitações de nossos modelos, podemos prever como as partículas interagiriam se as sondássemos em energias mais altas. Podemos então pegar esses modelos de alta energia e transplantá-los para o Universo primitivo para explorar o que poderia acontecer quando nos aproximamos do Big Bang.
Ao fazer isso, é claro que estamos desenhando mapas de um território desconhecido. Nós estendemos nosso conhecimento atual além do que sabemos ser verdade. Por exemplo, novas forças da natureza podem se tornar relevantes em energias muito mais altas. Talvez novas partículas surjam e desempenhem um papel importante. Muitas das extrapolações usadas para povoar a física do Universo primitivo fazem exatamente isso – elas criam cenários possíveis baseados em novas forças e novas partículas para explorar o que poderia ter acontecido . Se estamos mapeando o desconhecido, podemos também ser aventureiros e usar nossa imaginação até onde nosso conhecimento atual permitir.
É uma característica peculiar do conhecimento que só sabemos o que sabemos, mas devemos usar o que sabemos para aprender mais do que nós . Às vezes, temos sorte e novas descobertas e novos experimentos nos guiam. Infelizmente, não é isso que está acontecendo agora. Muito pelo contrário - nossas extensas buscas por física além do modelo padrão não nos deram nem mesmo uma pequena amostra do que pode estar além. Nossas extrapolações atuais, então, devem ser tomadas com um grande grão de sal.
Respondendo a novas perguntas sobre o Universo
Tomemos como exemplo o cenário mais popular atualmente para o início do Universo. Nessa formulação, um campo muito parecido com o de Higgs dominava a física e ditava como o Universo se comportava, mesmo que apenas por uma fração de segundo. Este campo, que às vezes chamamos de inflaton , promoveu uma expansão ultrarrápida do Universo.
Por que isso é bom? Em princípio, essa rápida expansão resolveria um poucos problemas com a nossa compreensão atual da cosmologia. Aqui estão os meus três favoritos:
1. O problema da planicidade: Por que a geometria do Universo é tão plana?
2. O problema do horizonte: Por que a temperatura da radiação cósmica de fundo em micro-ondas é tão incrivelmente homogênea em todo o céu?
3. O que causou o agrupamento inicial de matéria que evoluiu para se tornar estrelas e galáxias em nosso Universo?
Na próxima semana, exploraremos esses problemas e como o inflaton pode resolvê-los. Como veremos, essas soluções vêm com seus próprios problemas .
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