Começa Com Um Estrondo

Um universo não é suficiente

Uma ilustração de universos múltiplos e independentes, causalmente desconectados um do outro em um oceano cósmico em constante expansão, é uma representação da ideia do Multiverso. Em uma região onde o Big Bang começa e a inflação termina, a taxa de expansão cairá, enquanto a inflação continua entre duas dessas regiões, separando-as para sempre. (OZITIVO / DOMÍNIO PÚBLICO)

Não precisamos dos muitos mundos da mecânica quântica para ter mais Universos do que sabemos com o que fazer.

O Universo é tudo o que existe, ou foi, ou será. Parece uma afirmação razoável de se fazer, não é? Certamente combina com nossa concepção da palavra Universo, o que implica que isso é todo o espaço e toda a matéria e energia dentro dele. Certamente vivemos dentro do Universo e podemos ver uma enorme quantidade dele: cerca de 46 bilhões de anos-luz em todas as direções. Após 13,8 bilhões de anos desde o quente Big Bang, e o tecido do espaço se expandindo por todo esse tempo, este é o limite absoluto de quão longe podemos ver.

Mas o que está além disso? Existe mais Universo como o nosso? A resposta é sim, deveria haver. Mas deve haver algo ainda mais do que isso: uma estrutura de espaço-tempo maior que tem um número enorme e incontável de Universos embutidos nela. Se nossas melhores teorias estiverem corretas, nosso único Universo não é suficiente. Aqui está o porquê.

Se você olhar cada vez mais longe, você também olhará cada vez mais longe no passado. Quanto mais cedo você for, mais quente e denso, além de menos evoluído, o Universo se torna. Os primeiros sinais podem até, potencialmente, nos dizer sobre o que aconteceu antes dos momentos do Big Bang quente. (NASA / STSCI / A. FEILD (STSCI))

Imagine que você voltou ao início do Universo como o conhecemos: o início do Big Bang quente. Como seria? Você se veria imerso em um banho quente de partículas, antipartículas e radiação. Todos eles não teriam massa e, portanto, se moveriam na velocidade da luz, já que o Higgs ainda não deu massa ao Universo. E a temperatura e a energia dessas partículas seriam extremamente altas: em torno de 1028 K, mais ou menos. Tudo o que fosse energeticamente permitido existiria, e colisões de partículas – incluindo a criação espontânea e a aniquilação de pares partícula/antipartícula – aconteceriam rápida, frequentemente e implacavelmente.

A história cósmica de todo o Universo conhecido mostra que devemos a origem de toda a matéria dentro dele, e toda a luz, em última análise, ao fim da inflação e ao início do Hot Big Bang. (E. SIEGEL / ESA E A COLABORAÇÃO PLANCK)

A partir deste ponto, normalmente avançamos o relógio no tempo, observando o Universo se expandir, esfriar, criar mais matéria do que antimatéria e, eventualmente, formar núcleos, átomos, aglomerados gravitacionais, estrelas, galáxias e, depois de tempo suficiente, seres humanos.

Mas e se fôssemos para o outro lado? E se, em vez disso, voltássemos para trás e perguntássemos de onde se originaram as condições que chamamos de Big Bang quente? Chegaríamos a um estado de coisas estranho, quase alienígena: um período de inflação cósmica. Em vez de a energia do Universo estar ligada a partículas, antipartículas e radiação, seria energia inerente ao próprio tecido do espaço. As consequências da inflação cósmica são profundas, mas nem sempre intuitivas.

Este diagrama mostra, em escala, como o espaço-tempo evolui / se expande em incrementos de tempo iguais se o seu Universo for dominado por matéria, radiação ou energia inerente ao próprio espaço, com esta última correspondendo a um inflador, energia inerente ao espaço- Universo dominado. (E. SELO)

Se o Universo tem toda a sua energia envolvida em uma forma inerente ao próprio espaço, ele ainda se expande, mas não esfria ou se torna menos denso como o Universo pós-Big Bang. Em vez disso, ele se expande exponencialmente, o que significa que dobra de tamanho após um pequeno, mas fixo período de tempo: algo em torno de 10^-35 segundos. Portanto, quando 10^-34 segundos se passaram, o Universo aumentou em tamanho por um fator de 2¹⁰, ou 1024. Quando 10^-33 segundos passam, ele aumenta em 2¹⁰⁰, ou ~10³⁰. E assim por diante.

A principal constatação da inflação é que a densidade de energia permanece constante. À medida que o volume do Universo aumenta, a energia inerente ao espaço em todas as regiões permanece a mesma. À medida que o Universo infla, ele simplesmente cria mais e mais Universo que ainda está inflando.

A inflação faz com que o espaço se expanda exponencialmente, o que pode resultar muito rapidamente em qualquer espaço curvo ou não liso pré-existente parecendo plano. Se o Universo é curvo, ele tem um raio de curvatura no mínimo centenas de vezes maior do que podemos observar. (E. SIEGEL (L); TUTORIAL DE COSMOLOGIA DE NED WRIGHT (R))

E daí, você diz, ainda é apenas o único Universo, certo?

Talvez seja. O volume do Universo aumenta tremendamente, implacavelmente e sem limites, mas não indefinidamente. Ele só faz isso até que a inflação chegue ao fim. E quando termina, toda essa energia inerente ao espaço se converte em partículas, antipartículas e radiação: o fim da inflação coincide com o início do Big Bang quente.

A analogia de uma bola deslizando sobre uma superfície alta é quando a inflação persiste, enquanto a estrutura desmoronando e liberando energia representa a conversão de energia em partículas. (E. SELO)

Esses são os fundamentos do que a inflação faz. Se observarmos como isso funciona fisicamente, podemos visualizar a inflação como um campo: uma bola que fica no topo de uma colina. A colina tem que ser particularmente plana no topo, para que a bola possa passar muito tempo lá em cima. A bola rola, inevitavelmente, em direção ao vale abaixo, mas tem que rolar lentamente: somente quando a bola fica no topo da parte plana da colina pode ocorrer a inflação. Quando a bola rola para o vale, a inflação chega ao fim, dando origem a um Universo cheio de partículas, antipartículas e radiação: inicia o Big Bang quente.

Se a inflação fosse um campo clássico, você obteria inflação enquanto o valor do campo permanecesse grande, mas à medida que diminuísse, digamos, rolando para o vale abaixo, a inflação chegaria ao fim e reaqueceria o Universo. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Novamente, até agora, tudo bem. Temos um Universo, ele infla, a inflação acaba, temos o Big Bang quente e todos ficam felizes.

Até você se lembrar de uma advertência importante que ignoramos até agora: tudo o que existe fisicamente, incluindo todas as partículas e campos, deve ser inerentemente quântico por natureza. As partículas quânticas são entidades estranhas e contra-intuitivas que nem sempre agem como partículas, mas também têm propriedades ondulatórias. E uma das coisas mais importantes que as partículas quânticas fazem, sempre que você coloca uma delas em qualquer lugar do Universo, é que suas posições não são mais fixas, mas descritas por uma distribuição de probabilidade. E quanto mais você espera, mais a função de onda que descreve onde uma partícula está se espalha.

Com o passar do tempo, mesmo para uma partícula simples e única, sua função de onda quântica que descreve sua posição se espalhará, espontaneamente, ao longo do tempo. Isso acontece para todas as partículas quânticas. (HANS DE VRIES / FÍSICA QUEST)

Isso não é um grande problema para um elétron livre em nosso Universo hoje, mas é um grande problema para a inflação! Imagine que você está no topo desta colina e está rolando lentamente em direção ao vale. Ao mesmo tempo, sua posição tem uma probabilidade de se espalhar e, embora haja uma chance finita de você acabar mais perto do vale do que de outra forma, também há uma chance de você acabar mais acima na colina do que você começou.

Agora, aqui está o kicker: porque seu espaço está se expandindo e inflando, diferentes regiões do espaço podem ter coisas diferentes acontecendo. Vamos imaginar que deixamos passar tempo suficiente para que cinco regiões diferentes, cada uma agora do mesmo tamanho da região original, agora existam. O que acontece se permitirmos que eles se espalhem aleatoriamente?

Se a inflação é um campo quântico, então o valor do campo se espalha ao longo do tempo, com diferentes regiões do espaço tendo diferentes realizações do valor do campo. Em muitas regiões, o valor do campo terminará no fundo do vale, acabando com a inflação, mas em muitas mais, a inflação continuará, arbitrariamente, no futuro. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Em alguns deles, a inflação acaba. Em outros, a inflação continua, mas parece que está perto do fim. E em outros, ele continua, ainda mais robusto do que teria sem a propagação e o rolamento.

Quando você calcula as probabilidades, para praticamente todos os modelos viáveis de inflação, descobre que a quantidade de espaço onde a inflação ocorre e não termina sempre aumenta com o tempo. Haverá inevitavelmente regiões onde a inflação acaba, e onde ela termina, você tem um Big Bang quente. Mas fora de cada uma dessas regiões, haverá um lugar onde a inflação não acabou e o espaço continua inflando lá. A cada novo instante que o tempo traz, há uma chance finita de que a inflação acabe, mas uma chance ainda maior de que ela continue, mais longe no futuro.

Esta ilustração mostra regiões onde a inflação continua no futuro (azul) e onde termina, dando origem a um Big Bang e a um Universo como o nosso (X vermelho). Observe que isso pode voltar indefinidamente, e nunca saberemos, mas uma vez que termina em nossa região, não podemos ver os lugares além do nosso horizonte onde ainda infla. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

O que temos, portanto, é um espaço-tempo onde, a qualquer momento, a inflação termina em algumas regiões, e temos um Big Bang quente onde isso acontece. Cada uma dessas regiões será cercada por um espaço-tempo mais amplo que continua a inflar, onde em cada uma das regiões infladas, algumas pequenas manchas verão a inflação acabar e um Big Bang quente se seguir. Esses vários Big Bangs quentes darão origem a seu próprio Universo observável, assim como o nosso, com um ponto de partida diferente e diferentes condições iniciais específicas para cada região. Eles serão separados por um espaço mais inflado, e dois Universos nunca colidirão ou interagirão um com o outro.

É daí que vêm os conceitos de inflação eterna, o multiverso e a existência de muitos Universos desconectados.

Impressão artística de um Multiverso – onde nosso Universo é apenas um entre muitos. Esses Universos serão desconectados um do outro, terão densidade e estrutura ligeiramente diferentes e variáveis dentro deles e terão seus Big Bangs começando em momentos diferentes. Eles nunca colidirão ou interagirão e, em vez disso, se expandirão um do outro, pois estão embutidos em um fundo de espaço inflado. (JAIME SALCIDO/SIMULAÇÕES PELA COLABORAÇÃO EAGLE)

Se você aceitar que a inflação é um estágio que ocorreu no passado do Universo antes do Big Bang quente, e que o próprio Universo é inerentemente quântico por natureza, a existência de um multiverso é inevitável. Embora não possamos observar esses outros Universos, podemos observar uma enorme quantidade de evidências para a inflação, apontando indiretamente para sua inevitabilidade. Também podemos observar uma enorme quantidade de evidências de que o próprio Universo é quântico, embora não tenhamos provas de que a própria inflação se comporte como um campo quântico. Se você juntar essas peças, isso leva inequivocamente à previsão de que nosso Universo deve ser apenas um dos incontáveis Universos, todos embutidos em um fundo eternamente inflado e em expansão.