• Começa com um estrondo

Os 4 significados fundamentais de “nada” na ciência

Todas as coisas que nos cercam e nos compõem nem sempre existiram. Mas descrever sua origem depende do que 'nada' significa.

Principais conclusões

• A maioria de nós, quando falamos sobre nada, nos referimos a um estado em que a coisa a que nos referimos ainda não existe.
• Mas o nada absoluto, onde o espaço, o tempo e/ou as leis da física não existem, é apenas uma construção filosófica, sem significado físico.
• O Universo realmente cria algo do nada? Isso depende de qual é a sua definição de nada e qual das quatro definições você está usando.

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O Universo, como o vemos hoje, com certeza está cheio de “coisas”. Tudo o que vemos, sentimos e interagimos é feito de partículas subatômicas no nível mais fundamental, e elas se reuniram em grandes estruturas — humanos, planetas, estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias — ao longo da história do Universo. Todos obedecem às mesmas leis da física e existem no contexto do mesmo espaço-tempo que tudo ocupa.

Todas essas coisas que vemos e experimentamos no Universo hoje existem apenas por um período finito de tempo. O Universo nem sempre teve galáxias, estrelas ou átomos, então eles devem ter surgido em algum momento. Mas de onde eles vieram? Embora a resposta óbvia possa parecer “algo”, isso não é necessariamente verdade; eles podem ter surgido do nada. O que “nada” significa para um cientista nesse contexto? Dependendo de quem você pergunta, você pode obter uma das quatro respostas diferentes. Aqui está o que todos eles significam.

O Universo é um lugar vasto, diverso e interessante, cheio de matéria e energia, em várias formas, atuando no palco do espaço-tempo, de acordo com as leis da física. Isso é exemplificado por esta imagem do telescópio espacial Hubble do aglomerado de galáxias IDCS J1426.5+3508. Quanto você precisa tirar, porém, antes de ficar realmente sem nada?

1.) Uma condição em que os ingredientes crus para criar seu “algo” não existiam . Você não pode ter galáxias, estrelas, planetas ou humanos sem as partículas necessárias para construí-los. Tudo o que conhecemos e com o que interagimos é feito de partículas de matéria subatômica; esses são os ingredientes brutos com os quais nosso Universo, como o conhecemos, é construído.

Se você começar com um Universo cheio de matéria, entenderemos como ele pode se expandir, esfriar e gravitar para levar ao Universo como o conhecemos hoje. Sabemos como as estrelas vivem e morrem, levando aos elementos pesados ​​que permitem a criação de estrelas de baixa massa, planetas rochosos, moléculas orgânicas e, eventualmente, a possibilidade de vida. Mas como acabamos com um Universo cheio de matéria, em vez de um com quantidades iguais de matéria e antimatéria? Esse é o primeiro significado científico de obter algo do nada.

Depois que os pares quark/antiquark se aniquilam, as partículas de matéria restantes se ligam em prótons e nêutrons, em meio a um fundo de neutrinos, antineutrinos, fótons e pares elétron/pósitron. Haverá um excesso de elétrons sobre pósitrons para corresponder exatamente ao número de prótons no Universo, mantendo-o eletricamente neutro. Como surgiu essa assimetria matéria-antimatéria é uma grande questão sem resposta da física contemporânea.

É também um dos maiores quebra-cabeças da física: se as leis da física são tais que só podemos criar matéria e antimatéria em quantidades iguais, como acabamos com um Universo onde todas as estruturas que vemos são feitas de matéria e não de antimatéria? Todos os planetas, estrelas e galáxias que já vimos são feitos de matéria e não de antimatéria. Então, como criamos um excesso desses ingredientes crus necessários se o Universo não nasceu com um?

Isso é o que significa quando você ouve isso a matéria em nosso Universo surgiu do nada . A origem da assimetria matéria-antimatéria — um quebra-cabeça conhecido na comunidade física como bariogênese — é um dos maiores problemas não resolvidos da física atual. Muitas ideias e mecanismos foram propostos e são teoricamente plausíveis, mas ainda não sabemos a resposta. Não sabemos por que existe algo (mais matéria do que antimatéria) em vez de nada (quantidades iguais).

O Universo é um lugar incrível, e a maneira como ele existe hoje é algo pelo qual vale a pena agradecer. Embora nossas imagens mais espetaculares do espaço sejam ricas em galáxias, a maior parte do volume do Universo é totalmente desprovida de matéria, galáxias e luz. Podemos apenas imaginar um Universo onde o espaço é verdadeiramente vazio.

2.) O nada é o vazio do espaço vazio . Talvez você prefira uma definição de nada que contenha literalmente “nenhuma coisa”. Se você seguir essa linha de pensamento, então a primeira definição é inadequada: ela claramente contém “algo”. Para alcançar o nada, você terá que se livrar de todos os constituintes fundamentais da matéria. Cada quantum de radiação tem que ir. Cada partícula e antipartícula, desde o neutrino fantasmagórico até qualquer matéria escura, deve ser removida.

Se você pudesse de alguma forma removê-los todos - cada um e todos - você poderia garantir que a única coisa que fosse deixada para trás fosse o próprio espaço vazio. Sem partículas ou antipartículas, sem matéria ou radiação, sem quanta identificáveis ​​de qualquer tipo em seu Universo, tudo o que restaria é o vazio do próprio espaço vazio. Para alguns, essa é a verdadeira definição científica de “nada”.

Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. (Especificamente, para as interações fortes.) Mesmo no espaço vazio, essa energia do vácuo é diferente de zero, e o que parece ser o 'estado fundamental' em uma região do espaço curvo parecerá diferente da perspectiva de um observador onde o espaço curvatura difere. Enquanto os campos quânticos estiverem presentes, essa energia do vácuo (ou uma constante cosmológica) também deve estar presente.

Mas certas entidades físicas ainda permanecem, mesmo sob esse cenário altamente restritivo e imaginativo. As leis da física ainda estão lá, o que significa que os campos quânticos ainda permeiam o Universo. Isso inclui o campo eletromagnético, o campo gravitacional, o campo de Higgs e os campos decorrentes das forças nucleares. O espaço-tempo ainda existe, regido pela Relatividade Geral. As constantes fundamentais ainda estão no lugar, todas com os mesmos valores que observamos.

E, talvez o mais importante, a energia do ponto zero do espaço ainda está lá, e ainda está em seu valor atual, positivo e diferente de zero . Hoje, isso se manifesta como energia escura; antes do Big Bang, isso se manifestou na forma de inflação cósmica, cujo fim deu origem a todo o Universo. É daí que vem a frase “um universo do nada”. Mesmo sem matéria ou radiação de qualquer tipo, esta forma de “nada” ainda conduz a um Universo fascinante.

Uma representação de espaço plano e vazio sem matéria, energia ou curvatura de qualquer tipo. Se esse espaço tiver a menor energia de ponto zero possível, não será possível reduzi-la ainda mais.

3.) O nada como o estado ideal de menor energia possível para o espaço-tempo . Neste momento, nosso Universo tem uma energia de ponto zero, ou uma energia inerente ao próprio espaço, que está em um valor positivo, diferente de zero. Não sabemos se este é o verdadeiro “estado fundamental” do Universo, ou seja, o estado de menor energia possível, ou se ainda podemos ir mais abaixo. Ainda é possível que estejamos em um falso estado de vácuo e que o verdadeiro vácuo, ou o verdadeiro estado de energia mais baixa, esteja mais próximo de zero ou possa ir até zero (ou abaixo).

A transição de nosso estado atual provavelmente levaria a uma catástrofe que alteraria para sempre o Universo: um cenário de pesadelo conhecido como decadência do vácuo . Isso resultaria em muitas coisas desagradáveis ​​para a nossa existência. O fóton se tornaria uma partícula massiva, a força eletromagnética viajaria apenas em intervalos curtos e praticamente toda a luz solar que nossa estrela emite não conseguiria chegar à Terra.

Um campo escalar φ em um falso vácuo. Observe que a energia E é maior do que no vácuo verdadeiro ou no estado fundamental, mas há uma barreira que impede que o campo role para o vácuo verdadeiro. Observe também como o estado de energia mais baixa (vácuo verdadeiro) pode ter um valor finito, positivo e diferente de zero. A energia do ponto zero de muitos sistemas quânticos é conhecida por ser maior que zero.

Mas em termos de imaginar isso como um estado de verdadeiro nada, talvez seja o cenário ideal que ainda mantém intactas as leis da física. (Embora algumas das regras sejam diferentes.) Se você fosse capaz de alcançar o verdadeiro estado fundamental do Universo — qualquer que seja esse estado — e expulsasse de seu Universo toda a matéria, energia, radiação, curvatura do espaço-tempo e ondulações, etc., você ficaria com a ideia final de “nada físico”.

Você ainda teria pelo menos um palco para o Universo jogar, mas não haveria jogadores. Não haveria elenco, roteiro e cena para a sua peça, mas o vasto abismo do nada físico ainda lhe fornece um palco. O vácuo cósmico estaria em seu mínimo absoluto e não haveria como extrair dele trabalho, energia ou quaisquer partículas reais (ou antipartículas). E, no entanto, para alguns, isso ainda tem o sabor de “algo”, porque o espaço, o tempo e as regras ainda estão em vigor.

O conjunto completo do que está presente hoje no Universo deve sua origem ao quente Big Bang. Mais fundamentalmente, o Universo que temos hoje só pode surgir por causa das propriedades do espaço-tempo e das leis da física. Sem eles, não podemos ter existência de nenhuma forma.

4.) O nada só ocorre quando você remove todo o Universo e as leis que o regem . Este é o caso mais extremo de todos: um caso que sai da realidade — fora do espaço, do tempo e da própria física — para imaginar um ideal platônico do nada. Podemos conceber a remoção de tudo o que podemos imaginar: espaço, tempo e as regras governantes da realidade. Os físicos não têm definição para nada aqui; isso é puro nada filosófico.

No contexto da física, isso cria um problema: não podemos entender esse tipo de nada. Seríamos compelidos a supor que existe algo como um estado que pode existir fora do espaço e do tempo, e que o próprio espaço-tempo, bem como as regras que governam todas as entidades físicas que conhecemos, podem então emergir de esse estado hipotético e idealizado.

Flutuações no próprio espaço-tempo na escala quântica se estendem por todo o Universo durante a inflação, dando origem a imperfeições tanto na densidade quanto nas ondas gravitacionais. Embora inflar o espaço possa ser chamado de 'nada' em muitos aspectos, nem todos concordam.

Infelizmente, não temos ideia se essa linha de pensamento tem algum significado físico. É possível que seja apenas um exercício de nossa capacidade de imaginar coisas fora de nossa própria realidade, sem conexão com nada que possa realmente existir. Uma série de perguntas surgem imediatamente quando começamos a pensar nessa linha, sem respostas definitivas. Eles incluem:

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• Como o espaço-tempo surge em um determinado local ou instante, quando não existe “espaço” (para localização) ou “tempo” (para instante)?
• Podemos realmente imaginar algo estando “fora” do Universo se não temos espaço, ou “tendo um começo” se não temos tempo?
• De onde surgiriam as regras que regem as partículas e suas interações?

Essa definição final de nada, embora certamente pareça a mais satisfatória filosoficamente, pode não ter nenhum significado. Poderia ser apenas uma construção lógica suportada por nossa intuição humana inadequada.

A natureza quântica do Universo nos diz que certas quantidades têm uma incerteza inerente incorporada a elas e que pares de quantidades têm suas incertezas relacionadas umas com as outras. Não há evidências de uma realidade mais fundamental com variáveis ​​ocultas subjacentes ao nosso universo quântico observável.

Quando os cientistas falam sobre nada, muitas vezes falam uns dos outros, pensando que sua definição de “nada” é a única válida. Mas não há consenso aqui: a linguagem é ambígua e o conceito de nada significa coisas diferentes para pessoas em contextos diferentes. “Algo do nada” pode ser uma situação em que algo fundamentalmente surge onde não existia antes, mas nem todos concordam que “nada” é o que surgiu.

Cada uma das quatro definições está correta à sua maneira, mas o mais importante é entender o que o falante quer dizer quando está falando sobre sua forma particular de nada. Cada definição tem seu próprio escopo e alcance de validade, com aplicações a uma ampla gama de problemas físicos particulares, desde a origem da matéria até a energia escura, a inflação cósmica e a energia do ponto zero do próprio espaço. Mas esses conceitos também têm uma desvantagem: são todos construções de nossas próprias mentes. Tudo o que sabemos certamente veio do nada. A chave é entender como.

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