• Começa com um estrondo

Os universos paralelos são fisicamente reais ou apenas uma ideia sem suporte?

Você está descontente com a forma como vários eventos em sua vida aconteceram? Talvez, em um universo paralelo, as coisas funcionassem de maneira muito diferente.

Principais conclusões

• Estimulada pela ficção inventiva envolvendo o multiverso, a ideia de uma série infinita de Universos paralelos nos oferece a esperança de que, em algum lugar, exista uma versão nossa que esteja vivendo nossa vida ideal.
• Mas esses universos paralelos poderiam ser fisicamente reais? Existem duas maneiras de pensar sobre isso que são fisicamente bem motivadas: nos contextos da cosmologia inflacionária e da física quântica.
• Mas alguma dessas opções fisicamente enraizadas oferece a possibilidade final: versões de realidade alternativa de você que simplesmente tomaram decisões diferentes, levando a resultados muito diferentes para sua vida?

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Você provavelmente já imaginou isso antes: outro universo lá fora, exatamente como este, onde todos os eventos aleatórios e chances que trouxeram nossa realidade exatamente como ela se desenrola da mesma forma. Em todos os sentidos, cada evento quântico que tinha um conjunto de possibilidades sobre quais resultados poderiam ter ocorrido, ocorreu de forma idêntica naquele outro Universo ao que habitamos hoje. Exceto, isto é, até agora, quando você tomou uma decisão fatídica neste Universo, você tomou um caminho alternativo naquele outro Universo. Esses dois Universos, que correram paralelos um ao outro por tanto tempo, de repente divergiram.

Talvez nosso Universo, com a versão dos eventos que conhecemos, não seja o único por aí. Talvez existam outros Universos, talvez até com versões diferentes de nós mesmos, histórias diferentes e resultados alternativos do que experimentamos. Isso não é apenas ficção – embora desempenhe um papel incrível em uma variedade de cenários ficcionais – mas uma das possibilidades mais emocionantes trazidas pela física teórica. Aqui está o que a ciência diz sobre se os universos paralelos podem realmente ser reais.

Concepção artística em escala logarítmica do universo observável. O Sistema Solar dá lugar à Via Láctea, que dá lugar a galáxias próximas que depois dão lugar à estrutura em grande escala e ao plasma quente e denso do Big Bang nos arredores. Cada linha de visão que podemos observar contém todas essas épocas, mas a busca pelo objeto observado mais distante não estará completa até mapearmos todo o Universo.

Por mais vasto que seja o nosso Universo, a parte que podemos ver, acessar, afetar ou ser afetados é finita e quantificável. Incluindo fótons e neutrinos, contém cerca de 10 ⁹⁰ partículas, agrupadas e agrupadas em aproximadamente 6 a 20 trilhões de galáxias , com talvez outras 9 a 30 trilhões de galáxias que se revelarão a nós à medida que o Universo continua a se expandir.

Cada uma dessas galáxias vem com cerca de um trilhão de estrelas dentro dela (em média), e essas galáxias se agrupam em uma enorme teia que abrange o cosmos que se estende por 46 bilhões de anos-luz de distância de nós em todas as direções. Mas, apesar do que nossa intuição possa nos dizer, isso não significa que estamos no centro de um universo finito. Na verdade, o conjunto completo de evidências indica algo bem ao contrário.

A razão pela qual o Universo parece finito em tamanho para nós— a razão pela qual não podemos ver nada que esteja a mais de uma distância específica — não é porque o Universo é realmente finito em tamanho, mas sim porque o Universo só existiu em sua estado presente por um tempo finito.

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.

Se você não aprender mais nada sobre o Big Bang, deveria ser isso: o Universo não era constante no espaço ou no tempo, mas evoluiu de um estado mais uniforme, mais quente e mais denso para um estado mais denso, mais frio e mais difuso hoje . À medida que avançamos em tempos cada vez mais remotos, o Universo parece mais suave e com menos galáxias menos evoluídas; quando olhamos para tempos posteriores, as galáxias são maiores e mais massivas, consistindo de estrelas mais velhas, com distâncias maiores separando galáxias, grupos e aglomerados uns dos outros.

Isso nos deu um universo rico, contendo muitas relíquias de nossa história cósmica compartilhada, incluindo:

• muitas gerações de estrelas,
• um fundo ultra-frio de radiação residual,
• galáxias que parecem se afastar de nós cada vez mais rapidamente quanto mais distantes estão,
• com um limite fundamental para o quão longe podemos ver.

O limite para nossa perspectiva cósmica é estabelecido pela distância que a luz tem a capacidade de viajar desde o momento do Big Bang.

Mas isso de forma alguma significa que não há mais Universo além da porção que é acessível a nós. De fato, há argumentos observacionais e teóricos que apontam para a existência de muito mais Universo além do que vemos: talvez até infinitamente mais.

O Universo observável pode ter 46 bilhões de anos-luz em todas as direções do nosso ponto de vista, mas certamente há mais, Universo inobservável, talvez até uma quantidade infinita, assim como o nosso além disso. Com o tempo, poderemos ver mais, revelando aproximadamente 2,3 vezes mais galáxias do que podemos ver atualmente. Mesmo para as partes que nunca vemos, há coisas que queremos saber sobre elas. Isso dificilmente parece um esforço científico infrutífero.

Um Universo finito exibiria uma série de sinais indicadores que nos permitem determinar que não vivemos em um mar infinito de espaço-tempo. Medimos nossa curvatura espacial e descobrimos que o Universo tinha a forma de uma esfera de alguma forma, onde, se você viajasse em linha reta por tempo suficiente, retornaria ao seu ponto de partida. Você poderia procurar padrões repetidos no céu, onde o mesmo objeto aparecia em diferentes locais simultaneamente. Você poderia medir a suavidade do Universo em temperatura e densidade e ver como essas imperfeições evoluíram ao longo do tempo.

Se o Universo fosse finito, veríamos um conjunto específico de propriedades inerentes aos padrões que as flutuações de temperatura remanescentes do Big Bang exibiam. Mas o que vemos em vez disso são um conjunto diferente de padrões, nos ensinando exatamente o oposto: o Universo é indistinguível de ser perfeitamente plano e infinitamente grande.

O aparecimento de diferentes tamanhos angulares de flutuações no CMB resulta em diferentes cenários de curvatura espacial. Atualmente, o Universo parece ser plano, mas medimos apenas cerca de 0,4%. Em um nível mais preciso, podemos descobrir algum nível de curvatura intrínseca, afinal, mas o que observamos é suficiente para nos dizer que, se o Universo é curvo, ele só é curvo em escalas que são ~(250)³ vezes ( ou mais de 15 milhões de vezes) maior do que o nosso Universo atualmente observável.

Claro, não podemos saber com certeza. Se você só tivesse acesso ao seu próprio quintal, não conseguiria medir a curvatura da Terra, porque a parte à qual você tinha acesso era indistinguível da plana. Com base na porção do Universo que vemos, podemos afirmar que se o Universo é finito e se curva de volta sobre si mesmo, deve ter pelo menos milhões de vezes o volume da porção que podemos ver, sem limite superior para essa figura . Mas, teoricamente, as implicações de nossas observações pintam um quadro ainda mais tentador.

Veja, podemos extrapolar o Big Bang para um estado arbitrariamente quente, denso e em expansão e descobrir que ele não poderia ter ficado infinitamente quente e denso desde o início. Em vez disso, acima de alguma energia e antes de algum tempo muito antigo, houve uma fase que precedeu o Big Bang, o configurou e levou à criação de nosso Universo observável. Essa fase, um período de inflação cosmológica, descreve uma fase do Universo onde, em vez de estar cheio de matéria e radiação, o Universo estava cheio de energia inerente ao próprio espaço: um estado que faz com que o Universo se expanda a uma taxa exponencial.

Este diagrama mostra, em escala, como o espaço-tempo evolui/expande em incrementos de tempo iguais se o seu Universo é dominado por matéria, radiação ou a energia inerente ao próprio espaço, com esta última correspondendo a um inflador, energia inerente ao espaço- Universo dominado. Observe que, na inflação, cada intervalo de tempo que passa resulta em um Universo que é duplicado em todas as dimensões do seu tamanho anterior.

Em um Universo cheio de matéria ou radiação, a taxa de expansão diminuirá com o tempo, à medida que o Universo se tornar menos denso. Mas se a energia for inerente ao próprio espaço, a densidade não cairá, mas permanecerá constante, mesmo que o Universo se expanda. Em um Universo dominado por matéria ou radiação, a taxa de expansão diminui à medida que o tempo passa, e pontos distantes se afastam uns dos outros em velocidades cada vez mais lentas. Mas com a expansão exponencial, a taxa não cai de forma alguma, e locais distantes – com o passar do tempo incrementalmente – ficam duas vezes mais distantes, depois quatro vezes, oito, dezesseis, trinta e dois etc.

Como a expansão não é apenas exponencial, mas também incrivelmente rápida, a “duplicação” acontece em uma escala de tempo de cerca de 10 ^-35 segundos. Isso implica:

• no momento 10 ^{-3. 4} segundos se passaram, o Universo está em torno de 10 ³ (ou 1000) vezes seu tamanho inicial,
• no momento 10 ^-33 segundos se passaram, o Universo está em torno de 10 ³⁰ (ou 1000 ¹⁰ ) vezes seu tamanho inicial,
• no momento 10 ^-32 segundos se passaram, o Universo está em torno de 10 ³⁰⁰ (ou 1000 ¹⁰⁰ ) vezes seu tamanho inicial,

e assim por diante. Exponencial não é tão poderoso porque é rápido; é poderoso porque é implacável.

Agora, obviamente, o Universo não continuou a se expandir dessa maneira para sempre, porque estamos aqui. A inflação ocorreu por algum tempo no passado, mas acabou, configurando o Big Bang.

A inflação termina (topo) quando uma bola rola no vale. Mas o campo inflacionário é quântico (meio), se espalhando ao longo do tempo. Enquanto muitas regiões do espaço (roxo, vermelho e ciano) verão a inflação acabar, muitas outras (verde, azul) verão a inflação continuar, potencialmente por uma eternidade (parte inferior). A natureza quântica da inflação significa que ela termina em alguns “bolsões” do Universo e continua em outros.

Uma maneira útil de pensar sobre a inflação é como uma bola rolando muito lentamente do topo de uma colina muito plana, como mostrado no painel superior, acima. Enquanto a bola permanecer perto do platô mais alto, ela rola lentamente e a inflação continua, fazendo com que o Universo se expanda exponencialmente. Uma vez que a bola atinge a borda e rola para o vale, no entanto, a inflação termina. À medida que oscila para frente e para trás no vale, esse comportamento de rolamento faz com que a energia da inflação se dissipe, convertendo-a em matéria e radiação, encerrando o estado inflacionário e iniciando o Big Bang quente.

Mas a inflação não ocorre em todos os lugares ao mesmo tempo e termina em todos os lugares ao mesmo tempo. Tudo em nosso Universo está sujeito às bizarras leis quânticas da realidade, até a própria inflação. Quando consideramos esse fato da natureza, como mostrado nos painéis central e inferior da imagem acima, surge uma linha de pensamento inevitável.

1. A inflação não é como uma bola – que é um campo clássico – mas é como uma onda que se espalha ao longo do tempo, como um campo quântico.
2. À medida que o tempo passa e mais e mais espaço é criado devido à inflação, certas regiões, probabilisticamente, terão mais probabilidade de ver a inflação acabar, enquanto outras terão mais probabilidade de ver a inflação continuar.
3. As regiões onde a inflação acabar darão origem a um Big Bang e a um Universo como o nosso, enquanto as regiões onde não acabar continuarão a inflar por mais tempo.
4. Com o passar do tempo, por causa da dinâmica da expansão, duas regiões onde a inflação acaba nunca irão interagir ou colidir; as regiões onde a inflação não acaba se expandirão entre elas, afastando esses “universos-bolha” uns dos outros.

Uma representação dos diferentes “mundos” paralelos que podem existir em outros bolsões do multiverso. Com o passar do tempo, mais e mais possibilidades devem surgir, o que significa que o número de Universos que devem existir para contê-los também deve aumentar, pelo menos com a mesma rapidez.

Há, é claro, muitas incógnitas associadas a esse estado inflacionário.

Não sabemos quanto tempo durou a inflação antes de terminar e dar origem ao Big Bang, e se essa duração foi curta, longa ou infinita.

Não sabemos se as regiões onde a inflação terminou são todas iguais umas às outras, com as mesmas leis da natureza, constantes fundamentais e propriedades e flutuações quânticas do nosso próprio Universo.

E não sabemos se esses vários Universos estão conectados de alguma maneira fisicamente significativa, ou se eles seguem suas próprias regras individuais e não afetam um ao outro.

O sonho dos universos paralelos, afinal, é que a interpretação de muitos mundos da mecânica quântica possa ter um lugar para todas essas realidades alternativas – onde diferentes decisões foram tomadas e diferentes resultados foram alcançados – para realmente residir.

A Interpretação de Muitos Mundos da mecânica quântica sustenta que existe um número infinito de Universos paralelos que existem, contendo todos os resultados possíveis de um sistema mecânico quântico, e que fazer uma observação simplesmente escolhe um caminho. Essa interpretação é filosoficamente interessante, mas pode não agregar nada de valor quando se trata de física real.

É possível que exista um universo lá fora onde tudo aconteceu exatamente como aconteceu neste, exceto que você fez uma pequena coisa diferente e, portanto, sua vida se tornou incrivelmente diferente como resultado?

• Onde você escolheu o trabalho no exterior em vez daquele que o manteve em seu país?
• Onde você enfrentou o valentão em vez de se deixar tirar vantagem?
• Onde você beijou aquele que escapou no final da noite, em vez de deixá-los ir?
• E onde o evento de vida ou morte que você ou seu ente querido enfrentou em algum momento do passado teve um resultado diferente?

Pode ser. É certamente uma ilusão acreditar nisso. Mas para que essa seja realmente nossa realidade física, essas incógnitas sobre nosso Universo precisam ter respostas específicas que podem não ser muito prováveis.

A ideia do multiverso afirma que há um número muito grande de Universos como o nosso por aí, e outros cujas propriedades podem ter diferenças extremas e fundamentais. Mas para que a interpretação de muitos mundos da mecânica quântica seja fisicamente real, deve haver um lugar (ou seja, um universo real) para esses resultados paralelos residirem e, a menos que a inflação ocorra por um período infinito de tempo, a matemática não dá certo contê-los.

Em primeiro lugar, o estado inflacionário que precedeu o Big Bang deve ter durado não apenas muito tempo, mas uma quantidade de tempo verdadeiramente infinita. Vamos supor que o Universo tenha inflado — isto é, expandido exponencialmente — por 13,8 bilhões de anos. Isso criaria volume suficiente de espaço para 10^(10 ^cinquenta ) Universos iguais ao nosso, ou 10 ^{10000000000000000000000000000000000000000000000000} Universos. Esse é, sem dúvida, um número realmente gigantesco. Mas ainda é um número finito e, se não for maior que o número de resultados possíveis, não é grande o suficiente para conter as possibilidades que a noção de universos paralelos exigiria.

Então, vamos pensar em quantificar o número de resultados possíveis. Existem ~10 ⁹⁰ partículas em nosso Universo, incluindo fótons e neutrinos, e exigimos que cada um deles tenha o mesmo histórico de interações desde o Big Bang que eles experimentaram aqui para duplicar nosso Universo. Podemos quantificar as probabilidades tomando 10 ⁹⁰ partículas e dando-lhes 13,8 bilhões de anos para interagir. Temos então que perguntar quantos resultados possíveis existem, dadas as leis da física quântica e a taxa de interações de partículas.

Tão grande quanto uma exponencial dupla é — como 10^(10 ^cinquenta ) é — é muito menor do que nossa estimativa para o número de resultados quânticos possíveis para 10 ⁹⁰ partículas, que é um pouco maior (10 ⁹⁰ )! Este ! significa fatorial, onde 5! é 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120, mas 1000! é 1000 * 999 * 998 * … * 3 * 2 * 1 e é um número de 2477 dígitos. Parte da razão pela qual o número de possibilidades aumenta tão rapidamente é porque muitos processos quânticos não têm simplesmente um conjunto discreto de resultados possíveis, mas um contínuo. Se você tentou calcular (10 ⁹⁰ )!, você descobriria que são muitos googolplexes maiores do que um número relativamente mundano como 10^(10 ^cinquenta ).

Faixas da câmara de bolhas do Fermilab, revelando a carga, massa, energia e momento das partículas criadas. Embora existam apenas algumas dezenas de partículas cujos rastros são mostrados aqui, já existe um número astronomicamente grande de resultados possíveis que poderiam ter resultado das interações das partículas mostradas aqui na fração de segundo em que suas interações foram registradas. . O número de possíveis resultados quânticos aumenta muito mais rápido, em qualquer sistema, do que estamos acostumados com grandes números.

É verdade: ambos os números vão ao infinito. O número de universos paralelos possíveis tende ao infinito, mas o faz em uma taxa particular (exponencial), mas o número de resultados quânticos possíveis para um universo como o nosso também tende ao infinito e o faz muito mais rapidamente. Como ambos  e os fãs de John Green sabem, alguns infinitos são maiores que outros .

O que isso significa é que, a menos que a inflação esteja ocorrendo por uma quantidade de tempo verdadeiramente infinita, não há Universos paralelos idênticos a este. O número de resultados possíveis de partículas interagindo umas com as outras aumenta mais rapidamente do que o número de Universos possíveis decorrentes da inflação; mesmo um multiverso inflado não é grande o suficiente para conter os Universos paralelos que você precisaria para a interpretação de muitos mundos da física quântica para colocar todas as suas linhas de tempo alternativas.

Enquanto muitos Universos independentes estão previstos para serem criados em um espaço-tempo inflado, a inflação nunca termina em todos os lugares ao mesmo tempo, mas apenas em áreas distintas e independentes separadas por um espaço que continua a inflar. É daí que vem a motivação científica para um Multiverso e por que dois Universos nunca colidirão. Simplesmente não há Universos suficientes criados pela inflação para manter todos os resultados quânticos possíveis devido às interações de partículas dentro de um Universo individual.

Embora não possamos provar se a inflação continuou por uma duração infinita ou não, existe um teorema que demonstra que os espaços-tempos inflacionários não podem ser extrapolados para períodos de tempo arbitrários; eles não têm começo se assim for, e são chamados de passado-tempo-incompleto . A inflação pode nos dar um número enorme de Universos que residem dentro de um multiverso maior, mas simplesmente não há o suficiente deles para criar um você alternativo e paralelo. O número de resultados possíveis simplesmente aumenta rápido demais até mesmo para um Universo inflacionário conter todos eles.

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

Em todo o multiverso, provavelmente há apenas um você. Você deve fazer este Universo valer a pena, pois não há uma versão alternativa de você. Pegue o emprego dos sonhos. Levante-se por si mesmo. Navegue pelas dificuldades sem arrependimentos e dê tudo de si todos os dias de sua vida. Não há outro Universo onde esta versão de você exista, e nenhum futuro esperando por você além daquele em que você vive na realidade. Faça valer a pena.

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