• Começa com um estrondo

Poderia o Universo em expansão ser realmente uma miragem?

Um truque matemático bonito pode 'redimensionar' o Universo para que ele não esteja realmente se expandindo. Mas esse 'truque' pode sobreviver a todos os nossos testes cósmicos?

Principais conclusões

• Em um novo artigo recém-aceito para publicação na revista Gravidade clássica e quântica , o físico teórico Lucas Lombriser mostrou que é possível reformular o Universo para não estar em expansão, afinal.
• Em vez disso, você pode redimensionar suas coordenadas para que todas as constantes fundamentais dentro do seu universo mudem de uma maneira específica ao longo do tempo, imitando a expansão cósmica em um universo que não está em expansão.
• Mas essa abordagem poderia realmente se aplicar ao nosso Universo real, ou é um mero truque matemático que as observações que já temos descartam? O dinheiro inteligente está na última opção.

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Na década de 1920, ocorreram dois desenvolvimentos lado a lado que abriram caminho para nossa compreensão moderna do Universo. No lado teórico, fomos capazes de deduzir que, se você obedecesse às leis da Relatividade Geral e tivesse um Universo que fosse (em média) uniformemente preenchido com matéria e energia, seu Universo não poderia ser estático e estável, mas deveria expandir ou recolher. No lado observacional, começamos a identificar galáxias além da Via Láctea e rapidamente determinamos que (em média) quanto mais longe elas estavam, mais rápido elas se afastavam de nós.

Simplesmente juntando teoria e observação, a noção do Universo em expansão nasceu e está conosco desde então. Nosso modelo padrão de cosmologia – incluindo o Big Bang, a inflação cósmica, a formação da estrutura cósmica e a matéria escura e a energia escura – é todo construído sobre o fundamento básico do Universo em expansão.

Mas o Universo em expansão é uma necessidade absoluta ou existe uma maneira de contornar isso? Em um novo papel interessante isso é recentemente obteve alguma publicidade , o físico teórico Lucas Lombriser argumenta que o Universo em expansão pode ser “transformado” pela manipulação das equações da Relatividade Geral. Em seu cenário, a expansão cósmica observada seria apenas uma miragem. Mas isso resiste à ciência que já conhecemos? Vamos investigar.

Animação esquemática de um feixe contínuo de luz sendo disperso por um prisma. Se você tivesse olhos ultravioleta e infravermelho, seria capaz de ver que a luz ultravioleta se curva ainda mais do que a luz violeta/azul, enquanto a luz infravermelha permaneceria menos curvada do que a luz vermelha. A velocidade da luz é constante no vácuo, mas diferentes comprimentos de onda/cores de luz viajam em diferentes velocidades através de um meio. Isso pode ser explicado adequadamente por meio de uma imagem de luz semelhante a uma onda ou semelhante a um raio.

De vez em quando, reconhecemos que existem várias maneiras diferentes de olhar para o mesmo fenômeno. Se essas duas formas forem fisicamente equivalentes, entendemos que não há diferença entre elas, e qual delas você escolhe é simplesmente uma questão de preferência pessoal.

• Na ciência da óptica, por exemplo, você pode descrever a luz como uma onda (como Huygens fez) ou como um raio (como Newton fez) e, na maioria das circunstâncias experimentais, as duas descrições fazem previsões idênticas.
• Na ciência da física quântica, onde os operadores quânticos agem sobre funções de onda quânticas, você pode descrever partículas com uma função de onda que evolui e com operadores quânticos imutáveis, ou pode manter as partículas imutáveis ​​e simplesmente fazer com que os operadores quânticos evoluam.
• Ou, como costuma acontecer na relatividade de Einstein, você pode imaginar que dois observadores têm relógios: um no solo e outro em um trem em movimento. Você pode descrever isso igualmente bem por dois cenários diferentes: ter o solo “em repouso” e observar o trem experimentar os efeitos da dilatação do tempo e da contração do comprimento enquanto está em movimento, ou ter o trem “em repouso” e observar o observador no solo experimentam dilatação do tempo e contração do comprimento.

Como a própria palavra “relativo” implica, esses cenários, se derem previsões idênticas entre si, então qualquer um deles é tão válido quanto o outro.

Um aspecto revolucionário do movimento relativístico, apresentado por Einstein, mas desenvolvido anteriormente por Lorentz, Fitzgerald e outros, é que objetos que se movem rapidamente parecem se contrair no espaço e dilatar no tempo. Quanto mais rápido você se move em relação a alguém em repouso, mais seus comprimentos parecem ser contraídos, enquanto mais o tempo parece se dilatar para o mundo exterior. Para um observador no solo, o trem se contrai e o tempo dentro dele se dilata; para um observador no trem, o mundo exterior experimenta contração de comprimento e dilatação de tempo.

O último cenário, na relatividade, nos sugere que podemos estar interessados ​​em realizar o que os matemáticos chamam de transformação de coordenadas. Você provavelmente está acostumado a pensar em coordenadas da mesma forma que René Descartes fazia cerca de 400 anos atrás: como uma grade, onde todas as direções/dimensões são perpendiculares umas às outras e têm as mesmas escalas de comprimento aplicadas igualmente a todos os eixos. Você provavelmente até aprendeu sobre essas coordenadas na aula de matemática na escola: coordenadas cartesianas.

Mas as coordenadas cartesianas não são as únicas úteis. Se você está lidando com algo que tem o que chamamos de simetria axial (simetria sobre um eixo), você pode preferir coordenadas cilíndricas. Se você está lidando com algo que é o mesmo em todas as direções ao redor de um centro, pode fazer mais sentido usar coordenadas esféricas. E se você está lidando não apenas com o espaço, mas com o espaço-tempo — onde a dimensão “tempo” se comporta de maneira fundamentalmente diferente das dimensões “espaço” — você terá um tempo muito melhor se usar coordenadas hiperbólicas para relacionar espaço e tempo entre si.

O que há de bom nas coordenadas é o seguinte: elas são apenas uma escolha. Contanto que você não mude a física subjacente por trás de um sistema, você está absolutamente livre para trabalhar em qualquer sistema de coordenadas que preferir para descrever o que quer que esteja considerando dentro do Universo.

Depois de cruzar o limiar para formar um buraco negro, tudo dentro do horizonte de eventos se reduz a uma singularidade que é, no máximo, unidimensional. Nenhuma estrutura 3D pode sobreviver intacta. No entanto, uma transformação de coordenadas interessante mostra que cada ponto no interior desse buraco negro mapeia 1 para 1 com um ponto do lado de fora, levantando a possibilidade matematicamente interessante de que o interior de cada buraco negro dê origem a um universo bebê dentro de isto.

Existe uma maneira óbvia de tentar aplicar isso ao Universo em expansão. Convencionalmente, observamos o fato de que as distâncias em sistemas vinculados, como núcleos atômicos, átomos, moléculas, planetas ou mesmo sistemas estelares e galáxias, não mudam com o tempo; podemos usá-los como uma “régua” para medir distâncias igualmente bem a qualquer momento. Quando aplicamos isso ao Universo como um todo, porque vemos galáxias distantes (não ligadas) se afastando umas das outras, concluímos que o Universo está se expandindo e trabalhamos para mapear como a taxa de expansão mudou ao longo do tempo.

Então, por que não fazer o óbvio e inverter essas coordenadas: manter fixas as distâncias entre as galáxias (não vinculadas) no Universo e simplesmente fazer com que nossas “réguas” e todas as outras estruturas vinculadas diminuam com o tempo?

Pode parecer uma escolha frívola de se fazer, mas muitas vezes, na ciência, apenas mudando a forma como olhamos para um problema, podemos descobrir algumas características sobre ele que eram obscuras na velha perspectiva, mas se tornam claras na nova. Isso nos faz pensar - e é isso que Lombriser explorou em seu novo artigo - exatamente o que concluiríamos sobre alguns dos maiores quebra-cabeças de todos se adotássemos essa perspectiva alternativa?

Este trecho de uma simulação de formação de estrutura de resolução média, com a expansão do Universo ampliada, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Observe que os filamentos e aglomerados ricos, que se formam na interseção dos filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel secundário. Quanto maior for a sua simulação, no entanto, mais essa estrutura de menor escala é intrinsecamente subestimada e 'suavizada'.

Portanto, em vez da maneira padrão de ver a cosmologia, você pode formular seu Universo como estático e não expansivo, à custa de ter:

• massas,
• comprimentos,
• e prazos,

tudo muda e evolui. Como o objetivo é manter a estrutura do Universo constante, você não pode ter um espaço curvo em expansão que tenha imperfeições de densidade crescentes dentro dele e, portanto, esses efeitos evolutivos precisam ser codificados em outro lugar. Escalas de massa teriam que evoluir através do espaço-tempo, assim como escalas de distância e escalas de tempo. Eles teriam que coevoluir todos juntos precisamente de tal maneira que, quando você os coloca juntos para descrever o Universo, eles se somam ao “reverso” de nossa interpretação padrão.

Alternativamente, você pode manter tanto a estrutura do Universo constante quanto as escalas de massa, escalas de comprimento e escalas de tempo, mas à custa de ter as constantes fundamentais dentro do seu Universo coevoluindo juntas de tal forma que toda a dinâmica do Universo seja codificado neles.

Você pode tentar argumentar contra qualquer uma dessas formulações, pois nossa perspectiva convencional faz mais sentido intuitivamente. Mas, como mencionamos anteriormente, se a matemática for idêntica e não houver diferenças observáveis ​​entre as previsões feitas por qualquer uma das perspectivas, todas elas terão a mesma validade quando tentarmos aplicá-las ao Universo.

Uma variedade de níveis de energia e regras de seleção para transições de elétrons em um átomo de ferro. Há apenas um conjunto específico de comprimentos de onda que podem ser emitidos ou absorvidos por qualquer átomo, molécula ou rede cristalina. Embora cada átomo tenha um espectro único de energias, todos os átomos compartilham certas propriedades quânticas.

Quer explicar o redshift cósmico? Você pode nesta nova imagem, mas de uma maneira diferente. Na imagem padrão:

• um átomo passa por uma transição atômica,
• emite um fóton de um determinado comprimento de onda,
• que o fóton viaja através do Universo em expansão, o que faz com que ele se desloque para o vermelho enquanto viaja,
• e então, quando o observador o recebe, ele agora tem um comprimento de onda maior do que a mesma transição atômica no laboratório do observador.

Mas a única observação que podemos fazer ocorre no laboratório: onde podemos medir o comprimento de onda observado do fóton recebido e compará-lo com o comprimento de onda de um fóton de laboratório.

Também pode estar ocorrendo porque a massa do elétron está evoluindo, ou porque constante de Planck (ℏ) está evoluindo, ou porque o (sem dimensão) constante de estrutura fina (ou alguma outra combinação de constantes) está evoluindo. O que medimos como redshift pode ser devido a uma variedade de fatores diferentes, todos indistinguíveis uns dos outros quando você mede o redshift daquele fóton distante. Vale a pena notar que esta reformulação, se estendida corretamente, também daria o mesmo tipo de redshift para ondas gravitacionais.

À medida que um balão infla, quaisquer moedas coladas à sua superfície parecerão afastar-se umas das outras, com moedas 'mais distantes' recuando mais rapidamente do que as menos distantes. Qualquer luz mudará para o vermelho, pois seu comprimento de onda 'estica' para valores mais longos à medida que o tecido do balão se expande. Por melhor que seja essa analogia, no entanto, ela tem algumas limitações fundamentais severas, e outras explicações podem produzir esse mesmo fenômeno de desvio para o vermelho.

Da mesma forma, poderíamos reformular como a estrutura cresce no Universo. Normalmente, na imagem padrão, começamos com uma região ligeiramente superdensa do espaço: onde a densidade nesta região está ligeiramente acima da média cósmica. Então, com o tempo:

• esta perturbação gravitacional atrai preferencialmente mais matéria para si do que as regiões circundantes,
• fazendo com que o espaço nessa região se expanda mais lentamente do que a média cósmica,
• e à medida que a densidade cresce, ela eventualmente cruza um limite crítico, desencadeando condições onde é gravitacionalmente ligada,
• e então começa a se contrair gravitacionalmente, onde se transforma em um pedaço de estrutura cósmica como um aglomerado de estrelas, galáxia ou coleção ainda maior de galáxias.

No entanto, em vez de seguir a evolução de uma superdensidade cósmica ou do campo de densidade em algum sentido, você pode substituir isso por uma combinação de escalas de massa, escalas de distância e escalas de tempo evoluindo. (Da mesma forma, a constante de Planck, a velocidade da luz e a constante gravitacional poderiam evoluir, alternativamente.) O que vemos como uma “estrutura cósmica em crescimento” pode ser resultado não do crescimento cósmico, mas desses parâmetros mudando fundamentalmente ao longo do tempo , deixando os observáveis ​​(como estruturas e seus tamanhos observados) inalterados.

Regiões nascidas com uma superdensidade típica ou “normal” crescerão para ter estruturas ricas nelas, enquanto regiões subdensas “vazias” terão menos estrutura. No entanto, a estrutura inicial de pequena escala é dominada pelas regiões com picos mais altos em densidade (rotulada como “pico raro” aqui), que crescem mais rapidamente e são visíveis apenas em detalhes nas simulações de resolução mais alta.

Se você adotar essa abordagem, por mais intragável que pareça, poderá tentar reinterpretar algumas das propriedades atualmente inexplicáveis ​​que nosso Universo parece possuir. Por exemplo, existe o problema da “constante cosmológica”, onde por algum motivo, o Universo se comporta como se estivesse preenchido por um campo de densidade de energia constante inerente ao espaço: uma densidade de energia que não se dilui ou muda de valor conforme o Universo expande. Isso não era importante há muito tempo, mas parece ser importante agora apenas porque a densidade da matéria se diluiu abaixo de um certo limite crítico. Não sabemos por que o espaço deveria ter essa densidade de energia diferente de zero ou por que deveria assumir o valor consistente com nossa energia escura observada. Na imagem padrão, é apenas um mistério inexplicável.

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No entanto, nesta abordagem reformulada, há uma relação entre o valor da constante cosmológica e — se você tiver escalas de massa e escalas de distância mudando de acordo com a nova formulação — o inverso do comprimento de Planck ao quadrado. Claro, o comprimento de Planck muda à medida que o Universo evolui nesta nova formulação, mas evolui enviesado para o observador: o valor que observamos agora tem o valor que tem agora simplesmente porque é agora. Se tempos, massas e comprimentos evoluírem juntos, isso elimina o que chamamos de “problema de coincidência” na cosmologia. Qualquer observador observará que sua constante cosmológica efetiva é importante “agora” porque seu “agora” continua evoluindo com o tempo cósmico.

Uma ilustração de como as densidades de radiação (vermelho), neutrino (tracejado), matéria (azul) e energia escura (pontilhada) mudam com o tempo. Em um novo modelo proposto há alguns anos, a energia escura seria substituída pela curva preta sólida, até agora indistinguível, observacionalmente, da energia escura que presumimos. A partir de 2023 em um Universo em expansão, a energia escura pode se desviar de uma “constante” em cerca de ~7% na equação de estado; mais é muito restrito pelos dados.

Eles podem reinterpretar a matéria escura como um efeito geométrico de massas de partículas aumentando de forma convergente nos primeiros tempos. Eles podem reinterpretar alternadamente a energia escura como um efeito geométrico à medida que as massas das partículas, em tempos tardios, aumentam de forma divergente. E, curiosamente, pode haver ligações entre uma maneira diferente de reinterpretar a matéria escura – onde a expansão cósmica é reformulada como um campo escalar que acaba se comportando como um candidato conhecido à matéria escura, o axion — e os acoplamentos entre o campo que causa a expansão e a matéria em nosso Universo introduzem violação de CP: um dos principais ingredientes necessários para gerar uma assimetria matéria-antimatéria em nosso Universo.

Pensar sobre o problema dessa maneira leva a várias consequências potenciais interessantes e, nessa fase inicial de “caixa de areia”, não devemos desencorajar ninguém de fazer exatamente esse tipo de exploração matemática. Pensamentos como esse podem um dia fazer parte de qualquer fundamento teórico que nos leve além da imagem padrão atual e bem estabelecida da cosmologia.

No entanto, há uma razão pela qual a maioria dos cosmólogos modernos que lidam com o Universo físico que habitamos não se preocupam com essas considerações, que são interessantes do ponto de vista da Relatividade Geral pura: o laboratório também existe, e embora essas reformulações sejam boas em uma escala cósmica escala, eles conflitam totalmente com o que observamos aqui na Terra.

Quando um átomo de hidrogênio se forma, ele tem probabilidade igual de ter os spins do elétron e do próton alinhados e anti-alinhados. Se eles estiverem anti-alinhados, nenhuma outra transição ocorrerá, mas se eles estiverem alinhados, eles podem fazer um túnel quântico para esse estado de energia mais baixo, emitindo um fóton de um comprimento de onda muito específico em escalas de tempo muito específicas e bastante longas. A precisão dessa transição foi medida em mais de 1 parte em um trilhão e não variou ao longo das muitas décadas em que é conhecida, restringindo possíveis variações na constante de Planck, na velocidade da luz, na massa do elétron, ou sua combinação.

Considere, por exemplo, a noção de que:

• as propriedades fundamentais das partículas, como massas, cargas, comprimentos ou durações estão mudando,
• ou constantes fundamentais, como a velocidade da luz, a constante de Planck ou a constante gravitacional estão mudando.

Nosso Universo, observavelmente, tem apenas 13,8 bilhões de anos. Temos feito medições de alta precisão de sistemas quânticos no laboratório há várias décadas, com as medições de melhor precisão revelando propriedades da matéria para dentro de cerca de 1,3 partes em dez trilhões . Se as propriedades das partículas ou as constantes fundamentais estivessem mudando, então nossas medições de laboratório também estariam mudando: de acordo com essas reformulações, ao longo de uma escala de tempo de aproximadamente 14 anos (desde 2009 ou mais), teríamos notado variações nas propriedades observadas de esses quanta bem medidos que são milhares de vezes maiores do que nossas restrições mais rígidas: de cerca de 1 parte por bilhão.

• O momento magnético do elétron, por exemplo, foi medido com altíssima precisão em 2007 e em 2022, e mostrou menos de uma variação de 1 parte em um trilhão (os limites da precisão da medição anterior) entre eles, mostrando que o constante de estrutura fina não mudou.
• O transição spin-flip do hidrogênio , que resulta em uma linha de emissão de um comprimento de onda preciso de 21,10611405416 centímetros, tem uma incerteza de apenas 1,4 partes por trilhão e não mudou desde que foi observado pela primeira vez em 1951. (Embora tenhamos medido melhor ao longo do tempo .) Isso mostra que a constante de Planck não mudou.
• E a experimento de Eötvös , que mede a equivalência de massa inercial (que não é afetada pela constante gravitacional) e massa gravitacional (que é) mostrou que esses dois “tipos” de massa são equivalentes a uma notável 1 parte por quatrilhão a partir de 2017.

O princípio da equivalência sustenta que não deve haver diferença entre uma aceleração gravitacional e uma aceleração devido a qualquer outra força no Universo. Como um depende da constante gravitacional e o outro não, testar o princípio da equivalência, feito com mais precisão pelo satélite MICROSCOPE para 1 parte em 10 ^ 15, é uma maneira de restringir as variações de tempo na constante gravitacional.

Esta é uma característica notável sobre o nosso Universo sob a forma padrão de ver as coisas: as mesmas leis da física que se aplicam aqui na Terra se aplicam a todos os outros lugares do Universo, em todos os locais e momentos ao longo de nossa história cósmica. Uma perspectiva aplicada ao Universo que falha aqui na Terra é muito menos interessante do que uma que se aplica com sucesso a toda a gama de sistemas fisicamente interessantes. Se o Universo em expansão convencional também concorda com a física na Terra e uma alternativa a ela descreve bem o Universo maior, mas falha aqui na Terra, não podemos dizer que o Universo em expansão é uma miragem. Afinal, a física aqui na Terra é a âncora mais real, bem medida e bem testada que temos para determinar o que é realmente real.

Isso não quer dizer que os periódicos que publicam esse tipo de pesquisa especulativa - Gravidade Clássica e Quântica , o Journal of High-Energy Physics , ou o Jornal de Cosmologia e Física de Astropartículas , para citar alguns - não são respeitáveis ​​e de alta qualidade; eles são. Eles são apenas periódicos de nicho: muito mais interessados ​​nesses tipos de explorações em estágio inicial do que em um confronto com nossa realidade experimental e observacional. Por favor, continue jogando na caixa de areia e explorando alternativas para as imagens cosmológicas padrão (e física de partículas) da realidade. Mas não finja que jogar fora toda a realidade é uma opção viável. A única “miragem” aqui é a noção de que nossa realidade medida e observada é de alguma forma sem importância quando se trata de entender nosso Universo.

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