• Começa Com Um Estrondo

É por isso que o maior erro de Einstein realmente foi um erro tremendo

O Universo não apenas se expande uniformemente, mas tem pequenas imperfeições de densidade dentro dele, que nos permitem formar estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias com o passar do tempo. Adicionar heterogeneidades de densidade em cima de um fundo homogêneo é o ponto de partida para entender como o Universo se parece hoje. (E.M. HUFF, A EQUIPE DO SDSS-III E A EQUIPE DO TELESCÓPIO DO PÓLO SUL; GRÁFICO DE ZOSIA ROSTOMIAN)

Há mais de 100 anos, surgiu a Relatividade Geral e Einstein deu ao Universo uma constante cosmológica. Veja por que isso foi um erro.

No século 17, Isaac Newton apresentou a primeira teoria abrangente da gravidade que funcionou: a lei da gravitação universal. Todos os objetos com massa atraem todos os outros com uma força instantânea determinada pelas distâncias entre todos os pares de objetos (ou partículas). Mas quando descobrimos a Relatividade Especial, e o fato de que diferentes observadores discordariam sobre quais eram esses valores de distância , sabíamos que não poderia ser a história completa.

Quando Einstein apresentou a Relatividade Geral em 1915, ela realmente anunciou uma revolução na física. As massas não apenas gravitavam; todas as formas de energia o fizeram. Espaço e tempo não eram fixos e absolutos, mas ligados como espaço-tempo, com propriedades relativas a cada observador. E o espaço-tempo se curva e evolui com base em toda a matéria e energia presentes nele. Só que, quando Einstein aplicou pela primeira vez a todo o Universo, surgiu um grande problema. É aí que a história começa.

Os altos e finos pináculos de rocha com rochas maiores equilibradas de forma instável no topo são conhecidos como 'hoodoos' e podem ser vistos aqui nesta fotografia de vários deles em Bryce Canyon, EUA. Se a rocha empoleirada no topo se mover ou for inclinada de modo que seu centro de massa não esteja mais sobre um local estável no pináculo, ela experimentará um torque líquido e cairá. (GETTY)

A gravidade é uma força descontrolada, e isso é verdade tanto na concepção de gravitação de Newton quanto na de Einstein. Se você pegasse alguma matéria (com massa) e a distribuísse perfeitamente igualmente pelo espaço, descobriria que criou um sistema em equilíbrio instável, como uma rocha precariamente equilibrada no topo de uma agulha fina. Enquanto as condições permanecerem perfeitas, a matéria permanecerá uniforme e a rocha permanecerá equilibrada.

Mas dê a essa rocha o menor empurrão - ou mova apenas uma massa no Universo uniforme a menor distância quântica fora do lugar - e você sairá do equilíbrio. Assim que o centro de massa não estiver mais acima do pináculo, ele começará a experimentar um torque líquido, e esse torque fará com que a rocha caia em pouco tempo. A mesma coisa é verdade para um Universo imperfeito, pois a menor perturbação levará a um crescimento gravitacional descontrolado em qualquer pequeno volume local de espaço que atinja a maior densidade, acima e acima da média.

Uma região do espaço desprovida de matéria em nossa galáxia revela o Universo além, onde cada ponto é uma galáxia distante. A estrutura aglomerado/vazio pode ser vista muito claramente, demonstrando que nosso Universo não é de densidade exatamente uniforme em todas as escalas. Se vivêssemos em uma região extremamente subdensa/vazia, talvez não tivéssemos descoberto uma única galáxia além da nossa até que nossas ferramentas astronômicas avançassem para padrões quase modernos. (ESA/HERSCHEL/SPIRE/HERMES)

Esse problema ocorre porque a gravitação é sempre atraente. A própria natureza dessa força é tal que uma região mais densa do espaço terá mais massa dentro de seu volume (Newton) ou fará com que a curvatura do espaço seja maior em um evento particular no espaço-tempo (Einstein), que atrairá preferencialmente a matéria. nas regiões vizinhas para ele, em comparação com todas as outras regiões circundantes.

Uma vez que esse crescimento comece, ele nunca vai parar. Permita que um pouco de tempo passe e você descobrirá que essa região inicialmente superdensa cresceu para uma densidade ainda maior e agora atrai preferencialmente matéria/energia para ela de forma ainda mais eficaz. De fato, qualquer estudante de pós-graduação que faça um curso de Relatividade Geral pode aprender a demonstrar que qualquer distribuição inicial estática de matéria em repouso entrará em colapso sob sua própria gravidade, levando inevitavelmente a um buraco negro.

Em um universo que não está se expandindo, você pode preenchê-lo com matéria estacionária em qualquer configuração que desejar, mas sempre se transformará em um buraco negro. Tal Universo é instável no contexto da gravidade de Einstein e deve estar se expandindo para ser estável, ou devemos aceitar seu destino inevitável. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Esta é uma característica da gravidade, não um bug. Mas para Einstein, isso representava um enorme enigma. Na época em que ele apresentou a Relatividade Geral, havia muitos fatos sobre o Universo que hoje damos como certos que não eram conhecidos por Einstein. Esses fatos incluem:

• o conhecimento de que as fracas nebulosas espirais e elípticas vistas pelos astrônomos eram na verdade galáxias em si mesmas,
• o conhecimento de que a Via Láctea não era toda a extensão do Universo,
• o conhecimento de que nosso Universo (observável) se estende por bilhões de anos-luz, não apenas milhares,
• e o conhecimento de que nossa galáxia é um disco enorme, fino e giratório que consiste em gás, poeira e centenas de bilhões de estrelas, todos embutidos em um enorme halo de matéria escura.

Em vez disso, a visão de Einstein do Universo era muito mais simples: uma distribuição quase perfeitamente uniforme da matéria, em grande parte na forma de estrelas, que permaneceu a mesma ao longo do tempo.

Uma ilustração do que você esperaria ver, em qualquer direção que você olhasse, se as estrelas (ou fontes de luz) do Universo tivessem uma distribuição perfeitamente uniforme. Mesmo se esse fosse o caso, a menor imperfeição levaria a um colapso gravitacional descontrolado. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO HTKYM)

Você está vendo o problema? Se a teoria da gravidade de Einstein, a Relatividade Geral, estivesse correta, um Universo estático e uniforme seria instável. Por outro lado, se a concepção de Einstein do Universo como estático e uniforme estivesse correta, ele não deveria ser descrito pela Relatividade Geral como Einstein estabeleceu.

Em outras palavras, o Universo não pode ser ao mesmo tempo estático e uniforme e também descrito pela relação de Einstein entre a matéria/energia presente no Universo e as propriedades/curvatura do espaço-tempo. Deve haver algo mais em jogo.

A solução inicial de Einstein – aquela que ele mais tarde chamaria de seu maior erro – foi de fato acrescentar algo mais: uma constante cosmológica.

A equação de cima representa as equações de Einstein da Relatividade Geral, com a matéria e a energia do Universo de um lado e a curvatura do espaço do outro, com sua relação definida pelo sinal de igualdade. A modificação de Einstein para a Relatividade Geral, abaixo, foi adicionar uma constante cosmológica à curvatura do lado do espaço como uma correção ad hoc para esse quebra-cabeça. (2014 UNIVERSIDADE DE TÓQUIO; KAVLI IPMU)

A gravidade é sempre uma força atrativa, e é uma força que se torna mais forte quanto menor for o intervalo de espaço-tempo que separa quaisquer dois objetos. O que suas equações permitem, porém, é a adição de uma constante cosmológica. Uma constante se comporta como se fosse um campo com uma densidade de energia uniforme e positiva, mas também uma forte pressão negativa que altera o comportamento do Universo.

Em particular, por si só, um Universo dominado por uma constante cosmológica veria a distância entre quaisquer dois pontos selecionados aumentar ao longo do tempo de uma forma particular (exponencial). Einstein escolheu colocar esses dois efeitos um contra o outro:

• a gravitação funciona para atrair massas umas para as outras,
• mas a constante cosmológica funciona para separar dois pontos quaisquer.

Ao ajustar a constante cosmológica ao valor correto, ele poderia combater a atração gravitacional equilibrando seus efeitos com essa constante.

A evolução da estrutura em grande escala no Universo, de um estado inicial uniforme ao Universo agrupado que conhecemos hoje. (A expansão que conhecemos está escalonada.) À medida que nos movemos dos primeiros tempos (esquerda) para os últimos tempos (direita), você pode ver como o colapso gravitacional molda o Universo. (ANGULO ET AL. (2008); DURHAM UNIVERSITY)

Claro, isso não é satisfatório, porque também é uma solução instável. Mova uma massa um pouco perto demais de outra e a gravitação supera a constante cosmológica, levando a um crescimento gravitacional descontrolado. Afaste uma massa um pouco demais e a constante cosmológica será muito forte e acelerará essa massa interminavelmente. Todos olhando para as equações – provavelmente incluindo Einstein também – reconheceram que essa não poderia ser a resposta real.

Mas descobrir qual poderia ser a resposta certa exigiria alguns desenvolvimentos teóricos primeiro. Embora seja fácil encontrar soluções exatas para como as massas se movem na teoria de Newton (basta combinar sua lei da gravitação com suas leis do movimento), ainda hoje existem menos de 20 soluções exatas únicas na Relatividade Geral. O que melhor modela nosso Universo, no entanto, seria aquele em que o Universo fosse preenchido uniformemente, nas maiores escalas, com qualquer forma generalizada de energia que você pudesse inventar.

Uma foto minha na hiperparede da American Astronomical Society em 2017, junto com a primeira equação de Friedmann à direita. A primeira equação de Friedmann detalha a taxa de expansão do Hubble ao quadrado no lado esquerdo, que governa a evolução do espaço-tempo. O lado direito inclui todas as diferentes formas de matéria e energia, juntamente com a curvatura espacial, que determina como o Universo evolui no futuro. Esta tem sido chamada de equação mais importante em toda a cosmologia, e foi derivada por Friedmann essencialmente em sua forma moderna em 1922. (PERIMETER INSTITUTE / HARLEY THRONSON)

No entanto, não foi Einstein quem o resolveu. Em 1922, Alexander Friedmann foi o primeiro, e as equações que governam como um Universo que foi preenchido uniformemente nas maiores escalas - ou seja, um Universo que é tanto isotrópico (o mesmo em todas as direções) quanto homogêneo (o mesmo em todos os lugares) - nos permitem conectar a evolução do Universo com seu conteúdo energético. Em outras partes do mundo, essa mesma solução foi obtida por Georges Lemaître, Howard Robertson e Art Walker.

Uma das coisas mais loucas sobre a solução é que ela mostra explicitamente que o tecido do espaço-tempo de um Universo preenchido com a mesma quantidade de coisas em todos os lugares não pode permanecer estático, mesmo se você incluir uma constante cosmológica. Em vez disso, deve expandir ou contrair; não há outra opção disponível. Se o seu Universo está uniformemente preenchido com matéria e energia, você precisa apenas observar as galáxias distantes. Se a luz deles for desviada para energias mais altas (com comprimentos de onda mais azuis), quanto mais distantes estiverem, está se contraindo; se for deslocado para energias mais baixas (comprimentos de onda mais vermelhos), está se expandindo.

Observados pela primeira vez por Vesto Slipher em 1917, alguns dos objetos que observamos mostram as assinaturas espectrais de absorção ou emissão de átomos, íons ou moléculas particulares, mas com um deslocamento sistemático para o extremo vermelho ou azul do espectro de luz. Quando combinados com as medições de distância do Hubble, esses dados deram origem à ideia inicial do Universo em expansão: quanto mais distante uma galáxia estiver, maior será o desvio para o vermelho da luz. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

Usando principalmente os dados de desvio para o vermelho de Vesto Slipher e as inferências de distância extraídas dos dados ópticos obtidos por Edwin Hubble e Milton Humason, poderíamos imediatamente começar a dizer que as galáxias desviam para o vermelho mais significativamente quanto mais distantes estiverem. O Universo está se expandindo.

Se está se expandindo, então não é estático e, portanto, não há necessidade de inventar uma constante cosmológica para impedir que o Universo entre em colapso em um buraco negro. Einstein fez uma suposição incorreta sobre o comportamento do Universo, desenvolveu uma correção ad hoc para ele na forma de uma constante cosmológica e depois demonstrou que sua suposição original era falha.

Quando ele chamou a constante cosmológica de seu maior erro, foi realmente um erro; se ele tivesse ouvido o que as equações lhe diziam, ele poderia ter previsto o Universo em expansão!

Em vez de adicionar uma constante cosmológica, a energia escura moderna é tratada como apenas mais um componente de energia no Universo em expansão. Essa forma generalizada das equações mostra claramente que um Universo estático está fora e ajuda a visualizar a diferença entre adicionar uma constante cosmológica e incluir uma forma generalizada de energia escura. (2014 UNIVERSIDADE DE TÓQUIO; KAVLI IPMU)

Hoje, como todos os dias, há mais de 20 anos, o consenso científico é de que realmente existe um efeito que se comporta como uma constante cosmológica no Universo: a expansão acelerada do Universo. Só que hoje não exigimos que seja uma constante cosmológica; nós a tratamos apenas como outra forma generalizada de energia com suas próprias propriedades únicas que devem ser determinadas observacionalmente: energia escura.

A expansão acelerada que vemos hoje indica que o comportamento da energia escura é indistinguível do comportamento de uma constante cosmológica, o que é extremamente interessante. Não é exagero dizer que entender e explicar a energia escura é um dos maiores desafios que a ciência do século XXI enfrenta.

Uma ilustração da nossa história cósmica, desde o Big Bang até ao presente, no contexto do Universo em expansão. A forma de “chifre” no final representa a taxa de expansão acelerada devido à energia escura, que afeta a expansão do Universo de maneira geral; não admite um Universo estático. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Mas não há história de recontagem; Afinal, Einstein não estava certo. Embora nosso Universo possa realmente ter uma constante cosmológica diferente de zero, ela não está lá para estabilizar nosso Universo. Em vez disso, nosso Universo não é estável; está se expandindo de um estado inicialmente quente, denso e uniforme para o cosmos frio, esparso e rico em galáxias que vemos hoje.

Einstein perdeu tudo isso porque insistiu em um Universo estático e inventou a constante cosmológica para atingir esse objetivo. Tire isso e você terá um Universo muito parecido com o que temos hoje. A constante cosmológica que afeta nosso Universo serve para quebrar o equilíbrio entre a expansão e as outras formas de matéria-energia; faz com que galáxias distantes se afastem de nós, afastando o Universo. Se Einstein tivesse previsto isso, teria sido incompreensível. Em vez disso, ele forçou as equações a se encaixarem em suas suposições (incorretas) e perdeu o Universo em expansão.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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