• Começa Com Um Estrondo

É por isso que o multiverso deve existir

A ideia do multiverso afirma que há um número arbitrariamente grande de Universos como o nosso por aí, embutidos em nosso Multiverso. É possível, mas não necessário, que existam outros bolsões dentro do Multiverso onde as leis da física sejam diferentes.

Se você aceitar a inflação cósmica e a física quântica, não há saída. O Multiverso é real.

Olhe para o Universo o quanto quiser, com tecnologia arbitrariamente poderosa, e você nunca encontrará uma vantagem. O espaço vai até onde podemos ver, e para onde quer que olhemos vemos as mesmas coisas: matéria e radiação. Em todas as direções, encontramos os mesmos sinais indicadores de um Universo em expansão: a radiação remanescente de um estado quente e denso; galáxias que evoluem em tamanho, massa e número; elementos que mudam a abundância à medida que as estrelas vivem e morrem.

Mas o que está além do nosso Universo observável? Existe um abismo de nada além dos sinais de luz que poderiam nos alcançar desde o Big Bang? Existe apenas mais Universo como o nosso, além de nossos limites de observação? Ou existe um Multiverso, de natureza misteriosa e eternamente incapaz de ser visto?

A menos que haja algo seriamente errado com nossa compreensão do Universo, o Multiverso deve ser a resposta. Aqui está o porquê.

Concepção artística em escala logarítmica do universo observável. Observe que estamos limitados em quão longe podemos ver pela quantidade de tempo que ocorreu desde o Big Bang quente: 13,8 bilhões de anos, ou (incluindo a expansão do Universo) 46 bilhões de anos-luz. Qualquer um que viva em nosso Universo, em qualquer local, veria quase exatamente a mesma coisa de seu ponto de vista. (USUÁRIO DA WIKIPEDIA PABLO CARLOS BUDASSI)

O Multiverso é uma ideia extremamente controversa, mas em sua essência é um conceito muito simples. Assim como a Terra não ocupa uma posição especial no Universo, nem o Sol, a Via Láctea ou qualquer outro local, o Multiverso vai um passo além e afirma que não há nada de especial em todo o Universo visível.

O Multiverso é a ideia de que nosso Universo, e tudo o que está contido nele, é apenas uma pequena parte de uma estrutura maior. Essa entidade maior encapsula nosso Universo observável como uma pequena parte de um Universo maior que se estende além dos limites de nossas observações. Toda essa estrutura - o Universo não observável - pode ser parte de um espaço-tempo maior que inclui muitos outros Universos desconectados, que podem ou não ser semelhantes ao Universo que habitamos.

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. (OZITIVO / DOMÍNIO PÚBLICO)

Se esta é a ideia do Multiverso, posso entender seu ceticismo com a noção de que poderíamos de alguma forma saber se ele existe ou não. Afinal, a física e a astronomia são ciências que dependem de confirmação mensurável, experimental ou observacional. Se estamos procurando evidências de algo que existe fora do nosso Universo visível e não deixa vestígios dentro dele, parece que a ideia de um Multiverso é fundamentalmente não testável.

Mas há todo tipo de coisas que não podemos observar que sabemos que devem ser verdadeiras. Décadas antes de detectarmos diretamente as ondas gravitacionais, sabíamos que elas deveriam existir, porque observamos seus efeitos. Pulsares binários – estrelas de nêutrons girando em torno de si – foram observados tendo seus períodos revolucionários encurtados. Alguma coisa devia estar levando energia, e essa coisa era consistente com as previsões das ondas gravitacionais.

A taxa de decaimento orbital de um pulsar binário é altamente dependente da velocidade da gravidade e dos parâmetros orbitais do sistema binário. Usamos dados binários de pulsar para restringir a velocidade da gravidade a ser igual à velocidade da luz com uma precisão de 99,8% e inferir a existência de ondas gravitacionais décadas antes que o LIGO e o Virgo as detectassem. (NASA (L), INSTITUTO MAX PLANCK DE RÁDIO ASTRONOMIA / MICHAEL KRAMER (R))

Embora certamente tenhamos recebido a confirmação de que o LIGO e o Virgo forneceram ondas gravitacionais por meio de detecção direta, já sabíamos que eles precisavam existir por causa dessa evidência indireta. Aqueles que argumentam que a evidência indireta não é um indicador de ondas gravitacionais podem ainda não estar convencidos de que os pulsares binários as emitem; LIGO e Virgo não viram as ondas gravitacionais que vieram dos pulsares binários que observamos.

Então, se não podemos observar o Multiverso diretamente, que evidência indireta temos de sua existência? Como sabemos que há mais Universo inobservável além da parte que podemos observar, e como sabemos que o que chamamos de nosso Universo é provavelmente apenas um dos muitos embutidos no Multiverso?

Nós olhamos para o próprio Universo e tiramos conclusões sobre sua natureza com base no que as observações sobre ele revelam.

A luz do fundo cósmico de micro-ondas e o padrão de flutuações dele nos dão uma maneira de medir a curvatura do Universo. Para o melhor de nossas medições, dentro de 1 parte em cerca de 400, o Universo é perfeitamente plano espacialmente. (GRUPO DE COSMOLOGIA SMOOT / LAWRENCE BERKELEY LABS)

Quando olhamos para a borda do Universo observável, descobrimos que os raios de luz emitidos desde os primeiros tempos – do Fundo de Microondas Cósmicas – criam padrões particulares no céu. Esses padrões não apenas revelam as flutuações de densidade e temperatura com as quais o Universo nasceu, bem como a composição de matéria e energia do Universo, mas também a geometria do próprio espaço.

Podemos concluir disso que o espaço não é positivamente curvo (como uma esfera) ou negativamente curvo (como uma sela), mas sim espacialmente plano, indicando que o Universo não observável provavelmente se estende muito além da parte que podemos acessar. Ela nunca se curva sobre si mesma, nunca se repete e não tem lacunas vazias. Se for curvo, tem um diâmetro centenas de vezes maior do que a parte que podemos ver.

A cada segundo que passa, mais Universo, assim como o nosso, nos é revelado , consistente com esta imagem.

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 matéria do que podemos ver atualmente. (FRÉDÉRIC MICHEL E ANDREW Z. COLVIN, ANOTADO POR E. SIEGEL)

Isso pode indicar que há mais Universo não observável além da parte do nosso Universo que podemos acessar, mas não prova isso e não fornece evidências de um Multiverso. Existem, no entanto, dois conceitos na física que foram estabelecidos muito além de qualquer dúvida razoável: inflação cósmica e física quântica.

A inflação cósmica é a teoria que deu origem ao Big Bang quente. Em vez de começar com uma singularidade, há um limite físico para o quão quente e denso os estágios iniciais e iniciais do nosso Universo em expansão poderiam ter alcançado. Se tivéssemos alcançado temperaturas arbitrariamente altas no passado, haveria assinaturas claras que não existem:

• flutuações de temperatura de grande amplitude no início,
• flutuações de densidade de sementes limitadas pela escala do horizonte cósmico,
• e restos de relíquias de alta energia de tempos antigos, como monopolos magnéticos.

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))

Essas assinaturas estão todas faltando. As flutuações de temperatura estão no nível de 0,003%; as flutuações de densidade excedem a escala do horizonte cósmico; os limites de monopolos e outras relíquias são incrivelmente rigorosos. O fato de essas assinaturas não existirem tem uma enorme implicação para elas: o Universo nunca atingiu essas temperaturas arbitrariamente altas. Algo mais veio antes do Big Bang quente para configurá-lo.

É aí que entra a inflação cósmica. Teorizada no início dos anos 1980, ela foi projetada para resolver vários quebra-cabeças com o Big Bang, mas fez o que você esperaria de qualquer nova teoria física: fez previsões mensuráveis ​​e testáveis ​​para assinaturas observáveis que apareceria dentro do nosso Universo.

Vemos a prevista falta de curvatura espacial; vemos uma natureza adiabática nas flutuações com que o Universo nasceu; detectamos um espectro e magnitude de flutuações iniciais que coincidem com as previsões da inflação; vimos as flutuações do superhorizonte que a inflação prevê que devem surgir.

As flutuações no próprio espaço-tempo na escala quântica se estendem pelo Universo durante a inflação, dando origem a imperfeições na densidade e nas ondas gravitacionais. Se a inflação surgiu de uma eventual singularidade ou não é desconhecido, mas as assinaturas de se ela ocorreu são acessíveis em nosso Universo observável. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)

Podemos não saber tudo sobre a inflação, mas temos um conjunto muito forte de evidências que apoiam um período no início do Universo em que ocorreu. Ele configurou e deu origem ao Big Bang, e prevê um conjunto e espectro de flutuações que deram origem às sementes da estrutura que cresceram na teia cósmica que observamos hoje. Apenas a inflação, até onde sabemos, nos dá previsões para o nosso Universo que correspondem ao que observamos.

Então, grande coisa, você pode dizer. Você pegou uma pequena região do espaço, permitiu que a inflação a expandisse para um volume muito grande, e nosso Universo visível e observável está contido nesse volume. Mesmo que esteja tudo bem, isso apenas nos diz que nosso Universo não observável se estende muito além da parte visível. Você não estabeleceu o Multiverso.

E tudo isso seria correto. Mas lembre-se, há mais um ingrediente que precisamos adicionar: física quântica.

Uma ilustração entre a incerteza inerente entre posição e momento no nível quântico. Há um limite para o quão bem você pode medir essas duas quantidades simultaneamente, e a incerteza aparece em lugares onde as pessoas geralmente menos esperam. (E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO MASCHE)

A inflação é tratada como um campo, como todos os quanta que conhecemos no Universo, obedecendo às regras da teoria quântica de campos. No universo quântico, existem muitas regras contra-intuitivas que são obedecidas, mas a mais relevante para nossos propósitos é a regra que rege a incerteza quântica.

Embora convencionalmente vejamos a incerteza como ocorrendo mutuamente entre duas variáveis ​​- momento e posição, energia e tempo, momento angular de direções mutuamente perpendiculares, etc. - há também uma incerteza inerente no valor de um campo quântico. À medida que o tempo avança, um valor de campo que era definitivo em um momento anterior agora tem um valor menos certo; você só pode atribuir probabilidades a ele.

Em outras palavras, o valor de qualquer campo quântico se espalha ao longo do tempo.

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 para uma infinidade de propriedades além da posição, como o valor do campo. (HANS DE VRIES / FÍSICA QUEST)

Agora, vamos combinar isso: temos um Universo inflando, por um lado, e a física quântica do outro. Podemos imaginar a inflação como uma bola rolando muito lentamente no topo de uma colina plana. Enquanto a bola permanecer no topo da colina, a inflação continua. Quando a bola atinge o final da parte plana, no entanto, ela rola para o vale abaixo, que converte a energia do próprio campo inflacionário em matéria e energia.

Essa conversão significa o fim da inflação cósmica por meio de um processo conhecido como reaquecimento, e dá origem ao Big Bang quente com o qual todos estamos familiarizados. Mas é o seguinte: quando seu Universo infla, o valor do campo muda lentamente. Em diferentes regiões de inflação, o valor do campo se espalha por quantidades diferentes aleatoriamente e em diferentes direções. Em algumas regiões, a inflação acaba rapidamente; em outros, termina mais lentamente.

A natureza quântica da inflação significa que ela termina em alguns bolsões do Universo e continua em outros. Ele precisa rolar pela colina metafórica e entrar no vale, mas se for um campo quântico, a expansão significa que terminará em algumas regiões enquanto continua em outras. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Este é o ponto chave que nos diz por que um Multiverso é inevitável! Onde a inflação termina imediatamente, temos um Big Bang quente e um Universo grande, onde uma pequena parte dele pode ser semelhante ao nosso próprio Universo observável. Mas há outras regiões, fora da região onde termina, onde a inflação continua por mais tempo.

Onde a propagação quântica ocorre da maneira certa, a inflação também pode terminar aí, dando origem a um Big Bang quente e a um Universo ainda maior, onde uma pequena porção pode ser semelhante ao nosso Universo observável.

Mas as outras regiões não estão apenas inflando, elas também estão crescendo. Você pode calcular a taxa na qual as regiões infladas crescem e compará-las com a taxa na qual novos Universos se formam e Big Bangs quentes ocorrem. Em todos os casos em que a inflação fornece previsões que correspondem ao Universo observado, criamos novos Universos e regiões recém-infladas mais rápido do que a inflação pode chegar ao fim.

Onde quer que a inflação ocorra (cubos azuis), ela dá origem a mais regiões do espaço exponencialmente a cada passo adiante no tempo. Mesmo que haja muitos cubos onde a inflação termina (Xs vermelhos), há muito mais regiões onde a inflação continuará no futuro. O fato de que isso nunca chega ao fim é o que torna a inflação “eterna” uma vez que começa, e o que dá origem à nossa noção moderna de Multiverso. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Essa imagem, de universos enormes, muito maiores do que a parte escassa que é observável para nós, constantemente sendo criada neste espaço exponencialmente inflado, é o que o Multiverso é. Não é uma previsão científica nova e testável, mas sim uma consequência teórica inevitável, baseada nas leis da física como são entendidas hoje. Não se sabe se as leis da física são idênticas às nossas nesses outros universos.

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. (KAREN46 / FREEIMAGES)

Se você tem um Universo inflacionário que é governado pela física quântica, um Multiverso é inevitável. Como sempre, estamos coletando o máximo de evidências novas e convincentes que podemos continuamente para entender melhor todo o cosmos. Pode acontecer que a inflação esteja errada, que a física quântica esteja errada ou que aplicar essas regras da maneira que fazemos tenha alguma falha fundamental. Mas até agora, tudo se soma. A menos que tenhamos algo errado, o Multiverso é inevitável, e o Universo que habitamos é apenas uma parte minúscula dele.

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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