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Throwback Thursday: Os Limites Fundamentais do Conhecimento

Crédito da imagem: Bock et al. (2006, astro-ph/0604101), modificações por mim.

Nosso universo observável é finito, assim como a quantidade de informações nele. Aqui está o que talvez nunca saibamos.

Apesar do nome, a teoria do big bang não é realmente uma teoria de um bang. É realmente apenas uma teoria das consequências de um estrondo. – Alan Guth

Então você finalmente entende do que se trata todo o alarido quando se trata das origens do nosso Universo. A história que você ouviu tem um nome: o Big Bang. E a coisa mais importante que o Big Bang nos diz é que o Universo era mais quente, mais denso e se expandia a uma taxa mais rápida no passado.

Crédito da imagem: fonte original desconhecida.

Quanto mais recuamos, quanto mais perto tudo estava, mais alta em temperatura (e mais curta em comprimento de onda) toda a radiação era, e – é claro – o mais jovem o Universo era.

Podemos voltar cada vez mais para um passado distante, para um tempo em que as moléculas orgânicas não existiam, para onde os elementos pesados ​​necessários para formá-las (e planetas rochosos) não existiam, e ainda mais para antes até as primeiras galáxias ou estrelas se formaram. Se formos cedo o suficiente, algo muito especial acontece.

Crédito da imagem: Ned Wright (possivelmente Will Kinney também), via http://ned.ipac.caltech.edu/ .

Em algum momento, estava quente o suficiente para que os átomos neutros não pudessem se formar; assim que um elétron encontrasse um núcleo atômico, um fóton de energia suficientemente alta viria e ionizaria os constituintes do átomo.

Na verdade, você pode voltar ainda mais longe, quando era mais quente e mais denso, e os núcleos atômicos eles mesmos não poderia se formar, criando apenas um mar de prótons e nêutrons, pois qualquer partícula colidindo com um núcleo o quebraria em seus bárions individuais.

Crédito da imagem: Lawrence Berkeley National Laboratory.

Em um estado ainda mais quente e mais denso, prótons e nêutrons se decompõem em quarks e glúons, colisões em energias suficientemente altas permitirão a criação espontânea de quantidades iguais de matéria e antimatéria, e energia, temperatura, densidade e a taxa de expansão aumentarão tremendamente .

Mas não indefinidamente; só podemos voltar uma quantidade finita de tempo no passado, e isso é porque o que consideramos nosso Universo não começou a partir de uma singularidade 13,8 bilhões de anos atrás, mas começou quando o estágio anterior – inflação cósmica - chegou ao fim.

Crédito da imagem: Ned Wright.

A inflação é um período de tempo em que o Universo estava se expandindo exponencialmente. Em vez de ser preenchido com matéria, antimatéria, radiação e um pouquinho de energia inerente ao próprio espaço (a energia escura ), o conteúdo energético do Universo era completamente dominado pela energia inerente ao espaço. O espaço estava se expandindo exponencialmente, as flutuações quânticas que ocorrem, que normalmente ficam localizadas em nosso Universo hoje, são esticado em todo o Universo, e causam as pequenas imperfeições na densidade de energia que permeiam nosso Universo observável.

Crédito da imagem: Ned Wright, via http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmo_04.htm .

Quando a inflação acabou, essa energia - através de um processo chamado reaquecimento — foi transferido do espaço para matéria/antimatéria/radiação, e é aí que o big bang quente vem de! As flutuações deram origem a pequenas irregularidades na densidade de matéria/antimatéria/radiação, e é daí que vem toda a estrutura cósmica do Universo – aglomerados, galáxias, estrelas e nós.

Crédito da imagem: Cosmic Inflation por Don Dixon.

Então, sabendo disso, vamos falar sobre como funciona a inflação.

Crédito das imagens: ESA & the Planck Collaboration (topo), Planck Collaboration: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A Preprint (abaixo).

De acordo com Planck , o satélite que mede as flutuações no fundo cósmico de micro-ondas, os modelos de inflação mais simples e lentos são os mais favorecidos pelos dados. Posso representar a inflação como um tipo muito específico de colina: quando você está no topo da colina, é quando ocorre a inflação; quando você desce a colina para o vale, é quando a inflação termina, ocorre o reaquecimento e ocorre o big bang quente que começa nosso universo conhecido.

Crédito da imagem: eu, criada usando a ferramenta de gráficos do Google.

Esse tipo de gráfico representa o potencial do campo que causa inflação. (O eixo vertical está relacionado à energia, o eixo horizontal é arbitrário).

• Não sabemos se o campo é um verdadeiro campo quântico, caso em que deve haver uma partícula associada a ele: o inflaton , que não descobrimos.
• Acima, modelei a inflação como um campo escalar. Isso não ter ser um campo escalar; pode ser um campo de espinor, vetor ou tensor, mas nós o modelamos como um escalar para simplificar.
• Não há razão para o campo começar na parte plana; em princípio, poderia ter começado em qualquer lugar. Mas para que a inflação funcione, ela precisa começar na parte plana.

De fato, para que a inflação funcione adequadamente, a parte central e plana desse potencial precisa ser muito apartamento.

Crédito da imagem: eu, usando o gráfico do Google novamente.

Uma parábola invertida, mostrada em azul, acima, não é plana o suficiente. A inflação precisa de tempo suficiente para esticar o Universo - estique-o, estique-o para que tenha a mesma temperatura em todos os lugares, estique bem – e só então ele pode rolar morro abaixo, transferir a energia em matéria/antimatéria/radiação e criar o Universo como o conhecemos!

Agora, a evidência em nosso Universo - olhando para a estrutura, mas de forma mais convincente olhando para os dados do Planck - nos diz que ou essa coisa exata (ou algo até então indistinguível dela) realmente aconteceu .

Crédito da imagem: Planck Colaboração: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A preprint; anotações por mim.

A grande questão, que adoraríamos poder responder cientificamente, é Como?

Quão ocorreu a inflação? Uma das coisas entorpecentes sobre a inflação - tanto seu grande poder quanto seu grande mistério - é o fato de que a inflação apaga qualquer informação que existia sobre o Universo antes da inflação . Isso mesmo, exceto pelos últimos 10^(-20)-to-10^(–36) segundos de inflação (dependendo dos parâmetros exatos do modelo que você escolher), temos zero informações em nosso Universo hoje sobre o que aconteceu antes disso.

Se quisermos falar sobre o que aconteceu anteriormente, como nos estágios iniciais da inflação, hipoteticamente o que (se alguma coisa) veio antes de inflação, ou o que (se houver) causado inflação para começar, temos que confiar apenas na teoria neste momento. Existem aqueles que levantar as mãos e chorar que este problema é insuperável ; Eu digo vamos pelo menos dar crédito onde é devido: de duas maneiras nós sabemos pode funcionar!

Crédito das imagens: David Hochberga, Carmen Molina-Parı́sc, Juan Pérez-Mercader e Matt Visser (E); me, usando o gráfico do Google e um pouco de edição (R).

Uma é se o potencial forma alterada como o Universo envelheceu durante a inflação (acima, à esquerda). Existem muitos potenciais que fazem isso em muitos ramos da física, particularmente quando a energia de um sistema cai com o tempo. (Que é o que acontece em um Universo dominado por matéria/radiação e que evolui no tempo!) Mas isso não é um dado adquirido. O que é frequentemente citado como uma possibilidade muito mais provável é considerar que, quando o Universo estava em uma energia mais alta em um momento anterior, diferentes regiões do espaço tinham diferentes valores de potencial, uma vez que eram indistinguíveis. É como se você inundasse o gráfico (acima, à direita) com algum tipo de fluido que o enchesse até a linha grossa pontilhada.

Na maioria das regiões, se o nível de energia (o nível da linha pontilhada) cair, a inflação não ocorrerá ou o tipo errado de inflação ocorrerá. Você não terá inflação se estiver sobre os vales, obterá o tipo errado se estiver perto das bordas altas, mas obterá o tipo certo se estiver perto do centro.

Mas você é probabilidade de obter o tipo certo ? Sim, sim você é. Aqui está o porquê.

Crédito da imagem: eu.

Quando uma região do Universo sofre expansão exponencial, ela cria mais universo em cada região que está se expandindo exponencialmente. Regiões que se expandem qualquer outra maneira ficar inundado. Aqui está um exemplo, se você começar com uma região do espaço-tempo dominada por radiação com uma certa quantidade de energia, o volume de espaço que ela ocupa aumentará ao longo do tempo de acordo com a sequência:

• 1, 2,8, 5,2, 8, 11,2, …

Por outro lado, se essa mesma região é um espaço-tempo dominado pela inflação com exatamente a mesma quantidade de energia, então o volume de espaço que ela ocupa cresce de acordo com esta sequência:

• 1, 8, 64, 512, 4096, …

Você pode ver isso Ambas sequências vão para o infinito, mas uma delas vai para o infinito muito mais rapido do que o outro! Então agora vamos voltar ao nosso potencial.

Atualização do crédito da imagem: Narlikar e Padmanabhan, recuperados de Ned Wright, editados por mim.

Se você está na parte plana do potencial, você rola para baixo devagar , então você passa mais tempo lá, então mesmo que apenas uma pequena fração do seu Universo inicial comece na parte plana, depois de muito, muito menos do que um segundo, agora 99,9+% do Universo que existe depois de a inflação existe onde estava a parte do potencial que rolava lentamente.

Mas isso supondo que a inflação fosse um campo clássico, o que acabei de dizer que provavelmente não é. Provavelmente é um quântico campo. O que torna a história muito mais interessante.

Atualização do crédito da imagem: Narlikar e Padmanabhan, recuperados de Ned Wright, editados por mim.

Porque campos quânticos espalhar hora extra ! Isso significa que algumas das novas regiões que são criadas, devido a esse efeito de espalhamento quântico, na verdade terão seu campo inflaton mais alto na parte plana do que antes; esta é a beleza de ter um rolando lentamente, potencial plano !

Portanto, a inflação não acontece mais provavelmente do que não da maneira que achamos que deveria, a inflação dura uma eternidade , e 99,999999999…% das regiões do Universo onde a inflação acaba vai ficar igual ao nosso !

Crédito da imagem: eu.

Essas coisas têm alguns nomes engraçados: a ideia de que o campo poderia ter começado em qualquer lugar (o diagrama com a linha pontilhada preta sobre o potencial) é conhecida como inflação caótica , enquanto a ideia de que o inflaton é um campo quântico, se espalhando e persistirá por uma eternidade, é conhecida como inflação eterna . Para aqueles interessados ​​na política do Prêmio Nobel, é muito provável que seja por isso que, se um Nobel for concedido pela inflação, ele irá para Alan Guth e Andrei Linde como os dois teóricos; Guth por inventar a ideia, Linde por desenvolvimentos caóticos e eternos da inflação, com talvez (especulativamente?) o P.I. de Planck obter o terceiro slot.

O que aconteceu desde o fim da inflação, aquele entendemos muito bem.

Crédito da imagem: ESA e a colaboração do Planck; edições por mim.

Mas a inflação realmente existiu por uma eternidade no passado? Existia um estado antes da inflação? Uma singularidade? Um vácuo Bunch-Davies de onde veio a inflação? A informação para saber as respostas a essas perguntas provavelmente não existe dentro do nosso Universo .

Por enquanto, isso não é apenas o que sabemos, é tudo o que pensamos que posso conhecer. Tudo o que veio antes da inflação – incluindo todas as informações sobre como (ou se) a inflação começou – é eliminado em nosso Universo pela natureza da própria inflação. A informação em nosso Universo é finita, tanto em quantidade quanto em tempo. O que quer que tenha acontecido antes pode estar perdido para sempre no passado.

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