Throwback Thursday: O Universo está ajustado para nós?
Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle; Telescópio Espacial Spitzer.
O Princípio Antrópico é mais limitado do que gostamos de acreditar.
Há uma voz dentro de você
Que sussurra o dia todo,
‘Sinto que isso é certo para mim,
Eu sei que isso está errado.' - Shel Silverstein
Quando olhamos para o Universo, é muito difícil imaginar que tudo isso – os planetas, estrelas, galáxias e as vidas complexas que desfrutamos – tudo surgiu por acaso. Para onde quer que olhemos, o Universo obedece às mesmas leis: tem as mesmas constantes fundamentais, encontramos as mesmas partículas, e as interações entre elas levam essas partículas a se automontarem de maneiras que não apenas conduzem à formação de tudo o que conhecemos , mas de muitas maneiras, faz com que (ou algo muito parecido) pareça inevitável.
Nosso Universo parece muito bem ajustado para que este seja o caso, mas é realmente assim teve ser estar? Na ciência, se queremos aprender sobre qualquer coisa, temos que fazer perguntas sobre si mesma. Vamos dar uma olhada em como nosso Universo realmente é e ver o que podemos aprender com ele.
Crédito da imagem: ESO / T. Preibisch, via http://www.eso.org/public/images/eso1208a/ .
Uma das primeiras coisas que você percebe, e é evidente se você pensar sobre isso, é que o Universo é cheio de coisas . Isso em si é uma coisa maravilhosa, porque não precisava ser assim.
Nossas leis da natureza, as leis físicas que governam as interações de cada partícula no Universo, incluindo as forças que fazem com que a matéria se ligue, interaja gravitacionalmente, se agrupe e se agrupe, parecem ser as mesmas em todos os lugares. Sabemos como eles afetam todas as partículas conhecidas do Universo, e eles nos dão uma estrutura para entender como o Universo deve ter evoluído para se tornar o que parece para nós hoje.
Crédito de imagem: Mattson Rosenbaum dehttp://mindblowingphysics.pbworks.com/w/page/52043997/The%20Four%20Forces%202012.
Mas conhecer as leis da física – saber como todas as diferentes partículas interagem umas com as outras – não responde a todas as nossas perguntas sobre a existência. Claro, isso nos leva muito longe: nos diz quão um sistema físico se comporta se você o inicia com certas características. Dê-nos as condições iniciais, dê-nos as leis que regem todas as partículas presentes, e podemos dizer-lhe o que vai acontecer nos limites do que é fisicamente determinável.
Crédito da imagem: Christopher Vitale de Networkologies e Pratt Institute.
O espaço-tempo se expande ou se contrai, curvando-se com base na matéria e energia contidas nele. As partículas atraem, repelem ou se unem com base nas condições em que interagem. Alguns sistemas serão estáveis; alguns irão decair com tempo suficiente. O processo científico é muito poderoso e faz um trabalho notável em nos dizer quão essas coisas acontecem.
Mas isso não nos diz por que, ou se a maneira como se desenrolou foi inevitável. Às vezes, precisamos de alguma orientação se quisermos avançar nosso conhecimento e compreensão do Universo. Existem alguns problemas que são imensamente ajudados se tivermos um princípio orientador para nos dizer o que procurar.
Crédito da imagem: Anne Marie e Todd Helmenstine, via http://chemistry.about.com/od/periodictableelements/a/printperiodic.htm .
Por exemplo, sabemos há muito tempo que o Universo contém uma enorme variedade de elementos, ou átomos com diferentes números de prótons em seus respectivos núcleos. Você, você mesmo, conter pelo menos 59 elementos diferentes em seu corpo de alguma forma, mas por muito tempo não sabíamos como esses elementos surgiram.
Mas sempre podíamos ter certeza de uma coisa: estamos aqui para observar o Universo .
Crédito da imagem: Chris Cook de http://www.abmedia.com/astro/.
Esse fato simples e evidente na verdade tem muito peso. Diz-nos que o nosso Universo existe com tais propriedades que um observador inteligente poderia ter evoluído dentro dele .
Isso contrasta com o fato de o Universo ter propriedades que são incompatível com a existência de vida inteligente. É uma lógica simples: se as propriedades do nosso Universo proibissem a existência de vida inteligente, ela não poderia ser nossa, alegando que ninguém jamais existiria para observá-la. O simples fato de estamos aqui para observar o Universo combinado com o simples ato de observá-lo implica que o Universo está conectado de tal forma a admitir nossa existência . Esta é a própria essência do que é conhecido como o Princípio Antrópico .
E por conta própria, somente essa percepção pode nos ensinar várias coisas.
Crédito da imagem: NASA.
Se nosso Universo está cheio de elementos pesados, então deve ter havido alguma maneira de sintetizá-los! No início da década de 1950, era amplamente aceito que as estrelas eram alimentadas por fusão nuclear e que nosso Sol estava fundindo hidrogênio em hélio por longos períodos de tempo. Mas esses são os dois elementos mais leves no universo! Você não pode combinar hidrogênio (de massa 1) e hélio (de massa 4) para subir, porque não existe um núcleo estável com massa de 5, e você não pode combinar dois hélios, porque o berílio-8 (de uma massa quase idêntica) é instável e decai para dois hélios em escalas de tempo de ~10^-16 seg.
Mas em 1952, Fred Hoyle usou o princípio antrópico para raciocinar que devo ser um processo para criar os elementos mais pesados. Ele inferiu que deve haver uma maneira de obter um terceiro hélio – para interagir com o altamente instável berílio-8 – e se fundir para criar carbono-12. O problema é que as massas não combinavam! O carbono-12 tem uma massa muito menor do que o berílio-8 e o hélio-4 combinados, então ele fez uma previsão de tirar o fôlego: há deve existir um estado excitado de carbono-12, que os físicos nucleares ainda não haviam descoberto, que tinha precisamente a massa de três núcleos de hélio-4 juntos.
Crédito da imagem: Borb, usuário do Wikimedia Commons.
Esta foi uma previsão incrivelmente ousada que voou contra a física nuclear conhecida: tal estado deveria ter sido descoberto por meio de experimentos até então. Mas Hoyle contou ao físico nuclear Willie Fowler sobre sua previsão e a necessidade da existência desse estado para que o Universo tenha carbono e, portanto, vida. Diante disso, Fowler começou a procurar por ele. Cinco anos depois, a descoberta tanto da teoria Estado de Hoyle e o mecanismo para formá-lo - o processo triplo alfa — tinha sido descoberto e confirmado. E mais tarde naquele ano, os dois, juntamente com Geoffrey e Margaret Burbidge, publicaram um artigo explicando corretamente a origem de todos os elementos pesados do Universo: os núcleos de estrelas gigantes que depois se transformam em supernovas, enriquecendo o Universo!
Crédito da imagem: NASA , ESTA , J. Hester e A. Loll (Universidade Estadual do Arizona), via http://hubblesite.org/gallery/album/pr2005037a/ .
Nesse sentido, o princípio antrópico nos ajuda a entender por que as propriedades do Universo devo cair em um certo intervalo de valores: precisamos existir em um intervalo que possibilite a existência da vida.
A gravidade não poderia ser também muito mais forte do que é, ou o Universo estaria cheio de buracos negros e nada mais. A energia escura (ou a constante cosmológica) não poderia ter sido mais do que cerca de 100 vezes maior do que seu valor observado, ou a gravidade não nos permitiria formar uma única estrela antes que os átomos primitivos se afastassem irrevogavelmente um do outro. Deve haver uma assimetria fundamental de matéria-antimatéria no Universo, porque se não houvesse, não haveria material suficiente para criar o Universo como o conhecemos.
Embora existam muitos variantes do Princípio Antrópico, é assim que escolho declará-lo:
As leis da natureza devem ser tais que o Universo possa existir de maneira consistente com o que é observado.
Isso é muito difícil de argumentar. E ainda, por si próprio , não é uma resposta científica para nenhum problema.
Crédito da imagem: Science Photo Library.
Nós sabemos aquele existe uma assimetria matéria-antimatéria no Universo, mas sabendo que nós devo ter um para satisfazer as restrições antrópicas não nos diz por que o Universo tem a matéria (e não a antimatéria) que observamos estar presente nele.
Muitas vezes há uma suposição que os físicos fazem - e não é necessariamente uma boa suposição - que, em princípio, as leis e constantes da natureza poderiam ter assumido qualquer número de formas ou valores arbitrários. Se você aceita isso, então é claro que nosso Universo como o observamos deve ter leis e constantes que são consistentes com a existência de um observador inteligente.
Mas usando essa linha de pensamento por conta própria, você nunca entenderá quão isso aconteceu.
Crédito da imagem: Universidade de Cambridge, via http://www.ctc.cam.ac.uk/research/fundamental_theory_and_cosmology.php .
Essa linha de pensamento não-científico levanta sua cabeça feia quando as pessoas pensam sobre o problema da constante cosmológica (ou energia escura), perguntando por que o Universo está bem ajustado para ter o valor da constante cosmológica que é observado, cerca de 10^120 ordens de magnitude menor do que nossa previsão ingênua. O argumento é mais ou menos assim:
Bem, talvez nossos cálculos ingênuos para a constante cosmológica nos dê um número muito grande por um fator de 10^120, mas The Landscape nos dá 10^500 universos possíveis, e pelo menos alguns deles terão o valor certo, e o outros não importam porque não há ninguém lá.
Esse argumento não é errado tanto quanto é o mesmo que desistir da física, ou da noção de que as propriedades do nosso Universo são explicáveis e compreensíveis em termos de leis físicas e dinâmicas. Existem muitos outros problemas que apresentam dificuldades semelhantes, como a magnitude da assimetria matéria-antimatéria (diferença de 10 ordens de magnitude em relação ao que entendemos atualmente), as massas das partículas fundamentais (19 ordens de magnitude diferentes do que conhecemos hoje). esperado), e a relativa fraqueza da força da gravidade (mais fraca que as outras em mais de 30 ordens de magnitude).
Crédito da imagem: US DOE, NSF, CPEP e LBNL, via http://wanda.uef.fi/fysiikka/hiukkasseikkailu/frameless/chart_print.html .
Qualquer tipo de raciocínio científico é só útil quando lhe diz algo que você ainda não sabe, e já sabemos que vivemos neste Universo e que ele tem as propriedades que observamos. Dizer que deve ser assim porque estamos aqui é uma falácia lógica (poderia ter sido diferente, e ainda podemos estar aqui) e não nos ensina nada de novo. O Universo pode ser ajustado até certo ponto, mas os antrópicos não vão nos dizer Por quê ou quão.
E isso não é suficiente. Sem saber Por quê ou quão o Universo veio a ser do jeito que é, não temos ciência, não completamente, de qualquer maneira. Esse tipo de resposta insuficiente não é suficiente para mim e também não deve ser suficiente para você (ou qualquer pessoa com mentalidade científica). Nós nos perguntamos e investigamos para que possamos descobrir as respostas, e isso significa entender o dinâmica . Os antrópicos podem nos guiar – como fizeram Fred Hoyle há mais de 60 anos – mas não nos dará uma resposta satisfatória, não por si só.
E até encontrarmos essas dinâmicas — até descobrirmos como e por quê — a busca por conhecimento e por respostas mais satisfatórias deve continuar.
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