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Os 5 principais mitos que você provavelmente acredita sobre o Big Bang

Uma singularidade é onde a física convencional falha, inclusive se você estiver falando sobre o início do Universo. No entanto, existem consequências para alcançar estados arbitrariamente quentes e densos no Universo, e muitos deles não conseguem sustentar as observações. (2007–2016, INSTITUTO MAX PLANCK DE FÍSICA GRAVITACIONAL, POTSDAM)

Por mais de 50 anos, tem sido a teoria cientificamente aceita que descreve a origem do Universo. É hora de todos aprendermos suas verdades.

O Universo que conhecemos hoje, cheio de estrelas e galáxias em todo o grande abismo cósmico, não existe desde sempre. Apesar do fato de que existem aproximadamente 2 trilhões de galáxias visíveis para nós, abrangendo distâncias de dezenas de bilhões de anos-luz, há um limite para o quão longe podemos olhar. Isso não é porque o Universo é finito – na verdade, pode muito bem ser infinito, afinal – mas porque teve um começo que ocorreu há uma quantidade finita de tempo: o Big Bang.

O fato de podermos olhar para o nosso Universo hoje, vê-lo se expandindo e esfriando e inferir nossas origens cósmicas é uma das conquistas científicas mais profundas do século XX. O Universo começou a partir de um estado quente, denso, cheio de matéria e radiação, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, e vem se expandindo, esfriando e gravitando desde então. Mas o próprio Big Bang não funciona como a maioria das pessoas pensa. Aqui estão os 5 principais mitos que as pessoas acreditam sobre o Big Bang.

Os primeiros estágios da explosão do teste nuclear Trinity, apenas 16 milissegundos após a detonação. O topo da bola de fogo tem 200 metros de altura. Se não fosse pela presença do solo, a explosão em si não seria um hemisfério, mas sim uma esfera quase perfeitamente simétrica. (BERLYN BRIXNER)

1.) O Big Bang é a explosão que deu início ao nosso Universo . Toda vez que olhamos para uma galáxia distante no Universo e tentamos medir o que sua luz está fazendo, vemos o mesmo padrão emergir: quanto mais distante a galáxia está, mais significativamente sua luz é sistematicamente deslocada para comprimentos de onda cada vez mais longos. Esse desvio para o vermelho que observamos para esses objetos segue um padrão previsível, com o dobro da distância, o que significa que a luz é desviada duas vezes mais.

Objetos distantes, portanto, parecem estar se afastando de nós. Assim como um carro de polícia se afastando de você soará mais baixo quanto mais rápido ele se afastar de você, quanto maior a distância de um objeto para nós, maior será o desvio para o vermelho medido de sua luz. Faz muito sentido, então, pensar que os objetos mais distantes estão se afastando de nós em velocidades mais rápidas e que poderíamos rastrear todas as galáxias que vemos hoje até um único ponto no passado: uma enorme explosão.

O modelo de “pão de passas” do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes duas passas estiverem uma da outra, maior será o desvio para o vermelho observado no momento em que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada em observações e tem sido consistente com o que se sabe desde a década de 1920. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Mas este é um equívoco total sobre o que o Big Bang realmente é. Não é que essas galáxias estejam se movendo pelo próprio Universo, mas sim que o tecido do espaço que compõe o próprio Universo está se expandindo. Assim como as passas parecem recuar em proporção à sua distância em uma bola de massa fermentada, as galáxias parecem recuar umas das outras à medida que o Universo se expande. As passas não estão em movimento em relação à massa; a ação da própria massa em expansão parece simplesmente separá-los.

Não foi uma explosão inicial que fez com que as galáxias se afastassem umas das outras, mas sim a física do Universo em expansão como governada pela Relatividade Geral de Einstein que faz com que o espaço (com as galáxias contidas dentro dele) se expanda. Não houve explosão, apenas uma rápida expansão que vem evoluindo com base nos efeitos gravitacionais cumulativos de tudo o que está contido em nosso Universo.

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)

2.) Há um ponto no espaço que podemos traçar o ‘evento’ do Big Bang de volta para . Da mesma forma, não há um ponto central para o evento do Big Bang. Você pode pensar inicialmente que, se tudo parece estar se expandindo para longe de todo o resto, podemos extrapolar tudo de volta para quando todos se originaram no mesmo local. Assim como uma granada tem uma localização central de onde todos os estilhaços devem ter se originado, faz sentido pensar que o Universo deve ter um ponto de origem semelhante.

Mas o Universo não explodiu; apenas expandiu. Em um Universo em expansão, todos os locais no espaço parecem iguais, quando você considera um volume grande o suficiente. Na média em grande escala, o Universo parece ter a mesma densidade, a mesma temperatura e o mesmo número de galáxias em todos os lugares. E se você extrapolar no tempo, parecerá mais quente e denso, mas isso é porque o próprio espaço está evoluindo e se expandindo também.

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

Quando extrapolamos o Universo para trás no tempo, podemos calcular que ele deve ter sido menor e mais denso no passado, mas isso se aplica a todo o espaço para todos os observadores. Cada observador em cada ponto tem a mesma reivindicação de estar no centro, assim como cada região do espaço tem as mesmas propriedades de grande escala que qualquer outra região do espaço de tamanho similar.

A grande explosão não aconteceu em um único ponto, mas ocorreu em todos os lugares ao mesmo tempo , e fez isso há um tempo finito. Quando olhamos para as regiões mais distantes do Universo, estamos olhando para trás no tempo, assim como todos os outros observadores de todas as outras perspectivas que o Universo oferece. O fato de o Universo não ter estruturas repetidas, não mostrar borda identificável e não ter direção preferida oferece evidências de que não há um ponto de origem específico para o Big Bang: aconteceu em todos os lugares ao mesmo tempo, sem localização central preferida.

As estrelas e galáxias que vemos hoje nem sempre existiram, e quanto mais recuamos, mais próximo de uma aparente singularidade o Universo fica, à medida que avançamos para estados mais quentes, mais densos e mais uniformes. No entanto, há um limite para essa extrapolação, pois voltar a uma singularidade cria quebra-cabeças que não podemos responder. (NASA, ESA, E A. FEILD (STSCI))

3.) Toda a matéria e energia em nosso Universo foi comprimida em um estado infinitamente quente e denso no Big Bang . Se o Universo está se expandindo e esfriando hoje, então deve ter sido menor, mais denso e mais quente no passado. Você pode imaginar, de fato, voltar todo o caminho, até onde sua imaginação pode levá-lo, até atingir um tamanho que fica infinitesimalmente pequeno, levando a densidades e temperaturas arbitrariamente altas. Talvez esse tenha sido o instante do Big Bang: um estado infinitamente quente e denso.

Só que temos algumas maneiras de testar essa hipótese! Em primeiro lugar, as flutuações de temperatura que vemos hoje, deixadas no fundo cósmico de micro-ondas, teriam flutuações tão grandes quanto a temperatura máxima em comparação com a escala de energia de Planck. Essas flutuações apareceriam apenas até a escala do horizonte cósmico (e menor). E deve haver até sobras de relíquias que só aparecem em altas energias, como monopolos magnéticos, enchendo nosso Universo.

As flutuações no Fundo de Microondas Cósmicas são de magnitude tão pequena e de um padrão tão particular que indicam fortemente que o Universo começou com a mesma temperatura em todos os lugares e teve apenas 1 parte em 30.000 flutuações, um fato que é irreconciliável com uma quente Big Bang. (A COLABORAÇÃO ESA E PLANCK)

Nas décadas de 1990, 2000 e 2010, respectivamente, a humanidade recebeu nossos principais resultados das missões COBE, WMAP e Planck. Eles sondaram as flutuações no brilho remanescente do Big Bang: o fundo cósmico de micro-ondas e ajudaram a procurar essas assinaturas exatas. O que eles descobriram, juntamente com outros experimentos (como buscas diretas por monopolos magnéticos), demonstrou que o Universo nunca atingiu temperaturas superiores a ~0,03% da escala de energia de Planck.

As flutuações de temperatura são de apenas 1 parte em 30.000, milhares de vezes menores do que prevê um estado infinitamente quente. As flutuações aparecem em escalas maiores que o horizonte cósmico, medidas robustamente pelo WMAP e pelo Planck. E as restrições aos monopolos magnéticos e outras relíquias de energia ultra-alta desfavorecem fortemente um passado de energia ultra-alta para o nosso Universo. A conclusão? O Universo teve um corte de temperatura em seu passado, nunca subindo acima de um limite crítico.

Toda a nossa história cósmica é teoricamente bem compreendida, mas apenas porque entendemos a teoria da gravitação que a fundamenta e porque conhecemos a atual taxa de expansão e composição de energia do Universo. A luz sempre continuará a se propagar através deste Universo em expansão, e continuaremos a receber essa luz arbitrariamente no futuro, mas será limitado no tempo até o que nos alcance. Ainda temos perguntas sem resposta sobre nossas origens cósmicas, mas a idade do Universo é conhecida. (NICOLE RAGER FULLER / FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)

4.) O Big Bang torna inevitável que nosso Universo tenha começado a partir de uma singularidade . Mesmo que o Universo atingisse uma temperatura máxima nos estágios iniciais do Big Bang quente, ainda precisava haver uma fase que precedesse e configurasse essa fase quente. Para ser consistente com o que observamos, deve ter:

• esticou o Universo para que fosse indistinguível de plano,
• criou flutuações quânticas que se estendem por todo o Universo, incluindo escalas de super-horizonte,
• onde as flutuações também foram de baixa magnitude: aquela 1 parte em 30.000 que mencionamos anteriormente,
• onde as flutuações tinham uma entropia constante (ou seja, eram adiabáticas),
• e então criou um estado quente e denso cheio de partículas e antipartículas que equivale ao nosso Big Bang quente.

A teoria que estabelece todas essas condições iniciais para o Big Bang é conhecida como inflação cósmica, e foi verificado por várias linhas de evidência .

As linhas azul e vermelha representam um cenário tradicional do Big Bang, onde tudo começa no tempo t=0, incluindo o próprio espaço-tempo. Mas em um cenário inflacionário (amarelo), nunca alcançamos uma singularidade, onde o espaço vai para um estado singular; em vez disso, ele só pode ficar arbitrariamente pequeno no passado, enquanto o tempo continua a retroceder para sempre. Apenas a última minúscula fração de segundo, desde o fim da inflação, se imprime em nosso Universo observável hoje. A condição sem fronteiras de Hawking-Hartle desafia a longevidade desse estado, assim como o teorema de Borde-Guth-Vilenkin, mas nenhum deles é uma coisa certa. (E. SIEGEL)

Mas uma das principais surpresas que a inflação trouxe foi a seguinte constatação: se a inflação preceder o Big Bang, então não levará a um Universo que atinja um tamanho infinitesimal em um ponto finito no passado. O Universo se expande exponencialmente durante a inflação, o que significa que dobrará de tamanho em uma determinada escala de tempo se você avançar o relógio, mas apenas reduzirá pela metade e pela metade de tamanho nessa mesma escala de tempo se você retroceder. Não importa quantas metades você tome, você nunca chega a zero.

Ainda é possível que houvesse uma fase separada que existia antes da inflação cósmica e, se assim for, talvez o Universo tenha começado a partir de uma singularidade. Mas podemos apenas afirmar, com base nas evidências observacionais que temos, que a inflação durou pelo menos uma pequena fração de segundo, não levou a uma singularidade em si ou ao início do Big Bang quente, e não sabemos o que veio antes do início da inflação.

As diferentes maneiras pelas quais a energia escura pode evoluir para o futuro. Permanecer constante ou aumentar em força (em um Big Rip) poderia potencialmente rejuvenescer o Universo, enquanto a reversão do sinal poderia levar a um Big Crunch. Em qualquer um desses dois cenários, o tempo pode ser cíclico, enquanto se nenhum deles se concretizar, o tempo pode ser finito ou infinito em duração em relação ao passado. (NASA/CXC/M.WEISS)

5.) Espaço, tempo e as leis da física não existiam antes do Big Bang . Se você tivesse alcançado uma verdadeira singularidade, ou um lugar onde você alcançasse densidades e temperaturas infinitas, as leis da física seriam quebradas. Na Relatividade Geral, as singularidades são onde o espaço-tempo pode entrar ou sair da existência, e sem espaço-tempo, não há necessariamente regras que governem o Universo físico que poderia existir dentro dele.

Mas essas leis certamente devem ter existido durante a fase inflacionária que criou o próprio Big Bang. Com o conhecimento que temos da inflação e a confirmação observacional de suas previsões, porém, surgem novas questões. Esses incluem:

1. O estado inflacionário era constante?
2. A inflação durou uma quantidade infinita de tempo, eterna ao passado?
3. A inflação está ligada à energia escura, pois ambas fazem com que o Universo se expanda a uma taxa exponencial?

As três grandes possibilidades de como o tempo se comporta em nosso Universo são que o tempo sempre existiu e sempre existirá, que o tempo só existiu por uma duração finita se extrapolarmos para trás, ou que o tempo é cíclico, e se repetirá, sem começo e sem fim. O Big Bang parecia fornecer uma resposta por um tempo, mas desde então foi substituído, mergulhando nossas origens de volta na incerteza. (E. SIEGEL)

A verdade é que é possível, mas não sabemos ao certo. Apenas a fração de segundo final de inflação se imprime em nosso Universo, e qualquer coisa que tenha ocorrido antes desse momento teve suas assinaturas observáveis ​​literalmente infladas. Mesmo as tentativas teóricas de argumentar sobre a natureza completa/incompleta dos espaços-tempos inflacionários não são concretas; é possível que a inflação não tenha durado para sempre e tenha tido um começo singular, mas também é possível que tenha durado eternamente ou mesmo tenha um caráter cíclico, com espaço e tempo voltando a si mesmo eventualmente.

Milhares de anos atrás, havia três possibilidades principais de como o tempo começou: sempre existiu, começou uma duração finita no passado ou é cíclico por natureza. Mesmo com tudo o que aprendemos sobre o Big Bang e o que o configurou, é impossível tirar uma conclusão robusta. Não temos informações suficientes em nosso universo observável para saber se o tempo é finito ou infinito; se é cíclico ou linear . Mas mesmo antes do Big Bang, podemos ter certeza de que o espaço, o tempo e as próprias leis da física definitivamente existiam.

Esses são 5 equívocos comuns do Big Bang, todos completamente dissipados.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. 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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