Konstantinos Dimopoulos, Universidade de Lancaster
Como tudo começou? É uma pergunta que os humanos vêm ponderando há milhares de anos. No último século, a ciência se concentrou em uma resposta: o Big Bang.
Esse termo descreve como o Universo nasceu em uma explosão cataclísmica há quase 14 bilhões de anos. Em uma minúscula fração de segundo, o universo observável cresceu como se uma bactéria se expandisse até o tamanho da Via Láctea. O universo inicial era extraordinariamente quente e extremamente denso. Mas como sabemos que isso aconteceu?
Vamos primeiro analisar as evidências. Em 1929, o astrônomo americano Edwin Hubble descobriu que galáxias distantes estão se afastando umas das outras, levando à realização de que o universo está em expansão. Se voltássemos o relógio até o nascimento do cosmos, a expansão se inverteria e as galáxias se juntariam há 14 bilhões de anos. Essa idade coincide bem com as idades dos objetos astronômicos mais antigos que observamos.
A ideia foi inicialmente recebida com ceticismo – e foi um cético, o astrônomo inglês Fred Hoyle, quem cunhou o nome. Hoyle descartou sarcasticamente a hipótese como um “Big Bang” durante uma entrevista na rádio BBC em 28 de março de 1949.
Então, em 1964, Arno Penzias e Robert Wilson detectaram um tipo particular de radiação que preenche todo o espaço. Ela se tornou conhecida como a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). É uma espécie de brilho remanescente da explosão do Big Bang, liberado quando o cosmos tinha apenas 380.000 anos.
A CMB fornece uma janela para as condições quentes e densas do início do universo. Penzias e Wilson receberam o Prêmio Nobel de Física de 1978 por sua descoberta.
Mais recentemente, experimentos em aceleradores de partículas como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) esclareceram condições ainda mais próximas ao momento do Big Bang. Nossa compreensão da física nessas energias elevadas sugere que, nos primeiros instantes após o Big Bang, as quatro forças fundamentais da física que existem hoje estavam inicialmente combinadas em uma única força.
As quatro forças atuais são gravidade, eletromagnetismo, força nuclear forte e força nuclear fraca. À medida que o universo se expandiu e esfriou, uma série de mudanças dramáticas, chamadas transições de fase (como o ponto de ebulição ou congelamento da água), separou essas forças.
Experimentos em aceleradores de partículas sugerem que alguns bilionésimos de segundo após o Big Bang ocorreu a última dessas transições de fase: a ruptura da unificação eletrofraca, quando o eletromagnetismo e a força nuclear fraca deixaram de estar combinados. Foi nesse momento que toda a matéria no Universo adquiriu sua massa.
Seguindo adiante no tempo, o universo é preenchido por uma substância estranha chamada plasma de quark-glúon. Como o nome sugere, essa “sopa primordial” era composta de quarks e glúons. Esses são partículas subatômicas responsáveis pela força nuclear forte. O plasma de quark-glúon foi artificialmente gerado em 2010 no Brookhaven National Laboratory e em 2015 no LHC.
Quarks e glúons têm uma atração forte entre si e hoje estão unidos como prótons e nêutrons, que, por sua vez, são os blocos de construção dos átomos. No entanto, nas condições quentes e densas do universo inicial, eles existiam independentemente.
O plasma de quark-glúon não durou muito. Apenas alguns milionésimos de segundo após o Big Bang, à medida que o universo se expandia e esfriava, os quarks e glúons se aglomeraram como prótons e nêutrons, o estado que persiste até hoje. Esse evento é chamado de confinamento de quarks.
À medida que o universo continuou a se expandir e esfriar, a quantidade de fótons de alta energia (partículas de luz) no universo diminuiu. Isso desencadeou o processo chamado Nucleossíntese Primordial. Esse é o momento em que os primeiros núcleos atômicos – agrupamentos densos de prótons e nêutrons, que ficam no centro dos átomos – se formaram por reações de fusão nuclear, como as que alimentam o Sol.
Anteriormente, com mais fótons de alta energia no universo, qualquer núcleo atômico que se formasse seria rapidamente destruído (um processo chamado fotodesintegração). A nucleossíntese cessou poucos minutos após o Big Bang, mas suas consequências são observáveis até hoje.
Observações de astrônomos nos fornecem evidências das abundâncias primordiais de elementos produzidos nessas reações de fusão, resultados que estão em grande concordância com a teoria da Nucleossíntese Primordial. Se seguirmos ao longo de quase 14 bilhões de anos, alcançamos a situação atual. Mas até que ponto conseguimos entender o que estava acontecendo próximo ao momento do Big Bang?
Os cientistas não têm evidências diretas do que ocorreu antes da ruptura da unificação eletrofraca (quando o eletromagnetismo e a força nuclear fraca deixaram de ser combinados). Em energias tão altas e tempos tão iniciais, resta apenas o mistério do Big Bang. O que a teoria sugere?
Ao retroceder no tempo, as distâncias e volumes se contraem enquanto a densidade de energia aumenta. No Big Bang, distâncias e volumes caem para zero, todas as partes do universo se unem e a densidade de energia torna-se infinita. Nossas equações matemáticas, que descrevem a evolução do espaço e a expansão do cosmos, tornam-se confusas com zeros e infinitos, perdendo sentido.
Chamamos isso de singularidade. A teoria da relatividade geral de Albert Einstein descreve como o espaço-tempo é moldado. Espaço-tempo é uma maneira de descrever a geometria tridimensional do universo combinada com o tempo. Uma curvatura no espaço-tempo dá origem à gravidade.
Mas a matemática sugere que existem locais no universo onde a curvatura do espaço-tempo se torna ilimitada. Esses locais são conhecidos como singularidades. Um exemplo disso pode ser encontrado no centro de um buraco negro. Nessas regiões, a teoria da relatividade geral entra em colapso.
De 1965 a 1966, os físicos teóricos britânicos Stephen Hawking e Roger Penrose apresentaram uma série de teoremas matemáticos demonstrando que o espaço-tempo de um universo em expansão deve terminar em uma singularidade no passado: a singularidade do Big Bang.
Penrose recebeu o Prêmio Nobel de 2020. Hawking faleceu em 2018, e prêmios Nobel não são concedidos postumamente. O espaço e o tempo aparecem na singularidade do Big Bang, portanto, as questões sobre o que acontece “antes” do Big Bang não são bem definidas. Pelo que a ciência pode dizer, não há um “antes”; o Big Bang é o início do tempo.
No entanto, a natureza não é descrita com precisão apenas pela relatividade geral, apesar de esta teoria ter mais de 100 anos e não ter sido refutada. A relatividade geral não pode descrever átomos, fusão nuclear ou radioatividade. Esses fenômenos são tratados pela teoria quântica.
As teorias da física “clássica”, como a relatividade, são determinísticas. Isso significa que certas condições iniciais têm um resultado definido e, portanto, são absolutamente preditivas. A teoria quântica, por outro lado, é probabilística. Isso significa que certas condições iniciais no universo podem ter múltiplos resultados.
A teoria quântica é, em certa medida, preditiva, mas de uma maneira probabilística. Resultados têm uma probabilidade de existir. Se a distribuição matemática de probabilidades estiver fortemente concentrada em um determinado resultado, a situação é bem descrita por uma teoria “clássica”, como a relatividade geral. Mas nem todos os sistemas são assim. Em alguns sistemas, como os átomos, a distribuição de probabilidades está espalhada, e uma descrição clássica não se aplica.
O que acontece com a gravidade? Na grande maioria dos casos, a gravidade é bem descrita pela física clássica. O espaço-tempo clássico é suave. No entanto, quando a curvatura se torna extrema, perto de uma singularidade, a natureza quântica da gravidade não pode ser ignorada. Aqui, o espaço-tempo deixa de ser suave, tornando-se rugoso, semelhante a um tapete que parece liso à distância, mas que, de perto, está cheio de fibras e fios.
Assim, perto da singularidade do Big Bang, a estrutura do espaço-tempo deixa de ser suave. Teoremas matemáticos sugerem que o espaço-tempo se torna sobrecarregado por características “rugosas”: ganchos, laços e bolhas. Essa situação que flutua rapidamente é chamada de espuma de espaço-tempo.
Na espuma de espaço-tempo, a causalidade não se aplica, porque existem loops fechados no espaço-tempo, onde o futuro de um evento também é seu passado (portanto, seu resultado pode ser também sua causa). A natureza probabilística da teoria quântica sugere que, quando a distribuição de probabilidade está uniformemente espalhada, todos os resultados são igualmente possíveis, e a noção confortável de causalidade que associamos a uma compreensão clássica da física é perdida.
Portanto, se voltarmos no tempo, logo antes de encontrarmos a singularidade do Big Bang, nos encontramos entrando em uma época onde os efeitos quânticos da gravidade são dominantes e a causalidade não se aplica. Isso é chamado de a época de Planck.
O tempo deixa de ser linear, indo do passado para o futuro, e passa a ser embrulhado, caótico e aleatório. Isso significa que a pergunta “por que o Big Bang ocorreu?” não tem sentido, porque fora da causalidade, os eventos não precisam de uma causa para acontecer.
Para entender como a física funciona em uma singularidade como o Big Bang, precisamos de uma teoria sobre como a gravidade se comporta segundo a teoria quântica. Infelizmente, não temos uma. Existem várias tentativas nesse sentido, como a gravidade quântica em loop e a teoria das cordas, com suas várias encarnações.
No entanto, esses esforços são, no máximo, incompletos, porque o problema é notoriamente difícil. Isso significa que a espuma de espaço-tempo possui uma mística poderosa e totemica, semelhante ao antigo Caos de Hesíodo, que os gregos acreditavam existir no começo.
Então, como o nosso universo em expansão e em grande parte clássico conseguiu escapar da espuma de espaço-tempo? Isso nos leva à inflação cósmica. A inflação é definida como um período de expansão acelerada no início do universo. Ela foi introduzida pela primeira vez pelo físico teórico russo Alexei Starobinsky em 1980 e, simultaneamente, naquele mesmo ano, pelo físico americano Alan Guth, que cunhou o nome.
A inflação faz com que o universo se torne grande e uniforme, de acordo com as observações. Ela também força o universo a ser espacialmente plano, o que é uma situação instável, mas que também foi confirmada por observações. Além disso, a inflação fornece um mecanismo natural para gerar as irregularidades primordiais na densidade do universo, que são essenciais para a formação de estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias.
A teoria confirmada
Observações precisas da radiação cósmica de fundo em micro-ondas nas últimas décadas confirmaram de forma espetacular as previsões da inflação. Também sabemos que o universo pode, de fato, experimentar uma expansão acelerada, porque, nos últimos bilhões de anos, ele começou a fazer isso novamente.
O que isso tem a ver com a espuma de espaço-tempo? Bem, acontece que, se as condições para a inflação surgirem (por acaso) em uma região de espaço-tempo flutuante, como pode ocorrer com a espuma de espaço-tempo, essa região inflaciona e começa a se conformar com a física clássica.
De acordo com uma ideia primeiramente proposta pelo físico russo-americano Andrei Linde, a inflação é uma consequência natural – e talvez inevitável – das condições iniciais caóticas no início do universo.
A questão é que o nosso universo clássico poderia ter emergido de condições caóticas, como as da espuma de espaço-tempo, ao passar por um impulso inicial de inflação. Isso teria dado início à expansão do universo. Na verdade, as observações feitas pelos astrônomos da CMB sugerem que o impulso inicial foi explosivo, já que a expansão é exponencial durante a inflação.
No dia 20 de março de 2014, Alan Guth explicou de forma sucinta: “Eu geralmente descrevo a inflação como uma teoria do ‘bang’ do Big Bang: Ela descreve o mecanismo de propulsão que chamamos de Big Bang.”
Então, é isso. A história de 14 bilhões de anos do nosso universo começa com uma explosão catastrófica em todo o espaço, que chamamos de Big Bang. Isso é indiscutível. Essa explosão é realmente um período de expansão explosiva, que chamamos de inflação cósmica. O que acontece antes da inflação, no entanto? É uma singularidade de espaço-tempo? É uma espuma de espaço-tempo? A resposta é em grande parte desconhecida.
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De fato, pode até ser incognoscível, porque existe um teorema matemático que nos impede de acessar informações sobre o início da inflação, de forma semelhante àquele que nos impede de saber sobre os interiores dos buracos negros. Assim, do nosso ponto de vista, a inflação cósmica é o Big Bang, a explosão que deu início a tudo.
Konstantinos Dimopoulos, Professor em Cosmologia de Partículas, Universidade de Lancaster
Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
