Neil Turok, Universidade de Edimburgo
Vivemos uma era de ouro para aprender sobre o universo. Nossos telescópios mais poderosos revelaram que o cosmos é surpreendentemente simples nas escalas visíveis maiores. Da mesma forma, nosso “microscópio” mais poderoso, o Grande Colisor de Hádrons, não encontrou desvios nas leis físicas conhecidas nas escalas mais diminutas.
Esses achados não eram o que a maioria dos teóricos esperava. Hoje, a abordagem teórica dominante combina a teoria das cordas, uma poderosa estrutura matemática que ainda não fez previsões físicas bem-sucedidas, e a “inflação cósmica” – a ideia de que, em um estágio muito inicial, o universo se expandiu descontroladamente. Em combinação, a teoria das cordas e a inflação preveem que o cosmos seja incrivelmente complexo nas escalas diminutas e completamente caótico em escalas muito grandes.
A natureza dessa complexidade esperada poderia assumir uma variedade desconcertante de formas. Com base nisso, e apesar da ausência de evidências observacionais, muitos teóricos promovem a ideia de um “multiverso”: um cosmos incontrolável e imprevisível composto por muitos universos, cada um com propriedades físicas e leis completamente diferentes.
Até agora, as observações indicam exatamente o oposto. O que devemos fazer da discrepância? Uma possibilidade é que a aparente simplicidade do universo seja meramente um acidente da gama limitada de escalas que conseguimos sondar hoje, e que, quando as observações e experimentos alcançarem escalas suficientemente pequenas ou grandes, a complexidade afirmada será revelada.
A outra possibilidade é que o universo realmente é muito simples e previsível tanto nas escalas maiores quanto nas menores. Eu acredito que essa possibilidade deve ser levada muito mais a sério. Pois, se for verdade, podemos estar mais próximos do que imaginávamos de entender os enigmas mais básicos do universo. E algumas das respostas podem já estar bem diante de nós.
O problema com a teoria das cordas e a inflação
A ortodoxia atual é o culminar de décadas de esforço de milhares de teóricos sérios. Segundo a teoria das cordas, os blocos fundamentais do universo são minúsculos laços vibrantes e pedaços de corda subatômica. Como é entendida atualmente, a teoria só funciona se existirem mais dimensões de espaço do que as três que experimentamos. Assim, os teóricos das cordas assumem que a razão pela qual não as detectamos é que são minúsculas e estão enroladas.
Infelizmente, isso torna a teoria das cordas difícil de testar, pois há um número quase inimaginável de maneiras nas quais as pequenas dimensões podem ser enroladas, com cada uma resultando em um conjunto diferente de leis físicas nas dimensões grandes restantes.
Enquanto isso, a inflação cósmica é um cenário proposto na década de 1980 para explicar por que o universo é tão suave e plano nas maiores escalas que podemos observar. A ideia é que o universo infantil era pequeno e irregular, mas uma explosão extrema de expansão ultra-rápida fez com que ele aumentasse enormemente em tamanho, alisando-o e achatando-o, tornando-o consistente com o que vemos hoje.
A inflação também é popular porque potencialmente explica por que a densidade de energia no universo primitivo variava ligeiramente de lugar para lugar. Isso é importante porque as regiões mais densas teriam colapsado sob sua própria gravidade, semeando a formação de galáxias.
Nos últimos três decênios, as variações de densidade foram medidas cada vez com mais precisão, tanto mapeando o fundo cósmico de micro-ondas – a radiação do Big Bang – quanto mapeando a distribuição tridimensional das galáxias.
Na maioria dos modelos de inflação, a explosão extrema de expansão inicial, que suavizou e achatou o universo, também gerou ondas gravitacionais de longo comprimento de onda – ondulações na estrutura do espaço-tempo. Tais ondas, se observadas, seriam uma “prova irrefutável” confirmando que a inflação realmente ocorreu. No entanto, até agora, as observações falharam em detectar qualquer sinal desse tipo. Em vez disso, à medida que os experimentos melhoraram, mais e mais modelos de inflação foram descartados.
Além disso, durante a inflação, diferentes regiões do espaço podem experimentar quantidades muito diferentes de expansão. Em escalas muito grandes, isso produz um multiverso de universos pós-inflação, cada um com diferentes propriedades físicas.
O cenário da inflação cósmica baseia-se em suposições sobre as formas de energia presentes e as condições iniciais. Embora essas suposições resolvam alguns enigmas, elas criam outros. Teóricos das cordas e da inflação esperam que, em algum lugar no vasto multiverso inflacionário, exista uma região do espaço-tempo com as propriedades exatas para corresponder ao universo que observamos.
No entanto, mesmo que isso seja verdade (e até agora nenhum modelo desse tipo foi encontrado), uma comparação justa entre teorias deve incluir um “fator de Occam”, quantificando a lâmina de Occam, que penaliza teorias com muitos parâmetros e possibilidades em relação às mais simples e preditivas. Ignorar o fator de Occam equivale a assumir que não há alternativa à hipótese complexa e não preditiva – uma afirmação que acredito não ter fundamento.
Ao longo das últimas décadas, houve várias oportunidades para experimentos e observações revelarem sinais específicos da teoria das cordas ou da inflação. Mas nenhum foi observado. Novamente e repetidamente, as observações se mostraram mais simples e mínimas do que o esperado.
Acredito que chegou o momento de reconhecer e aprender com essas falhas, e começar a procurar seriamente por alternativas melhores.
Uma alternativa mais simples
Recentemente, meu colega Latham Boyle e eu tentamos construir teorias mais simples e testáveis que dispensam a inflação e a teoria das cordas. Seguindo as observações, tentamos abordar alguns dos maiores enigmas cósmicos com o mínimo de suposições teóricas possível.
Nossas primeiras tentativas tiveram sucesso além das nossas expectativas mais otimistas. O tempo dirá se elas resistirão a mais escrutínio. No entanto, o progresso que já fizemos me convence de que, provavelmente, existem alternativas à ortodoxia padrão – que se tornou uma camisa de força da qual precisamos nos libertar.
Espero que nossa experiência incentive outros, especialmente os pesquisadores mais jovens, a explorar abordagens inovadoras, guiadas fortemente pela simplicidade das observações – e a serem mais céticos em relação às pré-concepções de seus mais velhos. Em última análise, devemos aprender com o universo e adaptar nossas teorias a ele, em vez de o contrário.
Boyle e eu começamos tratando de um dos maiores paradoxos da cosmologia. Se seguirmos o universo em expansão para trás no tempo, usando a teoria da gravidade de Einstein e as leis conhecidas da física, o espaço se encolhe até um único ponto, a “singularidade inicial”.
Ao tentar dar sentido a esse começo infinitamente denso e quente, teóricos, incluindo o laureado com o Nobel Roger Penrose, apontaram para uma simetria profunda nas leis fundamentais que regem a luz e as partículas sem massa. Essa simetria, chamada de simetria “conformal”, significa que nem a luz nem as partículas sem massa realmente experimentam o encolhimento do espaço no Big Bang.
Ao explorar essa simetria, Boyle e eu descobrimos que poderíamos descrever a singularidade inicial como um “espelho”: uma fronteira refletora no tempo (com o tempo indo para frente de um lado e para trás do outro).
Imaginar o Big Bang como um espelho explica de forma elegante várias características do universo que poderiam parecer entrar em conflito com as leis mais básicas da física. Por exemplo, para cada processo físico, a teoria quântica permite um processo “espelhado”, no qual o espaço é invertido, o tempo é revertido e cada partícula é substituída por sua antipartícula (uma partícula similar a ela em quase todos os aspectos, mas com carga elétrica oposta).
De acordo com essa poderosa simetria, chamada simetria CPT, o processo “espelhado” deveria ocorrer exatamente à mesma taxa que o processo original. Um dos enigmas mais básicos sobre o universo é que ele parece [violar a simetria CPT] porque o tempo sempre corre para frente e há mais partículas do que antipartículas.
Nossa hipótese do espelho restaura a simetria do universo. Quando você olha em um espelho, vê sua imagem refletida atrás dele: se você é canhoto, a imagem será destra e vice-versa. A combinação de você e sua imagem no espelho é mais simétrica do que você sozinho.
Da mesma forma, quando Boyle e eu extrapolamos nosso universo para trás, através do Big Bang, encontramos sua imagem refletida, um universo pré-Bang no qual (relativamente a nós) o tempo corre para trás e as antipartículas superam as partículas. Para que essa imagem seja verdadeira, não precisamos que o universo espelhado seja real no sentido clássico (assim como sua imagem no espelho não é real). A teoria quântica, que governa o microcosmo dos átomos e partículas, desafia nossa intuição, então neste ponto, o melhor que podemos fazer é pensar no universo espelhado como um dispositivo matemático que garante que a condição inicial para o universo não viole a simetria CPT.
Surpreendentemente, essa nova imagem forneceu uma pista importante sobre a natureza da substância cósmica desconhecida chamada matéria escura. Neutrinos são partículas muito leves e fantasmagóricas que, tipicamente, se movem perto da velocidade da luz e giram enquanto se movem, como pequenos piões. Se você apontar o polegar da sua mão esquerda na direção em que o neutrino se move, seus quatro dedos indicam a direção na qual ele gira. Os neutrinos leves observados são chamados de neutrinos “canhotos”.
Neutrinos pesados “destros” nunca foram vistos diretamente, mas sua existência foi inferida a partir das propriedades observadas dos neutrinos leves e canhotos. Neutrinos destros estáveis seriam o candidato perfeito para a matéria escura porque não interagem com nenhuma das forças conhecidas, exceto a gravidade. Antes do nosso trabalho, não se sabia como eles poderiam ter sido produzidos no quente universo primitivo.
Nosso trabalho sobre a hipótese do espelho nos permitiu calcular exatamente quantos neutrinos desses se formariam e mostrar que eles poderiam explicar a matéria escura cósmica.
Uma previsão testável seguiu-se: se a matéria escura consistir de neutrinos estáveis e destros, então um dos três neutrinos leves que conhecemos deve ser exatamente sem massa. Notavelmente, essa previsão está agora sendo testada com observações do agrupamento gravitacional da matéria feitas por grandes levantamentos de galáxias em larga escala.
A entropia dos universos
Animados com esse resultado, começamos a abordar outro grande enigma: por que o universo é tão uniforme e espacialmente plano, não curvado, nas maiores escalas visíveis? O cenário da inflação cósmica foi, afinal, inventado por teóricos para resolver esse problema.
A entropia é um conceito que quantifica o número de maneiras diferentes pelas quais um sistema físico pode ser organizado. Por exemplo, se colocarmos algumas moléculas de ar em uma caixa, as configurações mais prováveis são aquelas que maximizam a entropia – com as moléculas mais ou menos distribuídas de forma suave por todo o espaço e compartilhando a energia total mais ou menos igualmente. Esses tipos de argumentos são usados na física estatística, o campo que fundamenta nossa compreensão de calor, trabalho e termodinâmica.
O falecido físico Stephen Hawking e colaboradores generalizaram a física estatística para incluir a gravidade. Usando um argumento elegante, eles calcularam a temperatura e a entropia dos buracos negros. Usando nossa “hipótese do espelho”, Boyle e eu conseguimos estender esses argumentos para a cosmologia e calcular a entropia de universos inteiros.
Para nossa surpresa, o universo com a maior entropia (o que significa que é o mais provável, assim como os átomos se espalham pela caixa) é plano e se expande a uma taxa acelerada, exatamente como o real. Assim, argumentos estatísticos explicam por que o universo é plano e suave e tem uma pequena expansão acelerada, sem a necessidade de inflação cósmica.
Como as variações de densidade primordiais, normalmente atribuídas à inflação, teriam sido geradas em nosso universo espelhado e simétrico? Recentemente, mostramos que um tipo específico de campo quântico (um campo de dimensão zero) gera exatamente o tipo de variações de densidade que observamos, sem inflação. Importante, essas variações de densidade não são acompanhadas pelas ondas gravitacionais de longo comprimento de onda que a inflação prevê – e que não foram observadas.
Esses resultados são muito encorajadores. Mas mais trabalho é necessário para mostrar que nossa nova teoria é tanto matematicamente sólida quanto fisicamente realista.
Mesmo que nossa nova teoria falhe, ela nos ensinou uma lição valiosa. Pode haver explicações mais simples, poderosas e testáveis para as propriedades básicas do universo do que aquelas fornecidas pela ortodoxia padrão.
Ao enfrentarmos os profundos enigmas da cosmologia, guiados pelas observações e explorando direções ainda inexploradas, podemos ser capazes de lançar fundações mais seguras para a física fundamental e nossa compreensão do universo.
Neil Turok, Cadeira Higgs de Física Teórica, Universidade de Edimburgo
Este artigo foi republicado do The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
