O Big Bang pode ser um de muitos.

Nosso universo pode estar se expandindo e contraindo eternamente.

Por Natalie Wolchover

Os humanos sempre tiveram duas teorias básicas sobre a origem do universo. “Numa delas, o universo surge em um único instante de criação (como nas cosmogonias judaico-cristã e brasileira de Carajás)”, observaram em 2008 os cosmólogos Mario Novello e Santiago Perez Bergliaffa . Na outra, “o universo é eterno, consistindo de uma série infinita de ciclos (como nas cosmogonias dos babilônios e egípcios)”. A divisão na cosmologia moderna “de alguma forma é paralela à dos mitos cosmogônicos”, escreveram Novello e Perez Bergliaffa.

Nas últimas décadas, não parecia uma grande competição. A teoria do Big Bang, material padrão de livros didáticos e programas de televisão, goza de forte apoio entre os cosmólogos de hoje. A imagem do universo eterno rival teve a vantagem há um século, mas perdeu terreno quando os astrônomos observaram que o cosmos está se expandindo e que era pequeno e simples há cerca de 14 bilhões de anos. Na versão moderna mais popular da teoria, o Big Bang começou com um episódio chamado de “ inflação cósmica ” – uma explosão de expansão exponencial durante a qual uma partícula infinitesimal de espaço-tempo se transformou em um cosmos macroscópico liso, plano, que se expandiu mais. suavemente em seguida.

Com um único ingrediente inicial (o “campo inflaton”), os modelos inflacionários reproduzem muitas características gerais do cosmos hoje. Mas como história de origem, falta inflação; levanta questões sobre o 2que o precedeu e de onde veio aquela partícula inicial carregada de inflaton. Implacáveis, muitos teóricos pensam que o campo do inflaton deve se encaixar naturalmente em uma teoria mais completa, embora ainda desconhecida, da origem do tempo.

Mas nos últimos anos, um número crescente de cosmólogos revisitou cautelosamente a alternativa. Eles dizem que o Big Bang pode ter sido um Big Bounce. Alguns cosmólogos defendem uma imagem em que o universo se expande e se contrai ciclicamente como um pulmão, saltando cada vez que encolhe até certo tamanho, enquanto outros propõem que o cosmos saltou apenas uma vez – que estava se contraindo, antes do salto, desde o infinito. passado, e que se expandirá para sempre depois. Em qualquer modelo, o tempo continua no passado e no futuro sem fim.

Com a ciência moderna, há esperança de resolver esse antigo debate. Nos próximos anos, os telescópios poderão encontrar evidências definitivas da inflação cósmica. Durante o surto de crescimento primordial – se isso acontecesse – ondulações quânticas no tecido do espaço-tempo teriam se esticado e depois impresso como redemoinhos sutis na polarização da luz antiga chamada de fundo cósmico de micro-ondas. Experimentos atuais e futuros com telescópios estão caçando esses redemoinhos. Se eles não forem vistos nas próximas duas décadas, isso não refutará totalmente a inflação (os redemoinhos indicadores podem simplesmente ser muito fracos para serem identificados), mas fortalecerá o caso da cosmologia do salto, que não prevê o padrão de redemoinho.

Já, vários grupos estão fazendo progresso ao mesmo tempo. Mais significativamente, no ano passado, os físicos criaram duas novas maneiras pelas quais os saltos poderiam ocorrer. Um dos modelos , descrito em um artigo que aparecerá no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , vem de Anna Ijjas , da Universidade de Columbia, estendendo o trabalho anterior com seu ex-conselheiro, o professor da Universidade de Princeton e cosmólogo de salto de alto perfil Paul Steinhardt.
Mais surpreendentemente, a outra nova solução de rejeição , aceita para publicação na Physical Review D , foi proposta por Peter Graham , David Kaplan eSurjeet Rajendran , um conhecido trio de colaboradores que se concentra principalmente em questões de física de partículas e não tem nenhuma conexão anterior com a comunidade de cosmologia de salto. É um desenvolvimento notável em um campo que é altamente polarizado na questão bang-vs.-bounce.

A questão ganhou significado renovado em 2001, quando Steinhardt e três outros cosmólogos argumentaram que um período de contração lenta na história do universo poderia explicar sua excepcional suavidade e nivelamento, como testemunhamos hoje, mesmo após um salto – sem necessidade de um período. da inflação.

A planicidade impecável do universo, o fato de que nenhuma região do céu contém significativamente mais matéria do que qualquer outra e que o espaço é incrivelmente plano até onde os telescópios podem ver, é um mistério. Para corresponder à sua uniformidade atual, os especialistas inferem que o cosmos, quando tinha um centímetro de diâmetro, deve ter a mesma densidade em todos os lugares, com uma precisão de uma parte em 100.000. Mas à medida que crescia de um tamanho ainda menor, matéria e energia deveriam ter se agrupado imediatamente e contorcido o espaço-tempo. Por que nossos telescópios não veem um universo destruído pela gravidade?

“A inflação foi motivada pela ideia de que era loucura ter que supor que o universo fosse tão liso e não curvo”, diz o cosmólogo Neil Turok , diretor do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Ontário, e coautor do livro o artigo de 2001 sobre a contração cósmica com Steinhardt, Justin Khoury e Burt Ovrut. No cenário de inflação, a região do tamanho do centímetro resulta da expansão exponencial de uma região muito menor – uma partícula inicial medindo não mais do que um trilionésimo de um trilionésimo de centímetro de diâmetro.

Contanto que esse ponto fosse infundido com um campo de inflaton que fosse liso e plano, o que significa que sua concentração de energia não flutuaria no tempo ou no espaço, o ponto teria inflado em um universo enorme e suave como o nosso. Raman Sundrum, um físico teórico da Universidade de Maryland, diz que o que ele aprecia na inflação é que “ela tem uma espécie de tolerância a falhas embutida”. Se, durante essa fase de crescimento explosivo, houvesse um acúmulo de energia que dobrasse o espaço-tempo em um determinado lugar, a concentração teria inflado rapidamente. “Você faz pequenas alterações em relação ao que vê nos dados e vê o retorno ao comportamento que os dados sugerem”, diz Sundrum.

No entanto, de onde exatamente esse ponto infinitesimal veio, e por que ele ficou tão liso e plano, ninguém sabe. Os teóricos encontraram muitas maneiras possíveis de incorporar o campo do inflaton na teoria das cordas , uma candidata à teoria quântica da gravidade subjacente. Até agora, não há evidências a favor ou contra essas ideias.

A inflação cósmica também tem uma consequência controversa. A teoria – que foi lançada na década de 1980 por Alan Guth , Andrei Linde , Aleksei Starobinsky e (de todas as pessoas) Steinhardt, quase automaticamente leva à hipótese de que nosso universo é uma bolha aleatória em um multiverso infinito e espumante.mar. Uma vez que a inflação começa, os cálculos sugerem que ela continua para sempre, apenas parando em bolsões locais que então florescem em universos de bolhas como o nosso.

A possibilidade de um multiverso eternamente inflado sugere que nossa bolha em particular pode nunca ser totalmente compreensível em seus próprios termos, já que tudo o que pode acontecer em um multiverso acontece infinitas vezes. O assunto evoca desacordo visceral entre os especialistas. Muitos se reconciliaram com a ideia de que nosso universo poderia ser apenas um entre muitos; Steinhardt chama o multiverso de “bobagem”.

Esse sentimento motivou, em parte, a reviravolta dele e de outros pesquisadores. “Os modelos saltitantes não têm um período de inflação”, diz Turok. Em vez disso, eles adicionam um período de contração antes de um Big Bounce para explicar nosso universo uniforme. “Assim como o gás na sala em que você está sentado é completamente uniforme porque as moléculas de ar estão batendo e se equilibrando”, diz ele, “se o universo fosse muito grande e se contraindo lentamente, isso daria bastante tempo para o universo suavizar-se.”

Embora os primeiros modelos de universo em contração fossem complicados e falhos, muitos pesquisadores se convenceram da ideia básica de que a contração lenta pode explicar muitas características do nosso universo em expansão. “Então o gargalo tornou-se literalmente o gargalo – o próprio salto”, diz Steinhardt. Como Ijjas coloca, “o salto tem sido o ponto alto para esses cenários. As pessoas concordam que é muito interessante se você puder fazer uma fase de contração, mas não se você não conseguir chegar a uma fase de expansão.”

Saltar não é fácil. Na década de 1960, os físicos britânicos Roger Penrose e Stephen Hawking provaram um conjunto dos chamados “teoremas da singularidade” mostrando que, sob condições muito gerais, a matéria e a energia em contração inevitavelmente se esmagarão em um ponto imensuravelmente denso chamado singularidade.
Esses teoremas tornam difícil imaginar como um universo em contração no qual espaço-tempo, matéria e energia estão todos correndo para dentro poderia evitar o colapso até uma singularidade - um ponto em que a teoria clássica da gravidade e do espaço-tempo de Albert Einstein quebra e as regras desconhecidas da teoria da gravidade quântica . Por que um universo em contração não deveria ter o mesmo destino de uma estrela massiva, que morre encolhendo para o centro singular de um buraco negro ?

Ambos os modelos de rejeição recém-propostos exploram brechas nos teoremas da singularidade – aqueles que, por muitos anos, pareciam becos sem saída. Os cosmólogos do salto há muito reconhecem que os saltos podem ser possíveis se o universo contiver uma substância com energia negativa (ou outras fontes de pressão negativa), que neutralizaria a gravidade e essencialmente separaria tudo.
Eles tentam explorar essa brecha desde o início dos anos 2000, mas sempre descobriram que a adição de ingredientes de energia negativa tornava seus modelos do universo instáveis, porque as flutuações quânticas de energia positiva e negativa poderiam surgir espontaneamente juntas, sem controle, de o vácuo de energia zero do espaço. Em 2016, o cosmólogo russo Valery Rubakov e seus colegas até provaram um teorema de “não ir”que parecia descartar uma enorme classe de mecanismos de rejeição, alegando que eles causavam as chamadas instabilidades “fantasmas”.

Então Ijjas encontrou um mecanismo de rejeição que evita o teorema de não ir. O ingrediente-chave em seu modelo é uma entidade simples chamada “campo escalar”, que, de acordo com a ideia, teria entrado em ação à medida que o universo se contraísse e a energia se tornasse altamente concentrada.
O campo escalar teria se entrelaçado ao campo gravitacional de uma forma que exerceu pressão negativa sobre o universo, revertendo a contração e separando o espaço-tempo – sem desestabilizar tudo. O artigo de Ijjas “é essencialmente a melhor tentativa de se livrar de todas as instabilidades possíveis e criar um modelo realmente estável com esse tipo especial de matéria”, diz Jean-Luc Lehners , cosmólogo teórico do Instituto Max Planck de Física Gravitacional na Alemanha, que também trabalhou em propostas de rejeição.

O que é especialmente interessante sobre os dois novos modelos de salto é que eles são “não-singulares”, o que significa que o universo em contração salta e começa a se expandir novamente antes de encolher a um ponto. Esses saltos podem, portanto, ser totalmente descritos pelas leis clássicas da gravidade, não exigindo especulações sobre a natureza quântica da gravidade.

Graham, Kaplan e Rajendran, da Stanford University, Johns Hopkins University e UC Berkeley, respectivamente, relataram sua ideia de rejeição não-singular no site de pré-impressão científica ArXiv.org em setembro de 2017. A fase de contração na história do universo poderia ser usada para explicar o valor da constante cosmológica – um número mistificamente minúsculo que define a quantidade de energia escura infundida no tecido do espaço-tempo, energia que impulsiona a expansão acelerada do universo.

Ao resolver a parte mais difícil - o salto - o trio explorou uma segunda brecha amplamente esquecida nos teoremas da singularidade. Eles se inspiraram em um modelo caracteristicamente estranho do universo proposto pelo lógico Kurt Gödel em 1949, quando ele e Einstein eram companheiros de caminhada e colegas no Instituto de Estudos Avançados em Princeton, Nova Jersey. Gödel usou as leis da relatividade geral para construir a teoria de um universo em rotação, cuja rotação o impede de colapsar gravitacionalmente da mesma forma que a órbita da Terra o impede de cair no sol.
Gödel gostou especialmente do fato de que seu universo rotativo permitia “curvas semelhantes ao tempo fechadas”, essencialmente loops no tempo, o que levantava todos os tipos de enigmas gödelianos. Até o dia de sua morte, ele esperou ansiosamente por evidências de que o universo realmente está girando à maneira de seu modelo. Os pesquisadores agora sabem que não; caso contrário, o cosmos exibiria alinhamentos e direções preferenciais. Mas Graham e companhia se perguntavam sobre dimensões espaciais pequenas e enroladas que poderiam existir no espaço, como as seis dimensões extras postuladas pela teoria das cordas. Poderia um universo em contração girar nessas direções?

Imagine que há apenas uma dessas dimensões extras enroladas, um pequeno círculo encontrado em todos os pontos do espaço. Como Graham diz: “Em cada ponto no espaço há uma direção extra em que você pode ir, uma quarta direção espacial, mas você só pode percorrer uma pequena distância e depois voltar para onde começou”. Se houver pelo menos três dimensões compactas extras, então, à medida que o universo se contrair, a matéria e a energia podem começar a girar dentro delas, e as próprias dimensões vão girar com a matéria e a energia. A vorticidade nas dimensões extras pode de repente iniciar um salto. “Todas essas coisas que estariam sendo esmagadas em uma singularidade, porque estão girando nas dimensões extras, erra – como um estilingue gravitacional”, diz Graham. “Todas as coisas deveriam estar chegando a um único ponto,

O artigo atraiu a atenção para além do círculo habitual de cosmólogos saltitantes. Sean Carroll , físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, é cético, mas chamou a ideia de “muito inteligente”. Ele diz que é importante desenvolver alternativas para a história da inflação convencional, mesmo que seja apenas para ver o quanto a inflação melhor aparece em comparação - especialmente quando os telescópios da próxima geração entram em operação no início de 2020 procurando o padrão de redemoinho revelador no céucausados ​​pela inflação.
“Embora eu ache que a inflação tem uma boa chance de estar certa, gostaria que houvesse mais concorrentes”, diz Carroll. Sundrum, o físico de Maryland, sente o mesmo. “Há algumas questões que considero tão importantes que, mesmo que você tenha apenas 5% de chance de sucesso, deve jogar tudo o que tem e trabalhar nelas”, diz ele. “E é assim que me sinto sobre este papel.”

Enquanto Graham, Kaplan e Rajendran exploram seu salto e suas possíveis assinaturas experimentais, o próximo passo para Ijjas e Steinhardt, trabalhando com Frans Pretorius de Princeton, é desenvolver simulações de computador. (Sua colaboração é apoiada pela Simons Foundation , que também financia a Quanta Magazine .) Ambos os mecanismos de rejeição também precisam ser integrados em modelos cosmológicos mais completos e estáveis ​​que descreveriam toda a história evolutiva do universo.

Além dessas soluções de saltos não singulares, outros pesquisadores estão especulando sobre que tipo de salto pode ocorrer quando um universo se contrai até uma singularidade – um salto orquestrado pelas desconhecidas leis quânticas da gravidade, que substituem a compreensão usual de espaço e tempo em energias extremamente altas. No próximo trabalho, Turok e colaboradores planejam propor um modelo no qual o universo se expande simetricamente no passado e no futuro, longe de um salto central e singular.
Turok afirma que a existência deste universo de dois lóbulos é equivalente à criação espontânea de pares elétron-pósitron, que constantemente entram e saem do vácuo. “Richard Feynman apontou que você pode olhar para o pósitron como um elétron voltando no tempo”, diz ele. “São duas partículas, mas na verdade são a mesma coisa; em um determinado momento eles se fundem e se aniquilam.” Ele acrescentou: “A ideia é muito, muito profunda, e muito provavelmente o Big Bang será semelhante, onde um universo e seu anti-universo foram desenhados do nada, se você quiser, pela presença de matéria. .”

Resta saber se esse modelo de salto universo/anti-universo pode acomodar todas as observações do cosmos, mas Turok gosta de como é simples. A maioria dos modelos cosmológicos são muito complicados em sua opinião. O universo “parece extremamente ordenado, simétrico e simples”, diz ele. “Isso é muito emocionante para os teóricos, porque nos diz que pode haver uma teoria simples – mesmo que difícil de descobrir – esperando para ser descoberta, o que pode explicar as características mais paradoxais do universo.”

Natalie Wolchover é redatora sênior da Quanta Magazine