Tudo começou com um Big Bang – a busca para desvendar o mistério por trás do nascimento do universo

Konstantinos Dimopoulos

Professor em Cosmologia de Partículas, Universidade de Lancaster

THE CONVERSATION BRASIL: Como tudo começou? É uma questão que os humanos têm ponderado por milhares de anos. Ao longo do último século, mais ou menos, a ciência se concentrou em uma resposta: o Big Bang .

Isto descreve como o Universo nasceu em uma explosão cataclísmica há quase 14 bilhões de anos. Em uma pequena fração de segundo , o universo observável cresceu o equivalente a uma bactéria se expandindo para o tamanho da Via Láctea. O universo primitivo era extraordinariamente quente e extremamente denso. Mas como sabemos que isso aconteceu?

Vamos primeiro olhar para as evidências. Em 1929, o astrônomo americano Edwin Hubble descobriu que galáxias distantes estão se afastando umas das outras, levando à percepção de que o universo está se expandindo. Se voltássemos o relógio para o nascimento do cosmos, a expansão se reverteria e as galáxias cairiam umas sobre as outras há 14 bilhões de anos. Essa idade concorda muito bem com as idades dos objetos astronômicos mais antigos  que observamos .

A ideia foi inicialmente recebida com ceticismo – e foi na verdade um cético, o astrônomo inglês Fred Hoyle , que cunhou o nome. Hoyle sarcasticamente descartou a hipótese como um “Big Bang” durante uma entrevista à 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. Isso ficou conhecido como radiação 
cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) . É um tipo de brilho residual da explosão do Big Bang, liberado quando o cosmos tinha apenas 380.000 anos.

O CMB fornece uma janela para as condições quentes e densas no começo 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 Large Hadron Collider (LHC) lançaram luz sobre condições ainda mais próximas do tempo do Big Bang. Nossa compreensão da física nessas altas energias sugere que, nos primeiros momentos após o Big Bang, as quatro forças fundamentais da física que existem hoje foram inicialmente combinadas em uma única força.

As quatro forças atuais são a gravidade, o eletromagnetismo, a força nuclear forte e a força nuclear fraca. Conforme o universo se expandia e esfriava, uma série de mudanças drásticas, chamadas transições de fase (como a ebulição ou congelamento da água), separavam essas forças.

Experimentos em aceleradores de partículas sugerem que alguns bilionésimos de segundo após o Big Bang, a última dessas transições de fase ocorreu. Esta foi a quebra da unificação eletrofraca, quando o eletromagnetismo e a força nuclear fraca deixaram de ser combinados. Foi quando toda a matéria no Universo assumiu sua massa.

Avançando mais no tempo, o universo é preenchido com uma substância estranha chamada plasma de quarks e glúons . Como o nome sugere, essa “sopa primordial” era composta de quarks e glúons. Essas são partículas subatômicas que são responsáveis ​​pela força nuclear forte. O plasma de quarks e glúons foi gerado artificialmente em 2010 no Laboratório Nacional de Brookhaven e em 2015 no LHC .

Quarks e glúons têm uma forte atração um pelo outro 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 primitivo, eles existiam independentemente.

O plasma quark-gluon não durou muito. Apenas alguns milionésimos de segundo após o Big Bang, conforme o universo se expandia e esfriava, quarks e gluons se aglomeraram como prótons e nêutrons, a situação que persiste até hoje. Esse evento é chamado de confinamento de quarks.

À medida que o universo se expandia e esfriava ainda mais, havia menos fótons de alta energia (partículas de luz) no universo do que havia anteriormente. Este é um gatilho para o processo chamado nucleossíntese do Big Bang (BBN) . É quando os primeiros núcleos atômicos – os densos pedaços de matéria feitos de prótons e nêutrons e encontrados nos centros dos átomos – se formaram por meio de reações de fusão nuclear, como aquelas que alimentam o Sol.

Quando havia mais fótons de alta energia no universo, qualquer núcleo atômico que se formasse teria sido rapidamente destruído por eles (um processo chamado fotodisintegração). A BBN cessou apenas alguns minutos após o Big Bang, mas suas consequências são observáveis ​​hoje.

Observações por astrônomos nos forneceram evidências para as abundâncias primordiais de elementos produzidos nessas reações de fusão. Os resultados concordam de perto com a teoria da BBN. ​​Se continuássemos, por quase 14 bilhões de anos, chegaríamos à situação que existe hoje. Mas quão perto podemos chegar de entender o que estava acontecendo perto do momento do próprio Big Bang?

Os cientistas não têm evidências diretas do que veio antes do colapso da unificação eletrofraca (quando o eletromagnetismo e a força nuclear fraca deixaram de ser combinados). Em energias tão altas e tempos tão antigos, só podemos encarar o mistério do Big Bang. Então, o que a teoria sugere?

Quando voltamos no tempo pela história do cosmos, as distâncias e volumes encolhem, enquanto a densidade média de energia cresce. No Big Bang, as distâncias e volumes caem para zero, todas as partes do universo caem umas sobre as outras e a densidade de energia do universo se torna infinita. Nossas equações matemáticas, que descrevem a evolução do espaço e a expansão do cosmos, tornam-se infestadas por zeros e infinitos e param de fazer sentido.

Chamamos isso de singularidade . A teoria da relatividade geral de Albert Einstein descreve como o espaço-tempo é moldado. O espaço-tempo é uma maneira de descrever a geometria tridimensional do universo, mesclada com o tempo. Uma curvatura no espaço-tempo dá origem à gravidade.

Mas a matemática sugere que há lugares 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. Nesses lugares, a teoria da relatividade geral falha.

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 em 2020. Hawking faleceu em 2018 e os Prêmios Nobel não são concedidos postumamente. Espaço e tempo aparecem na singularidade do Big Bang, então questões sobre o que acontece “antes” do Big Bang não estão bem definidas. Até onde a ciência pode dizer, não há antes; o Big Bang é o início do tempo.

No entanto, a natureza não é descrita com precisão apenas pela relatividade geral, embora esta já exista há mais de 100 anos e não tenha sido refutada. A relatividade geral não pode descrever átomos, fusão nuclear ou radioatividade. Esses fenômenos são, em vez disso, abordados pela teoria quântica.

Teorias da física “clássica”, como a relatividade , são determinísticas . Isso significa que certas condições iniciais têm um resultado definido e são, portanto, 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 um tanto preditiva, mas de uma forma probabilística. Os resultados recebem uma probabilidade de existir. Se a distribuição matemática de probabilidades atinge um pico acentuado em um determinado resultado, então a situação é bem descrita por uma teoria “clássica”, como a relatividade geral. Mas nem todos os sistemas são assim. Em alguns sistemas, por exemplo, átomos, a distribuição de probabilidade é espalhada e uma descrição clássica não se aplica.

E 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, então a natureza quântica da gravidade não pode ser ignorada. Aqui, o espaço-tempo não é mais suave, mas retorcido, semelhante a um tapete que parece suave de longe, mas 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 fica sobrecarregado por características “retorcidas”: ganchos, laços e bolhas. Essa situação de flutuação rápida é chamada de espuma do espaço-tempo .

Na espuma do espaço-tempo, a causalidade não se aplica, pois há loops fechados no espaço-tempo em que o futuro de um evento também é seu passado (portanto, seu resultado também pode ser sua causa). A natureza probabilística da Teoria Quântica sugere que, quando a distribuição de probabilidade é uniforme, 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, pouco antes de encontrarmos a singularidade do Big Bang, entraremos em uma época em que os efeitos quânticos da gravidade são dominantes e a causalidade não se aplica. Essa é a chamada época de Planck.

O tempo deixa de ser linear, indo do passado para o futuro, e passa a ser fragmentado, caótico e aleatório. Isso significa que a pergunta “por que ocorreu o Big Bang?” não tem sentido, porque fora da causalidade, os eventos não precisam de uma causa para ocorrer.

Para entender como a física funciona em uma singularidade como o Big Bang, precisamos de uma teoria sobre como a gravidade se comporta de acordo com a Teoria Quântica. Infelizmente, não temos uma. Há vários esforços nesse sentido, como a loop quantum gravity e Teria das Cordas, com suas várias encarnações.

No entanto, esses esforços são, na melhor das hipóteses, incompletos, porque o problema é notoriamente difícil. Isso significa que a espuma do espaço-tempo tem uma mística totêmica e poderosa, muito parecida com o antigo Caos de Hesíodo , que os gregos acreditavam que existia no começo.

Então, como nosso universo em expansão e amplamente clássico escapou da espuma do espaço-tempo? Isso nos leva à inflação cósmica. Esta última é definida como um período de expansão acelerada no universo primitivo. Foi introduzido pela primeira vez pelo físico teórico russo Alexei Starobinsky em 1980 e, paralelamente, no mesmo ano, pelo físico americano Alan Guth , que cunhou o nome.

A inflação torna o universo grande e uniforme, de acordo com 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.

Teoria justificada

Observações precisas do fundo cósmico de micro-ondas nas últimas décadas confirmaram espetacularmente as previsões de inflação. Também sabemos que o universo pode de fato passar por expansão acelerada , porque nos últimos bilhões de anos ele começou a fazê-lo novamente.

O que isso tem a ver com a espuma do espaço-tempo? Bem, acontece que, se as condições para inflação surgirem (por acaso) em um pedaço de espaço-tempo flutuante, como pode ocorrer com a espuma do espaço-tempo, então essa região infla e começa a se conformar à física clássica.

De acordo com uma ideia proposta pela primeira vez pelo físico russo-americano Andrei Linde, a inflação é uma consequência natural – e talvez inevitável – das condições iniciais caóticas no universo primitivo.

O ponto é que nosso universo clássico poderia ter surgido de condições caóticas, como aquelas na espuma do espaço-tempo, ao experimentar um impulso inicial de inflação. Isso teria desencadeado a expansão do universo. De fato, as observações dos astrônomos do CMB sugerem que o impulso inicial é explosivo, já que a expansão é exponencial durante a inflação.

Em 20 de março de 2014, Alan Guth explicou sucintamente: “Eu costumo descrever a inflação como uma teoria do ‘estrondo’ do Big Bang: ela descreve o mecanismo de propulsão que chamamos de Big Bang.”

Então, aí está. A história de 14 bilhões de anos do nosso universo começa com uma explosão cataclísmica em todo o espaço, que chamamos de Big Bang. Isso está além de qualquer dúvida razoável. Esta explosão é realmente um período de expansão explosiva, que chamamos de inflação cósmica. O que acontece antes da inflação, no entanto? É uma singularidade do espaço-tempo, é espuma do espaço-tempo? A resposta é amplamente desconhecida.

Na verdade, pode até ser incognoscível, porque há um teorema matemático que nos proíbe de acessar informações sobre o início da inflação, muito parecido com aquele que nos impede de saber sobre o interior dos buracos negros . Então, do nosso ponto de vista, a inflação cósmica é o Big Bang, a explosão que deu início a tudo.

Via: THE CONVERSATION BRASIL