Um “Universo espelho” retrocedendo no tempo pode ser a explicação mais simples para nosso Universo ser como parece.

O modelo do “Universo espelho”, com o Big Bang no centro: atualmente, a abordagem teórica dominante na Cosmologia combina a Teoria das Cordas e a “inflação cósmica”, prevendo um Cosmos incrivelmente complexo em escalas minúsculas, e completamente caótico em escalas muito grandes

Imagem: Neil Turok, CC BY-SA

Vivemos em uma era de ouro para aprender sobre o universo. Nossos telescópios mais poderosos revelaram que o cosmos é surpreendentemente simples nas maiores escalas visíveis. Da mesma forma, nosso “microscópio” mais poderoso, o Large Hadron Collider, não encontrou desvios da física conhecida nas menores escalas.

Essas descobertas não eram o que a maioria dos teóricos esperava. Hoje, a abordagem teórica dominante combina a teoria das cordas , uma estrutura matemática poderosa sem previsões físicas bem-sucedidas até agora, e a “ inflação cósmica” – a ideia de que, em um estágio muito inicial, o universo inchou descontroladamente em tamanho. Em combinação, a teoria das cordas e a inflação preveem que o cosmos seja incrivelmente complexo em escalas minúsculas e completamente caótico em escalas muito grandes.

A natureza da complexidade esperada pode 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 descontrolado e imprevisível que consiste em muitos universos, cada um com propriedades físicas e leis totalmente diferentes.

Até agora, as observações indicam exatamente o oposto . O que devemos fazer com a discrepância? Uma possibilidade é que a aparente simplicidade do universo seja meramente um acidente da gama limitada de escalas que podemos sondar hoje, e que quando observações e experimentos atingirem escalas pequenas ou grandes o suficiente, a complexidade declarada será revelada.

A outra possibilidade é que o universo seja realmente muito simples e previsível tanto na escala maior quanto na menor. Acredito que essa possibilidade deva ser levada muito mais a sério. Pois, se for verdade, podemos estar mais perto do que imaginamos de entender os quebra-cabeças mais básicos do universo. E algumas das respostas podem já estar bem na nossa cara.

O problema com a teoria das cordas e a inflação

A ortodoxia atual é o ápice de décadas de esforço de milhares de teóricos sérios. De acordo com a teoria das cordas, os blocos básicos de construção do universo são minúsculos laços vibrantes e pedaços de corda subatômica . Como atualmente entendido, a teoria só funciona se houver mais dimensões de espaço do que as três que experimentamos. Então, os teóricos das cordas assumem que a razão pela qual não as detectamos é que elas são minúsculas e enroladas.

Infelizmente, isso torna a teoria das cordas difícil de testar, pois há um número quase inimaginável de maneiras pelas quais as pequenas dimensões podem ser enroladas, com cada uma delas fornecendo um conjunto diferente de leis físicas nas grandes dimensões 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 ver. A ideia é que o universo infantil era pequeno e irregular, mas uma explosão extrema de expansão ultrarrápida o explodiu enormemente em tamanho, suavizando-o e achatando-o para ser consistente com o que vemos hoje.

A inflação também é popular porque potencialmente explica por que a densidade de energia no universo primitivo variou ligeiramente de um lugar para outro. Isso é importante porque as regiões mais densas teriam posteriormente colapsado sob sua própria gravidade, semeando a formação de galáxias.

Nas últimas três décadas, as variações de densidade têm sido medidas com mais e mais precisão, tanto pelo mapeamento da radiação cósmica de fundo – a radiação do big bang – quanto pelo mapeamento da distribuição tridimensional das galáxias.

Na maioria dos modelos de inflação, a explosão extrema inicial de expansão que suavizou e achatou o universo também gerou ondas gravitacionais de comprimento de onda longo –– ondulações no tecido do espaço-tempo. Tais ondas, se observadas, seriam um sinal de “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 constantemente, 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-inflacionários, cada um com diferentes propriedades físicas.

O cenário de inflação é baseado em suposições sobre as formas de energia presentes e as condições iniciais. Embora essas suposições resolvam alguns quebra-cabeças, elas criam outros. Teóricos das cordas e da inflação esperam que em algum lugar no vasto multiverso inflacionário, exista uma região de espaço e tempo com as propriedades certas para combinar com o universo que vemos.

No entanto, mesmo que isso seja verdade (e nenhum modelo desse tipo foi encontrado até agora), uma comparação justa de teorias deve incluir um “fator Occam” , quantificando a navalha de Occam, que penaliza teorias com muitos parâmetros e possibilidades em detrimento de outras mais simples e preditivas. Ignorar o fator Occam equivale a assumir que não há alternativa à hipótese complexa e imprevisível – uma afirmação que acredito ter pouca base.

Nas últimas décadas, houve muitas oportunidades para experimentos e observações revelarem sinais específicos da teoria das cordas ou inflação. Mas nenhum foi visto. Repetidamente, as observações se mostraram mais simples e mínimas do que o previsto.

Acredito que já passou da hora de reconhecer e aprender com esses fracassos, 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 acabem com a inflação e a teoria das cordas. Tomando como exemplo as observações, tentamos enfrentar alguns dos quebra-cabeças cósmicos mais profundos com um mínimo de suposições teóricas.

Nossas primeiras tentativas tiveram sucesso além das nossas esperanças mais otimistas. O tempo dirá se elas sobreviverão a um exame mais aprofundado. No entanto, o progresso que já fizemos me convence de que, com toda a probabilidade, há alternativas à ortodoxia padrão – que se tornou uma camisa de força da qual precisamos nos livrar.

Espero que nossa experiência encoraje outros, especialmente pesquisadores mais jovens, a explorar novas abordagens guiadas fortemente pela simplicidade das observações – e a serem mais céticos sobre os preconceitos de seus antepassados. Em última análise, devemos aprender com o universo e adaptar nossas teorias a ele, e não o contrário.

Boyle e eu começamos abordando 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 encolhe para um único ponto, a “singularidade inicial”.

Ao tentar dar sentido a esse começo infinitamente denso e quente, teóricos incluindo o ganhador do prêmio Nobel Roger Penrose apontaram para uma profunda simetria nas leis básicas que governam a luz e as partículas sem massa. Essa simetria, chamada 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, pode-se seguir a luz e as partículas até o começo. Ao fazer isso, Boyle e eu descobrimos que poderíamos descrever a singularidade inicial como um “espelho”: um limite refletivo no tempo (com o tempo avançando de um lado e retrocedendo do outro).

Imaginar o big bang como um espelho explica nitidamente muitas características do universo que, de outra forma, poderiam parecer conflitantes com as leis mais básicas da física. Por exemplo, para cada processo físico, a teoria quântica permite um processo de “espelho” no qual o espaço é invertido, o tempo é revertido e cada partícula é substituída por sua antipartícula (uma partícula semelhante a ela em quase todos os aspectos, mas com a carga elétrica oposta).

De acordo com essa poderosa simetria, chamada simetria CPT, o processo de “espelho” deve ocorrer precisamente na mesma taxa que o original. Um dos quebra-cabeças 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, você vê sua imagem espelhada atrás dele: se você é canhoto, a imagem é destra e vice-versa. A combinação de você e sua imagem espelhada são mais simétricas do que você sozinho.

Da mesma forma, quando Boyle e eu extrapolamos nosso universo de volta através do big bang, encontramos sua imagem espelhada, um universo pré-bang no qual (relativamente a nós) o tempo corre para trás e as antipartículas superam as partículas em número. Para que essa imagem seja verdadeira, não precisamos que o universo espelhado seja real no sentido clássico (assim como sua imagem em um espelho não é real). A teoria quântica, que governa o microcosmo de 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 para 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 que giram conforme se movem, como pequenos piões. Se você apontar o polegar da sua mão esquerda na direção em que o neutrino se move, então seus quatro dedos indicam a direção em que 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 de neutrinos leves e canhotos. Neutrinos estáveis ​​e destros seriam os candidatos perfeitos para a matéria escura porque eles não se acoplam a nenhuma das forças conhecidas, exceto a gravidade. Antes do nosso trabalho, não se sabia como eles poderiam ter sido produzidos no universo inicial quente.

Nossa hipótese de espelho nos permitiu calcular exatamente quantos deles se formariam e mostrar que eles poderiam explicar a matéria escura cósmica .

Uma previsão testável seguiu: se a matéria escura consiste em neutrinos estáveis ​​e destros, então um dos três neutrinos leves que conhecemos deve ser exatamente sem massa. Notavelmente, essa previsão está agora sendo testada usando observações do agrupamento gravitacional de matéria feitas por pesquisas de galáxias em larga escala .

A entropia dos universos

Encorajados por esse resultado, começamos a enfrentar outro grande quebra-cabeça: por que o universo é tão uniforme e espacialmente plano, não curvo, nas maiores escalas visíveis? O cenário de inflação cósmica foi, afinal, inventado por teóricos para resolver esse problema.

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 suavemente espalhadas pelo 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 seus argumentos à 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 espalhados na caixa) é plano e se expande a uma taxa acelerada, assim como o real. Então, argumentos estatísticos explicam por que o universo é plano e suave e tem uma pequena expansão acelerada positiva , sem necessidade de inflação cósmica.

Como as variações de densidade primordiais, geralmente atribuídas à inflação, teriam sido geradas em nosso universo de espelho 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. É importante ressaltar que essas variações de densidade não são acompanhadas pelas ondas gravitacionais de comprimento de onda longo que a inflação prevê – e que não foram vistas.

Esses resultados são muito encorajadores. Mas mais trabalho é necessário para mostrar que nossa nova teoria é matematicamente sólida e fisicamente realista.

Mesmo que nossa nova teoria falhe, ela nos ensinou uma lição valiosa. Pode muito bem haver explicações mais simples, mais poderosas e mais testáveis ​​para as propriedades básicas do universo do que aquelas que a ortodoxia padrão fornece.

Ao enfrentar os profundos enigmas da cosmologia, guiados pelas observações e explorando direções ainda inexploradas, poderemos estabelecer bases mais seguras tanto para a física fundamental quanto para nossa compreensão do universo.

The Conversation Brasil: artigo original em inglês