Novas teorias sobre o universoCom o desenvolvimento da teoria quântica de campos, da física das partículas elementares de altas energias e o aparecimento da teoria da inflação na cosmologia muitos pesquisadores passaram a se interessar mais pelo universo primordial. Essa fase da existência do universo parecia exigir dos pesquisadores uma compreensão bem mais detalhada da física de altíssimas densidades e energias que existiu nela. No entanto logo se verificou que o estudo do universo primordial exigia muito mais do que isso.
Entender como o universo foi criado, como surgiram as propriedades associadas a espaço e tempo, e até mesmo se essa criação existiu ou não, fez com que os cientistas que dedicam suas vidas à cosmologia tivessem que ousar na imaginação de quais poderiam ser as respostas a essas questões tão fundamentais. Muitas idéias surgiram, grande parte delas baseadas na teoria da inflação mas várias outras foram absolutamente inovadoras e muitas extremamente ousadas.
Vejamos agora, de modo bem resumido, algumas dessas idéias. Queremos lembrar ao leitor que não se trata aqui de apresentar simples opiniões de cientistas sobre a possível formação do espaço e tempo. Como já dissemos ao longo desse curso, por trás de cada uma dessas hipóteses existe uma matemática super sofisticada e muito trabalho, estritamente científico. Mais uma vez repito, ciência não se faz com apenas uma idéia na cabeça. É necessário complementá-la colocando-a sob a supervisão do amplo conhecimento de física e matemática que dão a ela o envoltório necessário para que possa ser entendida como uma teoria científica e não apenas como uma "sugestão".
O universo que se auto-reproduz A teoria do universo que se auto-reproduz declara que o Big Bang começou como uma flutuação quântica microscópica que ocorreu em algum lugar em um universo que existia anteriormente ao nosso.
Do mesmo modo, o nosso universo pode estar "grávido" de outros universos. Isso que dizer que a qualquer momento outros eventos semelhantes ao Big Bang poderiam ocorrer só que desta vez no nosso próprio universo. O problema é que esses nascimentos explosivos somente poderiam ser observados com muita dificuldade e pode até mesmo ser que eles não sejam observados de modo algum!
A inflação caótica Essa teoria foi proposta por Andrei Linde, pesquisador do Instituto de Física Lebedev de Moscou, Rússia. Para ele o universo é uma entidade auto-reprodutora, que existe eternamente, e que está dividida em vários mini-universos alguns dos quais são muito maiores do que a porção observável do nosso universo.
Na teoria de Linde as leis da física de baixas energias e mesmo a dimensionalidade do espaço-tempo podem ser diferentes em cada um desses mini-universos.
Na inflação caótica de Linde o campo quântico que dá origem ao universo não é suave em uma escala microscópica mas em vez disso ele lembra uma "espuma de espaço-tempo", caótica e não homogênea. Em algumas regiões dessa espuma a densidade de energia poderia ser tão alta quanto 1093 gramas por centímetro cúbico ou seja 125 ordens de magnitude maior do que aquela do universo visível hoje.
Nessa teoria outros Big Bangs poderiam começar em qualquer lugar desta "espuma" e permanecerem totalmente disconectados um do outro para sempre. Poderia até mesmo ocorrer que um número infinito de universos se originassem desse campo caótico sem interferir um com o outro.
Similarmente, nosso próprio espaço-tempo ordinário poderia ser caoticamente "espumante" na escala muito pequena de 10-33 centímetros. Ele também poderia dar origem a outros universos. As criações poderiam assim formar uma cascata, uma a partir da outra, cada uma produzindo talvez muitos outros universos. Alguns desses universos recém nascidos colapsariam logo ao nascer mas outros se expandiriam em uma ampla inflação.
Teria sido o nosso universo o primeiro nessa cascata? Linde considera muitíssimo improvável que o nosso universo esteja no topo dessa "árvore" de universos.
A inflação eterna Após a exposição da teoria da inflação original pelo físico norte-americano Alan Guth, um grande número de variações sobre o mesmo tema básico foi proposto por diversos outros cientistas. Isso levou a outras formas de teoria de inflação que receberam nomes diversos tais como "inflação híbrida", "inflação caótica", "inflação eterna", "inflação hiperextendida", etc. Vejamos algumas dessas idéias, começando com a "inflação eterna" proposta por Guth e Linde.
Segundo os autores dessa idéia, depois de cerca de 10-30 segundos de inflação, metade da região original que estava no estado de falso vácuo teria decaido em um estado de vácuo normal. Só que isso teria deixado metade do universo ainda no estado de falso vácuo, o que significa que ele continuou a sofrer inflação.
Cálculos teóricos (sobre os quais alguns renomados cientistas têm dúvidas) mostram que a taxa desta inflação, na verdade, teria sido muito maior do que a taxa na qual o estado de falso vácuo decaiu. Um simples raciocínio diz que se algumas áreas estavam sofrendo inflação muito mais rapidamente do que outras estavam sofrendo decaimento, a inflação teria superado o decaimento. Além disso, até hoje alguma parte do universo deveria estar ainda sofrendo o processo inflacionário. Em outras palavras, uma vez que a inflação inicia ela é eterna.
Se esta teoria é correta, vivemos em uma região na qual o estado de falso vácuo decaiu, dando origem a um universo Big Bang padrão. No entanto, outras áreas deste universo deveriam ainda estar passando por inflação.
Multiversos Se a proposta de Linde que vimos acima, a teoria da "inflação caótica", está correta existiriam ainda algumas áreas nas quais a inflação nunca realmente aconteceu. O resultado disso seria uma entidade multiramificada, fractal, gigantesca, chamada multiverso.
Nessa teoria nosso universo nasceu de uma pequena bolha de espaço-tempo que sofreu inflação a partir de uma região pré existente. Esta região, por sua vez, se inflacionou a partir de uma região prévia e assim por diante. Poderíamos seguir está linha de raciocínio para trás de tal modo que o nascimento original do espaço-tempo - a origem fundamental do universo - teria ocorrido há tanto tempo que poderia ser inútil perguntar como ela ocorreu.
Nessa teoria o nosso universo seria apenas uma componente do multiverso, o qual continua crescendo através de uma série de big bangs por muito mais tempo do que a nossa pequena região no multiverso inteiro. E ele continuará a crescer eternamente.
A teoria do multiverso é profundamente complexa. Na verdade, ela nos propõe que as leis da física provavelmente seriam diferentes em cada ramo dessa imensa árvore. Isso significa que poderia nunca ser possível compreender como outras partes do multiverso funcionaram até agora. Isso faria com que nunca fosse possível deduzir uma única e simples teoria unificada para todas as leis da física uma vez que elas poderiam, e certamente seriam, diferentes em cada uma das bolhas geradas nesse multiverso.
A hipótese sem-contorno ("no-boundary" hypothesis) Em 1983 Hartle e Hawking começaram a trabalhar sobre a questão da singularidade cosmológica usando uma abordagem matemática conhecida como "integral de trajetória". Eles procuraram calcular os problemas que surgiam se o universo tivesse começado de várias maneiras diferentes.
Desse trabalho saiu uma proposta chamada de "no-boundary hypothesis", que traduzimos livremente como "hipótese sem contorno".
Para entender a chamada "no-boundary hypothesis" vamos precisar da ajuda de uma figura geométrica muito simple, um cone.
Imagine que o cone representa a evolução do universo. O tempo cresce ao lado do cone, do seu vértice para cima, enquanto que o espaço se desloca em torno do cone. Note que à medida que você se desloca para cima no cone, do seu vértice para sua base ou seja na direção crescente do tempo a largura do cone, que é o espaço, aumenta. A origem do tempo e do espaço ocorre no ponto localizado na parte inferior do cone, o seu vértice. No modelo tradicional do Big Bang esta é a singularidade.
Mas, na física quântica não há tal coisa como um ponto preciso. Há sempre uma incerteza associada a ele. Para visualizar isto, imagine que o ponto é arredondado como se ele fosse a ponta de uma caneta esferográfica, só que poderosamente diminuida. Isso é exatamente o que a integral de trajetória de Hartle e Hawking preve como a configuração mais provável para o universo no seu nascimento. Ao invés da dimensão do tempo (que cresce ao longo do lado do cone) começar em um ponto discreto ela emerge da dimensão do espaço (em torno do cone). E do mesmo modo como não há ponto sobre a superfície de uma esfera onde podemos dizer que a esfera "começa", não há ponto distinto sobre o fundo arredondado, hemisférico, do cone onde o espaço e/ou o tempo começam. Simplesmente não há ponto inicial e não há distinção entre espaço e tempo, ou mesmo entre passado e futuro.
Em resumo, Hartle e Hawking propuseram que o universo se inflacionou a partir do vértice arredondado de um cone. Havia entretanto um problema com a teoria. Hartle e Hawking conseguiram completar seus cálculos de integrais de trajetória usando uma classe de teorias inflacionárias que produziam somente universos fechados. Como as observações atuais sugerem que o universo é ou aberto ou plano, o modelo de criação de Hartle e Hawking conduzia a um universo de um tipo diferente daquele em que vivemos.
A inflação dupla Desde meados dos anos de 1990 Turok passou a procurar uma teoria de inflação para um universo aberto. Trabalhando com Martin Bucher da Cambridge University e Alfred Goldhaber da State University of New York at Stony Brook, Turok encontrou que uma dose dupla de inflação, na qual um universo bolha se forma dentro de uma bolha maior, poderia resolver o problema. De modo bastante estranho, os cálculos mostraram que o espaço no interior da bolha que está inflacionando, a qual corresponde ao nosso universo, é geometricamente aberto.
O próprio Turok reconhece que este cenário não descreve de onde vieram os primeiros campos que impelem a inflação (as condições iniciais) nem por que necessariamente deveriam haver duas fases de inflação.
O universo a partir de um instanton Turok procurou Hawking que sugeriu que poderia ser possível resolver o problema surgido na teoria de inflação dupla modificando a idéia "no-boundary" que ele havia desenvolvido com Hartle. Isso poderia levar à produção de um universo bolha aberto com somente uma época de inflação. Tal teoria simplificaria bastante as coisas e explicaria as condições iniciais para a inflação, o que significa nada menos do que as condições iniciais do próprio universo.
Inicialmente a abordagem usando integrais de trajetória descartaram soluções de inflação aberta a partir do "cone" "no-boundary" de Hartle e Hawking. No entanto, quando Turok adicionou a energia gravitacional ao problema tudo mudou. Como sabemos, uma vez que energia é equivalente a massa, a energia cria um campo gravitacional. A gravidade, por sua vez, tem um aspecto especial: sua energia é negativa. Em outras palavras a energia positiva infinita produziria uma energia negativa infinita perfeitamente equilibrada.
Ao colocarem esses conceitos nos seus cálculos, Turok e Hawking notaram que o novo modelo era capaz de produzir um universo inflacionário aberto e sem qualquer inflação dupla. Seus cálculos até mesmo mostraram que tal tipo de universo era o universo mais provável.
Com o que esse universo primordial pareceria? Segundo uma entrevista dada por Turok para um jornal inglês esse universo primordial pareceria com uma incomensuravelmente pequena "ervilha": pequena, não perfeitamente redonda, e com pequenas "covinhas".
Só que essa seria uma "ervilha" muito especial. Seu tamanho seria de apenas um milionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo do tamanho normal de uma ervilha! No entanto, ela seria um pouco mais densa do que a matéria ordinária e assim sua massa seria quase a mesma de uma ervilha.
No entanto, essa "ervilha cósmica" é muito especial. Nela o espaço e o tempo estão misturados de tal modo que sua metade "inferior" é semelhante ao vértice arredondado do cone que vimos no modelo "no-boundary" original de Hartle e Hawking. Nesse novo modelo de Turok e Hawking o tempo, mais uma vez, emerge da geometria do espaço e não há nenhum começo discreto para ambos.
Quando Turok e Hawking realizaram os cálculos sobre o incrível objeto que dá origem a este modelo cosmológico verificaram que um universo inflacionário aberto surgia, quase instantaneamente, da metade "superior" da "ervilha". Dai eles terem dado a essa "ervilha cósmica" o nome de instanton.
E qual a necessidade desse instanton possuir irregularidades na sua superfície? Na verdade essas irregularidades são uma representação física de flutuações quânticas que teriam perturbado o tecido do espaço-tempo. Quando o instanton desenvolve rapidamente o universo, essas imperfeições existentes na sua superfície formam um tipo de desenho cósmico sobre o qual o universo toma sua feição.
Essa teoria é perfeita? Várias vozes de renome se levantaram contra ela. Muitos críticos dizem que Turok e Hawking não eliminaram inteiramente a singularidade pois ela sobrevive como um ponto no interior do instanton primordial. Turok rebate dizendo que essa singularidade é tão amena quanto aquela existente no campo elétrico no centro de um átomo de hidrogênio. Para ele a singularidade existente no centro de um instanton primordial é tão aceitável quanto aquela existente no centro de um buraco negro e que, embora saibamos que existe, em nenhum momento colocamos dúvidas sobre a existência desse objeto cósmico. Para Tukok o que eles fizeram foi contornar a singularidade em vez de evitá-la totalmente, encontrando um caminho que permite ir até o princípio do tempo e contornar a singularidade.
Outros cientistas alegam que o instanton dá origem a um universo que é aberto demais. Nesse caso, a densidade de matéria deveria ser tão baixa que as galáxias seriam muito poucas e estariam muito espaçadas. Segundo eles, mesmo usando o Hubble Space Telescope, não seríamos capazes de ver nenhuma outra galáxia a partir da nossa. Para Turok o fato desse modelo aberto nos dar um erro de um fator 30 é perfeitamente aceitável por que os cálculos feitos por ele e Hawking foram sobre um modelo muito simples e não deram um resultado tão errado assim!
Uma outra crítica severa ao trabalho de Turok e Hawking foi feito por Linde que alegou que o instanton criado por eles usa a idéia de "tunelamento quântico" para explicar como o universo poderia ter sido criado a partir do "nada". Em linguagem da teoria quântica, o tunelamento nos diz como uma partícula ou um campo poderia se mover de um lado para outro de uma barreira aparentemente insuperável sem realmente passar por cima ou através da barreira em um sentido clássico. Explicando melhor, classicamente você não conseguiria superar uma enorme montanha a sua frente se não lhe fosse dada a opção de passar por cima dela, contorná-la, ou atravessá-la por meio de um túnel. No entanto isso é possível segundo as regras da física quântica, não para corpos macroscópicos como nós mas para partículas e campos. Segundo Linde o instanton proposto por Turok e Hawking descreve a origem do universo como um evento de tunelamento quântico que passa de um estado de "nada" para um estado de existência. Segundo Turok não se trata de tunelamento. Para ele o instanton não é, na verdade, criado a partir do "nada". O instanton, significando o universo no seu nascimento, apenas "é".
O instanton de Turok e Hawking deixa ainda uma questão fundamental não resolvida: como ele surgiu? Para os dois cientistas a pergunta não tem significado. Não existe "fora" do instanton ou "antes" dele. O instanton é apenas um objeto que se originou pelas próprias leis da física. Mas, desse modo, apenas transferimos a pergunta: e o que criou essas leis?
O universo "ekpirótico" Em 2001 surgiu uma nova teoria que procurava descrever o que aconteceu antes do Big Bang, evento ocorrido há cerca de 15 bilhões de anos. Essa teoria foi desenvolvida por Paul Steinhardt e seus colaboradores da Princeton University, Estados Unidos. O modelo proposto, com o estranho nome de "modelo ekpirótico" tenta explicar importantes detalhes sobre a natureza do nosso universo inclusive o porque dele estar se expandindo da maneira como percebemos hoje.
Esse modelo é bem complicado (como se os modelos apresentados acima não o fossem!). Ele está baseado na chamada "teoria M" (M-Theory), que pode ser entendida como uma extensão da "teoria de cordas" (string theory). Segundo essa última teoria, ao contrário do que é descrito no modelo padrão de física de partículas (apresentado anteriormente em um dos módulos do curso), as partículas elementares que formam a matéria existente no Universo não são (como dissemos) estruturas puntiformes. Ao contrário, os elementos constituintes fundamentais do espaço e do tempo são pequeníssimas cordas vibrantes. A maneira como essas cordas vibram determinaria as propriedades características de cada partícula que detectamos na natureza.
A teoria M não abandona o conceito de Big Bang. Ao contrário, a teoria M procura explicar os eventos que ocorreram antes do Big Bang.
Para realizar o seu propósito a teoria M exige que o Universo tenha 11 dimensões. Dessas, 6 estão "enroladas" formando estruturas tão microscópicas que podem ser ignoradas.
O leitor cuidadoso fez as contas: se a teoria M fala de um Universo de 11 dimensões e o nosso possui 4 (3 de espaço e uma de tempo) tem alguma coisa estranha com essa conta! Na verdade, a teoria M considera que toda ação no Universo ocorre em um espaço-tempo de 5 dimensões.
Para a teoria M, antes que o Big Bang tivesse ocorrido, o Universo consistia de duas superfícies 4-dimensionais, perfeitamente planas. Uma dessas "membranas" (que abreviamos para "brana") é o nosso Universo. A outra "brana" é um Universo paralelo "escondido" de nós.
De acordo com Paul Steinhardt e seus colaboradores, flutuações aleatórias que ocorreram nesse Universo "escondido" fizeram com que ele sofresse distorções que influenciaram o nosso Universo.
Qual é a proposta do modelo de Universo "ekpirótico"? O modelo do Big Bang possui diversos problemas que precisam ser "ajustados" pelos cientistas principalmente quando nos referimos à história mais primordial do universo ou seja os primeiros bilionésimos do bilionésimo do bilionésimo de segundo ou mais cedo ainda! Uma das propostas existentes para explicar o Universo nesse curtíssimo mas fundamental período de tempo é a chamada "teoria inflacionária". Ela propõe que o Universo "nasceu" quente e denso mas sofreu um período de hiperinflação. O modelo ekpirótico é uma nova alternativa que em muitos aspectos se afasta radicalmente das idéias até então engessadas pelo Big Bang. O modelo ekpirótico está baseado na idéia de que o nosso universo de Big Bang quente foi criado a partir da colisão de dois "mundos" tri-dimensionais que se movem juntamente com uma dimensão extra escondida. Os dois "mundos" tri-dimensionais colidem e se grudam. A energia cinética na colisão é convertida em quarks, elétrons, fótons, etc. que estão confinados a se moverem ao logo de três dimensões.Como a temperatura resultante é finita, a fase de Big Bang quente começa sem uma singularidade.O Universo é homogêneo porque a colisão e a iniciação da fase do Big Bang ocorre quase simultaneamente em todos os lugares.
O termo "ekpyrosis" é uma palavra greaga que significa "conflagração". Ela foi usada pelos cientistas como uma homenagem a uma antiga idéia que formava o modelo cosmológico pregado pelos estóicos segundo o qual o universo teria sido criado por uma súbita explosão de foo, algo não muito diferente do que acontece quando duas membranas tri-dimensionais coliodem no modelo ekpirótico.
Teoria da geometria "torcida"(warped) 5-dimensional Os físicos Lisa Randall e Raman Sundrum propuseram um modelo cosmológico, baseado na teoria de "branas", à qual eles deram o nome de "5-dimensional warped geometry theory", que podemos traduzir livremente como "teoria da geometria retorcida 5-dimensional". Essa teoria também é chamada de RS-1.
Este modelo envolve um conjunto 5-dimensional finito que é extremamente "retorcido" e contém duas "branas". Uma delas é chamada "Gravitobrana" ou "Planckbrana", onde a gravidade é uma força relativamente forte. A outra "brana" é a "Weakbrana" (brana fraca) ou "Tevbrana", nosso lar, onde o modelo padrão de partículas elementares é observado.
Neste modelo, as duas "branas" estão separadas por uma quinta dimensão não necessariamente grande.
A Gravitobrana tem uma energia de brana positiva enquanto que a Weakbrana tem energia de brana negativa. São essas energias que fazem com que o espaço-tempo seja extremamente "retorcido". Note entretanto que nesse modelo somente a 5-dimensão é "retorcida".
,br> Nesse modelo todos os objetos que se movem da Gravitobrana para a Weakbrana estarão crescendo, se tornando mais leve (lembre que a gravidade é muito mais forte na Gravitobrana do que na Weakbrana) e se movendo mais lentamente ao longo do tempo.
Os atuais Modelos Cíclicos Embora modelos cíclicos do universo tenham acompanhado os cosmólogos desde a divulgação de suas primeiras idéias, todos esses modelos não levaram a bons resultados. Nos anos de 1930 Einstein considerou seriamente a possibilidade do universo obedecer a um modelo cíclico. Outro grande pensador da cosmologia, Richard Tolman também propôs modelos cíclicos que não sobreviveram a análises mais profundas. Somente agora no século XXi, após a descoberta da chamada "energia escura" modelos cosmológicos cíclicos voltaram a trafegar com naturalidade entre os cientistas. Vamos descrever alguns:
1) O modelo de Steinhardt-Turok
No seu modelo cíclico duas branas paralelas colidem periodicamente em um espaço de dimensão mais alta. O universo 4-dimensional visível está situado em uma dessas "branas". As colisões correspondem a uma reversão entre contração e expansão do próprio universo. Nesse modelo a "energia escura" corresponde à força entre as branas. Como consequencia o universo "surge" e "desaparece" repetidas vezes.
2) O modelo do Tempo Cíclico de Lynds
O cientista Peter Lynds propôs um modelo no qual o tempo é cíclico e o universo se repete exatamente do mesmo modo um número infinito de veezs. Uma vez que é exatamente o mesmo ciclo que se repete, podemos interpretá-lo como ocorrendo apenas uma vez!
http://www.on.br/certificados/ens_dist_2008/site/conteudo/modulo10/1-novas_teorias/outras-teorias.html
