Não, Roger Penrose, não temos evidências de um ‘Universo antes do Big Bang’

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A ideia de Penrose de uma cosmologia cíclica conforme supõe que nosso Universo surgiu de um Universo preexistente que deixaria marcas em nosso cosmos hoje. Esta é uma alternativa fascinante e imaginativa para a inflação, mas os dados não a sustentam, apesar das afirmações duvidosas de Penrose. Créditos: Skydivephil / YouTube.

Por Ethan Siegel
Publicado na Forbes

Um dos maiores sucessos científicos do século passado foi a teoria do Big Bang: a ideia de que o Universo, como o observamos e existimos nele hoje, emergiu de um passado mais quente, denso e uniforme. Originalmente proposto como uma alternativa real para algumas das explicações mais convencionais para o Universo em expansão, foi confirmada em meados da década de 1960 com a descoberta da “bola de fogo primitiva” que sobrou daquele estado inicial quente e denso: hoje conhecido como fundo cósmico em micro-ondas.

Por mais de 50 anos, o Big Bang mantêm um reinado supremo como a teoria que descreve nossas origens cósmicas, com um período inicial inflacionário que o antecedeu e o deu início. Tanto a inflação cósmica quanto o Big Bang têm sido continuamente desafiados por astrônomos e astrofísicos, mas as alternativas vêm caindo por terra cada vez que novas observações críticas surgem. Mesmo a tentativa do ganhador do Prêmio Nobel de 2020 Roger Penrose, chamada Cosmologia Cíclica Conforme, não consegue igualar os sucessos da teoria inflacionária do Big Bang. Ao contrário das notícias recentes e das afirmações de Penrose, não há evidências de “um Universo antes do Big Bang”.

As flutuações quânticas inerentes ao espaço, estendidas por todo o Universo durante a inflação cósmica, deram origem às flutuações de densidade impressas no fundo cósmico em micro-ondas, que por sua vez deu origem às estrelas, galáxias e outras estruturas em grande escala no Universo hoje. Esta é a melhor imagem que temos de como todo o Universo se comporta, onde a inflação precede e configura o Big Bang. Na imagem: o processo mostra a inflação (inflation), depois de uma fração em um segundo (fraction of a second); a última dispersão do fundo cósmico em micro-ondas (CMB last scattering), com o sinal da densidade de flutuação (density fluctuaction signal) e o sinal da polarização (polarization signal), depois de 380,000 anos (years); as primeiras estrelas (first stars) depois de mais ou menos 200 milhões de anos; e os dias de hoje (present day) depois de 13,8 bilhões de anos. Créditos: Ethan Siegel / ESA / NASA / NSF.

O Big Bang é comumente apresentado como se fosse o início de tudo: espaço, tempo e a origem da matéria e energia. De um certo ponto de vista arcaico, isso faz sentido. Se o Universo que vemos está se expandindo e ficando menos denso hoje, isso significa que era menor e mais denso no passado. Se radiação – como fótons – estiver presente naquele Universo, o comprimento de onda dessa radiação se estenderá conforme o Universo se expande, o que significa que ele esfria com o passar do tempo e que era mais quente no passado.

Em algum ponto, se você extrapolar os limites do tempo o suficiente, você chegará a densidades, temperaturas e energias que são tão grandes que você criará as condições para uma singularidade. Se suas escalas de distância forem muito pequenas, suas escalas de tempo muito curtas ou suas escalas de energia forem muito altas, as leis da física deixam de fazer sentido. Se corrermos o relógio cerca de 13,8 bilhões de anos para trás em direção ao mítico marco “0”, essas leis da física perdem a validade em um tempo de ~10-43 segundos: o tempo de Planck.

Uma história visual do Universo em expansão incluindo o estado quente e denso conhecido como Big Bang e o crescimento e formação de toda estrutura subsequentemente. O conjunto completo de dados, incluindo as observações dos elementos leves e da radiação cósmica de fundo, nos deixa apenas com o Big Bang como uma explicação válida para tudo o que observamos. À medida que o Universo se expande, ele também se esfria, permitindo que íons, átomos neutros e, eventualmente, moléculas, nuvens de gás, estrelas e, por último, galáxias se formem. Na imagem, a escala de tempo é representada em: nanosegundos de um segundo (nanosec. o sec.); segundos (sec.); e anos (yrs.). Os eventos mostrados, da esquerda para a direita, são: possível formação de partículas massivas de interação fraca (WIMPs Formed?); nêutrons e prótons formados do plasma de quarks e glúons; formação do núcleo atômico; recombinação – formação dos átomos; formação das primeiras estrelas – a luz delas libera alguns elétrons dos átomos; formação das galáxias; reaquecimento do gás intergalático; formação dos aglomerados de galáxias. Créditos: NASA / CXC / M. Weiss.

Se esta fosse uma descrição precisa do Universo – que começou quente e denso e depois se expandiu e esfriou – se espera que um grande número de transições ocorreram em nossa história passada.

  • Todas as partículas e antipartículas possíveis teriam sido criadas em grande número, com o excesso sendo aniquilado e transformado em radiação quando o Universo se esfria demais para a criação delas continuarem.
  • As simetrias eletrofraca e de Higgs se quebram quando o Universo esfria abaixo da energia na qual essas simetrias são restabelecidas, criando quatro forças fundamentais e partículas fundamentais com massas de repouso diferentes de zero.
  • Quarks e glúons se condensam para formar partículas compostas como prótons e nêutrons.
  • Os neutrinos param de interagir de forma eficiente com as partículas que sobraram.
  • Prótons e nêutrons se fundem para formar os núcleos leves: deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio-7.
  • A gravitação atua para aumentar as regiões superdensas, enquanto a pressão da radiação atua para expandi-las quando ficam muito densas, criando um conjunto de impressões oscilatórias e dependentes de escala.
  • E, aproximadamente, 380.000 anos após o Big Bang, o Universo torna-se frio o suficiente para formar átomos neutros e estáveis ​​sem que eles sejam instantaneamente destruídos.

Quando este último estágio ocorre, os fótons que permeiam o Universo, e antes se espalhavam dos elétrons livres, simplesmente viajam em linha reta, alongando-se em comprimento de onda e diluindo-se em grande número à medida que o Universo se expande.

No Universo quente e inicial, antes da formação dos átomos neutros, os fótons se espalham dos elétrons (e em menor grau, dos prótons) em uma taxa muito alta, transferindo momento quando o fazem. Depois que os átomos neutros se formam, devido ao resfriamento do Universo abaixo de um certo limiar crítico, os fótons simplesmente viajam em linha reta, afetados apenas no comprimento de onda pela expansão do espaço. A imagem mostra o Espalhamento de Thomson (Thomson scattering) ao longo do tempo (time). Crédito: Amanda Yoho.

Cerca de 55 anos atrás, esta radiação cósmica de fundo foi detectada pela primeira vez, levando o Big Bang de uma das poucas opções viáveis ​​para a origem do nosso Universo para a única consistente com os dados. Enquanto a maioria dos astrônomos e astrofísicos imediatamente aceitou o Big Bang, os maiores proponentes da teoria alternativa do estado estacionário – pessoas como Fred Hoyle – surgiram progressivamente com argumentos cada vez mais absurdos para defender sua ideia desacreditada em face de dados esmagadores.

Mas cada ideia falhou bonito. O que foi observado pode ter sido a luz fraca das estrelas. Nem luz refletida, nem poeira que foi aquecida e irradiada. Toda e qualquer explicação tentada foi refutada pelos dados: o espectro desse brilho posterior cósmico era um corpo negro muito perfeito, muito igual em todas as direções, e muito não correlacionado com a matéria no Universo para se alinhar com essas explicações alternativas. Enquanto a ciência avançava para o Big Bang tornando-se parte do consenso, ou seja, um ponto de partida sensato para o futuro da ciência, Hoyle e seus aliados ideológicos trabalharam para conter o progresso da ciência, defendendo alternativas cientificamente insustentáveis.

A luz real do Sol (curva amarela, na esquerda) em comparação com um corpo negro perfeito (em cinza), mostrando que o Sol é mais do que uma série de corpos negros devido à espessura de sua fotosfera; à direita está o corpo negro perfeito real do fundo cósmico em micro-ondas, medido pelo satélite COBE. Observe que as “barras de erro” (dos dados do instrumento da NASA chamado FIRAS) à direita têm surpreendentes 400 sigma. A concordância entre a teoria e a observação aqui é histórica, e o pico do espectro observado determina a temperatura restante do fundo cósmico em micro-ondas: 2,73 K. Créditos: Wikimedia Commons (esquerda) e COBE / NASA / JPL-Caltech (direita).

No final das contas, a ciência avançou enquanto os que eram contrários a teoria se tornavam cada vez mais irrelevantes, com seus trabalhos trivialmente incorretos caindo na obscuridade e seu programa de pesquisa finalmente deixado de lado após a morte deles.

Nesse meio-tempo, da década de 1960 até a década de 2000, as ciências da astronomia e astrofísica – e, particularmente, o subcampo da cosmologia, que se concentra na história, crescimento, evolução e destino do Universo – se desenvolveram de forma espetacular:

  • Mapeamos a estrutura em grande escala do Universo, descobrindo uma grande teia cósmica.
  • Descobrimos como as galáxias cresceram e evoluíram e como suas populações estelares mudaram com o tempo.
  • Aprendemos que todas as formas conhecidas de matéria e energia no Universo eram insuficientes para explicar tudo o que observamos: alguma forma de matéria escura e alguma forma de energia escura seriam necessárias para tal.

E fomos capazes de verificar ainda mais as previsões adicionais do Big Bang, como a abundância prevista dos elementos leves, a presença de uma população de neutrinos primordiais e a descoberta de imperfeições de densidade exatamente do tipo necessário para crescer até a grande estrutura em escala do Universo que observamos hoje.

O Universo não se expande apenas uniformemente, mas possui pequenas imperfeições de densidade dentro dele, o que permite formar estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias com o passar do tempo. Adicionar densidade não homogênea em cima de um fundo homogêneo é o ponto de partida para entender como o Universo é hoje. Créditos: E. M. Huff / SDSS-III / Telescópio do Polo Sul / Zosia Rostomian.

Ao mesmo tempo, havia observações que sem dúvida eram verdadeiras, mas que o Big Bang não tinha poder de previsão para explicar. O Universo supostamente atingiu essas temperaturas arbitrariamente altas e uma grande quantidade de energia em seu início, e ainda não temos vestígios exóticos que possamos ver hoje: nenhum monopolo magnético, nenhuma partícula da grande unificação, nenhum defeito topológico, etc. Teoricamente, algo além do que conhecemos deve estar por aí para explicar o Universo que vemos, mas, se tudo isso já existiu, está escondido de nós.

O Universo, para existir com as propriedades que vemos, deve ter nascido com uma taxa de expansão muito específica: uma que equilibrasse exatamente a densidade total de energia, para mais de 50 dígitos significativos. O Big Bang não explica o porquê isso acontece.

E a única maneira que diferentes regiões do espaço teriam a mesma temperatura exata é se elas estivessem em equilíbrio térmico: se elas tivessem tempo para interagir e trocar energia. No entanto, o Universo é muito grande e se expandiu de tal forma que temos muitas regiões causalmente desconectadas. Mesmo na velocidade da luz, essas interações não poderiam ter ocorrido.

O brilho restante do Big Bang, o fundo cósmico em micro-ondas, não é uniforme, mas tem pequenas imperfeições e flutuações de temperatura na escala de algumas centenas de microkelvin. Embora isso desempenhe um grande papel em épocas tardias, após o crescimento gravitacional, é importante lembrar que o Universo inicial, e o Universo em grande escala hoje, é não-uniforme em um nível inferior a 0,01%. A Missão Planck detectou e mediu essas flutuações com melhor precisão do que nunca. Créditos: ESA / Missão Planck.

Isso representa um enorme desafio para a cosmologia e para a ciência em geral. Na ciência, quando vemos alguns fenômenos que nossas teorias não conseguem explicar, temos duas opções:

  1. Podemos tentar conceber um mecanismo teórico para explicar esses fenômenos, ao mesmo tempo mantendo todos os sucessos da teoria anterior e fazendo novas previsões que são distintas das previsões da teoria anterior.
  2. Ou podemos simplesmente assumir que não há explicação, e o Universo simplesmente nasceu com as propriedades necessárias para formar o Universo que observamos.

Apenas a primeira abordagem tem valor científico e, portanto, é ela que deve ser tentada, mesmo que não dê frutos. O mecanismo teórico de maior sucesso para estender o Big Bang foi a inflação cósmica, que estabelece uma fase antes do Big Bang em que o Universo se expandiu de forma exponencial: esticando-o, dando-lhe as mesmas propriedades em todos os lugares, combinando a taxa de expansão com o densidade de energia, eliminando quaisquer vestígios de alta energia anteriores e fazendo a nova previsão de flutuações quânticas – levando a um tipo específico de densidade e flutuações de temperatura – sobrepostas sobre um Universo uniforme.

No painel superior, nosso Universo moderno tem as mesmas propriedades (incluindo temperatura) em todos os lugares, porque são originários de uma região com as mesmas propriedades. No painel do meio, o espaço que poderia ter qualquer curvatura arbitrária é inflado a ponto de não podermos observar nenhuma curvatura hoje, resolvendo o problema da planicidade. E no painel inferior, vestígios de alta energia preexistentes são infladas, fornecendo uma solução para o problema dos vestígios de alta energia. É assim que a inflação resolve os três grandes quebra-cabeças que o Big Bang não consegue explicar sozinho. Créditos: Ethan Siegel / Beyond The Galaxy.

Embora a inflação, como o Big Bang antes dela, tenha um grande número de cientistas que a deprecia, ela é bem-sucedida onde todas as alternativas falham. Ela resolve o problema do “graceful exit” (em português: saída elegante), onde um Universo em expansão exponencial pode fazer a transição para um Universo cheio de matéria e radiação que se expande de uma forma que corresponde às nossas observações, o que significa que pode reproduzir todos os sucessos do Big Bang quente. Ela impõe um corte de energia, eliminando quaisquer vestígios de energia ultra-alta. Ela cria um Universo uniforme em um grau extremamente alto, onde a taxa de expansão e a densidade total de energia combinam perfeitamente.

E faz novas previsões sobre os tipos de estrutura e as flutuações iniciais de temperatura e densidade que deveriam aparecer, previsões que subsequentemente foram corretas por meio de observações. As previsões da inflação foram amplamente reveladas na década de 1980, enquanto as evidências observacionais que a validaram surgiram em um fluxo contínuo nos últimos 30 anos. Embora abundem as alternativas, nenhuma é tão bem-sucedida quanto a inflação.

Embora se preveja que muitos Universos independentes serão criados em um espaço-tempo que se infla, a inflação nunca termina em todos os lugares ao mesmo tempo, mas apenas em áreas distintas e independentes separadas por um espaço que continua a inflar. É daí que vem a motivação científica para a ideia de um Multiverso, e do porquê dois Universos nunca irão colidir. Simplesmente não existem Universos suficientes criados pela inflação para conter todos os resultados quânticos possíveis devido às interações de partículas dentro de um Universo individual. Créditos: Karen46 / FreeImages.

Infelizmente, o vencedor do Prêmio Nobel Roger Penrose, embora seu trabalho sobre relatividade geral, buracos negros e singularidades nas décadas de 1960 e 1970 fosse absolutamente digno do Nobel, gastou uma grande quantidade de tempo em seus esforços nos últimos anos em uma cruzada para tentar refutar a inflação: promovendo uma alternativa cientificamente inferior, sua ideia favorita chamada Cosmologia Cíclica Conforme, ou CCC.

A maior diferença preditiva é que a CCC praticamente requer que uma impressão de “Universo antes do Big Bang” apareça tanto na estrutura em grande escala do Universo quanto na radiação cósmica de fundo: o brilho remanescente do Big Bang. Ao contrário, a inflação exige que qualquer lugar onde a inflação termina e surja um novo Big Bang quente deve ser causalmente desconectado de – e não pode interagir com – qualquer região anterior, atual ou futura. Nosso Universo existe com propriedades que são independentes umas das outras.

As observações – primeiro do COBE e da WMAP e, mais recentemente, da Planck – colocam definitivamente restrições enormemente rígidas (aos limites dos dados que existem) em quaisquer dessas estruturas. Não há hematomas em nosso Universo; sem padrões repetidos; sem círculos concêntricos de flutuações irregulares; sem pontos Hawking. Quando se analisa os dados de maneira adequada, fica extremamente claro que a inflação é consistente com os dados, e a CCC claramente não é.

Por, aproximadamente, 10 anos, Roger Penrose tem divulgado afirmações extremamente duvidosas de que o Universo exibe evidências de uma variedade de características que são consistentes com o nosso Universo colidindo e sendo “machucado” por tudo o que ocorreu antes do Big Bang. Esses recursos não são robustos e são insuficientes para fornecer suporte às afirmações de Penrose. Créditos: V. G. Gurdadyan / Roger Penrose, ArXiv: 1302.5162.

Embora, assim como Hoyle, Penrose não esteja sozinho em suas afirmações, os dados são totalmente opostos ao que ele afirma. As previsões que ele fez são refutadas pelos dados, e suas afirmações de ver esses efeitos só são reproduzíveis se alguém analisar os dados de uma forma cientificamente incorreta e ilegítima. Centenas de cientistas apontaram isso para Penrose – repetidamente e consistentemente por um período de mais de 10 anos – que continua a ignorar o próprio campo e ir em frente com suas afirmações.

Como muitos antes dele, ele parece ter se apaixonado tanto por suas próprias ideias que não olha mais para a realidade para testá-las com responsabilidade. No entanto, esses testes existem, os dados críticos estão disponíveis publicamente e Penrose não está apenas errado, é trivialmente fácil demonstrar que os recursos que ele afirma que deveriam estar presentes no Universo não existem. Hoyle pode não ter ganhado o Prêmio Nobel, apesar de suas contribuições valiosas para a nucleossíntese estelar, por causa de suas posturas não científicas ao longo de sua vida; embora Penrose agora tenha um Nobel, ele sucumbiu à mesma armadilha lamentável.

Embora devamos elogiar a criatividade de Penrose e celebrar seu trabalho inovador e digno do Nobel, devemos nos proteger contra o impulso de divinizar qualquer grande cientista, ou o trabalho que eles realizam quando não é sustentando pelos dados. No final das contas, independente de celebridade ou fama, cabe ao próprio Universo discernir para nós o que é real e o que é apenas uma hipótese infundada, e para nós seguirmos a orientação do Universo, independentemente de onde ele nos leve.