O Big Bang não foi o início? Equação quântica prediz que o Universo não teve um começo

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Esta imagem é uma concepção artística da expansão métrica do espaço, onde o espaço (incluindo porções não observáveis ​​hipotéticas do universo) é representado em cada época pelas seções circulares. Observe à esquerda a expansão dramática (fora de escala) ocorrendo na época inflacionária e, no centro, a aceleração da expansão. O esquema é decorado com imagens do WMAP à esquerda e com a representação de estrelas no nível de desenvolvimento apropriado. Crédito: NASA.

Por Lisa Zyga
Publicado na Phys.org

O Universo pode ter existido para sempre, de acordo com um novo modelo que aplica uma possível correção quântica para complementar a teoria da relatividade geral de Einstein. O modelo também pode levar em conta a matéria escura e a energia escura, resolvendo vários problemas de uma vez.

A idade amplamente aceita do Universo, estimada pela relatividade geral, é de 13,8 bilhões de anos. No início, pensa-se que tudo o que existe ocupou um único ponto infinitamente denso – uma singularidade. Só depois que esse ponto começou a se expandir em um “Big Bang” é que o Universo começou oficialmente.

Embora a singularidade do Big Bang surja direta e inevitavelmente da matemática da relatividade geral, alguns cientistas a consideram problemática porque a matemática só pode explicar o que aconteceu imediatamente depois – não na ou antes – da singularidade.

“A singularidade do Big Bang é o problema mais grave da relatividade geral, porque as leis da física parecem quebrar nela”, disse Ahmed Farag Ali da Universidade de Benha e da Cidade de Ciência, Tecnologia e Inovação de Zewail, ambas no Egito, ao Phys.org.

Ali e o coautor Saurya Das da Universidade de Lethbridge em Alberta, Canadá, mostraram em um estudo publicado na Physics Letters B que a singularidade do Big Bang pode ser resolvida por seu novo modelo no qual o Universo não tem começo nem fim.

Velhas ideias revisitadas

Os físicos enfatizam que suas propostas de correção quântica não são aplicadas ad hoc na tentativa de eliminar especificamente a singularidade do Big Bang. Seu trabalho é baseado em ideias do físico teórico David Bohm, também conhecido por suas contribuições à filosofia da física. A partir da década de 1950, Bohm explorou a substituição da geodésia clássica (o caminho mais curto entre dois pontos em uma superfície curva) por trajetórias quânticas.

Em seu estudo, Ali e Das aplicaram essas trajetórias bohmianas a uma equação desenvolvida na década de 1950 pelo físico Amal Kumar Raychaudhuri na Universidade da Presidência em Calcutá, Índia. Raychaudhuri também foi professor de Das quando era aluno de graduação dessa instituição nos anos 90.

Usando a equação de Raychaudhuri com a correção quântica, Ali e Das derivaram as equações de Friedmann com a correção quântica, que descrevem a expansão e evolução do Universo (incluindo o Big Bang) dentro do contexto da relatividade geral. Embora não seja uma teoria verdadeira da gravidade quântica, o modelo contém elementos tanto da teoria quântica quanto da relatividade geral. Ali e Das também esperam que seus resultados se mantenham, mesmo se e quando uma teoria completa da gravidade quântica for formulada.

Sem singularidades, nem coisas escuras

Além de não prever uma singularidade do Big Bang, o novo modelo também não prevê uma singularidade do “Big Crunch”. Na relatividade geral, um destino possível do Universo é que ele comece a encolher até que se contraia sobre si mesmo em um grande colapso e se torne um ponto infinitamente denso mais uma vez.

Ali e Das explicam em seu estudo que seu modelo evita singularidades devido a uma diferença fundamental entre a geodésia clássica e as trajetórias Bohmianas. A geodésia clássica eventualmente se cruza e os pontos para os quais convergem são singularidades. Em contraste, as trajetórias Bohmianas nunca se cruzam, então as singularidades não aparecem nas equações.

Em termos cosmológicos, os cientistas explicam que as correções quânticas podem ser pensadas como um termo de constante cosmológica (sem a necessidade de energia escura) e um termo de radiação. Esses termos mantêm o Universo em um tamanho finito e, portanto, dão a ele uma idade infinita. Os termos também fazem previsões que concordam intimamente com as observações atuais da constante cosmológica e densidade do Universo.

Nova partícula de gravidade

Em termos físicos, o modelo descreve o Universo como sendo preenchido com um fluido quântico. Os cientistas propõem que este fluido pode ser composto de grávitons – partículas hipotéticas sem massa que medeiam a força da gravidade. Se eles existem, acredita-se que os grávitons desempenhem um papel fundamental na teoria da gravidade quântica.

Em um estudo relacionado, Das e outro colaborador, Rajat Bhaduri, da Universidade McMaster, Canadá, deram mais crédito a esse modelo. Eles mostram que os grávitons podem formar um condensado de Bose-Einstein (em homenagem a Einstein e outro físico indiano, Satyendra Nath Bose) em temperaturas que estavam presentes no Universo em todas as épocas.

Motivados pelo potencial do modelo para resolver a singularidade do Big Bang e explicar a matéria escura e a energia escura, os físicos planejam analisar seu modelo com mais rigor no futuro. Seu trabalho futuro inclui refazer seu estudo levando em consideração pequenas perturbações não homogêneas e anisotrópicas, mas eles não esperam que pequenas perturbações afetem significativamente os resultados.

“É gratificante notar que tais correções simples podem potencialmente resolver tantos problemas de uma vez”, disse Das.