O que houve antes do Big Bang?

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Por Alan Lightman
Publicado na Harpers Magazine

Em uma quarta-feira, 11 de fevereiro de 1931, Albert Einstein conversou por mais de uma hora com um pequeno grupo de cientistas norte-americanos na acolhedora biblioteca do Observatório de Mount Wilson, perto de Pasadena, Califórnia. O assunto era cosmologia, e Einstein estava prestes a fazer uma das declarações mais importantes de toda a história da Ciência.

Com suas teorias da relatividade e gravidade confirmados e seu prêmio Nobel dez anos depois, ele foi de longe o cientista mais famoso do mundo. “Fotógrafos investiram contra mim como lobos famintos”, ele havia escrito em seu diário quando seu navio desembarcou em Nova York dois meses antes.

Fotografia por Thomas Allen.

Durante anos, Einstein tinha insistido, como Aristóteles e Newton antes dele, que o universo era uma magnífica cátedra imortal, fixada por toda a eternidade. Neste quadro, o tempo corre a partir do passado infinito para o futuro infinito, com pequenas mudanças no meio. Quando um proeminente cientista Belga propôs em 1927 que o universo estava crescendo como um balão em expansão, Einstein pronunciou a ideia de “abominável”.

Em 1931, no entanto, o grande físico havia sido confrontado com provas telescópicas que galáxias distantes estavam se distanciando. Talvez ainda mais convincente, o seu modelo matemático para um universo estático tinha se mostrado como um lápis equilibrado em seu ponto: dando-lhe um pequeno empurrão e começando a se mover. Quando ele chegou em Pasadena, Einstein estava pronto para reconhecer um cosmos em evolução. Ele disse aos homens reunidos na biblioteca com seus ternos e gravatas que o movimento observado de galáxias “esmagou a minha velha construção como uma martelada.” Então ele resolveu enfatizar o ponto.

O que surgiu a partir desses fragmentos foi a cosmologia do Big Bang: a ideia de que o universo não é estático e eterno – que “começou” a cerca de 14 bilhões de anos atrás em um estado de extrema alta densidade que vem se expandindo desde então. De acordo com os dados atuais, o nosso universo continuará se expandindo para sempre.

Sean Carroll, um professor de física do Instituto de Tecnologia da Califórnia, é um cosmólogo do Big Bang. Ele também faz parte de um pequeno pelotão de físicos que se denominam de Cosmólogos Quânticos. Ele quer saber o que aconteceu no primeiro momento do Big Bang, se o tempo ou qualquer outra coisa já existia antes, e como podemos prever o futuro a partir do passado. Tais questões basilares na física, que foram seriamente colocados apenas recentemente, podem ser comparados a Descartes pedindo provas de sua existência.

Cosmologia quântica é um trabalho especulativo, mas Carroll explica seu fascínio: “Temos um alto risco, mas um alto ganho”. Nós ainda não possuímos uma teoria completa da gravidade, o espaço e o tempo na era quântica. No entanto, algumas das mentes mais afiadas em física, incluindo Stephen Hawking, Andrei Linde e Alexander Vilenkin têm refletido sobre o assunto. É um campo pequeno, mas não algo tímido. O primeiro obstáculo é que o nascimento do nosso universo tenha sido um evento em desenvolvimento, e nós não estávamos lá na platéia. Uma compreensão do início do universo também requer uma compreensão da chamada gravidade quântica: uma gravidade com densidades extremamente altas de matéria e energia, que são impossíveis de replicar. A maioria dos físicos acreditam que, nesta era quântica, todo o universo observável era de aproximadamente um milhão de bilhões de bilhões de vezes menor que um único átomo. A temperatura era de quase um milhão de bilhões de bilhões de bilhões de graus. O Tempo e o Espaço eram agitados como a água fervente. Claro, essas coisas são inimagináveis. Mas os físicos teóricos tentam imaginá-las em forma matemática, com lápis e papel. De alguma forma, o tempo como nós a conhecemos surgiu de uma pepita fantasticamente densa. Ou talvez o tempo já existia, e o que emergiu foi a “seta” do tempo, apontando para o futuro.

Os físicos esperam que nos próximos cinquenta anos ou mais a teoria das cordas ou outro novo trabalho teórico irá fornecer um bom entendimento da gravidade quântica, incluindo uma explicação de como o universo começou. Até então, os cosmólogos quânticos vão debater suas hipóteses, a cada atualização com páginas de cálculos.

Quando conversei com Carroll no Skype, ele estava usando um capuz e calça jeans no estudo confortável de sua casa, em Los Angeles. Eu estava preso no quarto de hóspedes inabitável da minha casa, em Concord, Massachusetts: praticamente ao lado, em termos cosmológicos. Carroll é um articulado divulgador da Ciência, bem como um físico altamente considerado – ele escreveu artigos científicos com títulos como “Será que o Tempo Realmente Existe?” – E ele fala sobre seu assunto favorito com evidente prazer. Ele tem Quarenta e Nove anos de idade e, com as bochechas inchadas, papada, uma cabeça cheia de cabelos avermelhados, tem o brilho de um colegial travesso em seus olhos.

Carroll está obcecado com a relativa suavidade e ordem do universo. Ordem na física tem um significado concreto. Ela pode ser quantificada. Além disso, as condições de desordem são mais prováveis ​​do que as condições de ordem, assim como um baralho de cartas, uma vez embaralhados, é mais provável de estarem desordenados do que precisamente organizados por número. Aplicando estas considerações ao cosmos em geral, os físicos têm sugerido que, dado a quantidade de matéria que existe, devemos esperar que o universo tenha sido muito mais desordenado e irregular do que é. O universo observável tem algo em torno de 100 bilhões de galáxias, mas quando visto ao longo de suficientes grandes extensões de espaço, parece tão uniforme quanto a areia de uma praia. Qualquer grande volume de espaço olha sobre como outro qualquer. Seria muito mais provável, dizem os físicos, de ver que mesmo o material concentrado em um número muito menor de galáxias ultra-largas, ou em grandes aglomerados de galáxias, ou talvez mesmo em um único buraco negro maciço – análogo a toda a areia em uma praia concentrados em poucas rochas de silício.

00026__ThomasAllen-Harpers-1601-630-1A suavidade improvável do universo observável, por sua vez, apontam para condições excepcionalmente organizadas perto do Big Bang. Nós não entendemos o porquê. Mas a ordem e suavidade, conhecida pelos físicos como um estado de baixa entropia, é um indício. “Acredito firmemente que a baixa entropia do Universo primitivo é um quebra-cabeças que a comunidade mais ampla da cosmologia não leva quase tão sério quanto deveriam”, me disse Carroll. “Mal-entendidos como estes abrem oportunidades para fazer novas descobertas.”

Carroll e outros físicos acreditam que a ordem está intimamente ligada com a seta do tempo. Em particular, a direção para a frente no tempo é determinada pelo movimento de ordem a desordem. Por exemplo, o filme de um cálice de vidro caindo de uma mesa e quebrando no chão iria parecer normal para nós; se víssemos um filme com cacos de vidro espalhados saltando do chão e reunindo-se em um cálice empoleirado na borda de uma mesa, diríamos que o filme estava sendo reproduzido ao contrário. Da mesma forma, quartos limpos deixados sozinhos se tornam empoeirados com o tempo, não mais limpos. O que chamamos de futuro é a condição de aumentar a confusão; o que nós chamamos de passado é o aumento da arrumação. Nossa capacidade de distinguir facilmente entre as duas mostram que o tempo em nosso mundo tem uma direção clara. O Tempo também tem uma direção clara no cosmos em geral. Estrelas irradiam calor e luz, passam lentamente seu combustível nuclear e, finalmente, transformam-se em cinzas frias à deriva do espaço. Nunca acontece o inverso.

O que nos traz de volta à ordem inesperada do nosso universo. Trabalhando com Alan Guth, um cosmólogo pioneiro no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Carroll desenvolveu uma teoria ainda não-publicada chamada de “Tempo de Duas-Cabeças”. Neste modelo do universo, o tempo sempre existiu. Mas, ao contrário do cosmos estático imaginado por Aristóteles, Newton e Einstein, isso muda o universo, como as eras passam. A evolução do cosmos é simétrica no tempo, de tal forma que o comportamento do universo antes do Big Bang é quase uma imagem espelhada do seu comportamento depois. Até 14 bilhões de anos atrás, o universo estava em contração. Ele chegou a um tamanho mínimo no Big Bang (que chamamos de t=0) e vem se expandindo desde então. (Outros cosmólogos quânticos propuseram modelos similares). É como um algo que cai no chão, atinge compressão máxima no impacto, e depois salta para trás em dimensões maiores. Por causa das flutuações aleatórias inevitáveis ​​exigidas pela física quântica, o universo adjudicante não seria uma imagem exata do universo em expansão; um físico chamado Alan Guth provavelmente não existiria na fase de contratação do nosso universo.

É bem conhecido na ciência da ordem e da desordem que, ceteris paribus, espaços maiores permitem mais desordem, essencialmente porque há mais lugares para dispersem coisas. Espaços menores, portanto, tendem a ter mais ordem. Como consequência, na imagem Carroll-Guth, a ordem do universo estava no máximo do Big Bang; a desordem aumentou tanto antes quanto depois. Recorde-se que a direção de avanço de tempo é determinada pelo movimento de ordem a desordem. Assim, os pontos futuros distantes do Big Bang tem duas direções. Uma pessoa que vive na fase de contração do universo vê o Big Bang em seu passado, assim como nós. Quando ela morre, o universo é maior do que quando ela nasceu, assim como será para nós. “Quando eu vim a entender que a razão pela qual eu posso me lembrar do passado, mas não do futuro, em última análise relacionado às condições do Big Bang, tive uma epifania surpreendente”, disse Carroll.

Se você pensar no tempo como uma longa estrada e o Big Bang como um buraco em algum lugar na estrada com, em seguida, uma placa no buraco dizendo a você a direção para o futuro, ela teria duas setas apontando em direções opostas. Daí o nome de “Tempo de duas cabeças”. Perto do próprio buraco, preso entre as duas setas, o tempo não teria nenhuma direção clara. O Tempo seria confuso. Na versão subatômica de taças e casas, cacos de vidro iriam saltar do chão para formar cálices tão frequentemente quanto essas taças iriam cair e quebrar. Casas sem supervisão se tornariam mais limpas em vez de se tornarem mais desordenadas. Tanto coisas de filmes seriam igualmente familiares quanto qualquer coisa subatômica no Big Bang.

De acordo com Carroll e Guth, a teoria do “tempo de duas cabeças” pode se tornar ainda mais elaborada e estranha. O ponto de tamanho da ordem mínima e máxima do universo não poderia ter sido o Big Bang do nosso universo, mas o Big Bang de um outro universo, algum tipo de proto-universo grande. O nosso universo e, possivelmente, um número infinito de universos, poderiam ter sido gerados a partir desse “universo pai”, e cada um dos universos poderiam ter seu próprio Big Bang. O processo de desova de novos universos de um “universo pai” é chamado de inflação eterna. A ideia foi desenvolvida por cosmólogos quânticos no início da década de 80. Em breve, um campo de energia incomum (mas permitido pela física) no proto-universo age como uma causa de anti-gravidade e expansão exponencialmente rápida. Este campo de energia incomum tem forças diferentes em diferentes regiões do espaço. Cada uma dessas regiões se expande para proporções cósmicas, e o campo de energia se torna a matéria comum, formando um novo universo que está fechado e completamente fora de contato com o proto-universo que gerou isso.

A segunda hipótese principal é que o universo e o tempo não existiam antes do Big Bang. O universo se materializou literalmente do nada, em um tamanho pequeno e finito, e se expandiu posteriormente. Não houveram momentos antes do momento de menor tamanho, pois não houve nenhum “antes”. Da mesma forma, não houve uma “criação” do universo, uma vez que este conceito implica ação no tempo. Mesmo dizer que o universo se “materializou” é um pouco enganador. Como Hawking descreve, o universo “não seria criado nem destruído. Seria apenas existente”. Tais noções como existência na falta de tempo não são compreensíveis dentro de nossa experiência humana limitada. Nós nem sequer temos linguagem para descrevê-las. Quase todas as frases que pronunciamos tem alguma noção de “antes” e “depois”.

Um dos primeiros cosmólogos quânticos a sugerir que o universo poderia aparecer do nada foi Alexander Vilenkin, um cientista Ucraniano que veio para os Estados Unidos em 1976, quando ele tinha seus vinte e poucos anos. Ele agora é um professor de física na Tufts University. Quando fui visitá-lo em seu escritório em um dia quente de julho, ele estava vestindo sandálias e uma camisa preta solta. Sua única janela dava para um edifício de tijolo maçante no outro lado da rua. “A vista do meu escritório anterior era melhor”, disse ele. Caixas de livros descompactados espalhados pelo chão; em sua estante tinha um boneco de Einstein dado a ele por sua filha.

Na União Soviética, a aceitação de Vilenkin a um programa de pós-graduação em física foi rescindida, possivelmente por causa de uma instigação da KGB. Antes dele emigrar, ele trabalhava como vigia noturno em um jardim zoológico, dando-lhe tempo de sobra para pensar em assuntos cosmológicos. Nos Estados Unidos, Vilenkin obteve seu Ph.D. em biofísica. “Eu estava fazendo cosmologia também”, disse ele. “Não era um campo respeitável de pesquisa naquele momento”. Vilenkin é um homem sério que, ao contrário de muitos físicos, não faz muita piada, e leva seu trabalho sobre o universo em t=0 muito a sério. “Nenhuma causa é necessária para criar um universo de tunelamento quântico”, diz ele, “mas as leis da física deveriam estar lá”. Em resumo, nós conversamos sobre o que “não” significa o tempo e o espaço existindo do ainda. Nesta contagem, Vilenkin gosta de citar Santo Agostinho, que muitas vezes perguntou o que Deus estava fazendo antes dele criar o universo. Em suas Confissões, Agostinho respondeu que desde que Deus criou o tempo quando Ele criou o universo, não havia nenhum “antes”.

Quando Vilenkin fala sobre tunelamento quântico, ele está se referindo a um fenômeno assustador na física quântica, em que os objetos podem realizar tais proezas de mágica aparecendo instantaneamente no outro lado de uma montanha sem viajar por cima. Essa capacidade mistificadora, que foi verificada em laboratório, decorre do fato de que as partículas subatômicas se comportam como se pode estar em muitos lugares ao mesmo tempo. O tunelamento quântico é comum no pequeno mundo do átomo, mas é altamente improvável em nosso mundo humano. Ele nunca foi observado em escalas maiores – o que explica por que o fenômeno parece tão absurdo. Mas na era da Cosmologia Quântica, muito perto de t=0, todo o universo tinha o tamanho de uma partícula subatômica. Assim, todo o universo poderia ter “subitamente” aparecido a partir de onde as coisas se originam na névoa quântica impossível em braças de probabilidades. (Eu coloquei “subitamente” entre aspas porque o tempo não existia, mas eu tenho só agora percebido esta mesma frase que usou o verbo “fez”, que é o passado de “fazer”…)

Isso significa dizer que todo o universo era como uma partícula subatômica, existente no mundo crepuscular quântico? James Hartle, um cosmólogo quântico da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, tem, com Hawking, desenvolvido um dos modelos mais detalhados do universo “durante” a era quântica perto do Big Bang. O Tempo não aparece em nenhuma parte equações de Hartle e Hawking. Em vez disso, eles usam a física quântica para calcular a probabilidade de certos “instantâneos” do universo.

Embora um especialista na teoria quântica, Hartle admite estar perplexo com a aplicação da física quântica para o universo como um todo. “É um mistério para mim”, disse ele, “porque nós temos a mecânica quântica quando existe apenas um estado do universo”. Em outras palavras, por que deveria haver probabilidades de que existem condições alternativas do universo quando nós habitamos em apenas um? Será que que essas condições alternativas realmente existem em algum lugar?

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