O universo nunca se expandiu mais rápido do que a velocidade da luz

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Por Sean Carroll
Publicado no
Preposterous Universe

Quebrando o meu voto de silêncio aqui para desabafar sobre algo que me incomoda: a alegação de que durante a inflação, o universo “se expandia mais rápido do que a velocidade da luz”. (Eu apenas observei este caso contrário pelo excelente post, como sempre, de Fraser Cain.) Uma busca no Google por “inflation superluminal expansion[Traduzido de forma Literal: inflação expansão superluminal] revela mais de 100.000 hits, embora felizmente alguns dos primeiros são de corajosas tentativas de esmagar o equívoco. Posso recomendar este belo artigo por Tamara Davis e Charlie Lineweaver, que tenta abordar este e vários outros equívocos cosmológicos.

Este não é, aliás, um desses equívocos que giram em torno da explicação da esfera popular, enquanto os especialistas ficam em silêncio revirando os olhos. Especialistas recebem artigos com esse erro o tempo todo. “A inflação foi um período de expansão superluminal” é repetida, por exemplo, nestes textos publicados por Tai-Peng Cheng, por Joel Primack, e por Lawrence Krauss, os quais certamente deveriam saber melhor.

O grande equívoco da expansão superluminal é que ela é realmente uma mistura de vários problemas diferentes, o que infelizmente não os impede de obter a resposta certa.

1. A Expansão do Universo não tem uma “velocidade”: Realmente a discussão deve começar e terminar ali mesmo. Comparar a taxa de expansão do universo com a velocidade da luz é como comparar a altura de um edifício para o seu peso. Você não está dando uma boa explicação científica; você teve ter bebido demais e deveria ir para casa. A expansão do universo é quantificada pela constante de Hubble, que é normalmente citada nas loucas unidades de quilômetros por segundo por megaparsec. Isso é (distância dividida pelo tempo) dividida pela distância, ou simplesmente 1/tempo. A velocidade, entretanto, é medida em distância/tempo. Não são as mesmas unidades! Comparar os dois conceitos é uma loucura.

Evidentemente, você pode construir uma quantidade com as unidades da velocidade a partir da constante de Hubble, usando a lei de Hubble, v=Hd (a velocidade aparente de uma galáxia é dada pela constante de Hubble vezes a sua distância). Galáxias individuais são realmente associadas com velocidades de recessão. Mas diferentes galáxias, manifestamente, têm velocidades diferentes. A ideia de sequer falar da “velocidade da expansão do universo” é bizarra e nunca deveria ter sido usada em primeiro lugar.

2. Não há uma noção bem definida de “velocidade de objetos distantes” na relatividade geral: Existe uma regra, válida tanto na relatividade especial quanto na relatividade geral, que diz que dois objetos não podem passar uns aos outros com velocidades relativas mais rápidas do que a velocidade da luz. Na relatividade especial, onde o espaço-tempo é uma fixa e plana geometria minkowskiana, podemos pegar um quadro de referência global e estender essa regra para objetos distantes. Na relatividade geral, nós simplesmente não podemos. Simplesmente não há tal coisa como a “velocidade” entre dois objetos que não estão localizados no mesmo lugar. Se você tentou medir tal velocidade, que teria um paralelo ao transportar o movimento de um objeto para a localização do outro, sua resposta dependeria completamente do caminho que você levou para fazer isso. Assim, não pode haver nenhuma regra que diga que a velocidade não pode ser maior do que a velocidade da luz. Ponto final, fim da história.

Só que não é bem o fim da história, uma vez que, sob certas circunstâncias especiais, é possível definir quantidades que estão em tipos como velocidades entre objetos distantes. A cosmologia modela o universo como tendo uma estrutura com referência preferida definida pelo espaço de prenchimento da matéria, onde há uma tal circunstância. Quando as galáxias não estão muito longe, podemos medir seus redshifts cosmológicos, fingir que é um efeito Doppler, e trabalhar para trás para definir uma “velocidade aparente”. Bom para você, cosmólogo! Mas esse número que você definiu não deve ser confundido com a velocidade relativa real entre dois objetos que passam perto um do outro. Em particular, não há razão alguma de que essa velocidade aparente não possa ser maior do que a velocidade da luz.

Às vezes, essa ideia é mutilada por algo como “a regra contra as velocidades superluminais não se referir à expansão do espaço”. Uma boa tentativa, certamente bem-intencionada, mas o problema é mais profundo do que isso. A regra contra velocidades superluminais se referem apenas a velocidades relativas entre dois objetos que passam corretamente entre si.

3. Não há nada de especial sobre a taxa de expansão durante a inflação: Se você quiser insistir teimosamente em tratar a aparente velocidade cosmológica como uma velocidade real, apenas para que você possa, em seguida, confundir as pessoas dizendo, por vezes, que a velocidade pode ser maior do que a velocidade da luz, eu não posso impedi-lo. Mas pode ser – e é! – Maior do que a velocidade da luz, em qualquer momento na história do universo, não apenas durante a insuflação. Há galáxias suficientemente distantes em que sua aparente recessão com velocidades são hoje maiores do que a velocidade da luz. Dar às pessoas a impressão que o especial sobre a inflação é que o universo está se expandindo mais rápido do que a luz é um crime contra a compreensão e o bom senso.

O que é especial sobre a inflação é que o universo está se acelerando. Durante a inflação (assim como hoje, uma vez que a energia escura retomou), o fator de escala, que caracteriza a distância relativa entre os pontos comóveis no espaço, está aumentando cada vez mais rápido, em vez de estar diminuindo gradualmente. Como resultado, se você olhar para uma galáxia em particular ao longo do tempo, sua velocidade de aparente recessão estaria aumentando. Isso é um grande feito, com todos os tipos de ramificações cosmológicas interessantes e importantes. E não é tão difícil de explicar.

Mas não é uma expansão superluminal. Se você estivesse sentado em um semáforo com seu carro Tesla, botásse-o de modo insano, e acelerasse a 60 milhas por hora durante 3,5 segundos, você não iria ter uma multa por excesso de velocidade, desde que o excesso de velocidade seja em si de 60 mph ou mais. Você ainda poderia obter uma multa – mesmo não havendo uma condução imprudente, depois de tudo – mas se você estava parado antes do juiz de tráfego fazer a contagem de excesso de velocidade, então você deve ser capaz de sair impune.

Há muitos “equívocos” na haste física de uma tentativa honesta em explicar conceitos técnicos de linguagem natural, e eu tento ser muito indulgente com isto. Porém neste caso eu acredito que não seja assim; simplesmente está equivocadamente errado. A única vantagem da frase “a inflação é um período de expansão superluminal” é que ela é curta. Ela transmite a ilusão de compreensão, mas que pode ser tão ruim quanto simplesmente mal-entendida. Cada vez que se repete, o entendimento do público de como o universo funciona fica um pouco pior. Devemos ser capazes de fazer melhor.

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