Por que o Universo é tão assustadoramente grande?

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Retirada do Imgur

Por Sean Carroll
Publicado no
Preposterous Universe

Eu adoro ler o io9, é uma mistura divertida de ficção científica, entretenimento e ciência pura. Então, eu estava feliz em responder quando o seu escritor George Dvorsky enviou a uma pergunta aparentemente inocente: “Porque a escala do universo é tão assustadoramente grande?”

Você pode encontrar os frutos do trabalho de George sobre isto no io9. Mas a minha própria resposta continuou a um nível suficientemente grande, então resolvi colocá-la aqui também. Claro que, como com qualquer pergunta “Por quê?”, Precisamos ter em mente que a resposta pode ser simplesmente “Porque essa é assim que funciona”.

Sempre que nos parecemos surpresos ou confusos sobre algum aspecto do universo, é porque temos alguma expectativa pré-existente para o que “deveria” ser, ou o que um universo “natural” poderia ser. Mas o universo não tem um propósito, e não há nada mais natural do que a própria Natureza – assim o que estamos realmente tentando fazer é descobrir o que as nossas expectativas devem ser.

O universo é grande em escalas humanas, mas isso não significa muito. Não é surpreendente que os seres humanos são pequenos em comparação com o universo, mas grandes em comparação com átomos. Essa característica tem uma explicação antrópica óbvia – estruturas complexas só podem se formar entre escalas, não à tamanhos muito maiores ou muito menores. Dado que os organismos vivos vão ser complexos, não é nenhuma surpresa que nós nos encontramos em um tamanho intermediário em comparação com o universo e em comparação com as partículas elementares.

O que é, sem dúvida, mais interessante, é que o universo é tão grande quanto em comparação com escalas da física de partículas. O comprimento de Planck da gravidade quântica é de 10^{-33} centímetros, e o tamanho de um átomo é de aproximadamente 10^{-8} centímetros. A diferença entre esses dois números já é intrigante – que está relacionado com o “problema da hierarquia” da física de partículas. (O tamanho de átomos é fixado pela escala de comprimento definido por interações eletrofracas, enquanto o comprimento de Planck é definido pela constante de Newton; as duas distâncias são extremamente diferentes, e não temos certeza do por que). Mas a escala do universo é de aproximadamente 10^29 centímetros de diâmetro, que é enorme em qualquer escala da microfísica. É perfeitamente razoável perguntar o por quê.

Parte da resposta é que as configurações “típicas” de material, tendo em conta as leis da física como nós os conhecemos, tendem a ser muito próximas ao espaço vazio. (“Típica” significa “de alta entropia”, neste contexto). Isso é uma característica da relatividade geral, que diz que o espaço é dinâmico, e pode se expandir e contrair. Então você me dá qualquer configuração particular da matéria no espaço, e eu posso encontrar um monte de configurações onde a mesma coleção de matéria espalham-se ao longo de um volume muito maior de espaço. Então, se tivéssemos de “pegar uma coleção aleatória de coisas”, obedecendo as leis da física, iriamos pegar principalmente o espaço vazio. Que o nosso universo é, mais ou menos.

Dois grandes problemas com isso. Em primeiro lugar, até mesmo o espaço vazio tem um comprimento de escala natural, que é definido pela constante cosmológica (energia do vácuo). Em 1998, descobrimos que a constante cosmológica não é exatamente zero, embora seja muito pequena. A escala de comprimento que ela define (grosso modo, a distância da curvatura do espaço devido à constante cosmológica, que se torna apreciável) tem de fato o tamanho do universo hoje – cerca de 10^26 centímetros. (Note que a própria constante cosmológica é inversamente proporcional a esta escala de comprimento – a pergunta “Porque é que a escala de comprimento cosmológico constante é tão grande?” É a mesma que “Porque a constante cosmológica é tão pequena?”)

Isto levanta duas grandes questões. A primeira é o “problema da coincidência”: o universo está se expandindo, mas a escala de comprimento associada à constante cosmológica é uma constante, então por que elas são aproximadamente iguais hoje? A segunda é simplesmente o “problema da constante cosmológica”: por que a escala da constante cosmológica é tão enormemente maior do que a escala de Planck, ou algum evento de escala atômica? É seguro dizer que agora não há respostas amplamente aceitas para qualquer uma destas perguntas.

Então, aproximadamente, a resposta à pergunta “Por que o universo é tão grande” é “Devido a constante cosmológica ser tão pequena”. E a resposta à pergunta “Por que a constante cosmológica é tão pequena?” É “Ninguém sabe”.

Mas há ainda uma outra dificuldade. Configurações típicas das coisas tendem a olhar como o espaço vazio. Mas o nosso universo, enquanto relativamente vazio, não é “tão” vazio. Ele tem mais de cem bilhões de galáxias, com uma centena de bilhões de estrelas cada, e mais de 10^50 átomos por estrelas. Pior, há talvez 10^88 partículas (principalmente fótons e neutrinos) dentro do universo observável. Isso é um monte de partículas! Um estado muito mais natural do universo estaria enormemente mais vazio do que isso. Na verdade, como o espaço se expande, a densidade de partículas dilui distante – nós estamos indo em direção a um estado muito mais natural, que será muito mais vazio do que o universo que vemos hoje.

Assim, dado o que sabemos sobre a física, a verdadeira questão é: “Por que há tantas partículas no universo observável?”. Essa é uma perspectiva sobre a pergunta “Porque a entropia do universo observável é tão baixa?” E, claro, a densidade das partículas eram muito mais elevadas, e a entropia muito mais baixa, em tempos iniciais. Estas questões são também aquelas que não temos boas respostas no momento.

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