Um conto de dois big bangs

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Por Marcus Pössel
Publicado na
Einstein Online

Sempre que você ouvir ou ler sobre cosmologia, há uma distinção que você deve ter no fundo da sua mente – caso contrário, as coisas podem ficar um pouco confusas: o termo “big bang” tem dois significados ligeiramente diferentes, e a resposta para perguntas como “Será que o big bang realmente aconteceu” depende fundamentalmente de qual dos dois big bangs você está falando.

De volta para o início

O universo está se expandindo: a distância entre as regiões distantes do espaço (por exemplo, a distância entre a nossa galáxia e um aglomerado de galáxias distante) é cada vez maior com o tempo. Assim, se viajamos no tempo, chegaremos a um período da história cósmica em que as galáxias eram muito mais próximas do que são hoje. Em cerca de 14 bilhões de anos, a nossa viagem para o passado nos leva a um universo em que não havia galáxias individuais ou mesmo estrelas. O cosmos inteiro estava preenchido com uma mistura homogênea de diferentes tipos de partículas e radiação eletromagnética. De modo geral, se você deixar um gás expandir-se, ele vai esfriar; se comprimi-lo, ele vai esquentar. Analogamente, a temperatura do universo foi significativamente maior no passado. Voltando, nós acabaremos por chegar a momentos em que o Universo tinha milhares ou milhões de graus.

Se nós simplesmente seguirmos as previsões da teoria da relatividade geral para a evolução da expansão simples de Einstein, com um universo homogêneo cheio de matéria e radiação, então a nossa viagem ao passado acabará por chegar a um fim – um ponto no tempo em que não podemos voltar ainda mais. Neste momento, todas as galáxias que vemos ao nosso redor hoje estavam compactadas em uma região de volume zero – um único ponto no espaço. Uma vez que a densidade é definida como a massa dividida pelo volume, a densidade era infinita. Na teoria de Einstein, a matéria influencia o modo que a geometria do espaço e do tempo é distorcida, e nesse momento de densidade de matéria infinita, a curvatura do espaço-tempo também era infinita. Dentro dos modelos cosmológicos simples com base na teoria da relatividade geral, não existe a possibilidade de ir a qualquer tempo antes disso. Tal limite do tempo (ou do espaço-tempo) é chamado de singularidade.

Singularidade big bang e Etapa big bang

Agora que seguimos a evolução do universo como nos modelos mais simples que temos, vamos fazer um balanço: nesses modelos, o início do universo é uma singularidade que é comumente chamada de “singularidade big bang” ou simplesmente de “big bang”. Logo a seguir, seguiu-se um período de expansão durante o qual a temperatura e a densidade da matéria no universo eram tão extremas que a ciência atual não pode nos dizer o que aconteceu – nós simplesmente não temos teorias confiáveis descrevendo as propriedades da matéria sob tal condição extrema.

Um mero milionésimo de segundo depois, voltamos ao normal – pelo menos na medida da física de alta energia: a matéria em tais densidades e temperaturas podem ser produzidas nos atuais aceleradores de partículas mais poderosos, e esta parte da evolução cósmica pode ser descrita usando uma combinação do modelo padrão da física de partículas e relatividade geral. Poucos segundos depois, entramos no período de nucleossíntese do big bang, em que os primeiros elementos leves, como o hélio foram produzidos. 380 mil anos mais tarde, o universo tinha arrefecido o suficiente para permitir a formação dos primeiros átomos estáveis​​. Ao longo dos próximos 14 bilhões de anos ou mais, o universo resfriou cada vez mais, as estrelas e as galáxias se formaram, e, eventualmente, em um planeta próximo de uma estrela totalmente normal, se desenvolveu uma espécie de macaco muito curioso, cujos representantes, eventualmente, assumiram a gigantesca tarefa de tentar reconstruir o que se passou antes.

E aí estão eles, os dois sentidos em que a expressão “big bang” é usada, como esboçado na figura abaixo (fora de escala), onde o tempo passa enquanto você vai da esquerda para a direita, e onde o tamanho de expansão do universo é representado por um aumento na extensão vertical:

expansionÀs vezes, “big bang” significa “singularidade big bang” – o ponto singular no tempo que, de acordo com os modelos cosmológicos simples, foi o início do nosso universo. Em outras ocasiões, “big bang” engloba os primeiros minutos, ou até mesmo os primeiros 380 mil anos de história no início do nosso universo – toda uma “etapa big bang”, se você quiser (embora este não seja um termo comumente usado). Muitas vezes, consideramos que a etapa big bang inclua um período hipotético de rápida expansão acelerada chamada inflação, que começou tão cedo quanto 10-43 segundos após a singularidade big bang.

Em comparação com a idade do universo, a diferença entre os dois significados é pequena – como discutir se devemos ou não incluir na ponta de uma régua de 30 cm o primeiro centésimo de milímetro de comprimento. No entanto, por menor que seja, há ocasiões em que a diferença se torna importante. Aqui estão dois exemplos.

Qual é qual?

Será que o big bang realmente aconteceu? Se você está falando sobre a etapa big bang, o universo primordial quente como descrito por teorias físicas conhecidas (ou, se você incluir também a inflação, por extrapolação a partir dessas teorias), então há boas evidências de que sim, há quase 14 bilhões de anos atrás, o cosmos se desenvolveu da maneira descrita pelos modelos cosmológicos (os principais indícios são a abundância de elementos leves como deduzido a partir da observação astronômica, a distribuição de galáxias distantes e a existência das propriedades da chamada radiação cósmica de fundo).

Se existiu ou não uma singularidade big bang é uma questão totalmente diferente. Muitos dos cosmólogos ficariam muito surpresos se descobrir-se que nosso universo realmente era infinitamente quente,infinitamente denso e infinitamente curvo no início. Geralmente, o fato de um modelo prever valores infinitos por alguma quantidade física, indica que o modelo é muito simples e não inclui algum aspecto crucial do mundo real. Na verdade, nós já sabemos o que os modelos cosmológicos habituais deixam de incluir: por causa da ultra-alta densidade, com todo o universo observável espremido em um volume muito menor do que a de um átomo, seria de esperar que os efeitos quânticos se tornassem extremamente importantes. Mas os modelos cosmológicos padrões não incluem versões quânticas completas de espaço, tempo e geometria – eles não são baseados em uma teoria da gravidade quântica. No entanto, no presente momento, nós não temos ainda uma teoria confiável da gravidade quântica. Embora existam candidatos promissores para tal teoria, nenhum é desenvolvido o suficiente para produzir previsões confiáveis ​​para o universo muito jovem.

Assim, enquanto alguns cosmólogos não têm problema com a suposição de que o nosso universo começou em um estado singular, a maioria está convencida de que a singularidade do big bang é um artefato – para ser substituído por uma descrição mais precisa, uma vez que a pesquisa de gravidade quântica faça progressos adequados. E vai ser substituída pelo quê? Ninguém sabe ao certo. Em alguns modelos, podemos ir infinitamente distante no passado. Em outros, o big bang é substituído por um princípio do universo que evita todos os infinitos, mas em que o tempo em si é bastante diferente do que estamos acostumados.

Por outro lado, sempre que os cosmólogos falam sobre algo que acontece um segundo, um minuto, ou 400 mil anos depois do big bang, seu ponto de referência é de fato a singularidade big bang. A razão é que, nos modelos cosmológicos baseados na teoria da relatividade geral, as fórmulas para a expansão do universo tornam-se particularmente simples se você definir t = 0 (tempo cósmico zero) para coincidir com a singularidade big bang. Esta é uma grande vantagem para os cálculos físicos que lidam com o universo primitivo, definindo o tempo cósmico assim para fazer sentido.

Ainda assim, existe um potencial para confusão. Quem não está familiarizado com as convenções da cosmologia poderia supor que o uso de uma frase como “um centésimo de segundo após o big bang” implica que, na opinião do escritor ou orador, realmente foi uma singularidade big bang. Não é assim: essa frase é apenas uma abreviação para “em um momento cósmico de um centésimo de segundo, onde o tempo cósmico é definido de uma forma que faz com que a física do universo primordial seja especialmente simples”.

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