Tradução José Filardo
por Ethan Siegel
O agrupamento de galáxias no Universo nas maiores escalas observáveis, onde cada pixel representa uma galáxia. Crédito da imagem: Michael Blanton e colaboração SDSS.
Como um pouco de conhecimento pode trazer alguns enormes equívocos … e como corrigir isso.
“Porque a filosofia surge do assombro, um filósofo está ligado em seu caminho a ser um amante de mitos e fábulas poéticas. Poetas e filósofos são iguais em ter grande admiração”. – Tomás de Aquino
O Universo é um vasto e misterioso lugar, abrangendo tudo o que já conhecemos, observamos ou poderíamos jamais esperar entrar em contato. Durante milênios, a olhar para o céu – nossa janela para o cosmos além do nosso mundo – provocava espanto, admiração e uma fascinação com o desconhecido. Graças a todos os avanços científicos alcançados por civilizações em todo o mundo, agora sabemos que os pontos de luz no céu são estrelas, encontradas agrupadas em galáxias, que se agrupam em escalas maiores, em um Universo que começou com o nosso Big Bang, há uma quantidade finita de tempo: 13,8 bilhões de anos. Ainda assim, saber isso não significa que sabemos tudo. De fato, saber um pouco de física abre a porta para equívocos realmente grandes, alguns dos quais afligem até mesmo cientistas profissionais. Eles incluem…
As partes observáveis (amarelo) e alcançáveis (magenta) do Universo, que são o que são graças à expansão do espaço e aos componentes de energia do universo. Crédito da imagem: E. Siegel, baseado no trabalho dos usuários da Wikimedia Commons Azcolvin 429 e Frédéric MICHEL.
1.) Se o universo tem 13,8 bilhões de anos de idade, então não devemos ser capazes de ver objetos distantes 46 bilhões de anos-luz.
Afinal, nada pode se mover mais rápido do que a velocidade da luz! A luz do Sol tem 8 minutos e 20 segundos de idade, porque ela leva 8 minutos e 20 segundos para percorrer a distância entre o Sol e a Terra. Mas há dois pontos importantes a perceber nisso: um é que o Sol e a Terra não estão se movendo para longe um do outro ou em direção ao outro durante a viagem da luz; o outro é que o espaço entre o Sol e a Terra não está se expandindo. Nas escalas cósmicas maiores, o Universo tem esses dois fatores em jogo.
Imagine uma galáxia que esteja a 10 bilhões de anos luz de distância de onde estamos agora, 10 bilhões de anos atrás. Imagine que ela emite luz. Se o tecido do universo não estivesse em expansão, ela levaria 10 bilhões de anos para chegar até nós. Mas se a galáxia estiver se afastando de nós, limitado pela velocidade da luz, ela poderia estar até 20 bilhões de anos luz de nós na hora que a luz chegar. E se o universo estiver se expandindo, ela poderia estar ainda mais longe! Se nosso Universo fosse composto principalmente de radiação, poderíamos ver até 27,6 bilhões de anos-luz de distância em um universo de 13,8 bilhões de anos de idade. Se ele fosse composto principalmente de matéria, esse número subiria para 41,4 bilhões de anos luz. E com o mix de matéria, matéria escura e energia escura que temos, a expansão leva esse número até 46 bilhões de anos luz de distância. É assim que podemos ver objetos tão distantes em nosso Universo.
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Luz e ondas no espaço; à medida que a luz passa através do espaço não-plano, ele muda a forma como um observador em qualquer outro local percebe a passagem do tempo para a luz. Crédito da imagem: European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS.
2.) Ninguém sabe como a gravidade, realmente e fundamentalmente funciona.
As forças que afetam o nosso Universo – gravitação, regido pela Relatividade Geral de Einstein, e as forças eletromagnéticas, fortes e fracas descritas pela teoria quântica dos campos – são fáceis de observar e medir. As teorias subjacentes a elas são separadas, com a Relatividade Geral descrevendo a relação entre a matéria-e-energia e a curvatura do espaço-tempo, e da teoria quântica dos campos descrevendo as interações entre as partículas que ocorram nesse espaço-tempo. Você pode se preocupar que a gravidade deva ser inerentemente uma força quântica na natureza, e que deve haver gravitons mediando essa interação. Você também pode se preocupar que não podemos calcular como a força ou campo gravitacional deva funcionar em situações quânticas, como para um elétron passando por uma fenda dupla e interferindo consigo mesmo.
Mas o objetivo da ciência é explicar observações e a Relatividade Geral faz isso para absolutamente todos eles. Não apenas o suficiente, mas perfeitamente, até os limites do que somos capazes de observar. Toda teoria tem um limite em sua gama de validade; a Relatividade Geral falhará em algum ponto, como as singularidades dentro de buracos negros. Mas as teorias quânticas de campo também têm esses limites: na escala de Planck, ou distâncias de cerca de 10^ -33 metros ou mais. Deveria existir grávitons, mas eles são semelhantes aos fótons: os reais podem ser detectados como ondas gravitacionais (assim como os fótons reais podem ser detectados como ondas de luz), enquanto que os virtuais não podem ser detectados, e são apenas uma ferramenta de cálculo. A descrição de Einstein é perfeitamente válida. Embora tenhamos esperança de algum dia seja substituída por uma descrição quântica da gravidade, a nossa imagem do espaço-tempo curvo afetado pela matéria e energia, onde o espaço-tempo curvo determina os caminhos de objetos é fundamentalmente válida no sentido mais importante: ela descreve perfeitamente cada observação que possamos conceber.
A linha do tempo da história o nosso Universo observável. Crédito da imagem: NASA / WMAP Science Team.
3.) O Big Bang foi o nascimento do espaço e do tempo.
O Universo vem se expandindo e resfriando por bilhões de anos; tudo era mais quente e denso no passado, e se extrapolarmos para trás arbitrariamente, chegaremos a um ponto de densidade infinita. Teoricamente, isso foi realizado já em 1920 por cosmologistas como Alexandr Friedmann e Georges Lemaître, com o último chamando esse estado de “átomo primordial” de onde tudo surgiu. Quando o brilho de radiação residual previsto por esta imagem – mudou para a parte de microondas do espectro pela expansão do Universo – foi detectado na década de 60, o Big Bang foi confirmado. Extrapole para trás arbitrariamente e você chega a uma singularidade: de onde emergiu o espaço e o tempo como nós os conhecemos.
Só que essa imagem não está certa. Se a temperatura do Universo (e, portanto, suas energias) alguma vez subiu acima de um certo ponto, no início, as flutuações na Radiação Cósmica de Microondas de fundo seriam maiores do que as que observamos. O fato de que eles são apenas algumas partes em 100.000 – medida pela primeira vez no início da década de 90 pelo COBE – nos diz que deve ter havido um estado antes do quente Big Bang de onde emergiu o nosso Universo quente, denso, cheio de matéria-e-radiação. Havia uma previsão feita do que seria esse estado na década de 1980: a inflação cósmica, que criou e deu origem ao Big Bang. Os detalhes do que as flutuações de RCM seriam foram previstos e observados correspondendo em detalhes sangrentos o que observamos por COBE, WMAP (década de 2000) e Planck (década de 2010s). A inflação veio antes do Big Bang quente. O que veio antes da inflação, e honestamente, o que veio antes dos últimos 10^ -32 segundos da inflação ainda é um mistério.
Dois possíveis padrões de emaranhamento no espaço Sitter (AdSn) que representam os bits emaranhados de informação quântica que podem permitir a emergência do espaço, tempo e gravidade. Crédito da imagem: Erik Verlinde, via https://arxiv.org/pdf/1611.02269v2.pdf .
4.) O espaço, tempo e gravidade poderiam, todos, ser apenas ilusões.
Talvez eles não sejam fundamentais; talvez eles não sejam realmente “reais” de alguma forma. Tem havido muita agitação e comentários sobre uma ideia recente: de que algumas dessas propriedades podem surgir de algo mais fundamental. Ondas sonoras surgem de interações moleculares; átomos emergem de quarks, gluões e elétrons e as interações fortes e eletromagnéticas; sistemas planetários emergem da gravitação em Relatividade Geral. Mas na ideia de gravidade entrópica – bem como alguns outros cenários (tais como qbits) – a gravitação ou mesmo o espaço e o tempo podem emergir de outras entidades de uma forma semelhante.
Mas, na raiz disso está o fato de que existem relações estreitas nas equações que regem a gravitação e aquelas que regem a termodinâmica. Normalmente, tomamos o ponto de vista de que a gravidade e as partículas são entidades fundamentais, e que a termodinâmica é emergente: descrevendo as propriedades agregadas de um grande número de coisas mais fundamentais. De fato, as leis da termodinâmica emergem de um campo diferente, mais fundamental; a mecânica estatística. A gravidade pode ainda emergir de algo mais fundamental: cordas, loops, buracos negros peludos, partículas de Planck ou alguma outra construção teórica. A chave, porém, é que as previsões dessa ideia “mais fundamental” deve diferir do que prediz a relatividade geral, e isso não foi levado adiante de nenhuma maneira verificada. Mas, mais importante, a gravidade não é uma ilusão, mesmo se ela não é fundamental; ela existe da mesma forma que qualquer propriedade emergente existe. E quanto ao espaço e tempo? Eles também podem não ser fundamentais, mas não há nenhuma boa ideia por aí, para e onde eles possam emergir que se conecte a qualquer coisa testável. De qualquer forma, espaço, tempo e gravidade certamente existem, e chama-los de uma “ilusão” é simplesmente falso.
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Flutuações no próprio espaço-tempo em escala quântica se estendem pelo Universo durante a inflação, dando origem a imperfeições, tanto em densidade quanto ondas gravitacionais. Crédito da imagem: E. Siegel, com imagens derivadas de ESA / Planck e a força-tarefa interagências DoE / NASA / NSF sobre pesquisa de RCM.
5.) De qualquer forma, é tudo apenas uma teoria.
O Big Bang: apenas uma teoria. Gravidade: apenas uma teoria. Mesmo todo o campo de colocar essas ideias juntas é chamado de física teórica. Não é como se estes fossem fatos, verdades ou até mesmo leis. Eles são apenas teorias.
Mas isso perde completamente o ponto do que uma teoria científica é. Fatos são os elementos mais básicos da ciência. Você faz uma observação e isso é um fato. Você faz uma medição e isso é um fato. Um único ponto de dados experimental é um fato, e por isso, recolher o maior número deles que pudermos, e conceber configurações para recolher ainda mais. Quando você percebe que as coisas estão correlacionadas e que aquelas relações entre diferentes mensuráveis / observáveis obedece a uma forma ou equação particular, isso é uma lei. É só quando você pode montar uma estrutura abrangente que não só explica os fatos e engloba as leis, mas também faz novas previsões sobre coisas que você pode sair e observar é que você tem uma teoria científica. Se você, então, sair, validar e verificar suas teorias e levá-las a limites absolutos é que você tem uma teoria tão boa quanto o Big Bang ou a Relatividade Geral.
E é verdade: mesmo uma teoria tão robusta e aceita quanto estes exemplos nunca será a resposta final. Há sempre mais a aprender, mais fronteiras a cruzar e mais perguntas para descobrir e testar. Mas as teorias mais aceitas do dia estão tão próximas da verdade quanto a ciência pode chegar, e assim mesmo nós sempre nos esforçamos para chegar ainda mais perto. Melhor compreender a realidade, com todas as nuances envolvidas nela, da melhor forma que possamos efetivamente, do que persistir em um mito reconfortante.
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