O nosso universo é o único universo?

Brian Greene, já citado aqui no blog em outras oportunidades, fornece um tour por algumas das maiores descobertas recentes da ciência. ...

Brian Greene, já citado aqui no blog em outras oportunidades, fornece um tour por algumas das maiores descobertas recentes da ciência.

Poucos meses atrás o Prêmio Nobel de Física foi conferido a dois grupos de astrônomos por uma descoberta que foi saudada como uma das mais importantes observações astronômicas já feitas. E hoje, depois de rapidamente descrever o que eles encontraram, vou contar a vocês sobre uma estrutura altamente contorversa para explicar essa descoberta, notadamente a possibilidade de que muito além da Terra, da Via Láctea e de outras galáxias distantes, podemos descobrir que nosso universo não é o único universo, mas, ao contrário, é parte de um vasto complexo de universos que chamamos de multiverso.

Bem, a ideia de um multiverso é algo estranho. Quero dizer, a maioria de nós foi criado acreditando que a palavra "universo" significa tudo. E digo, muitos de nós já considerando futuras eventualidades, como minha filha de quatro anos que me ouve falar dessas ideias desde que nasceu. Ano passado eu a estava segurando e disse:

Sophia, amo você mais que tudo no universo.

Ela se voltou para mim e disse:

Papai, universo ou multiverso?

(Risadas) Mas, excluindo-se uma criação tão incomum, é estranho imaginar outros mundos separados do nosso, a maioria com características essencialmente diferentes, que, mais exatamente, seriam chamados universos por si mesmos. Ainda assim, mesmo que a ideia seja com certeza especulativa, tenho como objetivo convencê-los de que há razões para levar isso a sério, pois pode ser que esteja certo. Vou contar-lhes a história do multiverso em três partes.

• Na primeira parte, vou descrever os resultados daqueles ganhadores do Prêmio Nobel e destacar um profundo mistério que aqueles resultados revelaram. 
• Na segunda parte, vou oferecer uma solução para aquele mistério. Baseia-se na abordagem chamada teoria das cordas, e é aqui que a ideia do multiverso entrará na história. 
• Finalmente, na terceira parte, vou descrever uma teoria cosmológica chamada inflação, que juntará todas a peças da história. 

Ok, a primeira parte começa lá em 1929, quando o grande astrônomo Edwin Hubble percebeu que as galáxias distantes estavam todas se afastando de nós e estabeleceu que o espaço em si mesmo está esticando, está se expandindo.  Bem, isso foi revolucionário. O conhecimento que prevalecia era aquele de que na maior das escalas o universo era estático. Mas, mesmo assim, havia uma coisa de que todos tinham certeza: a expansão deve estar diminuindo. Isso, assim como a força gravitacional da Terra desacelera, a ascenção de uma maçã atirada para cima, a força gravitacional de cada galáxia sobre as outras deve estar diminuindo a expansão do espaço.  Agora, vamos avançar até os anos 90, quando aquelas duas equipes de astrônomos que mencionei no início foram inspiradas por essa ideia a medir a proporção com que a expansão estava diminuindo. E eles fizeram isso com observações muito cuidadosas de numerosas galáxias distantes, que lhes permitiu elaborar gráficos de como a taxa de expansão tinha mudado no tempo. 


Eis aqui a surpresa: eles descobriram que a expansão não está diminuindo. Ao contrário, descobriram que está acelerando, indo cada vez mais rápido. Isso é como atirar uma maçã para cima e ela ir cada vez mais rápido. Agora, se você visse uma maçã fazer isso, você iria querer saber por quê. O que a está empurrando? Da mesma forma, os resultados dos astrônomos são, com certeza, merecedores do Prêmio Nobel, mas levantaram uma questão análoga. Que força está conduzindo todas as galáxias a se afastarem umas das outras a uma velocidade cada vez mais rápida?  Bem, a resposta mais promissora vem de uma velha ideia de Einstein. Vejam, estamos todos acostumados à gravidade como uma força que faz uma coisa, atrai objetos. Mas na teoria da gavidade de Einstein, sua teoria geral da relatividade, a gravidade também pode separar coisas. Como? Bem, de acordo com a matemática de Einstein, se o espaço é uniformemente preenchido com uma energia invisível, um tipo de névoa invisível e uniforme, então a gravidade gerada por essa névoa seria repulsiva, gravidade repulsiva, que é exatamente o que precisamos para explicar as observações. Porque a gravidade repulsiva de uma energia invisível no espaço - agora, chamamos isso de energia escura, mas aqui eu a tornei esbranquiçada para que vocês pudessem vê-la - sua gravidade repulsiva faria uma galáxia empurrar outra, levando a expansão a acelerar, não a diminuir. E essa explicação representa grande progresso. 


 Mas, prometi a vocês um mistério aqui na primeira parte. Aqui está.  Quando os astrônomos descobriram quanto dessa energia escura deve estar infundindo o espaço para responder pela aceleração cósmica, veja o que eles encontraram. Este número é pequeno. Expresso na unidade relevante é espetacularmente pequeno. E o mistério é explicar este número peculiar.  Queremos que esse número surja das leis da física, mas até agora ninguém encontrou uma maneira de fazer isso. Bem, vocês podem imaginar, será que vocês deveriam se importar? Talvez explicar esse número seja apenas um assunto técnico, um detalhe técnico do interesse de peritos, mas sem relevância para qualquer outra pessoa. Bem, seguramente é um detalhe técnico, mas alguns detalhes realmente importam. Alguns detalhes fornecem brechas para domínios desconhecidos da realidade, e este número peculiar pode estar fazendo exatamente isso, já que a única abordagem feita até agora para explicar isso invoca a possibilidade de outros universos -- uma ideia que naturalmente emerge da teoria das cordas, o que me leva para a segunda parte: teoria das cordas. 

Portanto, mantenha o mistério da energia escura em um cantinho de sua mente enquanto prossigo contando três coisas essenciais sobre a teoria das cordas.

Em primeiro lugar, o que é isso? Bem, é uma abordagem para realizar o sonho de Einstein de uma teoria unificada da física, uma única estrutura sobre um arco que seria capaz de descrever todas as forças em ação no universo. E a ideia central da teoria das cordas é bastante direta. Preceitua que se você examinar qualquer pedaço de matéria mais acuradamente, primeiro você encontrará moléculas e depois encontrará átomos e partículas subatômicas. 


Mas a teoria diz que se você pudesse sondar a menor, muito menor do que podemos com a tecnologia existente, você encontraria algo dentro dessas partículas - um pequeníssimo filamento de energia que vibra, uma pequeníssima corda que vibra. E exatamente como as cordas de um violino, elas podem vibrar em diferentes padrões, produzindo diferentes notas musicais. Essas pequeninas cordas fundamentais, quando vibram em diferentes padrões, produzem diferentes tipos de partículas - assim, elétrons, quarks, neutrinos, fótons, todas as outras partículas estariam unidas a uma única estrutura, já que elas surgiriam de cordas que vibram.  É um quadro atraente, um tipo de sinfonia cósmica, na qual toda a riqueza que vemos no mundo ao redor de nós emerge da música, que essas pequenas, pequeníssimas, cordas podem tocar. Mas, há um custo para esta elegante unificação, porque anos de pesquisa demonstraram que a matemática da teoria das cordas não funciona muito bem. Tem inconsistências internas, a não ser que consideremos algo totalmente estranho -- dimensões extras para o espaço. Isto é, todos conhecemos as três dimensões usuais do espaço. E você pode lembrar de altura, largura e profundidade. 

Mas a teoria das cordas diz que, em escalas fantasticamente pequenas, há dimensões adicionais espremidas em um tamanho diminuto tão pequeno que não as detectamos. 

Mas, mesmo que as dimensões estejam escondidas, elas teriam um impacto sobre as coisas que podemos observar porque o formato das dimensões extras restringem a forma que as cordas podem vibrar. E, na teoria das cordas, a vibração determina tudo. Assim, as massas de partículas, as intensidades das forças, e, mais importante, a quantidade de energia escura seriam determinadas pelo formato das dimensões extras. Portanto, se soubéssemos o formato das dimensões extras, deveríamos ser capazes de calcular essas características, calcular a quantidade de energia escura. O desafio é que não sabemos o formato das dimensões extras. Tudo que temos é uma lista de candidatos a formatos fornecida pela matemática. 


Bem, quando essas ideias foram primeiramente desenvolvidas, haviam apenas, aproximadamente, cinco diferentes candidatos a formatos, assim, você pode imaginá-los sendo analisados um a um para determinar se algum produziria as características físicas que observamos. Mas com o tempo a lista aumentou, à medida que pesquisadores encontraram outros candidatos a formatos. De cinco, o número aumentou para centenas e então para milhares -- um grande, mas ainda administrável, conjunto para analisar, mesmo porque, afinal, estudantes da graduação precisam de algo para fazer. Mas, então, a lista continuou a aumentar para os milhões e os bilhões, até hoje. A lista dos candidatos a formatos subiu de aproximadamente 10 para 500.


Aí, o que fazer? Bem, alguns pesquisadores desanimaram, concluindo que haviam tantos candidatos a formatos para as dimensões extras, cada um dando origem a diferentes características físicas, que a teoria das cordas nunca faria previsões definitivas que pudessem ser testadas. Mas outros transformaram o assunto em seu foco, levando-nos para a possibilidade de um multiverso. Eis a ideia. Talvez cada um desses formatos esteja em pé de igualdade com todos os outros. Cada um é tão real quanto todos os outros, no sentido de que há muitos universos, cada um com um formato diferente para as dimensões extras. E esta proposta radical tem um profundo impacto neste mistério: a quantidade de energia escura revelada pelos resultados dos ganhadores do Prêmio Nobel. Porque, veja, se há outros universos, e se cada um desses universos tem, digamos, um formato diferente para as dimensões extras, então as características físicas de cada universo será diferente, e, em particular, a quantia de energia escura em cada universo será diferente. O que significa que o mistério de explicar a quantidade de energia escura que mensuramos agora assumiria um caráter completamente diferente. 


Neste contexto, as leis da física não conseguem explicar um número para a energia escura porque não há apenas um número, há muitos números.  O que significa que temos feito a pergunta errada. Acontece que a pergunta certa a fazer é: por que nós, humanos, nos encontramos em um universo com uma quantidade específica de energia escura que medimos ao invés de quaisquer das outras possibilidades que estão lá fora? E essa é a questão com a qual podemos prosseguir. Porque naqueles universos que têm muito mais energia escura que o nosso, sempre que a matéria tenta se aglutinar em galáxias, a força de repulsão da energia escura é tão forte que ela explode o aglomerado e as galáxias não se formam. E naqueles universos que têm muito menos energia escura, bem, eles entram em colapso tão rapidamente que, novamente, as galáxias não se formam. E sem galáxias, não há estrelas, não há planetas e nenhuma chance para nossa forma de vida existir naqueles outros universos. Assim, nos encontramos em um universo com a quantidade específica de energia escura que medimos simplesmente porque nosso universo tem condições hospitaleiras para nossa forma de vida. E isso seria assim. Mistério resolvido, multiverso encontrado. Bem, alguns acham essa explicação insatisfatória. Estamos acostumados à física nos dando explicações definitivas para as características que observamos. Mas a questão é, se a característica que você está observando pode e realmente assume uma ampla variedade de diferentes valores através da vasta paisagem da realidade, então, pensar em uma explicação para um determinado valor é simplesmente equivocado. Um exemplo antigo vem do grande astrônomo Johannes Kepler que era obcecado por entender um número diferente - por que o Sol está 93 milhões de milhas distante da Terra. E ele trabalhou por décadas tentando explicar esse número, mas nunca teve sucesso e sabemos porque. Kepler estava fazendo a pergunta errada. Sabemos que há muitos planetas em uma ampla variedade de diferentes distâncias de suas estrelas. Logo, ter a expectativa de que as leis da física explicarão um número específico, 93 milhões de milhas, bem, isso está simplesmente errado desde o princípio.  Em vez disso, a pergunta correta a fazer é: por que nós, os humanos, nos encontramos em um planeta nessa distância específica, ao invés de quaisquer das outras possibilidades? E, novamente, essa é uma questão que podemos responder. Aqueles planetas que estão muito próximos de uma estrela como o Sol seriam tão quentes que nossa forma de vida não existiria. E aqueles planetas que estão muito distantes da estrela, bem, seriam tão frios que, de novo, nossa forma de vida não se desenvolveria. Portanto, nós nos encontramos em um planeta nessa distância específica simplesmente porque ela produz condições vitais pra nossa forma de vida. E, no que se refere a planetas e suas distâncias, esta é claramente a forma correta de raciocínio. 


A questão é: no que se refere a universos e a enegia escura que eles contêm, essa pode também ser a forma correta de raciocínio. Uma diferença chave, claro, é que sabemos que há outros planetas lá fora, mas até agora especulei somente sobre a possibilidade de que possa haver outros universos. Assim, para juntar tudo isso, precisamos de um mecanismo que possa realmente gerar outros universos. E isso me leva à parte final, a terceira parte. Porque tal mecanismo foi encontrado por cosmologistas tentando entender o Big Bang. Veja, quando falamos do Big Bang, frequentemente temos uma imagem de um tipo de explosão cósmica que criou nosso universo e colocou o espaço distanciando-se para fora. Mas há um pequeno segredo. 

O Big Bang deixa fora algo muito importante: o Bang.

Ele nos diz como o universo evoluiu depois do Bang, mas não nos dá pistas do que teria detonado o próprio Bang. E esta lacuna foi finalmente preenchida por uma versão melhorada da teoria do Big Bang. É chamada de cosmologia inflacionária, que identificou um tipo específico de combustível, que naturalmente geraria um distanciamento do espaço para fora. O combustível está baseado em algo chamado campo quântico, mas o único detalhe que importa para nós é que esse combustível demonstrou ser tão eficiente que é virtualmente impossível usá-lo todo de uma vez, o que significa que, na teoria inflacionária, o Big Bang que deu origem a nosso universo não é provavelmente um evento único. Em vez disso, o combustível não apenas gerou nosso Big Bang, mas também teria gerado outros incontáveis Big Bangs, cada um dando origem ao seu próprio universo separado com nosso universo tornando-se apenas uma bolha em uma grande banheira de bolhas cósmicas de universos. Agora, quando fundimos isso com a teoria das cordas, aqui está o quadro a que somos conduzidos. Cada um desses universos tem dimensões extras. As dimensões extras assumem uma ampla variedade de formatos diferentes. 


Os diferentes formatos produzem diferentes características físicas. E nos encontramos em um universo ao invés de outro simplesmente porque é apenas em nosso universo que as características físicas, como a quantidade de energia escura, são adequadas para nossa forma de vida desenvolver-se. E esse é o quadro convincente, mas altamente controverso do cosmo mais amplo, que a observação e a teoria mais atualizadas, nos levam, agora, a considerar seriamente. Uma grande questão remanescente, claro, é: poderíamos confirmar a existência de outros universos? Bem, deixem-me descrever uma forma que pode acontecer um dia. A teoria inflacionária já tem forte apoio da observação. Porque a teoria prevê que o Big Bang teria sido tão intenso que, à medida que o espaço se expandiu rapidamente, minúsculas tremulações do micromundo teriam sido esticadas até o macromundo, produzindo uma pegada distinta, um padrão de locais ligeiramente mais quentes e locais ligeiramente mais frios, através do espaço, que telescópios poderosos têm observado agora. Indo um pouco além, se há outros universos, a teoria prevê que ocasionalmente esses universos podem colidir. E se nosso universo fosse atingido por outro, essa colisão geraria um padrão sutil adicional de variações de temperatura através do espaço que poderíamos, um dia, ser capazes de detectar. E, mesmo que este quadro seja exótico, ele pode, um dia, ser fundamentado em observações, estabelecendo a existência de outros universos. 


Concluirei com uma implicação impressionante de todas essas ideias para um futuro bem distante. Vejam, aprendemos que nosso universo não é estático, que o espaço está se expandindo, que essa expansão está acelerando e que pode haver outros universos, tudo ao examinar cuidadosamente pontos tênues de luz estelar que chegam até nós de galáxias distantes. Mas, porque a expansão está acelerando, em um futuro muito distante, aquelas galáxias irão tão distante e tão rápido que não será possível vê-las -- não por causa de limitações tecnológicas, mas por causa das leis da física. A luz que aquelas galáxias emitem, mesmo viajando na velocidade mais rápida, a velocidade da luz, não serão capazes de superar o golfo que está sempre se alargando entre nós. Então, os astrônomos num futuro distante, observando o espaço profundo, não verão nada a não ser um esticado sem fim de silêncio estático, escuro, negro. E eles concluirão que o universo é estático e imutável e habitado por um único oásis central de matéria em que eles vivem -- um quadro do cosmos que definitivamente sabemos ser errado. Agora, talvez aqueles futuros astrônomos tenham registros anotados, de uma era anterior, como a nossa, atestando um cosmo em expansão fervilhante de galáxias. 

Mas, aqueles futuros astrônomos acreditariam em tal conhecimento antigo?

Ou acreditariam no universo negro, estático e vazio que as melhores observações deles mesmos revelariam? Eu suponho que nessa última. O que significa que estamos vivendo em uma era notavelmente privilegiada quando certas verdades profundas sobre o cosmo ainda estão dentro do alcance do espírito humano de exploração. Parece que isso pode não ser sempre dessa forma. Porque os astrônomos de hoje, apontando telescópios poderosos para o céu, capturaram um punhado de fótons completamente informativos -- um tipo de telegrama cósmico, bilhões de anos em trânsito, e a mensagem que ecoa através dos tempos é clara. Algumas vezes a natureza guarda seus segredos com a garra inquebrável da lei física. Algumas vezes a verdadeira natureza da realidade acena exatamente além do horizonte. Muito obrigado.  (Aplausos) 


Chris Anderson: Brian, obrigado. O alcance das ideias sobre as quais você acabou de falar é vertiginoso, emocionante, incrível. O que você acha de onde está a cosmologia agora, em um tipo de momento histórico? Estamos no meio de algo historicamente não comum em sua opinião? 


Brian Greene: Bem, é difícil dizer. Quando compreendemos que astrônomos de um futuro distante podem não ter informação suficiente para calcular coisas, a pergunta natural é: talvez já estejamos nessa posição e certas características críticas e profundas do universo já tenham escapado de nossa capacidade de compreender por causa da maneira como a cosmologia evolui. Assim, dessa perspectiva, talvez estejamos sempre fazendo perguntas e nunca sejamos capazes de respondê-las completamete. De outro lado, agora podemos compreender a idade do universo. Podemos compreender como entender os dados da radiação de fundo de microondas que se estabeleceu 13,72 bilhões de anos atrás -- e ainda, podemos fazer cálculos hoje para prever como se parecerá e eles batem. Macacos me mordam! Isso é espantoso. De um lado, é simplesmente incrível onde chegamos, mas quem sabe que tipo de bloqueios podemos encontrar no futuro. 


CA: Você vai estar por aqui nos próximos dias. Talvez algumas dessas conversas possam prosseguir. Obrigado. Obrigado, Brian.  (BG: O prazer foi meu.)  (Aplausos)  [Via BBA]