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22 de fevereiro de 2024

O Universo Pode Ser Finito?

Recentes estimativas indicam que o universo observável – a porção do universo que conseguimos detectar através de nossos telescópios – se estende por cerca de 47 bilhões de anos-luz em todas as direções. No entanto, o limite do que podemos ver é uma coisa, e o limite do que existe é completamente diferente. Seria notável se o universo parasse exatamente na borda do que conseguimos enxergar. Isso nos colocaria, surpreendentemente e de forma não copernicana, exatamente no centro.

Mesmo admitindo que o universo provavelmente seja maior do que 47 bilhões de anos-luz de raio, não segue que ele seja infinito. Pode ser finito. Mas, se for finito, então uma das duas coisas deve ser verdadeira: ou o universo deve ter uma fronteira ou borda, ou ele deve ter uma topologia fechada.

Não é absurdo pensar que o universo possa ter uma borda. Cosmologistas teóricos frequentemente consideram universos hipotéticos finitos com fronteiras onde o espaço chega a um fim repentino. No entanto, tais universos exigem fazer suposições cosmológicas adicionais para as quais não há suporte direto – suposições sobre as condições, se houver, nas quais essas fronteiras poderiam mudar, e suposições sobre o que aconteceria com objetos ou raios de luz que alcançassem essas fronteiras.

Também não é absurdo pensar que o universo possa ter uma topologia fechada. Isso significa que, em distâncias muito grandes para nós vermos, o espaço se repete essencialmente, de modo que uma partícula ou sinal que viajasse o suficiente eventualmente voltaria para a região espacial de onde começou – como quando o Pac-Man sai de um lado da tela da TV e reaparece do outro lado. No entanto, atualmente não há evidências de que o universo tenha uma topologia fechada.

Cosmologistas proeminentes, incluindo Alex Vilenkin, Max Tegmark e Andrei Linde, argumentaram que a infinitude espacial é a consequência natural das melhores teorias atuais da inflação cósmica. Considerando isso, mais a ausência de evidências de uma borda ou topologia fechada, a infinitude parece uma visão razoável por padrão. Os meros 47 bilhões de anos-luz que podemos ver são apenas um grãozinho insignificante em uma extensão interminável.

Vamos chamar qualquer galáxia com estrelas, planetas e leis da natureza como as nossas de uma galáxia irmã. Deixaremos indefinido o quão semelhante uma galáxia deve ser para se qualificar como irmã, mas não pretendemos alta semelhança. Andrômeda é suficientemente uma irmã, assim como provavelmente a maioria das outras centenas de bilhões de galáxias comuns que podemos ver atualmente.

A finitude da velocidade da luz significa que, quando olhamos para essas galáxias distantes, as vemos como eram durante períodos anteriores da história do universo. Levando esse atraso temporal em consideração, as leis da natureza não parecem diferir em regiões do universo observável que estão distantes de nós. Da mesma forma, as galáxias não parecem ser mais raras ou estruturadas de forma diferente em uma direção ou outra. Em qualquer direção que olhemos, vemos mais ou menos as mesmas coisas. Essas observações ajudam a motivar o Princípio Copernicano, que é a hipótese de trabalho de que nossa posição no universo não é especial ou incomum – não o centro exato, por exemplo, e não o único lugar estranho que acontece de ter uma galáxia operando por leis especiais que não se aplicam em outros lugares.

O nosso universo observável pode ser uma região atípica de um universo infinito. Possivelmente, em algum lugar além do que podemos ver, formas diferentes de matéria elementar podem seguir leis diferentes da física. Talvez a constante gravitacional seja um pouco diferente. Talvez existam diferentes tipos de partículas fundamentais. Ainda mais radicalmente, outras regiões podem não consistir em espaço tridimensional da forma que conhecemos. Algumas versões da teoria das cordas e da cosmologia inflacionária preveem exatamente essa variabilidade.

Mas mesmo que nossa região seja em alguns aspectos incomum, ela pode ser comum o suficiente para que existam infinitamente muitas outras regiões semelhantes a ela – mesmo que apenas uma região em 10^500. Novamente, esta é uma visão bastante padrão entre cosmologistas especulativos, que se alinha bem com interpretações diretas das principais teorias cosmológicas. Dificilmente se pode ter certeza, é claro. Talvez estejamos apenas em um lugar singularmente interessante! Mas vamos assumir que não é o caso. No cosmos infinito, infinitamente muitas regiões se assemelham à nossa, com três dimensões espaciais, partículas que obedecem aproximadamente ao “Modelo Padrão” da física de partículas e aglomerados de galáxias irmãs.

Sob as suposições até agora, o Princípio Copernicano sugere que existem infinitamente muitas galáxias irmãs em uma relação espacial conosco, significando que elas existem em regiões espaço-temporais aproximadamente simultâneas com as nossas (em algum referencial). Teremos visto a história passada de algumas dessas galáxias irmãs simultaneamente existentes, das quais, presumimos, a maioria continua a existir. No entanto, é uma questão separada se também existem infinitamente muitas galáxias irmãs em uma relação temporal conosco – mais especificamente, existindo em nosso futuro. Existem infinitamente muitas galáxias irmãs em locais espaço-temporais que são, pelo menos em princípio, eventualmente alcançáveis por partículas originadas em nossa galáxia? (Se as locuções deste parágrafo parecerem complicadas, isso se deve à estranheza da teoria da relatividade, que nos impede de usar “passado”, “presente” e “futuro” no sentido comum.)

Pensar se infinitamente muitas galáxias irmãs existirão no futuro requer pensar sobre a morte térmica. As estrelas têm vidas finitas. Se a teoria física padrão estiver correta, então eventualmente todas as estrelas que podemos ver se apagarão. Algumas dessas estrelas apagadas contribuirão para futuras gerações de estrelas, que, por sua vez, se apagarão. Outras estrelas se tornarão buracos negros, mas então esses buracos negros também eventualmente se dissiparão (através da radiação Hawking).

Com tempo suficiente, assumindo que as leis da física, conforme as entendemos, continuem a valer, e assumindo que as coisas não se recoloquem em um “Grande Colapso” no futuro distante, a visão padrão é que tudo o que vemos atualmente inevitavelmente entrará em um estado fino, monótono, de alta entropia, próximo do equilíbrio – morte térmica. Imagine escuridão quase vazia, com partículas mais ou menos distribuídas uniformemente, sendo raros até mesmo aglomerados de matéria do tamanho de uma pedra.

Mas o que acontece depois da morte térmica? Isso é, claro, ainda mais remoto e menos testável do que a questão de se a morte térmica é inevitável. Isso requer uma extrapolação muito além de nossa atual gama de experiências. Mas ainda assim podemos especular com base em suposições atualmente padrão. Vamos pensar da maneira mais razoável possível sobre isso. Aqui está nosso melhor palpite, baseado na teoria padrão, desde Ludwig Boltzmann até pelo menos algumas fatias temporais de Sean Carroll.

O universo pode entrar em colapso em si mesmo em um Grande Colapso, seguido por outro Big Bang.

Para este exercício especulativo, vamos assumir que o comportamento famosamente probabilístico dos sistemas quânticos é intrínseco aos sistemas em si, persistindo após a morte térmica e não exigindo observadores externos realizando medições. Isso é consistente com a maioria das abordagens atuais à teoria quântica (incluindo a maioria das abordagens de muitos mundos, abordagens de colapso objetivo e mecânica de Bohm). No entanto, é inconsistente com teorias segundo as quais o comportamento probabilístico requer observadores externos (algumas versões da “interpretação de Copenhague”) e teorias nas quais o universo pós-morte térmica ocuparia inevitavelmente um estado fundamental estacionário. Sob essa suposição, as teorias probabilísticas padrão do que acontece em condições de alta entropia, quase vácuo, continuam a ser aplicadas após a morte térmica. Mais especificamente, o universo continuará a suportar flutuações aleatórias de fótons, prótons e quaisquer outras partículas que restarem. Consequentemente, de tempos em tempos, essas partículas se reunirão, por acaso, em configurações improváveis. Isso é previsto tanto pela mecânica estatística padrão quanto pela mecânica quântica padrão. Após a morte térmica, sete partículas às vezes convergirão, por acaso, na mesma pequena região. Ou 700. Ou – muito raramente! – 7 trilhões.

Não parece haver um limite em princípio para o quão grande tais flutuações aleatórias podem ser ou o que elas podem conter se passarem pelas fases intermediárias corretas. Espere tempo suficiente e flutuações extremamente grandes devem ocorrer. Supondo que o universo continue infinitamente, em vez de ter uma borda temporal ou formar um loop fechado, para o qual não há evidência, então eventualmente alguma flutuação aleatória deveria produzir um cérebro nu com pensamentos cosmológicos. Espere mais tempo e, eventualmente, alguma flutuação aleatória produzirá, como Boltzmann sugeriu, uma galáxia inteira. Se a galáxia for suficientemente semelhante à nossa, será uma galáxia irmã. Espere ainda mais tempo, e outra galáxia irmã surgirá, e outra, e outra…

Para garantia, vamos também assumir que após algum ponto pós-morte térmica, a taxa na qual sistemas do tamanho de uma galáxia surgem por flutuação não diminui sistematicamente. Há alguma probabilidade mínima de flutuações do tamanho de uma galáxia, não uma probabilidade cada vez menor com intervalos médios cada vez maiores entre galáxias. As flutuações aparecem em intervalos longos, por acaso, depois voltam ao caos após um período breve ou ocasionalmente longo, e a região retorna ao estado de morte térmica, com a mesma pequena probabilidade de grandes flutuações como antes. Grandes extensões de nada serão pontuadas por eventos raros de complexidade interessante, até do tamanho de uma galáxia.

É claro que isso pode não ser o que acontecerá. Certamente não podemos provar que o universo seja assim. Mas apesar da estranheza que compreensivelmente faz algumas pessoas hesitarem, o quadro geral que descrevemos parece ser a consequência mais direta da teoria física padrão, retirada da caixa, sem muita distorção.

Mesmo que essa especulação específica esteja errada, existem muitas outras maneiras pelas quais o cosmos pode fornecer infinitamente muitas galáxias irmãs no futuro. Por exemplo, algum processo pode garantir que nunca entremos em morte térmica e novas galáxias continuem a nascer de alguma forma.

Alternativamente, processos ocorrendo pré-morte térmica, como a formação de buracos negros, podem levar a novos bangs ou inflações cósmicas, não conectados espacialmente ou minimamente conectados ao nosso universo, e novas estrelas e galáxias podem nascer desses novos bangs ou inflações da mesma maneira que nossas estrelas e galáxias familiares nasceram do nosso familiar Big Bang.

Dependendo do que constitui um “universo” e uma relação “temporal” relativisticamente especificável entre nossa região espaço-temporal e alguma região espaço-temporal futura, essas galáxias irmãs podem não existir em nosso universo ou estar em nosso futuro, tecnicamente falando, mas se assim for, esse detalhe não afeta nossa ideia central. Da mesma forma, se o universo observável reverter sua expansão, ele pode entrar em colapso em um Grande Colapso, seguido por outro Big Bang, e assim por diante em um ciclo infinitamente repetitivo, contendo infinitamente muitas galáxias irmãs pós-Colapso. Esta não é atualmente a visão predominante, mas é uma alternativa relevante e influente se o cenário de morte térmica mencionado anteriormente estiver equivocado.

Concluímos que é razoável pensar que o universo é infinito e que existem infinitamente muitas galáxias amplamente similares à nossa, espalhadas pelo espaço e tempo, incluindo em nosso futuro. É uma interpretação plausível de nossa situação cosmológica. É um palpite razoável e, pelo menos, uma possibilidade que vale a pena considerar seriamente.

O universo, enquanto fenômeno cosmológico, tem sido objeto de intensa especulação e estudo ao longo de décadas. A compreensão do que constitui o universo e como ele se relaciona com o tempo e o espaço é uma das questões mais intrigantes e desafiadoras que os cientistas enfrentam. A definição de um “universo” pode variar dependendo do contexto, mas, em termos gerais, refere-se à totalidade do espaço, tempo, matéria e energia que compõem a realidade observável.

Considerando a ideia de universos alternativos ou multiversos, a noção de que existem regiões espaço-temporais além do que podemos observar ou compreender diretamente ganhou destaque. Nesse contexto, a relação entre nossa região espaço-temporal e outras regiões futuras ou paralelas torna-se uma questão intrigante. A possibilidade de existirem galáxias semelhantes à nossa, mesmo que não estejam dentro do escopo direto de nosso entendimento, continua sendo um tema de discussão dentro da cosmologia contemporânea.

Um dos conceitos que permeiam essa discussão é a noção de expansão e contração do universo. Segundo algumas teorias, o universo pode estar em um estado de expansão contínua desde o Big Bang inicial. No entanto, essa expansão pode não ser um processo irreversível. A possibilidade de uma reversão na expansão, seguida por um colapso em um evento conhecido como “Big Crunch”, é uma hipótese que não pode ser descartada.

A ideia de um “Big Crunch” implica que, após a expansão cósmica atingir um ponto crítico, a gravidade começaria a reverter o movimento e a comprimir todo o universo de volta a um estado altamente denso. Esse evento hipotético levanta questões fascinantes sobre o destino final do cosmos e o potencial surgimento de um novo universo após o colapso.

Essa perspectiva alternativa sugere a possibilidade de um ciclo infinito de expansões e contrações, onde novos universos poderiam surgir após cada “Big Crunch”, criando um padrão cíclico de existência cósmica. Essa visão desafia a noção convencional de um universo único e estático, abrindo portas para um panorama mais dinâmico e complexo do cosmos.

Entretanto, é crucial destacar que essa visão não é a perspectiva dominante na cosmologia contemporânea. Atualmente, a teoria predominante sugere uma expansão acelerada do universo, impulsionada pela energia escura. Essa teoria, conhecida como modelo ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), postula que o universo continuará se expandindo indefinidamente, eventualmente resultando em um estado de entropia máxima conhecido como “morte térmica” do universo.

A “morte térmica” é uma perspectiva na qual o universo atinge um estado de equilíbrio termodinâmico, onde a energia não está mais disponível para realizar trabalho. Nesse cenário, todas as formas de matéria e energia eventualmente se dissipariam, levando a um estado de uniformidade e ausência de atividade observável. É uma visão sombria sobre o destino último do universo, sugerindo um fim definitivo para toda atividade física e vida como a conhecemos.

No entanto, a ideia de um universo infinito, com possibilidades de existência de múltiplos ciclos cósmicos, permanece como uma alternativa intrigante e válida. Essa visão desafia a ideia de um fim absoluto para o universo, oferecendo a perspectiva de uma continuidade cósmica além do que podemos atualmente conceber.

Nossa compreensão do cosmos é limitada pela extensão de nossas observações e pelos paradigmas científicos atuais. Portanto, a exploração de diferentes teorias e perspectivas é essencial para ampliar nosso entendimento do universo. Enquanto a ciência continua a evoluir, é crucial manter uma mente aberta para diferentes possibilidades e interpretações, permitindo que a busca pelo entendimento do cosmos avance de maneira holística e inclusiva.

Assim, a consideração de um universo infinito, com inúmeras galáxias semelhantes à nossa espalhadas pelo tempo e espaço, representa uma possibilidade fascinante dentro do espectro das teorias cosmológicas. Embora não seja a visão predominante, essa ideia desafia as fronteiras do nosso conhecimento atual, incentivando um diálogo contínuo e uma exploração mais profunda das complexidades do universo em que habitamos.

Fonte:

https://nautil.us/could-the-universe-be-finite-466593/

Sérgio Sacani

Formado em geofísica pelo IAG da USP, mestre em engenharia do petróleo pela UNICAMP e doutor em geociências pela UNICAMP. Sérgio está à frente do Space Today, o maior canal de notícias sobre astronomia do Brasil.

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