Por Que os Físicos Acreditam que o Multiverso Provavelmente Existe

Uma ideia fascinante, porém sem testes práticos diretos, o Multiverso é controverso. No entanto, os pilares que o sustentam são surpreendentemente estáveis e baseados em nossas teorias mais bem-sucedidas sobre o cosmos.

Introdução

Ao contemplarmos a vastidão do universo, somos confrontados com duas narrativas entrelaçadas. A primeira é a história que lemos na face do cosmos hoje: as galáxias, estrelas, seus aglomerados e movimentos, e os ingredientes que os compõem. Esta é uma história que aprendemos a decifrar através de séculos de observação astronômica. A segunda, mais enigmática, é a história de como o universo se tornou o que é. Para desvendar este passado, não basta olhar para longe; é preciso combinar as observações com as leis da física, no contexto da teoria do Big Bang.

Quando fazemos isso, encontramos evidências extraordinárias de que o nosso Big Bang quente foi precedido por uma fase anterior, um período de expansão exponencial conhecido como inflação cósmica. Esta teoria, uma das mais bem-sucedidas da ciência do século XX, resolve uma série de problemas fundamentais sobre as condições iniciais do nosso universo. Contudo, para que a inflação funcione e crie um universo como o que observamos, ela traz consigo uma consequência inevitável e profundamente desconcertante: a existência de um Multiverso. Este artigo explora por que a grande maioria dos físicos teóricos hoje considera a existência de múltiplos universos não como uma mera especulação, mas como uma consequência lógica de nossas teorias mais robustas sobre a origem de tudo.

O Legado do Big Bang e Seus Enigmas

Nos anos 1920, o trabalho de astrônomos como Edwin Hubble revolucionou nossa compreensão do cosmos. As “nebulosas” espirais e elípticas que pontilhavam o céu noturno não eram objetos dentro da nossa Via Láctea, mas sim galáxias inteiras, cada uma contendo bilhões de estrelas. Mais chocante ainda foi a descoberta de que, quanto mais distante uma galáxia estava, mais rápido ela parecia se afastar de nós, um fenômeno evidenciado pelo desvio de sua luz para comprimentos de onda mais longos (o “redshift”).

A única interpretação que sobreviveu ao escrutínio científico foi a de que o próprio tecido do universo está se expandindo. A analogia clássica é a de um pão de passas crescendo no forno: as passas (galáxias) estão inseridas na massa (espaço-tempo) que se expande, afastando todas umas das outras. Se o universo está se expandindo hoje, isso implica que, no passado, ele deve ter sido inimaginavelmente menor, mais denso, mais uniforme e mais quente. Esta é a essência da teoria do Big Bang.

O modelo do Big Bang faz três previsões genéricas e testáveis, que foram confirmadas com precisão notável:

1.A Teia Cósmica: A formação de uma vasta estrutura em grande escala, onde as galáxias se organizam em filamentos e aglomerados que crescem e se tornam mais complexos ao longo do tempo cósmico.

2.A Radiação Cósmica de Fundo (CMB): Um brilho remanescente de micro-ondas, um “eco” do Big Bang, que permeia todo o universo. Esta radiação é o fóssil da luz emitida quando o universo se tornou transparente, cerca de 380.000 anos após seu início, permitindo que os átomos neutros se formassem.

3.A Nucleossíntese Primordial: A previsão de proporções específicas dos elementos mais leves (hidrogênio, hélio, lítio) que foram forjados nos primeiros minutos do universo, antes mesmo da formação das primeiras estrelas.

O sucesso espetacular dessas previsões solidificou o Big Bang como nosso modelo padrão para a origem do universo. No entanto, o Big Bang descreve o que aconteceu, mas não por que as condições iniciais eram tão específicas. Para que o Big Bang produzisse o universo que vemos hoje, ele precisava começar com um conjunto de condições extremamente improváveis e afinadas, levantando questões profundas que o próprio modelo não consegue responder.

O Problema das Condições Iniciais e a Solução Inflacionária

Em física, se conhecemos as condições iniciais de um sistema e as regras que o governam, podemos prever sua evolução. Mas e se as próprias condições iniciais forem o mistério? O Big Bang exigia um ponto de partida com características muito peculiares:

• Problema da Planicidade: A densidade total de matéria e energia do universo e sua taxa de expansão precisavam ser balanceadas com uma precisão absurda, equivalente a acertar um alvo de 1cm do outro lado do universo observável. Qualquer desvio mínimo teria levado o universo a um colapso imediato ou a uma expansão tão rápida que nenhuma estrutura poderia se formar.
• Problema do Horizonte: Regiões do universo que hoje estão em lados opostos do céu nunca estiveram em contato causal. A luz não teve tempo de viajar de uma para a outra. No entanto, elas possuem a mesma temperatura, com uma precisão de 1 parte em 100.000. Como elas “sabiam” que deveriam ter a mesma temperatura sem nunca terem trocado informação?
• Problema das Flutuações de Densidade: O universo primitivo era incrivelmente uniforme, mas não perfeitamente. Havia pequenas flutuações de densidade, sementes que mais tarde cresceriam para formar galáxias e aglomerados. O Big Bang não explica a origem ou a natureza “quase-invariante de escala” dessas flutuações.

Diante desses enigmas, os físicos tinham duas opções: aceitar essas condições como um “dado” inexplicável, um ajuste fino cósmico, ou procurar um mecanismo dinâmico que pudesse ter estabelecido essas condições naturalmente. A segunda via levou à teoria da inflação cósmica, proposta por Alan Guth no início dos anos 1980.

A inflação postula que, antes do Big Bang quente, o universo passou por uma fase de expansão acelerada e exponencial. Durante uma fração de segundo, o universo aumentou de tamanho por um fator de pelo menos 10^26. Este crescimento colossal resolve os problemas do Big Bang de forma elegante:

1.Resolvendo a Planicidade: A inflação estica o tecido do espaço-tempo de forma tão drástica que qualquer curvatura inicial se torna indistinguível de plana, assim como a superfície de um balão parece plana para uma formiga se o balão for inflado a um tamanho gigantesco.

2.Resolvendo o Horizonte: A região que hoje constitui nosso universo observável originou-se de uma área subatômica e causalmente conectada antes da inflação. Essa pequena região estava em equilíbrio térmico, e a inflação simplesmente esticou essa uniformidade por todo o nosso cosmos.

3.Gerando as Flutuações: A inflação não foi um processo perfeitamente suave. Como todas as formas de energia no universo, o campo de energia que impulsionou a inflação (o “inflaton”) estava sujeito a flutuações quânticas. A inflação esticou essas minúsculas flutuações quânticas a escalas macroscópicas, criando as sementes de densidade que mais tarde formariam todas as estruturas cósmicas que vemos hoje.

Da Inflação ao Multiverso: Uma Consequência Inevitável

A inflação é uma teoria poderosa e preditiva, e suas previsões sobre a natureza das flutuações de densidade foram confirmadas com precisão impressionante pelas observações da Radiação Cósmica de Fundo. Mas aqui é onde a história toma um rumo ainda mais estranho. Para que a inflação funcione, ela deve ser tratada como um campo quântico, semelhante aos campos eletromagnético e de Higgs que permeiam nosso universo.

E campos quânticos têm uma propriedade intrínseca: eles flutuam. A inflação termina quando o valor do campo do inflaton “cai” para um estado de energia mais baixo, convertendo sua energia em matéria e radiação, dando início a um Big Bang quente. No entanto, devido à natureza quântica, essa “queda” não acontece em todos os lugares ao mesmo tempo.

Imagine o campo inflacionário como um vasto oceano. Em algumas regiões, a inflação termina, formando uma “bolha” de universo com um Big Bang quente em seu interior – nosso universo seria uma dessas bolhas. No entanto, o espaço entre essas bolhas continua a se expandir a uma taxa exponencial. A criação de novas bolhas de universo é um processo contínuo, mas o espaço que as separa se expande muito mais rápido do que as bolhas podem crescer. Isso significa que as bolhas de universo nunca colidem.

Este processo é chamado de inflação eterna. Ele prevê que nosso universo é apenas um entre um número infinito de outros universos, cada um nascendo de seu próprio Big Bang, todos flutuando em um vasto “oceano” de espaço-tempo que continua a se inflar eternamente. A imagem que emerge não é a de um único Universo, mas de um Multiverso.

É crucial entender que o Multiverso não é uma teoria separada, mas uma consequência direta da combinação de duas de nossas ideias mais bem-sucedidas: a inflação cósmica e a teoria quântica de campos. Se ambas estiverem corretas, a existência de um Multiverso é praticamente uma obrigação. Embora não possamos testar diretamente a existência de outros universos-bolha, a força da evidência para a inflação nos leva a levar essa conclusão a sério.

A Natureza Quântica da Realidade e o Campo Inflaton

Para compreender plenamente por que o Multiverso emerge como uma consequência inevitável, é necessário mergulhar mais profundamente na natureza quântica do campo que impulsiona a inflação. Na física moderna, todos os campos fundamentais são descritos pela teoria quântica de campos. O campo eletromagnético, por exemplo, é quantizado em fótons. O campo de Higgs, descoberto em 2012, dá massa às partículas fundamentais. Da mesma forma, o campo responsável pela inflação – o inflaton – deve obedecer às mesmas regras quânticas.

Uma característica fundamental dos campos quânticos é a incerteza. O princípio da incerteza de Heisenberg nos diz que não podemos conhecer simultaneamente, com precisão arbitrária, certas propriedades de um sistema. Para um campo quântico, isso significa que seu valor flutua constantemente, mesmo no vácuo. Essas flutuações quânticas são minúsculas, mas durante a inflação, elas são esticadas a escalas cósmicas.

O campo inflaton pode ser visualizado como uma bola rolando por uma colina. Enquanto a bola está no alto da colina (em um estado de alta energia), a inflação continua. Quando a bola rola para o vale (um estado de baixa energia), a inflação termina e a energia do campo é convertida em matéria e radiação – o Big Bang quente. No entanto, devido às flutuações quânticas, diferentes regiões do espaço “rolam” para o vale em momentos diferentes. Algumas regiões terminam a inflação primeiro, enquanto outras continuam a se expandir exponencialmente.

Este é o cerne da inflação eterna: sempre haverá regiões do espaço onde a inflação ainda não terminou. E como essas regiões estão se expandindo exponencialmente, elas sempre produzirão mais espaço inflacionário do que o espaço que está terminando a inflação. O resultado é um processo que nunca para: um oceano eterno de espaço-tempo inflacionário, salpicado por incontáveis bolhas de universos onde a inflação terminou e Big Bangs quentes ocorreram.

Implicações Científicas e Filosóficas

A ideia de um Multiverso tem implicações profundas que transcendem a física e tocam a filosofia. Se nosso universo é apenas um entre muitos, o conceito de “sorte” cósmica assume um novo significado. As leis da física em nosso universo parecem finamente ajustadas para permitir a existência de complexidade, química e, finalmente, vida. Se nosso universo fosse o único, esse ajuste fino pareceria um mistério profundo, talvez até mesmo um milagre.

No entanto, em um Multiverso, o ajuste fino pode ser explicado pelo princípio antrópico. A ideia é que, se existem inúmeros universos, cada um com suas próprias leis físicas ou constantes fundamentais ligeiramente diferentes, não é surpresa que nos encontremos em um dos poucos universos onde as condições são adequadas para a nossa existência. Só poderíamos existir em um universo que nos permite existir. Os outros universos, estéreis e sem vida, simplesmente não têm observadores para questionar sua própria natureza.

Essa perspectiva transforma a questão “Por que o universo é tão perfeito para nós?” em “Com tantos universos possíveis, por que nos surpreende encontrar um que funciona?”. No entanto, essa linha de raciocínio é controversa. Muitos cientistas a veem como não-científica, pois pode ser usada para explicar qualquer coisa sem fazer previsões testáveis. A busca por evidências, mesmo que indiretas, de outros universos continua, seja através de possíveis “cicatrizes” na Radiação Cósmica de Fundo de uma colisão de bolhas no passado distante, ou através de testes mais precisos da própria teoria da inflação.

O Que Sabemos e o Que Não Podemos Saber

Uma das críticas mais comuns ao Multiverso é que ele não pode ser testado diretamente. Se outros universos existem além do nosso horizonte cósmico, separados de nós por vastas extensões de espaço inflacionário, como poderíamos algum dia detectá-los? Esta é uma questão legítima e importante.

No entanto, é crucial distinguir entre a teoria da inflação e a consequência do Multiverso. A inflação cósmica é uma teoria testável. Ela faz previsões específicas sobre a natureza das flutuações de densidade no universo primitivo, sobre a geometria do espaço-tempo e sobre a existência de ondas gravitacionais primordiais. Muitas dessas previsões já foram confirmadas com alta precisão pelas observações da Radiação Cósmica de Fundo.

O Multiverso, por outro lado, é uma consequência da inflação combinada com a teoria quântica de campos. Se ambas as teorias estiverem corretas – e temos fortes razões para acreditar que estão – então o Multiverso é uma dedução lógica, mesmo que não possamos observá-lo diretamente. É semelhante a como deduzimos a existência de buracos negros muito antes de podermos fotografá-los: as teorias que os previam eram tão bem-sucedidas em outras áreas que sua existência era quase certa.

Alguns físicos argumentam que a busca por evidências indiretas do Multiverso não é impossível. Por exemplo, se nosso universo-bolha tivesse colidido com outro no passado distante, essa colisão poderia ter deixado uma “cicatriz” na Radiação Cósmica de Fundo – uma região com propriedades ligeiramente diferentes. Embora nenhuma evidência conclusiva tenha sido encontrada até agora, a busca continua.

Conclusão e Perspectivas Futuras

O Multiverso permanece uma ideia na fronteira da ciência. Não é uma teoria que foi provada, mas sim uma consequência lógica de nossas teorias mais bem-sucedidas sobre o universo primitivo. A inflação cósmica resolveu os grandes enigmas do Big Bang e fez previsões que foram espetacularmente confirmadas. A teoria quântica de campos é o alicerce de toda a física de partículas moderna. Se aceitarmos essas duas teorias, somos quase forçados a aceitar a conclusão de que vivemos em um Multiverso.

Para muitos físicos, essa não é uma pílula fácil de engolir. A ciência se baseia em observação e teste, e a ideia de outros universos, por definição, parece estar além do nosso alcance observacional. No entanto, a história da ciência está repleta de ideias que antes pareciam metafísicas e que mais tarde se tornaram parte da física convencional. A existência de átomos, a curvatura do espaço-tempo, os buracos negros – todos foram conceitos teóricos muito antes de serem confirmados.

O futuro da cosmologia buscará refinar nossos testes da inflação. Missões espaciais e observatórios terrestres continuarão a mapear a Radiação Cósmica de Fundo com precisão cada vez maior, procurando por assinaturas que possam confirmar ou refutar os modelos mais simples de inflação. Se a inflação for confirmada com ainda mais rigor, a sombra do Multiverso se tornará cada vez mais difícil de ignorar. Por enquanto, ele permanece como um lembrete fascinante de que a realidade pode ser muito, muito maior do que o universo que podemos ver.

Perguntas Frequentes (FAQ)

1. O que é exatamente o Multiverso?

O Multiverso é a ideia de que nosso universo é apenas um entre um número potencialmente infinito de outros universos. Cada um desses “universos-bolha” teria surgido de seu próprio Big Bang, podendo ter leis físicas, constantes fundamentais e condições iniciais diferentes das nossas. Todos esses universos estariam flutuando em um vasto “oceano” de espaço-tempo que continua a se expandir eternamente através do processo de inflação cósmica.

2. O Multiverso é uma teoria científica comprovada?

Não, o Multiverso não é uma teoria comprovada no sentido tradicional. Ele é uma consequência lógica de duas teorias bem estabelecidas: a inflação cósmica e a teoria quântica de campos. Se ambas estiverem corretas — e há fortes evidências de que estão — então a existência de múltiplos universos é praticamente inevitável. No entanto, não temos (ainda) uma forma de testar diretamente a existência de outros universos.

3. Por que os físicos levam o Multiverso a sério se não podem prová-lo?

Os físicos levam o Multiverso a sério porque ele emerge naturalmente de teorias que já foram testadas e confirmadas com sucesso. A inflação cósmica, por exemplo, fez previsões específicas sobre a Radiação Cósmica de Fundo que foram confirmadas com alta precisão. Se aceitamos a inflação e a mecânica quântica, o Multiverso é uma dedução lógica, mesmo que não possamos observá-lo diretamente — semelhante a como deduzimos a existência de buracos negros antes de fotografá-los.

4. O que é inflação cósmica e por que ela é importante?

A inflação cósmica é uma teoria que propõe que, nos primeiros instantes após o início do universo, o espaço-tempo passou por uma expansão exponencial extremamente rápida. Em uma fração de segundo, o universo aumentou de tamanho por um fator de pelo menos 10^26. Essa teoria é importante porque resolve vários problemas do modelo do Big Bang, como o problema da planicidade, o problema do horizonte e a origem das flutuações de densidade que deram origem às galáxias.

5. Como a inflação leva ao Multiverso?

A inflação é impulsionada por um campo quântico chamado “inflaton”. Como todos os campos quânticos, ele está sujeito a flutuações. A inflação termina quando o campo “cai” para um estado de energia mais baixo, mas devido às flutuações quânticas, isso não acontece em todos os lugares ao mesmo tempo. Algumas regiões terminam a inflação e formam universos-bolha, enquanto outras continuam a se expandir. Como o espaço inflacionário se expande mais rápido do que as bolhas podem crescer, sempre haverá mais espaço inflacionário, criando infinitos universos.

6. Os outros universos do Multiverso são iguais ao nosso?

Não necessariamente. Dependendo do modelo teórico, os outros universos podem ter leis físicas idênticas às nossas, ligeiramente diferentes, ou completamente diferentes. Alguns podem ter constantes fundamentais (como a velocidade da luz ou a constante gravitacional) com valores diferentes, o que resultaria em universos com propriedades físicas muito distintas — alguns poderiam ser estéreis e incapazes de formar estrelas ou vida.

7. Poderíamos algum dia viajar para outro universo?

Com base em nossa compreensão atual da física, não. Os outros universos-bolha estão separados do nosso por vastas extensões de espaço inflacionário que se expande mais rápido do que a velocidade da luz. Isso significa que, mesmo viajando na velocidade da luz, nunca poderíamos alcançá-los. Eles estão, para todos os efeitos práticos, completamente isolados de nós.

8. O que é o princípio antrópico e como ele se relaciona com o Multiverso?

O princípio antrópico é a ideia de que as condições que observamos no universo devem ser compatíveis com a existência de observadores conscientes — nós. No contexto do Multiverso, ele explica por que nosso universo parece “finamente ajustado” para a vida: se existem inúmeros universos com diferentes propriedades, não é surpresa que nos encontremos em um dos poucos onde as condições permitem nossa existência. Só poderíamos existir em um universo que nos permite existir.

9. Existem evidências indiretas do Multiverso?

Até o momento, não há evidências conclusivas. No entanto, os cientistas buscam possíveis sinais, como “cicatrizes” na Radiação Cósmica de Fundo que poderiam indicar uma colisão entre nosso universo-bolha e outro no passado distante. Além disso, testes cada vez mais precisos da teoria da inflação podem fortalecer ou enfraquecer o caso para o Multiverso. A busca continua ativa na comunidade científica.

10. O Multiverso é ciência ou ficção científica?

O Multiverso está na fronteira entre a física teórica e a filosofia da ciência. Ele não é ficção científica porque emerge de teorias físicas rigorosas e bem fundamentadas. No entanto, também não é ciência estabelecida no sentido de ter sido testado e confirmado experimentalmente. É melhor descrevê-lo como uma previsão teórica séria que aguarda confirmação ou refutação — uma situação comum na história da física, onde muitas ideias (como átomos, buracos negros e ondas gravitacionais) foram teóricas por décadas antes de serem confirmadas.

Referências

Fonte Principal:

SIEGEL, Ethan. This is why physicists suspect the Multiverse very likely exists. Big Think, Starts With a Bang, 30 de dezembro de 2021. Disponível em: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/physicists-multiverse-exists/

Leituras Complementares:

• GUTH, Alan H. The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins. Basic Books, 1997. ISBN: 978-0201328400.
• LEWIS, Geraint F.; BARNES, Luke A. A Fortunate Universe: Life in a Finely Tuned Cosmos. Cambridge University Press, 2016. ISBN: 978-1107156616.
• NASA/WMAP Science Team. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP ). Disponível em: https://map.gsfc.nasa.gov/. Dados sobre a Radiação Cósmica de Fundo.
• ESA/Planck Collaboration. Planck Mission. Disponível em: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck. Mapeamento de alta precisão da CMB.
• TEGMARK, Max. Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality. Knopf, 2014. ISBN: 978-0307599803. Discussão aprofundada sobre o Multiverso e suas implicações.