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Pergunte a Ethan nº 63: O nascimento do espaço e do tempo

Se algo existia antes do Big Bang, o que isso significa para o nascimento do nosso universo?


Você pode tentar mentir para si mesmo. Você pode dizer a si mesmo que investiu todo o seu tempo e todos os seus esforços. Mas você sabe a verdade - e eu sei disso.
J.J. Watt


Meio século se passou desde que as maiores previsões da teoria do Big Bang foram confirmadas e mudaram para sempre nossa compreensão do Universo. Em vez do conceito de um universo eterno e infinito, agora entendemos que tudo o que podemos observar existe por cerca de 14 bilhões de anos de tempo cósmico, e o Sol e o sistema Solar existem apenas um terço desse período. O que torna a pergunta de Sebastian em nossa coluna tão interessante:

Quando o espaço-tempo começou? Quando eu era criança, aprendi que o começo de tudo era o Big Bang. Agora, aparentemente, essa idéia não é inteiramente verdadeira, pois antes do Big Bang havia inflação cósmica e a explosão não era uma explosão, mas um estado em que o Universo era mais quente e denso. Se havia inflação antes do Big Bang, também havia espaço-tempo antes dele?

Para responder totalmente à pergunta, precisamos considerar três coisas. O primeiro é o que entendemos por espaço e tempo.



Você está acostumado com o conceito usual de espaço - comprimento, largura, altura - e tempo, que você pode simplesmente imaginar como respostas para as perguntas "quando" e "onde". E essa não é uma idéia tão ruim - mas há duas características de espaço e tempo que você precisa conhecer e que podem não parecer tão intuitivas. Einstein precisou descobrir, e mesmo ele não seria capaz de lidar sem ajuda!

Primeiro, espaço e tempo não são duas entidades separadas, como Newton acreditava. Se você se move no espaço, seu movimento muda o curso do tempo para você e se duas pessoas se movem no espaço em velocidades diferentes - elas percebem de maneira diferente o tempo e o tempo decorrido para o outro.



A maneira mais fácil de descrever o que estava acontecendo nem foi inventada por Einstein, mas pelo matemático alemão Minkowski . É necessário considerar o espaço-tempo unido, onde, em vez de três dimensões espaciais e uma temporal, existe uma essência quadridimensional do espaço-tempo. Em 1908, Minkowski escreveu o seguinte:
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E embora Einstein tenha inicialmente se oposto a essa revolução, sua adoção de um novo conceito levou a descobertas ainda maiores.



O ponto não é apenas que o espaço e o tempo são combinados em um tecido quadridimensional do espaço-tempo, mas também que a curvatura desse tecido é determinada pela presença de matéria e energia. Assim como o movimento no espaço-tempo afeta a maneira como os observadores avaliam o tempo e as distâncias que passam de diferentes maneiras, a presença de matéria e energia (e curvatura no caso geral) afeta a percepção do espaço e do tempo.

Nos exemplos mais extremos de concentração de matéria e energia - singularidades - os conceitos de espaço e tempo são violados.



É mais comum apresentarmos uma singularidade como o centro de um buraco negroonde uma densidade arbitrária (e possivelmente infinita) de matéria e energia se torna possível. Nesse caso, o conceito de espaço-tempo é violado, porque as equações de Einstein dão resultados sem sentido.

A segunda questão a considerar é o esquema do Big Bang.



O Universo de hoje nos parece relativamente frio e vazio, com exceção de lugares onde a matéria, estrelas, planetas e vida estão concentrados, formados ao longo de bilhões de anos de sua existência. Toda essa pirâmide cósmica, de escalas subatômicas a enormes aglomerados galácticos, existe graças à gravidade, eletromagnetismo e forças nucleares.

Voltando ao tempo, descobrimos que tudo no passado era mais uniforme do ponto de vista gravitacional, e o Universo era mais quente (os comprimentos de onda da luz eram mais curtos) e mais densos, devido ao fato de que o espaço-tempo estava em constante expansão.



Podemos voltar no tempo arbitrariamente longe, para energias cada vez mais altas, altas temperaturas e densidades crescentes. Por exemplo, até o momento em que:

estrelas e galáxias ainda não haviam se formado, e o Universo era um mar de átomos neutros quentes;
estava quente demais para a formação de átomos neutros, e o universo era um plasma ionizado de núcleos e elétrons;
estava quente demais para a formação de núcleos e havia apenas prótons e nêutrons livres;
estava tão quente que, como resultado de colisões de partículas, foram gerados pares matéria / antimatéria para todas as partículas conhecidas.

Você pode ir ainda mais longe no passado, em densidade arbitrária, temperatura e até mesmo naquele evento que corresponde a uma singularidade: o momento em que todo o Universo estava fechado em um ponto.



E se assim fosse, então o espaço e o tempo começariam a partir daí - já que não há "onde" fora do espaço e "quando" fora do tempo. Mas, tomando essa posição como o verdadeiro começo do Universo, encontraríamos um grande número de quebra-cabeças que não poderiam ser resolvidos. Agora a física nos ensina que você não pode ir muito longe no passado, e que o estado da inflação - um espaço-tempo em expansão exponencial, com a energia inerente ao próprio espaço - precedeu e levou a esse estado quente e denso, que chamamos de Big Bang.



De fato, no exato momento em que a energia ligada ao próprio espaço é convertida em matéria e radiação, e a expansão exponencial cessa, o que leva ao surgimento de um universo como pensávamos que era no passado.



E chegamos à terceira questão, tendo em vista as singularidades e o Big Bang: se o Universo antes do Big Bang, durante a inflação, consistia em um espaço-tempo em expansão exponencial, de onde veio esse espaço-tempo?

Curiosamente, existem três respostas intuitivas:

o universo poderia ter um começo para o qual não havia nada;
poderia existir para sempre, como uma linha interminável que se estende em duas direções;
pode ser cíclico, como um círculo repetindo várias vezes.



Se nos voltarmos para o conceito do Big Bang sem inflação anterior, todos os fatos falam da primeira opção: o Universo nasceu no "momento", quando possuía energia infinita e no mesmo "momento" o espaço-tempo começou.

Mas a inflação muda tudo. Em vez de uma singularidade com t = 0, no momento do Big Bang, o Universo aparece, que existe em um estado de inflação, quando se expande exponencialmente por um tempo indeterminado.




As linhas azul e vermelha representam a versão "tradicional" do Big Bang, quando tudo começa no tempo t = 0, incluindo espaço-tempo. Mas na variante com inflação (amarela) não chegamos à singularidade. Em vez disso, o espaço pode ser arbitrariamente pequeno e o tempo pode ser revertido infinitamente.

Esse cenário é mais adequado para a 2ª opção, ou seja, o Universo eterno. Mas acontece que há um problema. Segundo um teorema, o universo inflacionário não pode existir para sempre e teve que partir de uma singularidade.



É verdade que esse teorema é baseado nas leis conhecidas da física, e propõe-se aplicá-las ao momento em que as leis da física deixarem de funcionar. Além disso, embora o Universo seja enorme e contenha muito de tudo, a quantidade de matéria nele ainda não é infinita. Tem cerca de 1090 partículas (incluindo fótons e neutrinos) que se originaram durante o estado quente e em expansão do Big Bang e até 10 a 30 segundos antes, nos últimos momentos da inflação - e ainda existem algumas coisas que não podemos observar.



Infelizmente, entre eles está a origem do espaço-tempo inflacionário.

Não se sabe se tudo isso significa que o Universo inflacionário não poderia existir para sempre, ou que nossas leis da física não são aplicáveis ​​a essa questão, ou que ela teve um começo ou é cíclica ... É possível que o tempo seja cíclico e os ciclos mudem a cada iteração. E, apesar de todo o nosso progresso, ainda temos três dessas possibilidades que filósofos e teólogos vêm discutindo há tanto tempo:o tempo é claro, o tempo é infinito, o tempo é cíclico .



Sabemos apenas que, se houve uma singularidade no passado, nada tem a ver com o nosso quente e o Big Bang, para o qual todas as partículas de matéria e energia no Universo observável podem ser rastreadas.

Se não encontrarmos uma maneira de obter informações sobre o tempo em que o Universo observável existia em um sentido aceitável, a resposta a essa pergunta pode se tornar inatingível. Nem todas as perguntas da coluna "Pergunte ao Ethan" receberão uma resposta inequívoca - discutimos apenas o que é conhecido com base nos dados coletados.

Source: https://habr.com/ru/post/pt395501/

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