Como o universo veio do nada

Algum tempo atrás, entre os cosmólogos e filósofos da ciência, começou uma discussão muito ativa das causas da existência do Universo. Sim, não estamos fazendo bobagens aqui.

Primeiro, Lawrence Krauss lançou o novo livro, "O universo do nada. Por que Deus não é necessário para criar o universo do vazio " [ Um universo do nada: por que há algo mais do que nada ] (baseado, em particular, na palestra popular disponível no YouTube ) cobrindo esta questão do ponto de vista de um cosmologista moderno. David Albert, o filósofo moderno da ciência, redigiu uma crítica de livro devastadora para o New York Times. Essa discussão está em andamento desde então: uma entrevista com Jerry Coyne (no lado de Albert), o blog Filosofia da Cosmologia de Rutgers, uma ótima entrevista com Krauss no The Atlantic, comentários de Massimo Piglucci , outra resposta de Krauss à Scientific American.

Por razões pessoais e científicas, eu também inseriria minha opinião. A origem do universo é um dos temas do meu trabalho , e Lawrence e David são meus amigos e parceiros de blog.

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O artigo será grande, então darei um breve resumo. Grosso modo, em torno do problema "por que algo existe?" dois tipos de perguntas se acumulam. Um dos tipos, baseado em uma plataforma de leis físicas, suficientemente flexível para permitir a existência de "algo" ou "nada" (além disso, o conceito de "algo" pode incluir tempo e espaço), soa como: por que na verdade existe alguma manifestação da realidade? Outro tipo de pergunta está relacionado ao motivo pelo qual temos essa plataforma específica de leis físicas, ou algo chamado "leis físicas" em geral?

Lawrence, em termos simplificados, refere-se ao primeiro tipo de perguntas, e David está interessado no segundo, e os dois lados gastam muita energia, insistindo que a pergunta é mais correta, em vez de reconhecer que essas perguntas são diferentes. Nada na física moderna explica por que temos tais leis, e não outras, embora os físicos às vezes falem sobre isso - e eles poderiam ter evitado esse erro se levassem os filósofos mais a sério.

Então a discussão desliza rapidamente para acusações e argumentos, não sobre, mas uma pena, porque essas pessoas são inteligentes e concordam com 95% dos problemas interessantes, e as chances de um diálogo produtivo estão diminuindo constantemente.

Como o Universo Funciona

Vamos falar sobre como a física é realmente organizada, de acordo com nossos conceitos. Desde os tempos de Newton, o paradigma da física fundamental não mudou; inclui três partes. A primeira é o “espaço de estado”: ​​de fato, uma lista de todas as configurações possíveis nas quais o Universo pode estar localizado. O segundo é um certo estado que representa o Universo em algum momento, geralmente no momento. Terceiro - uma certa regra pela qual o universo se desenvolve no tempo. Me dê o universo por hoje, e as leis da física dirão o que acontecerá com ele no futuro. Esse modo de pensar não é menos verdadeiro para a mecânica quântica ou GR, ou teoria quântica de campos, do que para a mecânica newtoniana ou a eletrodinâmica de Maxwell.

A mecânica quântica, em particular, é uma implementação especial, mas muito versátil, desse esquema. (A teoria quântica de campos é apenas um exemplo definido da mecânica quântica, não uma nova maneira de pensar). Os estados são "funções de onda" e o conjunto de todas as funções de onda possíveis de um determinado sistema é chamado de " espaço de Hilbert ". Sua vantagem é que limita bastante o leque de possibilidades (porque é um espaço vetorial: um comentário para especialistas). Assim que você me informar seu tamanho (número de medições), você determinará completamente seu espaço em Hilbert. Isso é fundamentalmente diferente da mecânica clássica, na qual o espaço de estados pode se tornar extremamente complexo. E há também uma máquina - a " hamiltoniana " - indicando exatamente como se desenvolver de um estado para outro ao longo do tempo. Repito que não existem muitas variedades de hamiltonianos; basta escrever uma certa lista de quantidades (autovalores de energia - um esclarecimento para você, especialistas irritantes).

É necessário abordar imparcialmente de que forma as leis finais da física assumirão, mas quase todas as tentativas modernas de derivá-las levam a mecânica quântica à verdade. Isso é verdade tanto para a teoria das cordas quanto para outras abordagens da gravidade quântica - elas podem diferir muito em suas visões sobre o que “espaço-tempo” ou “matéria” consiste, mas muito raramente tratam descuidadamente os fundamentos da mecânica quântica. Isso se aplica claramente a todas as opções que Lawrence considera em seu livro. Nesta plataforma, a definição de "leis da física" é uma questão de escolher um espaço de Hilbert (para o qual, por sua vez, você só precisa determinar seu tamanho) e o hamiltoniano. Uma das grandes propriedades da mecânica quântica é como ela é restritiva; não temos muita liberdade de escolha em relação aos tipos de leis da física. Parece que existe um grande espaço para a criatividade, já que o espaço de Hilbert pode ser muito grande, e a essência simples do hamiltoniano pode ser ocultada por nossa interação complicada com o mundo exterior, mas a receita básica permanece inalterada.

Portanto, o que o “universo do nada” fala dentro desta plataforma significa? Ainda precisamos escolher uma das duas opções, mas pelo menos essa lista de dois itens é exaustiva.

Primeira oportunidade: o tempo é fundamental

A primeira possibilidade é que o estado quântico do Universo realmente mude no tempo - isto é, o Hamiltoniano não é igual a zero e realmente impulsiona o estado no tempo. Este caso parece ser geral (há mais maneiras de diferir de zero do que de zero), e é precisamente para estudá-lo que passamos um tempo em cursos introdutórios, pela primeira vez impondo a mecânica quântica a estudantes destemidos. Uma consequência maravilhosa e subestimada da mecânica quântica é que, se essa possibilidade se torna verdadeira (o Universo está realmente evoluindo), o tempo não pode começar ou terminar - continua para sempre. Não se parece em nada com a mecânica clássica, na qual a trajetória do Universo no espaço de estados pode colidir com uma singularidade na qual o tempo deve parar de fluir. Na mecânica quântica, todo estado não é pior que qualquer outro, e a evolução continuará com alegria.

Então, como isso se relaciona com a pergunta "algo versus nada"? Durante a evolução do estado quântico do Universo, ele pode passar por fases nas quais é muito semelhante a nada no sentido geralmente aceito - ou seja, como um espaço vazio ou como uma estranha fase não geométrica na qual não reconheceríamos o espaço. Mais tarde, através da influência incansável do hamiltoniano, ele pode evoluir para algo que é muito semelhante a "algo", até muito semelhante ao universo que vemos hoje. Portanto, se para você “nada” é “vazio” ou “falta de espaço”, as leis da mecânica quântica fornecem uma maneira conveniente de entender como nada pode se transformar em algo maravilhoso dentro do qual nos encontramos. Isso é interessante, importante e digno de escrever um livro, e essa é uma das possibilidades que Lawrence discute.

Oportunidade dois: o tempo é secundário / aproximadamente

A segunda possibilidade é que o Universo não evolua de modo algum - o Hamiltoniano é zero, o espaço de estados possíveis existe, mas apenas nos sentamos imóveis nele, sem um "fluxo de tempo" fundamental. Você pode decidir que essa possibilidade é lógica, mas não crível; porque não vemos como tudo ao nosso redor está mudando o tempo todo? Mas é precisamente nessa possibilidade que você será enterrado imediatamente se você simplesmente pegar o GR clássico e tentar quantizá-lo (isto é, inventar uma teoria quântica que converge para GR no limite clássico). Não sabemos se isso é certo - Tom Banks, por exemplo, acredita que não é - mas essa oportunidade existe, então precisamos pensar no que isso poderia significar se fosse verdade.

Obviamente, acreditamos que sentimos a passagem do tempo, mas talvez o tempo seja uma coisa secundária, não fundamental (não acho que o uso da palavra "ilusório" neste contexto seja correto, mas outros não são tão cuidadosos). Isto é, talvez, haja uma descrição alternativa desse ponto fixo do espaço de Hilbert - uma descrição aproximadamente semelhante a "O Universo Evolui no Tempo", pelo menos por algum tempo. Imagine uma barra de metal localizada em uma superfície quente, não evoluindo com o tempo, mas com um gradiente de temperatura distribuído de cima para baixo. É conceitualmente possível dividir essa barra em camadas de igual temperatura e, em seguida, escrever uma equação mostrando como o estado da barra muda de camada para camada e descobrir que o formalismo matemático resultante é semelhante à "evolução do tempo". Nesse caso, ao contrário do anterior, o tempo pode terminar (ou começar), pois era originalmente uma aproximação útil, aceitável sob certas condições.

Essa opção é lembrada por cosmólogos como James Hartle, Stephen Hawking, Alex Vilenkin, Andrei Linde e outros, falando sobre "criar o universo do nada". Nesta visão, na história do Universo, literalmente, existe um momento antes do qual outros momentos não existiam. Há uma fronteira de tempo (presumivelmente antes do Big Bang), para a qual não havia nada. Nem a matéria nem a função das ondas quânticas; não havia nada anterior, pois o conceito de “pré-” não faz sentido. Isso também é interessante, importante e vale a pena escrever um livro sobre isso, e essa é outra das possibilidades que Lawrence discute.

Por que o universo existe?

Portanto, a física moderna nos deu duas dessas idéias, bastante interessantes, e respondendo à nossa ideia informal de como "algo sai do nada". Um deles fala da evolução do espaço vazio (ou não-espaço) para um universo cheio de tudo, e o outro fala do tempo como um conceito exemplar que termina em alguma fronteira em um espaço abstrato de possibilidades.

Então, sobre o que reclamamos? Se você pensar bem, esse raciocínio, se você aceitar uma definição específica do conceito de "nada", poderá explicar como o Universo pode surgir do nada. Mas eles não explicam, e nem tentam explicar, por que algo existe - por que essa evolução da função de onda ou por que todo esse sistema de "funções de onda" e "hamiltonianos" será o caminho certo para raciocinar sobre o Universo. E talvez você não esteja interessado nessas questões, e ninguém tem o direito de tirar seu direito de não se interessar por elas; mas se a legenda do seu livro diz "por que há algo e não apenas nada", você, de fato, renuncia ao direito de não se interessar por ele.

O desenvolvimento da física e da cosmologia modernas nos ajuda a abordar essas questões sobre por que existe algo chamado "universo", por que existem coisas como as "leis da física", por que essas leis assumem a forma da mecânica quântica, por que essa função de onda e Hamiltoniano? Em suma, não. Não está claro para mim como eles poderiam fazer isso.

Às vezes, os físicos fingem responder a essas perguntas, o que é muito ruim, porque são preguiçosos e não tentam pensar cuidadosamente sobre esse problema. Você, por exemplo, pode ouvir declarações de que nossas leis da física podem se tornar o único tipo de leis concebíveis ou as mais simples possíveis. Mas esse claramente não é o caso. Dentro da estrutura da plataforma da mecânica quântica, há um número infinito de espaços possíveis de Hilbert e um número infinito de possíveis hamiltonianos, cada um dos quais define um conjunto absolutamente admissível de leis da física. E apenas um deles pode estar correto, portanto, é absurdo afirmar que nossas leis podem ser as únicas possíveis.

Os pedidos de simplicidade também não ajudam aqui. O universo pode ser o único ponto que não muda no tempo. Ou um único oscilador oscilando sem parar para frente e para trás. Isso seria muito simples. De alguma forma, uma certa definição de simplicidade pode aparecer segundo a qual nossas leis se tornarão as mais simples, mas sempre haverá outras segundo as quais elas são diferentes. De qualquer forma, poderíamos fazer a pergunta: por que as leis deveriam ser simples? Da mesma forma, a afirmação "talvez todas as leis físicas sejam reais em algum lugar" não responde à nossa pergunta. Por que todas as leis físicas são reais?

E, às vezes, por outro lado, os cosmólogos modernos falam sobre outras leis da física no contexto do multiverso e sugerem que vemos um conjunto de leis, e não outro, por razões fundamentalmente antrópicas . Mas isso, novamente, é simples negligência. Estamos falando da manifestação de baixa energia das leis básicas, mas essas leis básicas são as mesmas em todo o multiverso. Ainda temos a questão da existência dessas leis profundas que criam o multiverso.

Fim da explicação

Todas essas perguntas são interessantes de se perguntar, e nenhuma delas é respondida pela física ou cosmologia moderna. Ou, pelo menos, é interessante criá-los, mas do meu ponto de vista, a melhor resposta seria abaixá-los rapidamente. Neste ponto, lembre-se, já chegamos a um problema puramente filosófico, e não científico.

As perguntas "por que" não existem no vazio; eles fazem sentido em um tipo de contexto explicativo. Se perguntarmos, "por que a galinha atravessou a rua?" [tópico popular de piadas curtas / aprox. trad.], entendemos que existem coisas como estradas, elas têm propriedades especiais, e as chamadas galinhas têm objetivos e motivações diferentes, e existem coisas que existem do outro lado da estrada ou outras vantagens de sua transição. Somente nesse contexto é possível oferecer uma resposta significativa à pergunta "por que". Mas o universo e as leis da física não estão incorporadas em nenhum contexto maior. Este já é o maior dos contextos existentes, até onde sabemos. Não há nada de errado em admitir que a sequência de explicações se interrompe em algum lugar, e a única explicação restante pode ser "apenas que tudo está organizado".

Bem ou não. Devemos ser bons empiristas e estar abertos à possibilidade de que o que consideramos o Universo exista em um contexto mais amplo. Mas é provável que redefinamos isso como o universo e continuemos com as mesmas perguntas. Enquanto você reconhecer que o Universo tem mais de uma maneira concebível de existir, a cadeia de explicações sempre terá um fim. Posso estar enganado, mas insistir em que "o universo deve se explicar" é bastante infundado.

Sons e Fúrias

Aqui está o que posso dizer sobre essas questões interessantes, mas não tenho força suficiente para resistir a alguns comentários sobre questões processuais.

Primeiro, acho que o livro de Lawrence faz muito mais sentido como parte do debate popular "ateísmo versus teísmo", em vez de apenas um estudo filosófico completo do antigo problema. O posfácio do livro foi escrito por Richard Dawkins , e Lawrence pediu inicialmente a Christopher Hitchens esse serviço, enquanto ele ainda não estava muito doente - e essas duas pessoas, embora muito inteligentes, não são cosmologistas nem filósofos. Se você pretende rejeitar afirmações sobre a necessidade da existência (ou utilidade) do Criador dentro da estrutura do esquema cosmológico, o raciocínio acima sobre a "criação do nada" realmente chega ao lugar. O universo físico pode perfeitamente ser auto-suficiente; ela não precisa de nada e ninguém de fora para lançá-lo, mesmo que ela tenha um "começo". Isso não responde à pergunta clássica de Leibniz, mas praticamente não há dúvida de que esse fato é uma propriedade notável da física moderna e tem conseqüências interessantes para a cosmologia fundamental.

Em segundo lugar, após a revisão de David, Lawrence criticou, sem sucesso, os “filósofos idiotas” e toda a filosofia, em vez de continuar a conduzir uma discussão significativa sobre questões de interesse. Como a maioria dos cientistas, Lawrence recebe pouco da filosofia da ciência. Mas o objetivo da filosofia não é ser útil para a ciência, não mais do que para a micologia - ser útil para os cogumelos. Os filósofos da ciência não estão tentando fazer ciência, estão tentando entender como a ciência funciona e como deve funcionar, escolher a lógica e os padrões subjacentes à argumentação científica, colocar o conhecimento científico dentro de um contexto epistemológico mais amplo e fazer muitas outras coisas interessantes, não fingindo ser ciência. E se você não estiver interessado, tudo bem. Mas você não deve tentar minar a legitimidade da existência da região com ataques em sua direção - isso é estúpido e não intelectual, e é apenas a relutância em discutir respeitosamente com pesquisadores de outro campo, dos quais lamentamos quando se trata de ciência. É uma pena que as pessoas inteligentes que concordam com a maioria das coisas importantes não possam deixar de concordar com tudo o resto sem trocar insultos. Devemos tentar estar acima disso.