✂️ ✋🏾 🛒 O universo primitivo 2. Cosmologia da inflação: o nosso universo faz parte do multiverso? Parte 2 🦔 🛒 🥦

No site de palestras gratuitas, o MIT OpenCourseWare publicou um curso de palestras sobre a cosmologia de Alan Gus, um dos criadores do modelo inflacionário do universo.

Oferecemos uma tradução da segunda palestra: “Cosmologia inflacionária. Nosso universo é parte de um multiverso? Parte 2 ".

Inflação e paisagem da teoria das cordas
Quero começar repetindo brevemente o que discutimos da última vez como parte da palestra de revisão que terminaremos hoje. Um resumo da última palestra é apresentado em cinco slides. Começamos discutindo o Big Bang padrão, com o qual quero dizer o Big Bang sem inflação. Percebi que, de fato, essa teoria descreve apenas as conseqüências da explosão. Começa com uma descrição do universo como uma substância quente e densa de partículas que preenche mais ou menos uniformemente todo o espaço disponível e se expande.

A inflação cósmica é um prequel do Big Bang. Ela descreve como a gravidade repulsiva, que na teoria geral da relatividade pode ser o resultado de pressão negativa, leva uma pequena porção do universo primitivo a um processo de expansão exponencial gigantesca. Nosso universo visível é o resultado de um evento como esse.

A energia total de um site como esse pode ser muito pequena e pode até ser exatamente zero. Isso é possível devido ao fato de o campo gravitacional que preenche o espaço ter uma contribuição negativa para a energia. Tanto quanto podemos julgar, em nosso universo real, as contribuições positivas e negativas são aproximadamente iguais entre si. Eles podem se compensar totalmente. Assim, a energia total pode ser zero, o que permite criar um universo enorme, começando com nada ou com quase nada.

O próximo ponto é evidência de inflação. Por que achamos que existe uma alta probabilidade de que nosso universo tenha sofrido inflação? Eu indiquei três razões. Primeiro, a inflação pode explicar a uniformidade do universo em larga escala. A homogeneidade em larga escala do universo é mais pronunciada na radiação cósmica de fundo em microondas. Vemos que é homogêneo com uma precisão de cem milésimos. Se fizermos um ajuste para o movimento da Terra, sua intensidade no céu será a mesma com uma precisão de cem milésimos, independentemente da direção.

Em segundo lugar, a inflação pode explicar o fato notável do valor de Ω, onde Ω é a densidade de massa real do universo dividida pela densidade de massa crítica, ou seja, a densidade que torna o universo completamente plano. Sabemos que no primeiro segundo após o Big Bang, sua proporção era igual à unidade, com uma precisão de cerca de 15 casas decimais. Antes da inflação, não tínhamos explicação para esse fato. No entanto, a inflação aproxima a unidade e nos dá uma explicação do porquê no início do Big Bang era tão próximo da unidade.

De fato, a inflação faz uma previsão. Assumimos que, se a teoria da inflação estiver correta, Ω ainda deve ser igual a 1. Ω foi medido e um valor de 1,0010 ± 0,0065 foi obtido, o que, na minha opinião, é um resultado maravilhoso. Finalmente, a inflação fornece uma explicação para as heterogeneidades que vemos no universo. Ela as explica como flutuações quânticas que ocorreram durante a inflação. Quando a inflação terminou, as flutuações quânticas fizeram com que a inflação durasse um pouco mais em alguns lugares do que em outros. Então essas heterogeneidades apareceram.

Atualmente, podemos medir essas heterogeneidades com grande precisão. As heterogeneidades, é claro, são enormes no nível das galáxias, aqui são óbvias, mas são difíceis de associar ao universo primitivo. Portanto, podemos fazer a comparação mais precisa entre o que observamos e as teorias do universo primitivo, com a ajuda de um estudo minucioso da radiação cósmica de fundo, que não é completamente uniforme e tem pequenas flutuações de intensidade. Essas flutuações estão no nível de cem milésimos, e atualmente podemos observá-las.

A inflação fornece uma previsão clara do espectro dessas flutuações, como a intensidade delas deve variar dependendo do comprimento de onda. Na última vez, mostrei um gráfico com os dados do satélite Planck. A correspondência entre previsão e teoria é impressionante. Voltaremos a isso perto do final do curso.

Finalmente, em uma palestra anterior, comecei a falar sobre as possíveis consequências da inflação, como o multiverso. Que o nosso universo pode ser incorporado em uma entidade muito maior, composta por muitos universos, que chamamos de multiverso. O ponto chave é que a maioria dos modelos tende a levar à inflação perpétua. Uma vez que a inflação começa, a inflação nunca para.

A razão para isso é que a matéria metastável e repulsiva gravitacionalmente, que causa inflação, decai, mas ao mesmo tempo se expande exponencialmente. Para modelos típicos, a expansão exponencial é muito mais rápida que a deterioração. Assim, apesar de essa matéria instável decair, seu volume total na verdade não diminui, mas aumenta exponencialmente com o tempo.

A decadência da matéria, no entanto, ocorre, e onde quer que ocorra, o que chamamos de universo do bolso é formado. Vivemos em um desses universos de bolso. O número de universos de bolso cresce exponencialmente com o tempo, à medida que todo o sistema cresce, o que continuará, até onde podemos julgar, para sempre. Esta é a imagem do multiverso a que a inflação leva.

No final da palestra, falei sobre um problema que é muito importante para nossa compreensão moderna da física e da cosmologia. Esta é a descoberta da energia escura. Por volta de 1998, descobriu-se que a expansão do universo não desacelera sob a influência da gravidade, como se poderia esperar, mas acelera. O universo está se expandindo cada vez mais rápido.

Isso indica que o espaço está atualmente cheio de matéria gravitacionalmente repulsiva, que chamamos de energia escura. A explicação mais simples para a energia escura é simplesmente a energia do vácuo, a energia do espaço vazio. O espaço tem uma densidade de energia que possui exatamente as propriedades que observamos. Portanto, parece natural estabelecer uma conexão entre energia escura e energia de vácuo.

A energia do vácuo, a princípio, pode parecer estranha. Se o vácuo estiver vazio, por que deveria ter uma densidade de energia? Mas na teoria quântica de campos isso não é surpreendente, porque na teoria quântica de campos o vácuo não é realmente vazio. Na teoria quântica de campos, não existe vazio real. Em vez disso, flutuações constantes de campo quântico ocorrem no vácuo. No modelo moderno padrão da física de partículas, existe até um campo chamado campo de Higgs, que, além de flutuações, possui um valor médio diferente de zero no vácuo.

Assim, o vácuo é uma condição muito complexa. Faz com que seja um vácuo que ela esteja no estado da menor densidade de energia possível, mas essa densidade não precisa ser zero e não parece que exista qualquer razão para que seja zero. Portanto, não há problema em explicar o fato de que o vácuo pode ter uma densidade de energia diferente de zero. O problema surge quando tentamos entender a magnitude dessa energia de vácuo. Se o vácuo tem uma densidade de energia, então, de acordo com nossas suposições, ele deve ser muito maior do que o que observamos na forma de aceleração da expansão do universo.

Uma ordem de grandeza típica para a energia do vácuo na física de partículas é cerca de 120 ordens de grandeza maior que o número obtido de acordo com a aceleração observada da expansão do universo. Este é um grande problema. Começamos a discutir uma possível solução para esse problema. Esta é apenas uma solução possível, ninguém diz que é absolutamente verdade. Essa decisão é baseada na teoria das cordas e, em particular, em uma idéia chamada paisagem da teoria das cordas.

A maioria dos teóricos das cordas acredita que a teoria das cordas não possui um vácuo único. Em vez disso, há um número colossal, em torno de ^10.500
vários estados metaestáveis, os quais, apesar de serem metaestáveis, têm uma vida muito longa, são comparados com a idade do nosso universo. Assim, qualquer um desses ^10.500 estados diferentes pode servir de vácuo para um dos universos de bolso.

Além disso, qualquer estado de vácuo da paisagem pode ser realizado em algum tipo de universo de bolsões, incorporando, na realidade, todas as possibilidades que surgem na teoria das cordas. Cada tipo de vácuo tem sua própria densidade de energia, porque contribuições positivas e negativas surgem na teoria quântica de campos.

A energia de vácuo de um estado típico pode ser positiva ou negativa. Para esses ^10.500 diferentes aspiradores, a faixa de densidades de energia varia de -10 ¹²⁰ a +10 ¹²⁰ valores observados. O valor observado está nessa faixa, mas é uma parte extremamente pequena dos valores possíveis.

ALUNO: O intervalo de -10 ¹²⁰ a +10 ^{120 é} escolhido simplesmente porque vemos uma diferença de 120 pedidos ou existem outros motivos?

PROFESSOR: Quando falamos de uma diferença de 120 ordens de grandeza, uma afirmação mais precisa é que a estimativa de uma faixa de energia típica é de 10 a ¹²⁰ vezes o valor observado. De fato, 10 ¹²⁰ é preciso apenas dentro de algumas ordens de magnitude, 10 ¹²³ é provavelmente um número um pouco mais preciso. Mas, para nossos propósitos, isso é suficiente.

ALUNO: Uma pergunta geral sobre as propriedades da inflação. Acreditamos que a gravidade atraente controla o movimento dos objetos no espaço. Então, por que pensamos que a gravidade repulsiva controla a expansão do próprio espaço?

PROFESSOR: Ela se comporta de maneira diferente. A gravidade repulsiva que aparece na teoria geral da relatividade não é apenas a gravidade comum com o sinal oposto. Se tivermos dois corpos, a gravidade comum os fará atrair um ao outro com uma força proporcional às massas desses objetos. A gravidade repulsiva é um efeito causado pela pressão negativa no espaço entre eles. Portanto, se houver dois corpos, eles começarão a acelerar um do outro por uma quantidade completamente independente de suas massas.

A gravidade repulsiva não é criada por massas. Esse poder é completamente diferente, então simplesmente não podemos compará-los. De qualquer forma, quando tudo está se afastando, é uma questão de ponto de vista considerar esse movimento uma extensão do espaço ou o movimento de objetos pelo espaço. Na teoria da relatividade, não há como enfiar uma agulha no espaço, prendê-la com um alfinete e dizer que ela está imóvel. Portanto, não podemos dizer se o espaço está se movendo ou não.

Na cosmologia, uma imagem é geralmente mais simples, na qual o espaço se expande com a matéria, e geralmente usaremos essa imagem. Isso fornece uma descrição muito mais simples do que está acontecendo. Boa pergunta

ALUNO: Por que a energia no universo primitivo parecia quase zero? Existem modelos teóricos que podem explicar ou prever que é exatamente zero?

PROFESSOR: Sim, existem tais teorias. Isso acontece no caso de um universo fechado. Mesmo que o universo seja quase plano, ele ainda pode ser fechado. Se estiver fechado, deve ter exatamente zero energia.

ALUNO: O fundo cósmico de microondas é o mesmo em todas as direções. Isso implica que o princípio cosmológico é válido para todo o universo. É possível que, na realidade, em uma escala muito grande, o universo seja heterogêneo, que na realidade seja como irregular, apenas as manchas são muito grandes? O que realmente estamos nesse local, e é diferente de outros locais tão distantes?

PROFESSOR: É claro que sim, se a imagem do multiverso estiver correta. Ela prevê exatamente isso. Outros universos de bolso podem ser considerados outros pontos, usando sua terminologia, e serão muito diferentes do que observamos.

Assim, a inflação muda a atitude em relação a essa questão. Anteriormente, antes da inflação, a homogeneidade do universo não tinha explicação, portanto era um postulado. Ninguém postulou que o universo é homogêneo em certas escalas. Se um postulado é feito, é simplesmente afirmado que o universo é homogêneo, e esse postulado foi usado.

Mas agora, quando consideramos que a uniformidade do universo é causada por um processo dinâmico, a inflação, é natural fazer a pergunta: que uniformidade de tamanho a inflação cria. É claro que esse é um tamanho muito maior do que podemos observar. Assim, realmente não pretendemos ver a heterogeneidade causada por vários focos de inflação. Mas o modelo inflacionário torna muito plausível que os veríamos se pudéssemos ver o suficiente.

ALUNO: Se o universo está se expandindo, e também estamos expandindo, como podemos observar uma mudança nas distâncias?

PROFESSOR: Uma pergunta muito boa. Pode parecer que, se o universo se expandir, tudo deverá se expandir. E se tudo se expandir, então medindo algo com uma régua, obtemos o mesmo comprimento. Como vemos que tudo está se expandindo? A resposta para essa pergunta é que expandir o universo não significa realmente que tudo está se expandindo. Quando eles dizem que o universo está se expandindo, eles significam que as galáxias estão se separando, mas os átomos individuais não aumentam.

O comprimento da régua, determinado pelo número de átomos e seu tamanho, não aumenta com o universo. Atualmente, a expansão é parcialmente devida à gravidade repulsiva, que faz com que o universo se expanda rapidamente. Mas basicamente a expansão agora é apenas a velocidade residual do Big Bang. Nesse caso, a substância simplesmente se move no espaço, e esse movimento não faz com que os átomos se tornem maiores.

ALUNO: Qual é o futuro do nosso universo? Expandirá indefinidamente ou será interrompido em algum momento?

PROFESSOR: Como você provavelmente adivinha, ninguém realmente sabe. Mas os modelos de que estou falando dão uma resposta definitiva no nível do nosso universo de bolso e no nível de todo o multiverso. No nível do nosso universo de bolsos, nosso universo será reduzido. A vida acabará se tornando impossível, porque a densidade da matéria se tornará muito pequena.

Talvez o universo decaia. Nosso vácuo pode não ser completamente estável. Muito poucas coisas são estáveis na teoria das cordas se a teoria das cordas for a teoria correta. Mas mesmo que o vácuo decaia, ele se expandirá ainda mais rápido do que decai. Portanto, a decadência levará a buracos em nosso universo. Será parecido com queijo suíço. Mas o universo como um todo simplesmente se expandirá exponencialmente, até onde podemos julgar, para sempre.

O multiverso é um objeto mais interessante. O multiverso, como eu disse, criará constantemente novos universos de bolso. O multiverso viverá para sempre, mesmo que todo universo de bolsões no multiverso seja formado e, eventualmente, morra, morra de completo desbaste e se transformando em nada.

ALUNO: Além da pergunta anterior. Você permite a possibilidade de um processo cíclico? I.e. o universo se expande, atinge o seu máximo, depois começa a encolher, entra em colapso e começa a se expandir novamente, e tudo se repete?

PROFESSOR: Essa oportunidade certamente existe, e há pessoas que levam isso muito a sério. Não vejo nenhuma evidência disso. Além disso, nunca houve e ainda não existe uma teoria razoável de recuperação, que deveria fazer parte dessa teoria.

ALUNO: Quais são, além da constante cosmológica, os diferentes aspiradores?

PROFESSOR: Eles podem variar de várias maneiras. Eles diferem fundamentalmente um do outro na forma como sua estrutura interna é organizada no espaço. Se você não entrar em detalhes que eu mesmo não entendo completamente, a teoria das cordas afirma que o espaço tem nove dimensões, e não três que observamos. Nove dimensões tornam-se três devido ao fato de que dimensões adicionais são torcidas em pequenos nódulos curtos demais para serem vistos.

No entanto, existem muitas maneiras diferentes de torcer essas dimensões adicionais, e isso leva a um número muito grande de possíveis vazios. Medições adicionais podem ser torcidas de diferentes maneiras. Isso significa que a física de baixa energia nesses vazios pode ser muito diferente. Quase tudo pode ser diferente, até a dimensão do espaço pode ser diferente, porque você pode ter um número diferente de dimensões distorcidas.

O conjunto de partículas pode ser completamente diferente, porque o que consideramos uma partícula é na verdade apenas uma flutuação do vácuo.Se você tem uma estrutura diferente do próprio vácuo, os tipos de partículas que existem nele podem ser completamente diferentes. Assim, a física dentro de outro universo de bolsos pode ser muito diferente do que observamos, mesmo assumindo que, em última instância, as mesmas leis da física se aplicam a todos os lugares.

ALUNO: Se inicialmente na região que iniciou a expansão inflacionária havia apenas algumas partículas, então quando essa região se transformar em um enorme universo, também terá poucas partículas?

PROFESSOR: A contagem de partículas pode não ser salva. Quando uma das regiões se expande exponencialmente durante a inflação, a energia nela não é bem descrita na linguagem das partículas. É descrito em termos de campos. Os campos às vezes se comportam como partículas, mas nem sempre. Em princípio, há uma descrição em termos de partículas, mas não é tão óbvia quanto uma descrição em termos de campos.

Assim, há energia consistindo em vários campos, enquanto a região está crescendo. A energia armazenada nesses campos aumenta à medida que a região se expande. A densidade de energia permanece aproximadamente constante. Isso parece ser uma violação da lei de conservação de energia, mas, como dissemos, uma região em expansão é preenchida com um campo gravitacional, que ocupa um volume cada vez maior, e o campo gravitacional tem uma densidade energética negativa. Assim, a energia total que deve ser conservada permanece muito pequena e possivelmente zero. Além disso, a região pode crescer sem restrições, ainda tendo essa energia total muito pequena ou nula.

Então, no final, a região se desfaz. Quando se decompõe, novas partículas nascem, um grande número de novas partículas. Esta é a substância da qual somos feitos. Há significativamente mais novas partículas do que o número de partículas existentes na região quando a inflação começou.

ALUNO: Então, tudo o que acontece durante a inflação é determinado pela lei de conservação de energia?

PROFESSOR: Parece-me que isso é um exagero, porque se nada acontecesse, a energia também seria economizada. Portanto, para descrever o desenvolvimento do universo, você precisa mais do que apenas conservação de energia.

Princípio antrópico
Vamos continuar. Decidi sobre a paisagem da teoria das cordas e como ela forma todos esses possíveis vazios. A teoria das cordas possui ^10.500 diferentes aspiradores. Realmente não sabemos a quantidade exata, mas é aproximadamente igual a esse grande número. E apenas 10 ^-120 vácuo do número total têm muito pouca energia. Portanto, a densidade de energia é distribuída de +10 ¹²⁰ a -10 ¹²⁰ da energia de vácuo que observamos.

Isso significa que a energia que observamos ocorre apenas em um corte estreito no meio, ocupando 10 ^-120a largura de toda a distribuição. Tudo isso, é claro, são estimativas muito grosseiras. O que importa não é quantidade, mas se você concorda com a ideia. Assumimos que aproximadamente 10 ^-120 aspiradores diferentes terão uma densidade de energia bastante baixa.

Mas, ao mesmo tempo, ainda haverá um grande número de tais vazios, porque 10 ^-120 vezes 10 ^{500 são} 10 ³⁸⁰ . Embora esses vazios sejam muito raros, existem ^10.380 , . , , , , . , , , .

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O local em que vivemos é muito incomum de várias maneiras, mas um dos parâmetros que é simples e quantitativo é a densidade de massa. A densidade de objetos em torno desta sala é de cerca de um grama por centímetro cúbico, talvez 10 vezes mais ou menos. O fator 10 não é muito importante para o que vou falar.

O fato é que a densidade de massa média do universo visível é de cerca de 10 a ³⁰ gramas por centímetro cúbico. É inacreditável o quão vazio o universo é. Esta é uma densidade muito menor do que a que podemos alcançar em laboratórios na Terra com melhores sistemas de vácuo.

No local em que vivemos, densidade de massa de 10 ³⁰vezes maior que a densidade média do universo visível. Portanto, não vivemos no lugar típico do nosso universo visível. Vivemos em um lugar extremamente atípico. Alguém pode se perguntar como explicar isso. É apenas uma coincidência que vivemos em uma área com uma densidade de massa tão alta? Se isso é uma questão de sorte, não parece muito provável. Isso é sorte? É providência divina, ou o quê?

Acho que muitos de vocês concordam que esse é provavelmente um efeito de seleção. Este é o lugar onde a vida surge. A vida não surge na maior parte do universo visível. Aparece em lugares raros, como a superfície do nosso planeta, que é especial em muitos aspectos, mas apenas a densidade de massa é suficiente para torná-lo extremamente especial. Nós diferimos em 10 ³⁰ tempos do valor médio do nosso ambiente.

Se explicarmos por que vivemos em um lugar tão incomum em nosso universo visível, simplesmente pelos requisitos da vida, não é tão difícil estender ainda mais essa idéia. Steve Weinberg chamou a atenção pela primeira vez em 1987. É claro que ele não foi o primeiro a expressar essa idéia, mas foi o primeiro em quem os outros pelo menos acreditaram um pouco.

Ele observou que a baixa densidade de energia do vácuo pode ser explicada de maneira semelhante. Se vivemos em um local atípico dentro de nosso universo visível, então, da mesma forma, não há razão para esperar que moremos em um local típico do multiverso. Talvez apenas uma pequena fração dos vários tipos de universos de bolso possa sustentar a vida. Talvez a única maneira de ter vida seja ter uma densidade de energia a vácuo muito baixa.

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Pelo contrário, se a densidade da energia do vácuo fosse negativa, mas tivesse um valor maior em comparação ao que estamos observando, uma grande aceleração negativa surgiria. Tais universos simplesmente encolherão, entrarão em colapso em um tempo muito curto, rápido demais para que a vida de qualquer tipo conhecido por nós tome forma. Assim, há um argumento físico que afirma que a vida é formada apenas quando a densidade de energia do vácuo é muito pequena.

Weinberg e seus colegas calcularam quais deveriam ser os requisitos para a formação de galáxias. Descobriu-se que, para que as galáxias se formem, a densidade de energia do vácuo não deve exceder a densidade de energia observada em cerca de 5 vezes. Essa pode ser uma explicação possível. Embora essa, é claro, não seja uma explicação geralmente aceita e seja muito controversa.

Alguns físicos aceitam essa ideia de seleção. Estou inclinado a aceitá-lo. Mas muitos físicos consideram isso absolutamente absurdo, dizendo que tais argumentos podem explicar qualquer coisa. E há alguma verdade nisso. Você pode explicar muito, se quiser, simplesmente afirmando que isso é necessário para o surgimento da vida.

Portanto, na minha opinião, os argumentos do efeito de seleção ou princípio antrópico devem sempre ser considerados como argumentos de última esperança. Ou seja, até entendermos o cenário da teoria das cordas, e não o entendermos em detalhes, e até realmente entendermos o que é necessário para criar a vida, realmente não podemos fazer mais nada, do que apresentar argumentos plausíveis ao princípio antrópico.

Mas esses argumentos parecem razoáveis. Eu acho que não há nada ilógico neles, eles podem muito bem ser explicações para algumas coisas. Como observei, isso explica por que vivemos em um lugar tão incomum em nosso próprio universo visível. Os argumentos para o efeito de seleção tornam-se muito atraentes quando uma busca por explicações mais diretas falha. No caso de uma tentativa de explicar a densidade de energia muito baixa do vácuo, outras explicações não tiveram êxito. Não temos uma compreensão quantitativa e direta de por que a energia do vácuo deve ser tão pequena.

É hora de aceitar esta explicação da última esperança de que a densidade de energia do vácuo seja tão pequena, simplesmente porque é necessário que a vida se desenvolva? Eu realmente não sei. Mas direi que, no caso de uma baixa densidade de energia de vácuo, as pessoas tentam muito, há muito tempo, encontrar uma explicação para isso na física de partículas elementares, e ninguém encontrou nada que outros achassem aceitável. Portanto, este é certamente um problema muito sério. Acho que chegou a hora de levar a sério o argumento da última esperança. Que a densidade de energia do vácuo é baixa apenas porque nas partes do multiverso em que não é assim, ninguém vive. Parece-me que o efeito de seleção é a mais plausível de qualquer explicação atualmente conhecida.

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O segundo ponto é que, em 1998, os astrônomos descobriram o fato surpreendente de que a expansão do universo não diminui à medida que se expande, mas antes acelera. Isso indica que no universo deve haver alguma matéria especial, diferente da substância que já conhecemos, e essa matéria especial é chamada energia escura. Não temos uma interpretação simples do que é, mas é mais provável que seja energia a vácuo. Nesse caso, isso imediatamente leva à importante questão de por que essa energia importa, o que observamos. Aparentemente, é muito menor do que você poderia esperar.

E terceiro, os teóricos que estudam a teoria das cordas nos dão uma explicação interessante. Eles dizem que talvez, de acordo com as leis da física, não exista um único vácuo, mas há um grande número de diferentes aspiradores que a teoria das cordas prevê. Nesse caso, assumimos que entre muitos aspiradores diferentes haverá um grande número daqueles com densidade de energia muito baixa. Eles compõem uma fração desprezível do número total de diferentes aspiradores, mas, no entanto, existem muitos deles. Então, a idéia do efeito de seleção pode dar uma explicação possível de por que vivemos em um desses vazios muito incomuns que têm essa densidade de energia incrivelmente baixa.

Eu quero terminar com uma pequena história. Quanto os físicos realmente levam tudo isso a sério? Vou falar sobre a conversa que ocorreu na conferência há vários anos. Vou começar com Martin Reese. Este é um astrônomo do Reino Unido, um ex-presidente da Royal Society, um ex-chefe do Trinity College, uma pessoa muito respeitada e, aliás, uma boa pessoa. Ele disse que estava confiante o suficiente no multiverso para colocar a vida de seu cão nele.

Andrew Linde, de Stanford, um verdadeiro entusiasta da idéia do multiverso, também um dos fundadores da teoria da inflação, disse que estava confiante o suficiente no multiverso para colocar sua vida nele. Steve Weinberg não estava nesta conferência, mas escreveu um artigo que ficou conhecido mais tarde, comentando sobre essa discussão. O que você acha que ele estava pronto para entregar? Ele disse que estava tão confiante no multiverso que estava pronto para colocar nela a vida de Andrei Linda e a vida do cachorro Martin Reese.

Isso conclui nossa breve revisão. Há alguma dúvida antes de começarmos o verdadeiro início de nosso curso?

ALUNO: O efeito de seleção afirma que Ω é 1 e a energia do vácuo é muito menor do que pode ser, apenas porque a vida existe dentro dessas limitações, que a vida só pode existir dessa maneira. Mas estamos considerando a vida baseada em carbono. E se houver outras formas de vida que lhe permitam ter energia, densidade e assim por diante diferentes?

PROFESSOR: Sim, o que você aponta, é claro, é a grande fraqueza do argumento do efeito de seleção. Nós realmente conhecemos a vida baseada em carbono, uma vida semelhante à nossa, e podemos falar sobre quais condições são necessárias para essa vida. Mas talvez exista uma vida completamente diferente da nossa, da qual nada sabemos e que possa existir em condições completamente diferentes. Isso é realmente uma fraqueza.

No entanto, quero dizer, embora isso também possa ser discutido e nem todos concordem comigo, mas uma situação semelhante surge se queremos explicar as características incomuns daquela parte do universo em que vivemos. Digamos, usando o exemplo que eu usei antes, que vivemos em um local onde a densidade de massa é 10 a 30 vezes maior que a média. Se estamos prontos para usar os argumentos do princípio antrópico para explicar isso, acho que os mesmos problemas surgem aqui.

Se no universo, na realidade, outra vida é abundante, florescendo no vácuo, teríamos uma chance muito maior de ser uma delas do que se tornar uma criatura extremamente incomum que vive na superfície do planeta. Portanto, acho que essa é uma possível fraqueza que deve ser lembrada, mas não acho que isso deva nos proibir completamente de usar esses argumentos. Embora essa seja certamente uma ocasião de ceticismo.

ALUNO: Você mencionou na última vez que os vários universos de bolso que compõem o multiverso são separados um do outro, embora surjam como pequenas regiões no vácuo original. Como eles são separados um do outro? Se todos eles se formarem no mesmo espaço, eles não permanecerão nesse espaço?

PROFESSOR: Eles realmente permanecem, mas o espaço em que são formados está se expandindo muito rapidamente. Assim, na maioria dos casos, embora nem sempre na realidade, dois universos de bolsos se formem suficientemente longe um do outro para nunca se tocarem à medida que crescem, porque o espaço entre eles se expande muito rapidamente para permitir que conhecer.

No entanto, uma colisão de universos de bolsos ocorrerá se dois universos de bolsos se formarem suficientemente próximos um do outro. A expansão do espaço entre eles não será suficiente para separá-los e eles colidirão. Quantas vezes isso acontece é uma pergunta extremamente difícil para a qual ninguém sabe a resposta. Há pelo menos um artigo de um grupo de astrônomos que procuraram possíveis sinais de uma colisão de universos no passado. Eles não encontraram nada definitivo. Mas é sobre isso que você precisa pensar, e é sobre isso que as pessoas pensam. As publicações, na verdade, contêm muito trabalho sobre colisões de universos.

ALUNO: Quando você disse "vida longa", que horas você quis dizer com isso?

PROFESSOR: Eu usei a palavra "vida longa" em pelo menos dois contextos. Falei de um vácuo metaestável de longa duração. Aqui, por longa vida, eu quis dizer um longo comparado à idade do nosso universo desde o Big Bang. Aqui, longo significa longo em comparação com 10 a ¹⁰ anos.

Eu também disse que se a energia de vácuo do universo fosse grande e negativa, o universo entraria em colapso muito rapidamente. Isso pode acontecer em 10 a ²⁰ segundos. Isso pode acontecer muito rapidamente, dependendo de quão grande é a constante cosmológica.

ALUNO: Li que existe esse efeito quando diferentes observadores podem ver o vácuo de maneiras diferentes. Por exemplo, se um observador em um sistema inercial vê um vácuo, outro observador que está acelerando em relação a esse observador verá partículas, um gás quente. Quanto observamos esse efeito devido ao fato de o universo estar se expandindo rapidamente e possivelmente estarmos acelerando em relação a um certo vácuo?

PROFESSOR: Você está realmente lidando com uma questão muito controversa. Você disse que ouviu que, se você pegar um observador acelerado movendo-se através do vácuo, esse observador acelerado verá algo diferente do vácuo. Ele veria partículas que parecem ter uma temperatura que pode ser calculada e que é determinada por aceleração.

A questão é o que realmente vemos na realidade e o que é causado por nosso próprio movimento. Não sei a resposta exata para esta pergunta. Mas, quando essas questões surgem, geralmente acreditamos que um observador que se move livremente significa realmente um observador que se move livremente em um campo gravitacional, ou como um observador geodésico às vezes diz. Tal observador determina essencialmente o que pode ser chamado de realidade. Então podemos calcular o que os observadores em aceleração veem em relação a essa realidade.

Somos praticamente observadores geodésicos. A Terra nos pressiona, o que viola levemente nossa inércia. Mas em uma escala cósmica, onde tudo é comparado à velocidade da luz, somos essencialmente observadores inerciais ou geodésicos.

ALUNO: Eu tenho uma pergunta filosófica. Não podemos observar outros universos. Suponha que tenhamos uma teoria, como a inflação, que faça muitas previsões. E ela também faz uma previsão da existência do multiverso. Mas não podemos verificar empiricamente se isso é verdade ou não, provavelmente nunca obteremos uma resposta. Se formos empiristas estritos, vale a pena lidar com esse problema?

PROFESSOR: Isso também é discutido na comunidade científica, e as pessoas aceitam os dois pontos de vista. Há um ponto de vista ao qual estou inclinado a que nem todos os aspectos de nossas teorias possam ser testados. Se você adota uma teoria, mesmo a gravidade newtoniana, pode imaginar as consequências da gravidade newtoniana, que ninguém jamais testou.

Portanto, acho que, na prática, devemos aceitar teorias que tenham feito o suficiente das previsões que testamos, para que a teoria se torne convincente. Nesse caso, devemos ao mesmo tempo levar a sério as conseqüências da teoria que não pode ser verificada diretamente.

Quanto a outros universos de bolso. Embora seja improvável, muito improvável, extremamente improvável que alguma vez encontremos evidências observacionais diretas da existência de outro universo de bolsos, em teoria, isso não é impossível, porque os universos de bolsos, em princípio, podem colidir. Assim, podemos, em princípio, encontrar evidências de que nosso universo no passado teve contato com outro universo de bolso.

ALUNO: O que determina a estabilidade de um estado particular de vácuo? Os aspiradores de energia mais alta são menos estáveis que os de baixa energia?

PROFESSOR: Até onde eu sei, há realmente uma tendência para os vazios de alta energia serem menos estáveis e os de baixa energia serem mais estáveis. Mas não é tão simples. Existem muitos parâmetros independentes da densidade de energia.

ALUNO: Se o nosso universo tem uma densidade de energia tão pequena em relação à média, isso significa que também terá uma vida muito mais longa do que a média?

PROFESSOR: Eu acho que sim. Mas isso não muda a imagem do queijo suíço que descrevi para o nosso futuro final. Apenas altera a taxa de decaimento. Mas como o futuro do universo do bolso, se essa imagem for verdadeira, será infinito, ocorrerão decaimentos, por menor que seja a probabilidade. De fato, um número infinito de decaimentos ocorrerá.

Temos que seguir em frente, mesmo que ainda haja perguntas. Ainda temos um semestre inteiro pela frente para discutir tudo isso.

Portanto, iniciaremos o curso discutindo a lei de Hubble, embora a lei de Hubble nos leve rapidamente à questão do viés de Doppler, sobre o qual falarei principalmente até o final de hoje e a maior parte da próxima palestra. A lei de Hubble é uma equação simples v = H ∙ r , onde v é a taxa de remoção de qualquer galáxia típica.

A lei de Hubble não é uma lei exata; galáxias individuais se desviam da lei de Hubble. Mas, em princípio, a lei de Hubble diz qual é a velocidade da remoção de uma galáxia, pelo menos com razoável precisão. H é freqüentemente chamado de constante de Hubble. Às vezes é chamado de parâmetro Hubble.

O problema com o nome "constante do Hubble" é que não é uma constante durante a vida útil do universo. É constante ao longo da vida do astrônomo, mas não é constante ao longo da vida do universo. Vamos falar principalmente sobre universos, não sobre astrônomos. Mesmo ao longo de nossa história, isso não é uma constante, porque a estimativa da constante do Hubble mudou cerca de 10 vezes desde a estimativa inicial do Hubble.

r na equação é a distância da galáxia. Se você olhar para as notas da palestra há dois anos, elas começam com o fato de que a Lei de Hubble foi descoberta por Hubble em 1929. Quando comecei a revisar minhas anotações este ano, percebi que ouvira dizer que essa afirmação era controversa. Quase tudo na cosmologia é controverso, e até essa afirmação é controversa.

Acredita-se que Lemeter, e não o Hubble, merece a honra de descobrir a lei do Hubble. Existem algumas razões para esta afirmação. Alguns historiadores são amadores, parece-me que são frequentemente mencionados na imprensa, dizem que conhecemos os trabalhos de Lemaitre principalmente a partir da tradução feita em 1931 de seu trabalho em 1927, onde ele escreveu sobre o básico da cosmologia.

Acontece que, aparentemente, vários pontos significativos do artigo francês de 1927, pontos sobre a constante de Hubble, por algum motivo não se enquadravam na tradução inglesa de 1931. Por um tempo, pareceu um jogo sujo, houve alegações de que o Hubble ou os amigos do Hubble não incluíram esses pontos durante a tradução do artigo.

É verdade que finalmente foi encontrado há alguns anos por um físico chamado Mario Livio, que estudou os arquivos das cartas astronômicas mensais. Acabou que o próprio Lemeter removeu esses pontos.

Os parágrafos deram principalmente uma estimativa numérica da constante Hubble, mas em 1931 o artigo Hubble já havia sido publicado. Lemeter entendeu que em seu artigo havia apenas uma estimativa menos precisa do mesmo valor que Hubble indicava, então ele cortou a tradução. No entanto, é claro, é verdade que Lemeter sabia sobre a lei de Hubble a partir de considerações teóricas, uma vez que Lemeter estava construindo um modelo de um universo em expansão.

Eu não sei se ele foi realmente a primeira pessoa que percebeu que o modelo em expansão do universo gera uma relação linear entre velocidade e distância, mas é claro que ele sabia disso, entendeu a lei de Hubble e fez uma estimativa com base em dados observacionais. No entanto, ele não tentou usar dados observacionais para mostrar que existe uma relação linear. Nos parágrafos que não foram traduzidos, Lemeter simplesmente olhou para um grande grupo de galáxias, calculou o valor médio para v , o valor médio para r e determinou H dividindo os dois valores médios. Mas ele admitiu que, de fato, não havia dados suficientes para dizer se o relacionamento é linear.

Eu acho que é justo dizer que o Hubble é a pessoa que realmente argumentou, a princípio um pouco fraca, mas cada vez mais convincente ao longo do tempo que há evidências astronômicas de uma relação linear entre velocidade e distância. Portanto, muito provavelmente, a lei continuará sendo chamada de lei de Hubble. Se você olhar para o que é chamado na Wikipedia, verá que as duas opções são aceitáveis no momento, mas os artigos da Wikipedia estão mudando rapidamente, portanto veremos o que ela escreverá no próximo ano. Além disso, provavelmente devemos nos orgulhar de Lemeter. Costuma-se escrever que Lemeter era um padre belga, mas ele também era aluno do MIT, tinha um Ph.D. em filosofia pelo MIT, que recebeu em 1927.

Você pode ler sua dissertação. Quando escrevi meu livro, lembro como fui ao arquivo do MIT, peguei sua dissertação e li. De fato, não é muito fácil de escrever, mas interessante. Embora tenha recebido seu doutorado no MIT, acabou fazendo a maior parte de seu trabalho no Harvard College Observatory. Mas o Observatório da Harvard College na época não dava diploma. Era apenas um observatório. Ele queria se formar, então se matriculou no MIT, escreveu uma dissertação e recebeu um Ph. D.

A lei de Hubble é uma indicação de que o universo está se expandindo. Einstein propôs originalmente um modelo do universo que era estático. E foi Hubble quem convenceu Einstein que, de acordo com as observações, o universo não é estático, mas obedece à sua lei de expansão.

Isso criou a teoria de um universo em expansão. Hoje eu quero falar sobre como medir v , velocidade na lei de Hubble. Também há muita discussão sobre como medir r , distância. Eu acho que isso está bastante bem descrito no livro de Steve Weinberg. Quero fazer um estudo independente do livro de Steve Weinberg para descobrir como são estimadas as distâncias para galáxias distantes. Grosso modo, eles são estimados ao encontrar objetos em galáxias distantes, cujo brilho, como você pensa, sabe, de uma maneira ou de outra.

A dificuldade é entender para quais objetos temos certeza de que conhecemos seu brilho. Para tais objetos, existe um nome comum - velas padrão. Uma vela padrão é um objeto cujo brilho sabemos. Assim que encontrarmos um objeto cujo brilho, como nos parece, sabemos, podemos dizer a que distância o objeto está localizado, medindo o brilho dele. Isso se torna uma maneira muito simples de estimar distâncias, e essa é a única maneira de estimar distâncias para galáxias distantes. Este é realmente um tópico muito mais complexo, você pode ler sobre isso no livro de Weinberg.

Deslocamento Doppler
A velocidade de remoção das galáxias é medida usando o Doppler shift, falarei sobre isso pelos próximos minutos da palestra de hoje. Nas próximas palestras, planejamos estudar como o deslocamento do Doppler é calculado em casos não relativísticos e relativísticos. Estudaremos os casos mais simples: quando o observador está imóvel e a fonte se move em linha reta; a fonte é estacionária e o observador se move.

Começarei com a opção quando o observador estiver imóvel e a fonte se mover, o que geralmente consideramos no caso de galáxias distantes. Estamos em nosso próprio quadro de referência, portanto, estamos imóveis, e a galáxia está se movendo. Precisamos calcular o desvio para o vermelho.No entanto, devo lhe dizer que o desvio para o vermelho cosmológico é realmente um pouco diferente do que calcularemos nesta e na próxima aula.

Nas próximas palestras, calcularemos o desvio para o vermelho na teoria especial da relatividade. Mas a cosmologia não é governada pela teoria especial da relatividade, porque a teoria especial da relatividade não descreve a gravidade, e a gravidade desempenha um papel importante na cosmologia. Falaremos sobre o desvio cosmológico para o vermelho um pouco mais tarde. No momento, nós, como o Hubble, ignoramos a gravidade, o que é normal para estrelas próximas. Quanto mais longe, mais importante é a influência gravitacional. Ignorando a gravidade, você pode simplesmente usar a relatividade especial ou até a cinemática newtoniana para calcular a relação entre

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