A idéia de singularidade antes do Big Bang está desatualizada

Uma ilustração de nossa história cósmica, desde o Big Bang até os dias atuais, no contexto de um universo em expansão. O big bang foi precedido por um estado de inflação cósmica, mas a idéia de que uma singularidade deveria existir antes que isso estivesse terrivelmente desatualizada.

Quase todo mundo já ouviu falar do Big Bang. Mas se você perguntar a pessoas diferentes, de pessoas comuns a cosmologistas, para terminar a frase: “No começo era ...”, você obterá muitas respostas diferentes. Uma das mais comuns é a "singularidade", isto é, o momento em que toda a matéria e energia do Universo estão concentradas em um ponto. Temperatura, densidade e energia seriam arbitrariamente, infinitamente grandes, e isso poderia coincidir com o surgimento do espaço e do tempo em si.

Mas essa foto não está errada, já tem 40 anos, quantos anos! Temos certeza absoluta de que nenhuma singularidade foi associada ao quente Big Bang, e o espaço e o tempo podem não ter um momento de origem. É isso que sabemos e de onde.


A observação astronômica GOODS-North usando o telescópio Hubble tornou possível examinar algumas das galáxias mais distantes que já vimos, muitas das quais já estão a uma distância inatingível para nós. Olhando cada vez mais, descobrimos que as galáxias mais distantes estão se afastando de nós cada vez mais rápido, graças à expansão do Universo.

O Universo de hoje está cheio de galáxias em todas as direções e a diferentes distâncias. Em média, quanto mais longe uma galáxia está de nós, mais rápido ela se afasta de nós. Isso não se deve ao movimento real de galáxias em seu espaço local; toda a falha é a expansão do tecido do próprio espaço.

Tal previsão foi um dos resultados incomuns obtidos da Teoria Geral da Relatividade em 1922 pelo físico soviético Alexander Fridman , que mais tarde foi confirmado nas observações de Edwin Hubble e outros cientistas na década de 1920. Isso significa que, com o tempo, a matéria do Universo se dispersa e se torna menos densa, à medida que o volume do Universo aumenta. Isso também significa que no passado o Universo era mais denso, mais quente e mais homogêneo.


Extrapolando o desenvolvimento de volta, chegamos aos estados mais quentes e densos anteriores. Tudo isso leva a uma singularidade em que as leis da física deixam de funcionar?

Ao extrapolar o desenvolvimento no tempo, você começará a perceber várias mudanças importantes no universo. Em particular:

• Você chegará a uma época em que a gravidade não teve tempo de formar aglomerados de matéria suficientemente grandes para o aparecimento de estrelas e galáxias.
• Então você chegará aonde o Universo estava tão quente que não poderia formar átomos neutros.
• Então haverá um estado no qual até os núcleos de átomos serão divididos em partes.
• Então - onde os pares de partículas de matéria antimatéria aparecerão espontaneamente.
• Então - onde prótons e nêutrons individuais decairão em quarks e glúons.

Na física, a física comum se decompõe, incluindo o momento do início do Universo. No entanto, alcançar um estado arbitrariamente quente e denso tem suas consequências, muitas das quais não são confirmadas por observações.

Cada passo representa o Universo cada vez mais jovem, pequeno, denso e quente. Continuando a extrapolação, veremos que a densidade e a temperatura crescem para valores infinitos, numa época em que toda a matéria e energia do Universo estavam contidas em um ponto: em uma singularidade. O Hot Big Bang, como originalmente pensado nele, não era apenas um estado quente, denso e em expansão, mas também o momento em que todas as leis da física deixaram de funcionar. Foi o nascimento do espaço e do tempo, uma maneira de fazer o universo inteiro aparecer repentinamente do nada. Esse foi o ato original da criação: a singularidade associada ao Big Bang.


As estrelas e galáxias que vemos hoje nem sempre existiram. Quanto mais voltarmos no tempo, mais próximo o universo chegará de uma singularidade - mas a extrapolação tem suas limitações.

No entanto, se tudo fosse exatamente isso, e o Universo no passado tivesse temperaturas arbitrariamente altas, esse estado teria vários sinais óbvios que poderiam ser observados hoje. No brilho residual do Big Bang, haveria flutuações de temperatura de grandes amplitudes. As flutuações visíveis para nós seriam limitadas pela velocidade da luz; elas apareceriam apenas em escalas não maiores que o horizonte cósmico . Relíquias do espaço de alta energia, como monopólos magnéticos, deveriam ter permanecido.

E, no entanto, as flutuações de temperatura não excedem 1/30 000, o que é milhares de vezes menor do que o previsto pelo Big Bang. Existem flutuações que excedem o horizonte, o que é confirmado com segurança pelos satélites WMAP e Planck. E as restrições à existência de monopólos magnéticos e outras relíquias de energia ultra alta são extremamente fortes. A ausência de sinais de sua presença tem sérias conseqüências: no Universo nunca houve arbitrariamente altas temperaturas.


As flutuações da radiação CMB são tão pequenas e tão características que definitivamente implicam o fato de que, no início do Universo, a mesma temperatura estava em toda parte. O tamanho das flutuações de 1/30.000 não corresponde ao Big Bang de temperatura arbitrária.

Deve haver algum tipo de fronteira. Não podemos extrapolar arbitrariamente para longe, para um estado quente e denso com uma temperatura arbitrariamente alta. Há uma restrição sobre até onde podemos ir e, ao mesmo tempo, descrever corretamente nosso universo. No início dos anos 80, apareceu uma teoria de que, antes de o nosso Universo estar quente, denso, em expansão, resfriado e cheio de matéria e radiação, ele experimentava um estado de inflação. A presença da fase de inflação cósmica deveria ter significado que o Universo:

• foi preenchido com energia espacial inerente
• levando a um crescimento rápido e exponencial,
• que esticou o universo para um estado plano,
• deu a ela as mesmas propriedades em todos os lugares
• com flutuações quânticas de pequena amplitude,
• estendendo-se a todas as escalas (até excedendo o horizonte),
• e então a inflação terminou.

A inflação faz com que o espaço se expanda exponencialmente, o que pode levar rapidamente ao fato de que o espaço inicialmente curvado ou não suave parece plano. Mesmo que o Universo seja curvado, o raio de sua curvatura é pelo menos centenas de vezes maior do que o que podemos detectar.

Quando a inflação acaba, transforma a energia inerente a esse espaço em matéria e radiação, o que dá origem ao quente Big Bang. Mas isso não leva a um Big Bang arbitrariamente quente - apenas àquele que atinge uma temperatura máxima centenas de vezes menor que a temperatura que pode gerar uma singularidade. Em outras palavras, leva a um Big Bang quente, decorrente do estado inflacionário, e não da singularidade.

A informação que existe em nossa parte observável do universo que podemos medir, graças ao acesso a ele, corresponde a apenas os últimos 10 ^-33 segundos de inflação, e tudo o que aconteceu depois disso. Se você quiser perguntar quanto tempo durou a inflação, não temos ideia disso. Durou pelo menos um pouco mais do que 10 a ³³ segundos, mas se durou um pouco mais do que isso, muito mais ou durou um tempo infinito - não é apenas desconhecido, basicamente não pode ser reconhecido.


A história cósmica do famoso universo mostra que a origem de toda a matéria e toda a luz dentro dela se deve ao fim da inflação e ao início do quente Big Bang. Desde então, 13,8 bilhões de anos passaram pela evolução cósmica. Esta imagem do desenvolvimento é confirmada pela maioria das fontes.

O que causou a inflação? Muitas pesquisas e discussões estão em andamento sobre esse tópico, mas ninguém sabe. Não há evidências em que confiar, nenhuma observação que possa ser feita, nenhum experimento que possa ser feito. Algumas pessoas fazem declarações erradas como:

Tínhamos uma teoria da singularidade do Big Bang que deu origem a um universo quente, denso e em expansão, antes de aprendermos sobre a inflação; a inflação é apenas um estágio intermediário. Portanto, temos o seguinte: singularidade, inflação, Big Bang quente.

Existem muitos gráficos e imagens criados pelos principais cosmólogos para ilustrar esse cenário. Mas isso não significa que ele é fiel.


Ilustração das flutuações de densidade (escalares) e ondas gravitacionais (tensores) que apareceram no final da inflação. A suposição da existência de uma singularidade antes da inflação não é necessariamente verdadeira.

Existem boas razões para acreditar que não é assim! Podemos demonstrar matematicamente a impossibilidade do surgimento de um estado inflacionário a partir de uma singularidade. E aqui está o porquê: o espaço se expande a uma taxa exponencial durante a inflação. Imagine como um expoente funciona: depois de um certo tempo, o Universo dobra seu tamanho. Passará duas vezes mais, dobrará duas vezes, ou seja, se tornará quatro vezes mais. Aguarde três desses períodos de tempo e ele dobrará três vezes, ou seja, se tornará 8 vezes maior. Espere 10 ou 100 comprimentos, e essas duplicações tornarão o Universo 2 ¹⁰ ou 2 ¹⁰⁰ vezes maior.

O que significa que se voltarmos ao passado pelo mesmo período de tempo, ou dois, ou três, ou 10 ou 100 vezes maior, o Universo será menor e menor, mas nunca chegará a zero. Ela terá, respectivamente, metade, um quarto, 1/8, ^2-10 , ^2-100 do tamanho original. Mas não importa quanto tempo vamos, nunca chegaremos a uma singularidade.


As linhas azul e vermelha são o cenário tradicional do Big Bang, quando tudo começa no tempo t = 0, incluindo o próprio espaço-tempo. No cenário inflacionário (amarelo) nunca chegamos a uma singularidade em que o espaço assume um estado singular. Pode se tornar arbitrariamente pequeno no passado, e o tempo continua para sempre. A condição para a ausência dos limites de Hawking-Hartle e o teorema de Bord-Gut-Vilenkin estão tentando determinar a duração desse estado, mas eles não podem ser chamados de finais.

Entre os cosmologistas, é conhecido um teorema que demonstra a incompletude do estado inflacionário passado. Isso significa que todas as partículas existentes no Universo que sofrem inflação se encontrarão mais cedo ou mais tarde após a extrapolação no tempo. Isso, no entanto, não significa que a singularidade existisse necessariamente - apenas a inflação não descreve tudo o que aconteceu na história do Universo, por exemplo, seu nascimento. Também sabemos que a inflação não pode emergir de um estado singular, uma vez que a seção que experimenta inflação deve sempre começar de um tamanho finito.


As flutuações do espaço-tempo em escala quântica durante a inflação se estendem por todo o universo e dão origem a imperfeições na densidade e nas ondas gravitacionais. Se a inflação surgiu de uma singularidade ou não, não sabemos.

Toda vez que vir um gráfico, artigo ou história sobre a “singularidade do big bang” ou alguma outra singularidade que existia antes da inflação, saiba que você está lidando com pensamentos desatualizados. A idéia da singularidade do Big Bang perdeu sua relevância assim que percebemos que antes do estado quente e denso do Big Bang havia outro estado - inflação cósmica - que preparava e lançava o Big Bang. No começo do espaço e do tempo, talvez pudesse haver uma singularidade da qual a inflação surgiu - mas não há garantias. Há coisas na ciência que podem ser verificadas, medidas, previstas, confirmadas ou refutadas - por exemplo, a inflação, que deu origem ao quente Big Bang. Tudo o resto não passa de especulação ociosa.

E esta é a última tradução por Habré de um artigo de Ethan Siegel (e, em princípio, um artigo sobre cosmologia), uma vez que foi decidido concentrar-se no assunto do recurso em desenvolvimento e TI.