Portanto, você pode imaginar um conjunto de universos independentes, não unidos por relações de causa e efeito no oceano cósmico em constante expansão. A ideia de um multiverso vem do estudo da teoria da inflação cósmica em um universo quântico, mas é difícil de provar.
Apesar de todo o nosso conhecimento sobre o Big Bang, um dos maiores mistérios científicos permanece a questão do surgimento do universo exatamente com as propriedades que observamos nele. Nós entendemos como nosso universo moderno evoluiu de um estado mais quente, denso e homogêneo. Entendemos como esse estado surgiu de um período anterior de inflação cósmica. Mas se voltarmos no tempo o suficiente, em algum ponto perderemos a capacidade de medir as propriedades que existiam então ou de encontrar quaisquer vestígios de processos anteriores. Ficamos apenas com equações e suposições. E uma das previsões que apareceram com base em um estudo teórico daqueles tempos muito antigos é que nosso Universo é apenas um dos muitos universos que formam um único o multiverso . Mas de onde virão a massa e a energia do multiverso? Isso é o que o leitor está perguntando:
Eu não entendo como explicar a massa do multiverso. Se ele está constantemente se dividindo em novos universos, como funciona a lei da conservação de energia? É porque a gravidade é energia negativa? É porque a expansão gera nova energia? Tenho certeza de que estou perdendo alguma coisa elementar, mas ... Onde posso obter massa suficiente para tantos universos?
Esta é uma pergunta muito profunda, e a melhor resposta para ela será cheia de surpresas.
Universos de muitos tipos possíveis podem aparecer no multiverso. Alguns deles são adequados para uma vida como a nossa, outros não. No contexto de um universo em expansão, a existência de um multiverso é inevitável, mas é difícil entendê-lo em termos de energia.
A maioria das pessoas, ao pensar sobre o multiverso, imagina um número enorme - possivelmente infinito - de universos que apareceu há algum tempo. Nosso Universo é apenas um entre muitos. Além disso, nós próprios somos capazes de observar apenas uma pequena parte do nosso universo. A porção observável do Universo se estende por 46 bilhões de anos-luz de nossa localização em todas as direções.
No limite do que vemos, não notamos nada de anormal. Mas existe devido à velocidade limitada da luz e ao tempo que se passou desde o Big Bang em nosso Universo. Portanto, não podemos dizer exatamente o quão longe nosso Universo se estende além do que vemos. Ele pode continuar ainda mais longe por enormes distâncias incomensuráveis, pode até ser infinito em todas as direções. Mas pode acabar sendo limitado, apenas essa fronteira estará além dos limites de nosso horizonte cósmico. Não importa o quanto esperemos, a quantidade de espaço disponível para nossa pesquisa sempre será limitada.
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Felizmente, ao estudar o que podemos ver, podemos imaginar o que está além dos limites do que está disponível. Embora o Universo esteja se expandindo e todos os sinais que passam por ele sejam limitados pela velocidade da luz, temos vários "marcos" interessantes disponíveis para nós, sugerindo o que está a uma certa distância de nós. Existimos no presente, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang. Vivemos em um universo que se expande a uma velocidade mensurável da ordem de 70 km / s / Mpc. Ou seja, cada megaparsec (cerca de 3,26 milhões de anos-luz) que nos separa de outro objeto, em média, adiciona cerca de 70 km / s à sua velocidade em relação a nós.
Podemos dizer muito sobre essas limitações cósmicas, dado tudo o que sabemos sobre o conteúdo energético do universo. A saber - 68% de energia escura, 27% de matéria escura, 4,9% de matéria comum, 0,1% de neutrinos e 0,01% de fótons (ou seja, luz).
- Nunca seremos capazes de alcançar galáxias a mais de 18 bilhões de anos-luz de distância - mesmo se voarmos até elas hoje à velocidade da luz.
- A luz do Big Bang alcançará um objeto localizado a 46 bilhões de anos-luz de distância de nós hoje - assim como vemos esta luz emanando do ponto como estava a 13,8 bilhões de anos atrás.
- Um objeto localizado a uma distância de 61 bilhões de anos-luz de nós hoje não é visível para nós, mas quando a luz dele nos alcançar, será o objeto mais distante que observamos.
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Esses são os limites apenas do universo que observamos. Não sabemos até que ponto se estende o resto da parte inobservável dele após o mesmo Big Bang. Mas, é claro, podemos impor restrições a ele. Se o Universo está de alguma forma fechado sobre si mesmo - na forma de um loop, ou se repete de alguma outra forma - então a escala dessa repetição é maior do que a parte que vemos hoje. Se não estiver fechado, a restrição da curvatura do espaço (e deve ser inferior a ~ 0,002% da densidade de energia do Universo) sugere que o Universo deve se estender a uma distância pelo menos 400 vezes maior do que a parte que vemos em todas as direções. Ou seja, seu volume deve ser pelo menos 64 milhões de vezes maior que o volume do Universo que observamos. E, em princípio, o universo pode ser infinito em geral.
Mas, não importa o quão grande seja o nosso Universo, isso não significa que ele esteja tão sozinho. Mesmo que seja infinito, pode haver outros - lembre-se de que infinitos têm poderes diferentes .
O principal neste caso é entender de onde veio a ideia física do multiverso. Aparece quando você leva a sério a ideia de inflação cósmica. E esta, por sua vez, é a melhor teoria e mecanismo até hoje, explicando o que aconteceu antes do Big Bang, como tudo levou a ele e deu origem a ele.
As flutuações quânticas que aparecem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, no final da inflação, tornam-se flutuações na densidade da matéria. Com o tempo, isso leva ao aparecimento de estruturas em larga escala, bem como às flutuações de temperatura observadas em . .
Tentando extrapolar para trás no tempo os processos que ocorreram no início do Big Bang, com base nas observações de hoje, nos deparamos com vários fenômenos misteriosos. Vemos que em qualquer direção do Universo, em média, a mesma densidade de matéria e temperatura são preservadas. Ao mesmo tempo, as partes opostas do Universo, distantes umas das outras, não tiveram tempo de trocar informações de toda a história conhecida. Vemos que a densidade de energia total e a taxa de expansão original deveriam ter sido as mesmas no início do Big Bang quente, com uma diferença de 25 dígitos significativos após a vírgula - e isso o Big Bang não explica. Não vemos traços de alta energia do Universo primitivo, cuja existência poderia ser esperada se temperaturas e densidades infinitamente altas fossem observadas nos estágios iniciais de seu desenvolvimento.
Como isso é possível? Daí surge a ideia de inflação cósmica: talvez tenha havido uma fase na história do Universo que precedeu o Big Bang. Nesta fase, o Universo não estava cheio de partículas, antipartículas, radiação e outras formas de quantificação de energia como é hoje. Estava cheio de algum tipo de energia, uma reminiscência da energia escura - uma energia inerente ao próprio espaço-tempo. Nesse estado, o universo está se expandindo implacavelmente a uma taxa exponencial. E somente quando essa expansão pára, a energia se transforma em partículas, antipartículas e radiação - ocorre o Big Bang.
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Esta é uma das maiores idéias da cosmologia atual, e uma das mais bem-sucedidas tanto em explicar os fenômenos que observamos quanto em prever novos que mais tarde fomos capazes de testar. O Universo tem as mesmas propriedades em todas as direções porque surgiu de um pedaço de espaço que pertenceu a uma única região, esticado a tamanhos enormes pela inflação. Existe um equilíbrio entre densidade de energia e curvatura espacial porque essas propriedades foram determinadas pela dinâmica da inflação, obrigando-as a estarem em equilíbrio. E não sobraram relíquias de alta energia porque o universo nunca atingiu temperaturas arbitrariamente altas - elas eram limitadas pela escala de energia da inflação.
Se a inflação era um campo quântico, ela deve estar sujeita a flutuações quânticas. E era inevitavelmente tal campo, dado que no universo (provavelmente) tudo é fundamentalmente quântico na natureza. As flutuações de energia criam regiões de densidade aumentada a partir das quais as galáxias são feitas, bem como regiões de densidade mais baixa, que se transformam em vazios cósmicos . A inflação pode ser vista como uma bola rolando do topo de uma colina muito plana para o fundo. Das flutuações quânticas segue-se a existência de "bolsões" do universo inflacionário, nos quais a inflação termina mais cedo do que em outros lugares. E também deve haver lugares onde a inflação não terminou hoje.
Acima: A inflação termina quando a bola rola para o fundo.
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Quando a inflação acabar, haverá um grande Big Bang e uma nova chance para um universo como o nosso. Não importa onde ou quando isso aconteça, e não importa se a inflação continua nas regiões vizinhas. Não sabemos muito sobre muitos desses universos, mesmo em teoria. Mas se a teoria inflacionária estiver correta e as leis da física continuarem a funcionar durante a inflação, então a existência desses universos é inevitável. É daí que vem a ideia de um multiverso - de um ponto de vista puramente físico, sem referências à filosofia, interpretações da mecânica quântica ou ao universo como era antes da inflação.
É aqui que a ideia do universo surgiu do nada. Se por "nada" queremos dizer o espaço vazio que apareceu durante a inflação, então isso dará origem não apenas a um universo como o nosso, mas também a um grande (e possivelmente infinito) número de outros universos independentes. Cada um deles será preenchido com suas próprias partículas, antipartículas, radiação e outras formas permitidas de energia.
Mas, apesar de toda essa história maravilhosa, você ainda pode estar preocupado com a questão - de onde vem a energia para tudo isso?
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Este é o ponto em que os processos começam a contradizer nossa intuição. Você, é claro, já ouviu falar sobre a lei da conservação de energia - que a energia não pode ser criada ou destruída, e que só pode passar de uma forma para outra. Este é o caso de qualquer evento no Universo - seja antes da interação, transformação ou qualquer fenômeno físico que ocorra em um determinado lugar em um determinado momento no tempo. Tal evento pode ser uma colisão de duas partículas, um golpe de luz em uma superfície, um encontro de dois observadores em um lugar. Até onde sabemos, em todos os eventos que já aconteceram no Universo, a energia foi conservada.
Mas em todo o Universo como um todo, e em todo o espaço-tempo, a energia nem sempre é conservada ou mesmo determinada com precisão. A energia pode ser claramente definida no espaço-tempo estático - não mudando de um momento para outro. Um exemplo de tal espaço é a vizinhança de um buraco negro. Suas propriedades não mudam até que o buraco negro mude sua massa. No entanto, um universo em expansão ou contração muda com o tempo. Com o crescimento do espaço, a energia de vários componentes muda de maneiras diferentes, cedendo à determinação quantitativa.
Se a densidade da matéria e da energia em um universo em expansão diminui devido a um aumento em seu volume, a energia escura é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. No universo em expansão, um novo espaço é criado, enquanto a densidade da energia escura permanece constante.
Tanto a matéria normal quanto a escura são formadas por partículas - elas têm uma certa massa, ocupam um certo volume. Com a expansão do Universo, o número de partículas não muda, mas o volume aumenta, mas a energia total permanece constante.
A radiação se comporta de maneira diferente. A energia das ondas de luz é determinada por seu comprimento. Quanto menor o comprimento, maior a energia e vice-versa. Com a expansão do Universo, o número de quanta de radiação não muda, mas os comprimentos de onda são alongados, devido ao qual cada quantum perde sua energia. Com o passar do tempo e o aumento do volume, a energia total diminui.
A energia escura também se comporta de sua própria maneira. Esta é a energia inerente à própria estrutura do espaço. Seu valor hoje é extremamente pequeno, mas durante a inflação era enorme. Com a expansão do espaço, a densidade de energia não muda, mas o volume aumenta. A energia total do universo aumenta com o tempo, pois é considerada como densidade de energia vezes volume.
Estamos acostumados a ter pressão positiva dentro de objetos diferentes. A energia escura, neste caso, é contra-intuitiva, uma vez que sua pressão é negativa, mas ao mesmo tempo ela faz a estrutura do espaço se expandir.
Muitas pessoas não gostam disso, mas na verdade, no Universo, cujo espaço se expande ou se contrai com o tempo, a energia não é conservada, nem mesmo determinada com precisão. Você pode fazê-lo persistir postulando uma definição global de energia, na qual você isola uma parte do universo e exige que a energia seja conservada dentro de seus limites. Isso pode ser feito apenas pela introdução de outra definição - o trabalho feito ao longo da fronteira que você desenhou à medida que o Universo se expande. A radiação faz um trabalho positivo ao perder energia. A energia escura (energia da inflação) faz um trabalho negativo, aumentando a energia geral.
Apesar de toda a sua atratividade, essa abordagem não pode ser considerada confiável. Podemos escolhê-lo por uma decisão volitiva, apenas para satisfazer nossas idéias sobre a necessidade de conservar energia. Mas, na verdade, a lei de conservação funciona apenas em um determinado lugar no espaço, e não para todo o Universo em expansão. Você já deve ter ouvido esta expressão: não há almoço grátis. Pode não acontecer na Terra, mas isso não se aplica ao Universo em expansão. Se as idéias sobre inflação e multiverso estiverem corretas, talvez todo o universo seja um gigantesco lanche grátis. Em nossos tempos difíceis, podemos ser gratos pelo menos por esse fato.