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Expansão do universo pode acontecer de forma extremamente simples

Por , em 16.12.2013

Quando a sopa é aquecida, ela começa a ferver. Quando o tempo e o espaço são aquecidos, um universo em expansão pode emergir, sem a necessidade de qualquer evento extraordinário como um “Big Bang”.

Esta fase de transição entre um espaço vazio e sem graça para um universo em expansão contendo massa foi agora descrita matematicamente por uma equipe de pesquisa da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, juntamente com colegas da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, também nos EUA, e da Universidade de Edimburgo, na Escócia.

A ideia por trás deste resultado é uma conexão notável entre a teoria quântica de campos e teoria da relatividade de Einstein.

Todo mundo sabe das transições entre as fases líquida, sólida e gasosa da matéria. No entanto, os físicos Steven Hawking e Don Page já apontaram, em 1983, que o tempo e o espaço também podem sofrer uma transição de fase semelhante. Eles calcularam que um determinado espaço vazio pode se transformar em um buraco negro a uma temperatura específica.

Pode um processo similar a este criar todo um universo em expansão assim como o nosso? Daniel Grumiller, da Universidade de Tecnologia de Viena, pesquisou este assunto juntamente com colegas dos EUA e da Grã-Bretanha. Seus cálculos mostram que há realmente uma temperatura crítica em que um espaço-tempo plano e vazio se transforma em um universo em expansão com massa. “O espaço-tempo vazio começa a ferver, forma pequenas bolhas. Uma destas bolhas se expande e, eventualmente, domina todo o espaço-tempo”, explica Grumiller.

Para que isso seja possível, o universo tem de rotacionar – ou seja, a receita para a criação do universo é fundamentalmente “aquecer e agitar”. Entretanto, a rotação necessária pode ser arbitrariamente pequena. Primeiramente, um espaço-tempo com apenas duas dimensões espaciais foi considerado. “Mas não há nenhuma razão para que o mesmo não seja verdade para um universo com três dimensões espaciais”, diz Grumiller.

O modelo de fase de transição não tem o objetivo de substituir a teoria do Big Bang. “Hoje, os cosmólogos sabem muito sobre o início do universo – não estamos desafiando suas descobertas. Estamos interessados ​​na questão de que as transições de fase são possíveis para o tempo e o espaço e como a estrutura matemática do espaço-tempo pode ser descrita”, explica.

A nova teoria é o próximo passo lógico após a chamada “correspondência AdS-CFT”, uma conjectura apresentada em 1997, que influenciou fortemente as investigações fundamentais da física desde então. A correspondência descreve uma ligação peculiar entre as teorias da gravidade e a quântica de campos – duas áreas que, à primeira vista, não têm muito em comum.

Entretanto, em certos casos-limites, de acordo com a AdS-CFT, declarações de teorias quânticas podem ser traduzidas em afirmações sobre teorias gravitacionais e vice-versa. Isso é quase tão surpreendente quanto a ideia de se fazer declarações sobre uma pedra caindo no chão baseado no cálculo da temperatura de um gás quente. Duas áreas completamente diferentes estão sendo conectadas – mas funciona.

Nesse tipo de correspondência, a teoria quântica de campos é sempre descrita em uma dimensão a menos do que a teoria gravitacional. Isso é chamado de “princípio holográfico”. Semelhante a um holograma bidimensional que pode representar um objeto tridimensional, uma teoria quântica de campos com duas dimensões espaciais pode descrever uma situação física em três dimensões.

Para fazer isso, os cálculos gravitacionais geralmente têm que ser feitos a partir de um espécie exótica de geometria: a chamada “anti-de Sitter”, que é bastante diferente da geometria plana com a qual estamos acostumados. Todavia, pesquisadores suspeitam de que pode haver uma versão semelhante do “princípio holográfico” para espaços-tempos planos. Por muito tempo, no entanto, não existia modelo algum capaz de mostrar isso.

No ano passado, Daniel Grumiller e seus colegas conseguiram desenvolver um modelo deste tipo (em duas dimensões espaciais, para simplificar). Isto levou à questão atual: transições de fase em teorias quânticas de campo são bem conhecidas, mas, por razões de simetria, isto significaria que as teorias gravitacionais deveriam apresentar transições de fase também.

“No começo, este era um mistério para nós”, diz Daniel Grumiller. “Isto significaria uma fase de transição entre um espaço-tempo vazio e um universo em expansão. Para nós, isto soa extremamente improvável”. No entanto, foi exatamente isto que os cálculos mostraram. “Estamos apenas começando a entender estas incríveis relações de correspondência​​”, conta Grumiller. Quais novas ideias sobre nosso próprio universo podem resultar a partir desta descoberta é difícil dizer – apenas o espaço-tempo nos dirá. [Phys]

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5 comentários

  • Eduardo Araújo:

    Esta teoria é linda, e para funcionar só precisamos tirar 7, 9 ou 9 dimensões da física quântica, criar um eixo para o universo rotaciona, esquecer a expansão do tecido espaço tempo, esquecer que o BB (pela ciência atual) criou as dimensões espaciais e temporal que conhecemos hoje, que criou a matéria e que da sua aniquilação (pela super simetria) surgiram as 4 forças fundamentais, e mais (algo que esqueceram de mencionar ou omitiram no artigo): esta matemática só bate se, para tanto, em ambos, no buraco negro e no universo teórico bidimensional, não considerarmos a existência da gravidade.
    Pára com isto!
    Tentar unificar a teoria quântica e a da relatividade sem considerar a gravidade no universo e, principalmente, nos buracos negros, que são tipicamente singularidades gravitacionais, é simplificar tanto como dizer que elefantes e ratos são a mesma coisa pois ambos são mamíferos.
    Assim, se eu fizer uma simulação e nela colocar 6 rodas na minha irmã, e fizer, assim, a matemática bater, ela só pode ser um caminhão, já que seu nome é Mercedes!
    Pára o mundo que eu quero descer!

    • Eduardo Araújo:

      7, 8 ou 9

  • mArcioJb:

    Vale lembrar que na panela quando começa a ferver, não somente uma bolha é formada e expandida, mas inúmeras bolhas se formam, isso se encaixa perfeitamente na criação então de multiversos e não de apenas uma bolha (universo) ao que refere a matéria.

  • Jairo Roberto Etchichury Morales:

    Fiquei bastante surpreso com essa matéria, até porque semana passada discutindo com um amigo sobre o assunto eu usei um exemplo semelhante:

    “O universo seria mais ou menos como uma panela de água fervente: Inicialmente nós temos um único estado – a água – que seria a chamada espuma quântica ou algo assim (Obs: Carece de certeza essa afirmação).

    Conforme a temperatura da panela começa a subir, a água começa a esquentar até o surgimento de uma bolha (Vide: Big Bang) que começa a crescer e se expandir até estourar (Vide: Big Rip talvez?).”

    Sempre achei que isso era pura especulação minha, mas me alegro de saber que alguns dos meus devaneios parecem ter um pouco de sentido.

    • Daum Comm:

      Sim, essa descoberta teórica é realmente intrigante e abala muitas ‘certezas’ da física clássica. E eu também fui pego se surpresa.

      Há dez anos, ou pouco mais, eu me dediquei a refletir mentalmente sobre o surgimento, evolução e (talvez) fim do universo. Eu já conhecia sobre a teoria do Big Bang desde garoto, mas o que me instigou foi quando assistindo a um documentário entrei pela primeira vez em contato com a teoria do ‘Big Crunch’, que descreve o futuro do universo onde este acaba por cessar a expansão para começar a se contrair (crunch) até que, por fim, retorne ao seu estado inicial da matéria, uma singularidade.

      O ponto aqui é que o documentário não explorava mais além disso. Passei alguns anos pensando naquilo e eis que um dia me vi refletindo profundamente sobre a questão. “O que ocorre depois do Big Crunch?”, me perguntava. E num estalo súbito de pensamento, eu decidi associar o Big Crunch como sendo a mesma condição para o Big Bang. Eu pensei, “Por que não?”.

      Depois eventualmente e com mais leitura e pesquisa, descobri que esse modelo já fora proposto havia décadas e deram-lhe o nome de ‘Universo Oscilante’. Nesta concepção teórica o universo na verdade não tem “início” (não é criado) e nem “fim” (e não é destruído); bem como também não se expande para todo o sempre, pois a teoria prevê que exista matéria suficiente para frear a expansão do cosmos até retroceder.

      Eu acho essa teoria do Universo Oscilante (oscilante porque vai de um estado de expansão máxima até outro estado de contração máxima, com nossas existência entre as duas) interessante pela forma como funciona, justificando uma série de coisas. Afinal as conclusões (seja o ‘princípio da conservação da matéria’) de Lavoisier e também Lomanossov se encaixam perfeitamente no universo oscilante, nada se perde e nada se cria, tudo se transforma.

      Pode ser isso mesmo para o próprio universo, afinal até onde se sabe buracos negros não evoluem para outro tipo de objeto cósmico, eles apenas continuam devorando a maior parte da matéria que se aproxima de mais deles. Então sendo o conjunto energia-matéria finito, ou seja, que tem um limite… a ação dos buracos negros acabará por “apagar” as luzes do cosmo num futuro distante. Continuando a reflexão… Em dado momento haverá apenas buracos negros (e talvez uma pálida quantidade de energia ou matéria livre) que devorarão uns aos outros até que reste apenas um. Este último entrará em colapso devido a sua força infinita, engolirá a si próprio até os limites do infinitamente pequeno e, não podendo continuar mais… “BOOM!”… explode em um novo universo, criando átomos, estrelas, planetas, vida, tudo de novo.

      O que acha?

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