Como o universo saiu do seu estado de equilíbrio e criou tudo que existe?

Por , em 17.01.2019

Como tudo passou a existir no universo? Através do Big Bang, certo?

Mas e logo em seguida? Como o universo, que estava quieto e simétrico no seu canto, ficou de repente desequilibrado e cheio de matéria?

Um novo estudo da Universidade Aalto (Finlândia) pode nos deixar mais perto da resposta.

A instabilidade

No início, tudo era quente e denso e estava em perfeito equilíbrio no universo. Não existiam partículas como as entendemos agora, muito menos estrelas ou até vácuo.

Todo o espaço era preenchido com material comprimido homogêneo, sem forma.

Então, de repente, essa estabilidade monótona tornou-se instável. A matéria venceu sua opositora, a antimatéria, e passou a dominar o universo. Nuvens se formaram e se transformaram em estrelas, mais tarde organizando-se em galáxias e eventualmente criando tudo o que conhecemos hoje.

Como? O que aconteceu para tirar o universo desse estado sem forma?

A proposta

Os cientistas ainda não têm certeza, mas descobriram uma maneira de modelar em laboratório o tipo de “ação” que poderia ter causado o grande desequilíbrio do universo inicial.

A equipe mostrou que hélio super-resfriado pode ser usado para modelar os primeiros momentos da existência – especificamente, recriar um conjunto possível de condições que podem ter existido logo após o Big Bang.

Simetria

O universo está cheio de atos de equilíbrio que os físicos chamam de “simetrias”. Por exemplo, as equações da física funcionam da mesma maneira tanto para frente quanto para trás no tempo. Também, há suficientes partículas carregadas positivamente no universo para cancelar todas as partículas carregadas negativamente.

Mas, às vezes, essas simetrias se quebram. Uma esfera perfeita equilibrada na ponta de uma agulha cai para um lado ou outro. A matéria venceu a antimatéria no início do universo. Partículas fundamentais específicas emergiram da ausência de forma do universo primordial e agora interagem umas com as outras através de forças discretas.

“Se considerarmos a existência do Big Bang como dada, o universo passou, sem dúvida, por algumas transições de quebra de simetria”, explica Jere Mäkinen, principal autor do estudo.

Cada galáxia, estrela, mesa, cadeira, pessoa e ornitorrinco é uma evidência de que algo desviou o universo primitivo de seu estado inicial e plano para sua complexidade atual.

Defeitos topológicos

Os físicos chamam algumas das flutuações aleatórias capazes de quebrar simetria de “defeitos topológicos”.

Em essência, defeitos topológicos são pontos onde algo fica instável em um campo de outra maneira uniforme. De repente, uma ruptura surge.

Isso pode acontecer devido a interferência externa, como em um experimento de laboratório, ou pode acontecer de forma aleatória e misteriosa, como os cientistas suspeitam ter acontecido no início do universo.

Uma vez que um defeito topológico se forma, ele pode ficar no meio de um campo uniforme, como um pedregulho criando ondas em um fluxo suave.

Alguns pesquisadores acreditam que certos tipos de defeitos topológicos no material sem forma do universo primitivo podem ter desempenhado um papel nas primeiras transições de quebra de simetria.

Vórtices e paredes

Esses defeitos podem incluir estruturas chamadas “vórtices meio-quânticos”, padrões de energia e matéria que parecem um pouco com redemoinhos, e “paredes delimitadas por cordas”, estruturas magnéticas feitas de duas paredes bidimensionais delimitadas em cada lado por “cordas” unidimensionais.

Essas estruturas espontaneamente emergentes afetam o fluxo da matéria em sistemas simétricos, e alguns pesquisadores suspeitam que tenham desempenhado um papel no agrupamento de estrelas e galáxias que vemos hoje no universo.

Pesquisadores já haviam criado esses tipos de defeitos nos campos magnéticos de gases supercondutores e supercondutores em seus laboratórios, mas eles surgiram individualmente.

A maioria das teorias que usam defeitos topológicos para explicar a origem do universo moderno envolve “defeitos compostos”, ou seja, mais de um trabalhando em conjunto.

O experimento

Mäkinen e seus colegas projetaram um experimento envolvendo hélio líquido resfriado em frações de grau acima do zero absoluto e espremido em minúsculas câmaras. Na escuridão daqueles cubículos, surgiram vórtices meio-quânticos.

Então, os pesquisadores mudaram as condições do hélio, fazendo com que ele passasse por uma série de transições de fase entre dois tipos diferentes de superfluidos, ou fluidos sem viscosidade.

Estas transições de fase são como a água que se transforma de sólida em líquida ou gasosa, mas sob condições muito mais extremas. As transições de fase causam a quebra da simetria.

Depois que o hélio superfluido passou por suas transições de fase, os vórtices permaneceram – protegidos por paredes delimitadas por cordas. Juntos, os vórtices e as paredes formaram defeitos topológicos compostos e sobreviveram a transições de fase de quebra de simetria. Dessa forma, espelharam os defeitos que algumas teorias sugerem que se formaram no universo primitivo.

Próximos passos

Isso significa que descobrimos exatamente como a simetria quebrou no início do universo?

Absolutamente não. O modelo apenas mostra que certos aspectos teóricos de como o universo primitivo tomou forma podem ser replicados em laboratório – especificamente, os que envolvem defeitos topológicos.

Nenhuma teoria é amplamente aceita pelos físicos, e tudo poderia ser um grande beco sem saída hipotético.

Mas o trabalho de Mäkinen e seus colegas abre as portas para mais experimentos que investiguem como esse tipo de defeito pode ter funcionado para moldar os momentos após o Big Bang. Além disso, esse tipo de estudo sempre ensina aos cientistas algo novo sobre o reino quântico.

Um artigo sobre a pesquisa foi publicado na revista científica Nature Communications. [LiveScience]

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