“A última estrela vai esfriar lentamente e desaparecer. Com a sua passagem, o universo se tornará mais uma vez um vazio, sem luz, vida ou significado”.

As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em grande escala do Universo hoje, bem como às flutuações de temperatura observadas na CMB. É um exemplo espetacular de como a natureza quântica da realidade afeta todo o universo em grande escala. Crédito da imagem: E. Siegel; ESA/Planck e o DOE/NASA/NSF Interagency Task Force sobre pesquisa CMB

Assim, alertou o físico Brian Cox na recente série Universe da BBC. 

O esmaecimento da última estrela será apenas o começo de uma época infinitamente longa e escura. Toda a matéria será eventualmente consumida por buracos negros monstruosos, que por sua vez irão evaporar nos mais tênues lampejos de luz. O espaço se expandirá cada vez mais para fora até que mesmo aquela luz fraca se torne muito propagada para interagir. A atividade cessará.

Ou vai? Estranhamente, alguns cosmologistas acreditam que um universo anterior, frio, escuro e vazio, como aquele que está em nosso futuro distante, poderia ter sido a fonte de nosso próprio Big Bang.

A primeira matéria

Mas antes de chegarmos a isso, vamos dar uma olhada em como o “material”, matéria física, surgiu pela primeira vez. Se pretendemos explicar as origens da matéria estável feita de átomos ou moléculas, certamente não havia nada disso por volta do Big Bang, nem por centenas de milhares de anos depois. Na verdade, temos uma compreensão bastante detalhada de como os primeiros átomos se formaram a partir de partículas mais simples, uma vez que as condições esfriaram o suficiente para que a matéria complexa se tornasse estável, e como esses átomos foram posteriormente fundidos em elementos mais pesados dentro das estrelas. Mas esse entendimento não aborda a questão de saber se algo veio do nada.

Então, vamos pensar um pouco mais para trás. As primeiras partículas de matéria de vida longa de qualquer tipo foram prótons e nêutrons, que juntos formam o núcleo atômico. Eles passaram a existir cerca de um décimo de milésimo de segundo após o Big Bang. Antes desse ponto, não havia realmente nenhum material em qualquer sentido familiar da palavra. Mas a física nos permite seguir rastreando a linha do tempo para trás, para processos físicos que antecedem qualquer matéria estável.

Isso nos leva à chamada “grande época unificada”. A esta altura, já estamos no reino da física especulativa, pois não podemos produzir energia suficiente em nossos experimentos para sondar o tipo de processo que estava ocorrendo na época. Mas uma hipótese plausível é que o mundo físico era feito de uma sopa de partículas elementares de vida curta, incluindo quarks, os blocos de construção de prótons e nêutrons. Havia matéria e “antimatéria” em quantidades aproximadamente iguais: cada tipo de partícula de matéria, como o quark, tem um companheiro “imagem espelhada” de antimatéria, que é quase idêntico a si mesmo, diferindo apenas em um aspecto. No entanto, matéria e antimatéria se aniquilam em um lampejo de energia quando se encontram, o que significa que essas partículas foram constantemente criadas e destruídas.

Mas como essas partículas passaram a existir em primeiro lugar? A Teoria quântica de campos nos diz que mesmo um vácuo, supostamente correspondendo ao espaço-tempo vazio, está cheio de atividade física na forma de flutuações de energia. Essas flutuações podem dar origem ao surgimento de partículas, que desaparecem logo em seguida. Isso pode soar mais como uma peculiaridade matemática do que como física real, mas tais partículas foram detectadas em incontáveis experimentos.

O estado de vácuo do espaço-tempo está fervilhando com partículas sendo constantemente criadas e destruídas, aparentemente “do nada”. Mas talvez tudo isso realmente nos diga, é que o vácuo quântico é (apesar de seu nome) algo em vez de um nada. O filósofo David Albert criticou de forma memorável os relatos do Big Bang que prometem obter algo do nada dessa forma.

Simulação de flutuações quânticas de vácuo em cromodinâmica quântica. Crédito da imagem: Wikimedia/Ahmed Neutron

Suponha que perguntemos: de onde surgiu o próprio espaço-tempo? Então, podemos continuar girando o relógio ainda mais para trás, na verdadeiramente antiga “época de Planck”, um período tão antigo na história do universo que nossas melhores teorias da física entram em colapso. Essa era ocorreu apenas um décimo de milionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de segundo após o Big Bang. Nesse ponto, o próprio espaço e o tempo tornaram-se sujeitos a flutuações quânticas. Os físicos normalmente trabalham separadamente com a mecânica quântica, que rege o micromundo das partículas, e com a relatividade geral, que se aplica a grandes escalas cósmicas. Mas para compreender verdadeiramente a época de Planck, precisamos de uma teoria completa da gravidade quântica, fundindo as duas.

Ainda não temos uma teoria perfeita da gravidade quântica, mas existem tentativas, como a teoria das cordas e a gravidade quântica em loop. Nessas tentativas, o espaço e o tempo comuns são tipicamente vistos como emergentes, como as ondas na superfície de um oceano profundo. O que experimentamos como espaço e tempo é o produto de processos quânticos operando em um nível microscópico mais profundo, processos que não fazem muito sentido para nós como criaturas enraizadas no mundo macroscópico.

Na época de Planck, nosso entendimento comum de espaço e tempo se desintegra, portanto, também não podemos mais confiar em nosso entendimento comum de causa e efeito. Apesar disso, todas as teorias candidatas da gravidade quântica descrevem algo físico que estava acontecendo na época de Planck, algum precursor quântico do espaço e tempo comuns. Mas de onde veio isso?

Mesmo que a causalidade não se aplique mais de qualquer maneira comum, ainda pode ser possível explicar um componente do universo da época de Planck em termos de outro. Infelizmente, até agora mesmo nossa melhor física falha completamente em fornecer respostas. Enquanto não avançarmos mais para uma “teoria de tudo”, não poderemos dar uma resposta definitiva. O máximo que podemos dizer com segurança neste estágio é que a física até agora não encontrou exemplos confirmados de algo surgindo do nada.

Ciclos de quase nada

Para realmente responder à questão de como algo pode surgir do nada, precisaríamos explicar o estado quântico de todo o universo no início da época de Planck. Todas as tentativas de fazer isso permanecem altamente especulativas. Alguns deles apelam a forças sobrenaturais como um designer. Mas outras explicações candidatas permanecem dentro do reino da física, como um multiverso, que contém um número infinito de universos paralelos, ou modelos cíclicos do universo, nascendo e renascendo novamente.

O físico Roger Penrose, ganhador do Prêmio Nobel de 2020, propôs um modelo intrigante, mas controverso, para um universo cíclico denominado “cosmologia cíclica conformada”. Penrose foi inspirado por uma conexão matemática interessante entre um estado muito quente, denso e pequeno do universo, como era no Big Bang, e um estado extremamente frio, vazio e expandido do universo, como será em um futuro distante. Sua teoria radical para explicar essa correspondência é que esses estados se tornam matematicamente idênticos quando levados aos seus limites. Por mais paradoxal que possa parecer, a ausência total de matéria pode ter conseguido dar origem a toda a matéria que vemos ao nosso redor em nosso universo.

Nessa visão, o Big Bang surge de um quase nada. Isso é o que resta quando toda a matéria em um universo foi consumida em buracos negros, que por sua vez se transformaram em fótons, perdidos em um vazio. Todo o universo, portanto, surge de algo que, visto de outra perspectiva física, é o mais próximo que se pode chegar do nada. Mas esse nada ainda é um tipo de coisa. Ainda é um universo físico, embora vazio.

Como pode o mesmo estado ser um universo frio e vazio de uma perspectiva e um universo quente e denso de outra? A resposta está em um procedimento matemático complexo denominado “reescalonamento conformado”, uma transformação geométrica que na verdade altera o tamanho de um objeto, mas deixa sua forma inalterada.

Penrose mostrou como o estado denso frio e o estado denso quente podem ser relacionados por tal reescalonamento, de modo que coincidam com as formas de seus espaços-tempos, embora não com seus tamanhos. É, reconhecidamente, difícil entender como dois objetos podem ser idênticos dessa forma quando têm tamanhos diferentes, mas Penrose argumenta que o tamanho é um conceito que deixa de fazer sentido em tais ambientes físicos extremos.

Na cosmologia cíclica conforme, a direção da explicação vai do velho e frio para o jovem e quente: o estado quente denso existe por causa do estado frio e vazio. Mas esse “porque” não é familiar, de uma causa seguida no tempo por seu efeito. Não é apenas o tamanho que deixa de ser relevante nesses estados extremos: o tempo também. O estado frio-denso e o estado quente-denso estão localizados em diferentes linhas do tempo. O estado de vazio frio continuaria para sempre da perspectiva de um observador em sua própria geometria temporal, mas o estado quente denso que dá origem habita efetivamente uma nova linha do tempo própria.

Pode ajudar a entender o estado quente denso como produzido a partir do estado frio e vazio de alguma forma não causal. Talvez devêssemos dizer que o estado quente denso emerge do estado frio, ou está alicerçado nele, ou é realizado por ele. Essas são ideias distintamente metafísicas que foram exploradas extensivamente pelos filósofos da ciência, especialmente no contexto da gravidade quântica, onde a causa e o efeito comuns parecem se desfazer. Nos limites do nosso conhecimento, a física e a filosofia tornam-se difíceis de separar.

Evidência experimental?

A cosmologia cíclica conformada oferece algumas respostas detalhadas, embora especulativas, à questão de onde veio nosso Big Bang. Mas mesmo que a visão de Penrose seja justificada pelo futuro progresso da cosmologia, podemos pensar que ainda não teríamos respondido a uma questão filosófica mais profunda, uma questão sobre de onde veio a própria realidade física. Como surgiu todo o sistema de ciclos? Então, finalmente terminamos com a pura questão de por que existe algo em vez de nada, uma das maiores questões da metafísica.

Mas nosso foco aqui está nas explicações que permanecem dentro do reino da física. Existem três opções amplas para a questão mais profunda de como os ciclos começaram. Não poderia ter nenhuma explicação física. Ou poderia haver ciclos que se repetem infinitamente, cada um universo por si só, com o estado quântico inicial de cada universo explicado por alguma característica do universo anterior. Ou pode haver um único ciclo e um único universo repetido, com o início desse ciclo explicado por alguma característica de seu próprio fim. As duas últimas abordagens evitam a necessidade de quaisquer eventos não causados, e isso lhes dá um apelo distinto. Nada seria deixado sem explicação pela física.

Ciclos contínuos de universos distintos na cosmologia cíclica conforme. Crédito da imagem: Roger Penrose

Penrose prevê uma sequência de novos ciclos sem fim por razões parcialmente ligadas à sua própria interpretação preferida da teoria quântica. Na mecânica quântica, um sistema físico existe em uma superposição de muitos estados diferentes ao mesmo tempo, e apenas “escolhe um” aleatoriamente, quando o medimos. Para Penrose, cada ciclo envolve eventos quânticos aleatórios que ocorrem de uma maneira diferente, o que significa que cada ciclo será diferente dos anteriores e posteriores. Na verdade, essa é uma boa notícia para os físicos experimentais, porque pode nos permitir vislumbrar o antigo universo que deu origem ao nosso através de traços tênues, ou anomalias, na radiação residual do Big Bang vista pelo satélite Planck.

Penrose e seus colaboradores acreditam que já podem ter detectado esses traços, atribuindo padrões nos dados do Planck à radiação de buracos negros supermassivos no universo anterior. No entanto, suas alegadas observações foram contestadas por outros físicos e o júri permanece de fora.

Mapa da radiação cósmica de fundo em microondas. Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck

Novos ciclos infinitos são a chave para a própria visão de Penrose. Mas existe uma maneira natural de converter a cosmologia cíclica conformada de um ciclo múltiplo para um ciclo único. Então, a realidade física consiste em um único ciclo ao redor do Big Bang até um estado máximo de vazio no futuro distante, e então ao redor novamente até o mesmo Big Bang, dando origem ao mesmo universo novamente.

Esta última possibilidade é consistente com outra interpretação da mecânica quântica, apelidada de interpretação de muitos mundos. A interpretação de muitos mundos nos diz que cada vez que medimos um sistema que está em superposição, essa medição não seleciona um estado aleatoriamente. Em vez disso, o resultado da medição que vemos é apenas uma possibilidade, aquela que ocorre em nosso próprio universo. Todos os outros resultados de medição atuam em outros universos em um multiverso, efetivamente separados do nosso. Portanto, não importa quão pequena seja a chance de algo ocorrer, se tiver uma chance diferente de zero, então ocorre em algum mundo quântico paralelo. Existem pessoas como você em outros mundos que ganharam na loteria, ou foram arrastadas para as nuvens por um tufão anormal, ou se inflamaram espontaneamente, ou fizeram as três coisas ao mesmo tempo.

Algumas pessoas acreditam que esses universos paralelos também podem ser observáveis em dados cosmológicos, como impressões causadas por outro universo colidindo com o nosso.

A teoria quântica de muitos mundos oferece uma nova reviravolta na cosmologia cíclica conformada, embora Penrose não concorde com ela. Nosso Big Bang pode ser o renascimento de um único multiverso quântico, contendo infinitos universos diferentes, todos ocorrendo juntos. Tudo o que é possível acontece, então, acontece sempre e sempre.

Um mito antigo

Para um filósofo da ciência, a visão de Penrose é fascinante. Ele abre novas possibilidades para explicar o Big Bang, levando nossas explicações além da causa e efeito comuns. É, portanto, um grande caso de teste para explorar as diferentes maneiras pelas quais a física pode explicar nosso mundo. Ele merece mais atenção dos filósofos.

Para um amante do mito, a visão de Penrose é linda. Na forma multi-ciclo preferida de Penrose, ele promete novos mundos infinitos nascidos das cinzas de seus ancestrais. Em sua forma de um ciclo, é uma notável re-invocação moderna da antiga ideia do ouroboros, ou serpente do mundo. Na mitologia nórdica, a serpente Jörmungandr é filho de Loki, um trapaceiro astuto, e da gigante Angrboda. Jörmungandr consome sua própria cauda, e o círculo criado sustenta o equilíbrio do mundo. Mas o mito do ouroboros foi documentado em todo o mundo, inclusive desde o antigo Egito.

Ouroboros na tumba de Tutancâmon. Crédito da imagem: Djehouty/Wikimedia

O ouroboros de um universo cíclico é realmente majestoso. Ele contém dentro de sua barriga nosso próprio universo, bem como cada um dos estranhos e maravilhosos universos alternativos possíveis permitidos pela física quântica, e no ponto onde sua cabeça encontra sua cauda, está completamente vazio, mas também fluindo com energia em temperaturas de cem bilhões de bilhões de trilhões de graus Celsius. 

Até Loki, o metamorfo, ficaria impressionado.

- Alastair Wilson, Professor de Filosofia, Universidade de Birmingham.

Este artigo foi republicado em The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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Referência:

WILSON, Alastair. Como o Big Bang poderia surgir do nada? The Conversation, 03, jan. 2022. Disponível em: <https://theconversation.com/how-could-the-big-bang-arise-from-nothing-171986>. Acesso em: 04, jan. 2022.