A ideia do Multiverso afirma que existe um número arbitrariamente grande de Universos como o nosso lá fora… aí, incorporado no nosso Multiverso. É possível, mas não necessário, que existam outras bolsas dentro do Multiverso onde as leis da física são diferentes.
Leve no Universo tudo o que quiser, com tecnologia arbitrariamente poderosa, e nunca encontrará uma vantagem. O espaço continua até onde podemos ver, e para onde quer que olhemos, vemos as mesmas coisas: matéria e radiação. Em todas as direcções, encontramos os mesmos sinais indicadores de um Universo em expansão: a radiação remanescente de um estado quente e denso; galáxias que evoluem em tamanho, massa e número; elementos que mudam de abundância à medida que as estrelas vivem e morrem.
Mas o que está para além do nosso Universo observável? Haverá um abismo de nada para além dos sinais de luz que nos poderiam atingir desde o Big Bang? Haverá apenas mais Universo como o nosso, lá fora, para além dos nossos limites observacionais? Ou há um Multiverso, misterioso na natureza e para sempre incapaz de ser visto?
Sem que haja algo de seriamente errado com a nossa compreensão do Universo, o Multiverso deve ser a resposta. Eis porquê.
Concepção logarítmica do universo observável em escala artística. Note-se que estamos limitados em quanto tempo… podemos ver de volta pela quantidade de tempo que ocorreu desde o quente Big Bang: 13,8 mil milhões de anos, ou (incluindo a expansão do Universo) 46 mil milhões de anos-luz. Qualquer pessoa que viva no nosso Universo, em qualquer local, veria quase exactamente a mesma coisa do seu ponto de vista.
O utilizador da Wikipédia Pablo Carlos Budassi
O Multiverso é uma ideia extremamente controversa, mas no seu âmago é um conceito muito simples. Tal como a Terra não ocupa uma posição especial no Universo, nem o Sol, a Via Láctea, ou qualquer outro local, o Multiverso vai um passo mais longe e afirma que não há nada de especial em todo o Universo visível.
O Multiverso é a ideia de que o nosso Universo, e tudo o que nele está contido, é apenas uma pequena parte de uma estrutura maior. Esta entidade maior encapsula o nosso Universo observável como uma pequena parte de um Universo maior que se estende para além dos limites das nossas observações. Toda essa estrutura – o Universo não observável – pode fazer parte de um espaço-tempo maior que inclui muitos outros Universos desconectados, que podem ou não ser semelhantes ao Universo que habitamos.
Uma ilustração de Universos múltiplos e independentes, causalmente desconectados uns dos outros num Universo…. oceano cósmico em constante expansão, é uma representação da ideia do Multiverso.
Ozytive / Public domain
Se esta é a ideia do Multiverso, posso compreender o vosso cepticismo quanto à noção de que poderíamos de alguma forma saber se ele existe ou não. Afinal de contas, a física e a astronomia são ciências que dependem de confirmação mensurável, experimental, ou de outra forma observacional. Se estamos à procura de provas de algo que existe fora do nosso Universo visível e não deixa vestígios dentro dele, parece que a ideia de um Multiverso é fundamentalmente indetectável.
Mas há todo o tipo de coisas que não podemos observar e que sabemos que devem ser verdadeiras. Décadas antes de detectarmos directamente ondas gravitacionais, sabíamos que elas devem existir, porque observámos os seus efeitos. Foram observados pulsares binários – estrelas de neutrões girando em órbita umas em torno das outras – para que os seus períodos revolucionários fossem encurtados. Algo deve estar a transportar energia, e essa coisa era consistente com as previsões de ondas gravitacionais.
A taxa de decaimento orbital de um pulsar binário é altamente dependente da velocidade da gravidade e dos… parâmetros orbitais do sistema binário. Utilizámos dados do pulsar binário para limitar a velocidade da gravidade a ser igual à velocidade da luz a uma precisão de 99,8%, e para inferir a existência de ondas gravitacionais décadas antes de LIGO e Virgo as detectarem.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (R)
Embora tenhamos certamente saudado a confirmação de que LIGO e Virgo forneceram ondas gravitacionais através da detecção directa, já sabíamos que elas precisavam de existir devido a esta evidência indirecta. Aqueles que argumentam que a evidência indirecta não é um indicador de ondas gravitacionais podem ainda não estar convencidos de que os pulsares binários as emitem; LIGO e Virgo não viram as ondas gravitacionais que vieram dos pulsares binários que observámos.
Então, se não podemos observar directamente o Multiverso, que evidência indirecta é que temos para a sua existência? Como sabemos que há mais inobservável Universo para além da parte que podemos observar, e como sabemos que aquilo a que chamamos o nosso Universo é provavelmente apenas um dos muitos incrustados no Multiverso?
Olhamos para o próprio Universo, e tiramos conclusões sobre a sua natureza com base no que as observações sobre ele revelam.
A luz do fundo cósmico de microondas e o padrão de flutuações do mesmo dá-nos uma… forma de medir a curvatura do Universo. Para o melhor das nossas medições, para dentro de 1 parte em cerca de 400, o Universo é perfeitamente plano espacialmente.
Smoot Cosmology Group / Lawrence Berkeley Labs
Quando olhamos para o limite do Universo observável, descobrimos que os raios de luz emitidos desde os primeiros tempos – do Fundo Cósmico de Microondas – fazem padrões particulares no céu. Estes padrões não só revelam as flutuações de densidade e temperatura com que o Universo nasceu, bem como a composição de matéria e energia do Universo, mas também a geometria do próprio espaço.
Podemos concluir daqui que o espaço não é positivamente curvado (como uma esfera) ou negativamente curvado (como uma sela), mas sim espacialmente plano, indicando que o Universo inobservável provavelmente se estende muito para além da parte a que podemos aceder. Nunca se curva sobre si mesmo, nunca se repete, e não tem lacunas vazias no mesmo. Se for curvado, tem um diâmetro centenas de vezes maior do que a parte que podemos ver.
A cada segundo que passa, mais Universo, tal como o nosso, é-nos revelado, consistente com esta imagem.
O Universo observável pode ser de 46 mil milhões de anos-luz em todas as direcções do nosso ponto de vista,… mas há certamente mais Universo, inobservável, talvez até uma quantidade infinita, tal como o nosso para além disso. Com o tempo, poderemos ver mais, eventualmente revelando aproximadamente 2,3 vezes mais matéria do que podemos ver actualmente.
Frédéric MICHEL e Andrew Z. Colvin, anotado por E. Siegel
Isso pode indicar que há mais Universo não observável para além da parte do nosso Universo a que podemos aceder, mas não o prova, e não fornece provas de um Multiverso. Existem, contudo, dois conceitos em física que foram estabelecidos muito para além de uma dúvida razoável: inflação cósmica e física quântica.
Inflação cósmica é a teoria que deu origem ao Big Bang quente. Em vez de começar com uma singularidade, há um limite físico de quão quente e densa poderia ter sido a fase inicial e inicial do nosso Universo em expansão. Se tivéssemos alcançado temperaturas arbitrariamente altas no passado, haveria assinaturas claras que não existem:
- flutuações de temperatura de grande amplitude no início,
- flutuações de densidade de sementes limitadas pela escala do horizonte cósmico,
- e restos, relíquias de alta energia dos primeiros tempos, como monopólios magnéticos.
A inflação faz com que o espaço se expanda exponencialmente, o que pode resultar muito rapidamente em qualquer espaço pré-existente… curvo ou não liso parecendo plano. Se o Universo é curvo, tem um raio de curvatura que é no mínimo centenas de vezes maior do que o que podemos observar.
E. Siegel (L); o tutorial de cosmologia de Ned Wright (R)
Estas assinaturas estão todas em falta. As flutuações de temperatura estão ao nível de 0,003%; as flutuações de densidade excedem a escala do horizonte cósmico; os limites dos monopolos e outras relíquias são incrivelmente rigorosos. O facto de estas assinaturas não existirem tem uma enorme implicação para elas: o Universo nunca atingiu aquelas temperaturas arbitrariamente altas. Algo mais veio antes do Big Bang quente para o configurar.
É aí que entra a inflação cósmica. Teorizada no início dos anos 80, foi concebida para resolver uma série de puzzles com o Big Bang, mas fez o que se esperava de qualquer nova teoria física: fez previsões mensuráveis, testáveis, para assinaturas observáveis que apareceriam dentro do nosso Universo.
Vemos a falta de curvatura espacial prevista; vemos uma natureza adiabática às flutuações com que o Universo nasceu; detectámos um espectro e uma magnitude de flutuações iniciais que se justapõem às previsões de inflação; vimos as flutuações super-horizonizadas que a inflação prevê que devem surgir.
As flutuações no próprio espaço-tempo na escala quântica são esticadas através do Universo durante… a inflação, dando origem a imperfeições tanto na densidade como nas ondas gravitacionais. Se a inflação surgiu de uma eventual singularidade ou não é desconhecida, mas as assinaturas da sua ocorrência são acessíveis no nosso Universo observável.
E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da task force inter-agências DoE/NASA/ NSF na investigação CMB
Podemos não saber tudo sobre inflação, mas temos um conjunto muito forte de evidências que suportam um período no início do Universo em que ela ocorreu. Estabeleceu-se e deu origem ao Big Bang, e prevê um conjunto e espectro de flutuações que deram origem às sementes de estrutura que cresceram na teia cósmica que hoje observamos. Só a inflação, tanto quanto sabemos, nos dá previsões para o nosso Universo que correspondem ao que observamos.
“Portanto, grande coisa”, poder-se-ia dizer. “Pegaram numa pequena região do espaço, permitiram que a inflação a expandisse para um volume muito grande, e o nosso Universo observável e visível está contido dentro desse volume. Mesmo que isto esteja bem, isto apenas nos diz que o nosso Universo não observável se estende muito para além da parte visível. Ainda não estabeleceu o Multiverso”
E tudo isso seria correcto. Mas lembre-se, há mais um ingrediente que precisamos de acrescentar: física quântica.
Uma ilustração entre a incerteza inerente entre a posição e o impulso ao nível quântico…. Há um limite para medir estas duas quantidades simultaneamente, e a incerteza aparece em lugares onde as pessoas frequentemente menos esperam isso.
E. Siegel / Wikimedia Commons utilizador Maschen
A inflação é tratada como um campo, como todos os quanta que conhecemos no Universo, obedecendo às regras da teoria quântica de campo. No Universo quântico, há muitas regras contra-intuitivas que são obedecidas, mas a mais relevante para os nossos propósitos é a regra que rege a incerteza quântica.
Embora convencionalmente vejamos a incerteza como ocorrendo entre duas variáveis – momento e posição, energia e tempo, momento angular de direcções mutuamente perpendiculares, etc. – há também uma incerteza inerente ao valor de um campo quântico. À medida que o tempo avança, um valor de campo que era definitivo num momento anterior tem agora um valor menos certo; só se pode atribuir-lhe probabilidades.
Por outras palavras, o valor de qualquer campo quântico espalha-se ao longo do tempo.
À medida que o tempo avança, mesmo para uma partícula simples e única, a sua função de onda quântica que descreve a sua… posição espalha-se, espontaneamente, ao longo do tempo. Isto acontece para todas as partículas quânticas para uma miríade de propriedades além da posição, tais como o valor do campo.
Hans de Vries / Physics Quest
Agora, vamos combinar isto: temos um Universo inflável, por um lado, e a física quântica, por outro. Podemos imaginar a inflação como uma bola a rolar muito lentamente no topo de uma colina plana. Enquanto a bola permanecer no topo da colina, a inflação continua. Quando a bola chega ao fim da parte plana, contudo, rola para o vale abaixo, que converte a energia do próprio campo inflacionário em matéria e energia.
Esta conversão significa o fim da inflação cósmica através de um processo conhecido como reaquecimento, e dá origem ao Big Bang quente que todos nós conhecemos. Mas é o seguinte: quando o seu Universo inflaciona, o valor do campo muda lentamente. Em diferentes regiões insufladas, o valor do campo espalha-se por quantidades aleatórias diferentes e em direcções diferentes. Em algumas regiões, a inflação termina rapidamente; noutras, termina mais lentamente.
A natureza quântica da inflação significa que termina em alguns “bolsos” do Universo e continua… em outros. Precisa de rolar pela colina metafórica até ao vale, mas se for um campo quântico, a propagação significa que terminará nalgumas regiões enquanto continua noutras.
E. Siegel / Beyond the Galaxy
Este é o ponto chave que nos diz porque é que um Multiverso é inevitável! Onde a inflação acaba imediatamente, temos um Big Bang quente e um grande Universo, onde uma pequena parte pode ser semelhante ao nosso próprio Universo observável. Mas há outras regiões, fora da região onde termina, onde a inflação continua por mais tempo.
Onde a propagação quântica ocorre da forma correcta, a inflação pode também terminar aí, dando origem a um Big Bang quente e a um Universo ainda maior, onde uma pequena parte pode ser semelhante ao nosso Universo observável.
Mas as outras regiões não estão ainda apenas a inflar, estão também a crescer. É possível calcular a taxa de crescimento das regiões infláveis e compará-las com a taxa de formação de novos Universos e Big Bangs quentes. Em todos os casos em que a inflação nos dá previsões que coincidem com o Universo observado, crescemos novos Universos e novas regiões insufláveis mais rapidamente do que a inflação pode chegar ao fim.
Sem que a inflação ocorra (cubos azuis), dá origem a exponencialmente mais regiões de espaço com… cada passo em frente no tempo. Mesmo que haja muitos cubos onde a inflação termine (Xs vermelhos), há muito mais regiões onde a inflação irá continuar no futuro. O facto de isto nunca chegar a um fim é o que torna a inflação ‘eterna’ uma vez iniciada, e o que dá origem à nossa noção moderna de um Multiverso.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Esta imagem, de Universos enormes, muito maior do que a parte escassa que nos é observável, constantemente a ser criada através deste espaço exponencialmente insuflável, é o que é o Multiverso. Não é uma previsão científica nova e testável, mas sim uma consequência teórica que é inevitável, baseada nas leis da física tal como são entendidas hoje em dia. Se as leis da física são idênticas às nossas nesses outros Universos é desconhecido.
Enquanto se prevê que muitos Universos independentes sejam criados num espaço de tempo inflável, a inflação… nunca termina em todo o lado ao mesmo tempo, mas apenas em áreas distintas e independentes separadas pelo espaço que continua a inflar. É daqui que vem a motivação científica para um Multiverso, e porque é que nunca dois Universos colidirão.
Karen46 / FreeImages
Se tiver um Universo inflacionário que é governado pela física quântica, um Multiverso é inevitável. Como sempre, estamos a recolher o máximo de provas novas e convincentes, numa base contínua, para melhor compreender todo o cosmos. Pode revelar-se que a inflação está errada, que a física quântica está errada, ou que a aplicação destas regras da forma como o fazemos tem alguma falha fundamental. Mas até agora, tudo se soma. A menos que tenhamos algo errado, o Multiverso é inevitável, e o Universo que habitamos é apenas uma minúscula parte dele.