O Discreto ‘Charme’ do “Modelo Cíclico”

“O que há de mais novo em nosso entendimento moderno de vida… é a ideia de evolução, porque ela nos capacita a ver a vida, não como um ciclo que se repete eternamente, mas um processo que sempre gera…e descobre inovações.” (Lee Smolin – ‘A Vida do Cosmos’)

Quando a teoria do ‘Big Bang’ surgiu, em 1920…alguns físicos consideraram perturbador que, aparentemente…a densidade e temperatura do universo se tornassem infinitas…em um tempo finito no passado, hoje reconhecido como 13,8 bilhões anos…Tal preocupação, fez com que vários cientistas à época procurassem uma “alternativa cíclica”… – em que o universo alternasse entre expansão e contração … de modo que temperatura e densidade permanecessem sempre finitas – pois isso acontecendo em um número infinito de vezes, eliminaria qualquer início, ou final dos tempos. Todavia… nos anos 20/30 ainda não era possível construir um modelo com esta “propriedade cíclica”, e a maior dificuldade para isto era a ‘entropia‘ (2ª lei termodinâmica). – A cada  ciclo a entropia necessariamente aumenta – tornando ciclos subsequentes – cada vez maiores. Extrapolando para trás no tempo, no entanto, estes ciclos tornam-se menores – e mais curtos – até se chegar a um ‘Big Bang’ com mesmos problemas de condições iniciais, desmotivando o estudo cíclico.

Contudo, a ‘expansão acelerada do universo‘ (descoberta em 1998) requer cerca de 70% do Universo sob uma forma de…’energia escura‘…Isso é algo que sabemos agora, mas que grandes físicos teóricos como Friedmann, Lemaître, Sitter, Einstein…e Tolman,  não sabiam. Temos hoje portanto, a oportunidade de checar se a energia escura pode superar a obstrução que a entropia impôs à construção de uma “cosmologia cíclica“.

Entropia & termodinâmica                                                                                       ‘Entropia representa o número de diferentes microestados,                                                         correspondentes a um mesmo macroestado‘…(Boltzmann)

BoltzmannPara entender como esse problema é encaminhado, precisamos explicar o conceito de entropia: Considere uma sala cheia de moléculas de ar. – O nº    de moléculas é enorme…geralmente,    da ordem de 10 e³º. Estas moléculas    se movem… a altíssimas velocidades,  cerca de 300 metros por segundo…e, sempre colidem umas com as outras.

Alguém poderia pensar que descrever em detalhes um sistema desse tipo, bem como o movimento de qualquer molécula individual…é impossível… – Mas, números enormes levam a leis simples para todo sistema, de acordo com as leis da ‘termodinâmica‘…e      da ‘mecânica estatística‘… da qual, Ludwig Boltzmann foi seu principal arquiteto.

Vamos pensar agora na seguinte questão…As moléculas de ar são cerca de 20% oxigênio,    e 80% nitrogênio. O oxigênio é fundamental para respirarmos e sobreviver…sem ele, em alguns minutos desmaiamos e morremos…Como saber então se o volume entorno nosso nariz e boca…não se esgotará de todas moléculas de oxigênio dentro de alguns minutos?

A resposta desta pergunta irá introduzir os conceitos de entropia, e 2ª lei da termodinâmica, que assumem papel central na cosmologia cíclica.

As moléculas de uma sala podem estar em um número astronômico de configurações,     no que diz respeito à posição, e velocidade de cada molécula individual. A Mecânica Estatística é o estudo de tais configurações… – e, seu pressuposto básico é que cada configuração é igualmente provável. – Assim, o sistema irá rapidamente evoluir para     uma configuração que corresponda à sua máxima probabilidade…Tais configurações      são as de mais alta entropiauma medida da desordem do sistema (isolado).

Os maiores estados de entropia são favorecidos por um enorme fator…Para tal estado    de equilíbrio, devido à elaborada estatística envolvida, pode-se calcular a distribuição      de velocidade das moléculas, bem como a temperatura relacionada, com boa precisão.

Voltando à questão anterior, a configuração sem moléculas de oxigênio na vizinhança do nariz… e boca de uma pessoa, durante alguns minutos…é um estado altamente ordenado de menor entropia – e, probabilidade extremamente baixa.  Como a 2ª lei termodinâmica (de Boltzmann) afirma que a entropia de um ‘sistema isolado‘…sempre aumenta – ou permanece constante, assim a entropia nunca diminui.

Então um quarto cheio de moléculas de ar nunca irá diminuir a entropia, até chegar nesta configuração improvável. E com a ‘mecânica estatística’ podemos calcular a probabilidade disso acontecer. O resultado é…Se eu escrever a probabilidade como 0,000000000…num quadro-negro com cada zero de uma polegada de tamanho… — Sabe onde será o primeiro dígito não-zero?… No final do quadro?…No outro lado da sala?… Nos limites da cidade?… A resposta…surpreendente… — é que não se limitará ao…”universo visível”.

Mudanças para essa configuração iriam violar a ‘2ª lei da termodinâmica’, pois                 a entropia diminuiria. É importante, no entanto, salientar que – tal improvável configuração microscópica… — não violaria qualquer lei fundamental da física.

“Modelo cíclico” x “expansão do universo”

A 2ª lei é apenas uma lei estatística, contudo, devido ao grande número de moléculas, a lei estatística poderia muito bem ser uma lei exata para fins práticos. Historicamente, foi esta ‘distinção sutil‘ (para um sistema de 1 milhão de trilhões de trilhões de moléculas) … entre uma lei exata que nunca é violada, e uma lei estatística que, praticamente, nunca é violada que levou à demora na aceitação por parte dos matemáticos…da importante descoberta de BoltzmannOutro aspecto central da mecânica estatística é fornecido pelas ‘transições de fase, tais como do gelo à água, ou água em vapor…A termodinâmica das transições de fase foi a princípio sistematizada na mecânica estatística pelo físico teórico J. W. Gibbs.

Gibbs

As ideias de entropia e 2ª lei podem ser aplicadas ao universo como um todo. – A entropia atual do universo – em termos probabilísticos, é estimada em 10e88. Esta entropia reside, principalmente, na radiação e na matéria… – tanto escura quanto luminosa. – A ‘entropia‘ do universo – com sua expansão…necessariamente aumenta…de acordo com a 2ª lei. Mas, com uma expansão adiabática,  a entropia da componente “radiação” permanece constante, enquanto a entropia ligada à ‘matéria’ cresce gradualmente em ‘processos irreversíveis’.

No universo primitivo, a entropia aumentou durante a inflação por um fator de 10e84, dessa forma, comparando com a entropia presente, sabemos que a entropia no início da inflação foi extremamente baixa (10e4)… Este valor é essencialmente zero, na escala de  entropias contemporâneas. Nossa conversa vai se resumir portanto, ao intervalo dessas   2 magnitudes de entropia… 10e88 será a ‘entropia máxima’…e 10e4, a ‘entropia zero‘.

Do que foi visto, então, conclui-se que – um universo cíclico – com entropia periódica, deve envolver uma dramática diminuição na entropia…compensando o enorme aumento de entropia pela inflação. Mas, como pode ser qualquer diminuição consistente com a 2ª lei da termodinâmica, que exige o aumento da entropia? Esta é a pergunta que, nos anos  das décadas 1920/1930, bloqueou o progresso para a teoria de um universo oscilante.

Mas, por que… mesmo assim, o universo cíclico parece continuar           sendo uma alternativa atraente em relação aos demais modelos?

bigbang

O “Caos” na “singularidade”

Desde quando foi independentemente concebida, por Friedman em 1922 … e Lemaitre em 1927, que as ‘equações da relatividade geral nos guiam, naturalmente ao universo em expansão, e não a um universo quase-estático‘, como proposto por Einstein, em 1917. – Porém, também foi notado um indesejável aspecto ‘prático/teórico’…ou seja:

Como retornar ao passado, num tempo finito…quando a temperatura e densidade tornam-se infinitas, e o fator de escala se reduz a zero?…Isso sugere a ideia da explosão do ‘átomo primordial’…ou Big Bang, no tempo inicial t = 0; mas o problema é que…’equações clássicas’ deixam      de ser aplicáveis à “singularidade”… e a ‘relatividade’ não pode ajudar.

Uma possibilidade de solução deste impasse é…que a um tempo suficientemente inicial [‘tempo de Planck‘…10e(-44) s após o Big Bang]…os efeitos da mecânica quântica possam atuar para que, em todos os casos, as equações clássicas de Friedman falhem, e      o comportamento singular em t = 0, com densidade e temperatura infinitas, num fator    de escala desprezível, sejam contornados…numa eficiente teoria quântica gravitacional.

Com efeito, várias tentativas têm sido feitas no sentido de simular condições iniciais      na versão quântica cosmológica, mesmo ainda não consolidada. Uma dessas ideias é creditada a Vilenkin, Hartle e Hawking. Mas, não obstante todos esforços…ainda        não há consenso sobre esta árdua tarefa, de contornar a “singularidade” Big Bang.

O universo ‘bem comportado’ 

Ao nível clássico, as ‘equações de Friedman’ incluem a hipótese do  Princípio Cosmológico’…em      que se incluem… 2 componentes fundamentais…(i) o universo é perfeitamente… “homogêneo“;      (ii) e…”isotrópico“…quer dizer ‘rotacionalmente simétrico.

Atualmente, fica evidente que nenhum desses componentes é exatamente válido em escalas menores, tais como o tamanho das galáxias e seus aglomerados, mas sim em  escalas muito amplas (acima de uma ordem da magnitude dos aglomerados). Dessa    forma uma legítima questão clássica à relatividade geral seria saber se, desprezando          ou homogeneidade…ou isotropia…ou ambas…poderíamos evitar tal “singularidade”.    Uma resposta para esta pergunta foi fornecida em 1960…por Hawking e Penrose,         ao demonstrarem que, normalmente, a ‘singularidade’ no passado é inevitável…e portanto, independe do Princípio Cosmológico. Contudo, o ‘inexorável’ teorema          de Hawking e Penrose faz ‘hipóteses‘… – uma das quais parece bastante relevante:          É postulada a exigênciafisicamente plausível, de que a “densidade de energia”    nunca é negativa, pois aparentemente, não poderia ter interpretação física. Mas, tal pressuposto deve ser abolido para se ter a possibilidade de uma ‘cosmologia cíclica’.   

Voltando à década de 1920 mesmo classicamente – afigurou-se conveniente                    evitar a “singularidade” do “Big Bang”. — Dessa forma, uma boa possibilidade                        seria uma teoria cíclica, onde densidade e temperatura permanecessem                        sempre finitas, e o…fator de escala fosse sempre maior que zero.

Além das tentativas independentes…de Friedman e Lemaitre respectivamente… em 1922 e 1927, é importante dizer que…quando Einstein assistiu a um seminário, em 1931, dado por Lemaitre no California Institute of Technology (Caltech) se entusiasmou pelas ‘ideias cíclicas’. Em 1932, inclusive, De Sitter e Einstein publicaram juntos sobre o tema.  Há uma breve introdução do papel da “entropia” para uma “cosmologia cíclica“, no livro…“Relativity, Thermodynamics, and Cosmology” (1934)…do físico Richard Tolman.   

“Energia escura”(a chave do enigma)

Um fato importante sobre o universo, descoberto apenas em 1998 e, desconhecido nas décadas de 1920 e 1930, é que…’a expansão está atualmente se acelerando‘; o que, em consequência levou mais de 70% de sua energia à condição de uma energia escura.  Isto, com efeito, nos remete à ‘questão principal’…saber se a energia escura pode exercer alguma função na “operação cíclica” – Mas antes de dar uma resposta (positiva) a esta questão, convém elaborar algumas ‘considerações gerais’ sobre ciclicidade e entropia.

Considera-se que um universo cíclico passa por quatro fases: Salto-! Expansão-! Retorno-! Contração-! — e… de volta, ao Salto… num número infinito de vezes.               Durante a expansão, a entropia aumenta inicialmente, por um fator (inflacionário)           de 10e84, para, em seguida…ainda aumentar gradualmente… – por “irreversíveis processos materiais”: A radiação se expande com entropia constante, e a energia              escura tem entropia zero. — Ademais, a “fase de contraçãotraz suas próprias características peculiares — Uma delas é que a matéria e poeira interestelar irão              formar estruturas mais rápido do que durante a expansão. Note-se também que             buracos negros crescerão e se multiplicarãoimpedindo aglutinação de matéria.

a improvável reversão temporal    O originalnunca é fiel à tradução.”   (Jorge Luis Borges)

Durante a ‘contração’… há um problema ainda mais sério sobre a matéria…várias transições de fase deverão acontecer em sentido inverso… – de volta a um…’salto inicial’ do universo… — Por exemplo… o fenômeno contrário da “recombinação”,  exigiria a ruptura de átomos neutros em prótons e elétrons, e maior temperatura.

Isso seria diminuir a entropia… e, como uma violação da                                                          2ª lei da termodinâmica…impossível, estatisticamente.

Existem outras transições de fase, tais como transições de ‘cromodinâmica quântica’ – em centenas de MeV, onde quarks e glúons ficam confinados em hádrons. E a ‘transição fraca’ em cerca de 100 mil MeV, na qual as forças eletrofracas separam-se em eletromagnéticas,  e “força fraca”. — Como pode então, um universo em contração, seguir no sentido inverso, através de tais transições de fase, sem violar a 2ª lei termodinâmica?… Uma possibilidade sedutora, mas logo descartada…é que…durante a contração, a ‘flecha do tempo’ inverta de sentido, explicando a redução entrópica na ‘fase de contração’. Mas, o que isso quer dizer?

A “seta do tempo” refere-se à segunda lei da termodinâmica de um sistema mecânico estatístico, para o qual, o aumento da entropia define uma direção positiva de tempo.        A nível biológico, nos lembramos do passado, mas não do futuro… – e envelhecemos,  crescendo… – Então, para nós, certamente…é uma seta bem definida de tempo. Para sistemas físicos estatísticos…a seta do tempo é também bem definida pela “entropia”. __________________________________________________________

(As origens Cósmicas da Seta do Tempo – Sean M. Carroll/ SciAm/Brasil)                    “O eterno retorno nunca é o mesmo, pois o que retorna é a diferença” (G. Deleuze)

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Há muito mais formas de dispor um dado número de átomos numa configuração de alta entropia, do que numa configuração de entropia baixa… Assim,  “estados” de alta entropia são muito mais comuns estatisticamente do que os muito pouco prováveis,  estados de baixa entropia. – Dessa maneira, não é surpresa o incremento da entropia com o tempo… praticamente, para qualquer mudança no sistema.

Define-se assim seta do tempo como a tendência de um sistema evoluir na direção… de um dos seus inúmeros estados naturais de alta entropia. Mas, explicar essa “inevitável evolução”…dos estados de baixa para alta entropia…não é a mesma coisa que explicar por que a entropia do nosso universo está aumentando. E aí uma pergunta não quer se calar:

‘Por que, no início do Universo, a entropia era tão baixa?’…                                       

Isto pode parecer natural…uma vez que estados de baixa entropia são tão raros… Contudo, mesmo admitindo que o universo hoje tenha uma entropia média, não se explica por que a entropia costumava ser ainda mais baixa. — De todas as “condições iniciais” possíveis, que poderiam ter evoluído para um universo como o nosso…a esmagadora maioria deveria ter entropia muito mais alta, não mais baixa. Ou seja, o verdadeiro desafio não está em tentar explicar por que a entropia do universo amanhã, será maior que hoje – mas sim, em saber por que a entropia era mais baixa ontem, e ainda mais baixa anteontem…E aplicando essa lógica ao passado longínquo…podemos voltar até ao início do “universo observável”. – No final das contas, a ‘assimetria do tempo‘ é uma pergunta para a cosmologia responder.  ***********************************************************************************

Solução para uma seta cósmica do tempo invertida

http://astro.if.ufrgs.br/univ/univ.htmO problema da entropia seria resolvido, de maneira muito simples…se pudéssemos adotar uma reversão na flecha do tempo durante a contração… reduzindo assim, o seu valor.  Considerarmos esse artifício ao mundo físico…no entanto, seria apenas, exótico dispositivo de semântica… – embora tenha sido usado por alguns teóricos como último recurso para resolver o espinhoso problema cíclico…O problema é que…em um universo com uma seta invertida de tempo, a ‘mecânica estatística’ deixaria de fazer sentido… — pois os “estados de equilíbrio” de um gás ideal tenderiam ao                                      desequilíbrio, em configurações improváveis, e desconexas… Nesse caso, a reversão da flecha do tempo seria um ‘absurdo’ a ser evitado… – Contudo, a partir dos teoremas de “singularidade” de Hawking e Penrose, na década de 1960, assumindo ‘densidade de energia‘ sempre positiva, a ‘energia escuracomo uma “equação de estado negativa”, viola tal suposição. Assim…é possível concluir que a cosmologia padrão, com início no ‘Big Bang‘, se estendendo numa expansão infinita… agora tem no “modelo cíclico“, uma alternativa plausível… logicamente mais aceitável… – do que uma cosmologia se originando de uma “singularidade“, com densidade e temperatura iniciais infinitas.

Paul H. Frampton  (University of North Carolina at Chapel Hill)                                     livre tradução extraída do texto… “Did time begin? Will time end?”  **************************************************************

Nosso universo pode não ser o primeiro… (nem o último)                                               A atual teoria amplamente aceita do começo da vida e do universo diz que tudo que existe agora…nasceu de um pacote pequeno e apertado, a partir do qual houve o Big Bang, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás. Essa explosão arremessou, violentamente, tudo à existência.

Mas 13,8 bilhões anos… – para alguns especialistas … não é o suficiente para chegar onde estamos… O físico Roger Penrose por exemplo, tem uma ideia diferente. Ele acredita poder provar – que as coisas não são…ou não foram… tão simples assim. Com base numa evidência encontrada naRCFMele afirma que o Big Bang não foi o início do Universo, mas apenas um, de uma série de Big Bangs, onde cada ciclo, produz seu próprio Universo.

Para sustentar isso … ele afirma ter encontrado as provas que confirmam sua hipótese      do ‘universo cíclico‘ na ‘RCFM’ (“radiação cósmica de fundo em microondas“)  que representa o 1º registro do universo, quando tinha cerca de 380 mil anos de idade.

A curiosa ordem (inicial) do Universo

O atual modelo do Big Bang não fornece um motivo para que um estado altamente ordenado, e uma baixa entropia, existissem no momento do nascimento do universo,         a menos que as coisas fossem colocadas em ordem antes de ocorrer o Big Bang. Na verdade é esse alto grau de ordem, aparentemente presente desde o início, que levou           o físico à sua linha de pensamento…De acordo com Penrose, cada universo retorna a      um estado de baixa entropia à medida que se aproxima do dia final da sua expansão; quando então… – os buracos negros evaporam… – e o universo ‘colapsa‘… de volta a um sistema altamente organizado pronto para disparar o próximo “Big Bang”.

http://www.fappr.pr.gov.br/modules/noticias/article.php?storyid=561

O modelo atual do universo nos diz que, qualquer variação de temperatura — na “radiação cósmica de fundo“…deve      ser aleatória — mas…o físico afirma ter identificado “círculos concêntricos” evidentes nessa radiação… – sugerindo dessa maneira regiões com faixas de temperatura com valores bem menores.

Estas seriam evidências esféricas dos efeitos gravitacionais das colisões de buracos negros no ‘universo anterior’. Os círculos se encaixam em sua teoria, mas não na teoria padrão do Big Bang. – Ainda assim…não é possível afirmar que a nova teoria seja mais verdadeira. O físico ainda tem que ligar algumas pontas soltas de seu trabalho, e provar certas hipóteses. Seus estudos vão ser examinados cuidadosamente, e…quem sabe, um dia sua teoria possa vir a revolucionar os fundamentos da ‘física moderna’. (texto base/POPSCI) (22/11/2010)  ************************************************************************************

A análise dos “círculos concêntricos”                                                                                       “O fenômeno era real, mas a parte sobre algo antes desse Universo parecia fantasia”.

Roger Penrose – físico da “Universidade de Oxford”…e o armênio Vahe Gurzadyan – da Universidade Estadual de Yerevan, há 3 anos analisam dados do satélite WMAP…sonda projetada para fazer um mapeamento da ‘RCFM‘ (conhecida como o ‘eco’ do Big Bang). Penrose e Gurzadyan já diziam…desde 2010, terem identificado pequenas flutuações na radiação cósmica de fundo, sob a forma de “círculos concêntricos”…o que, segundo eles, seria resultado da colisão de ‘BN’s gigantes numa época que precedeu o Big Bang, isto é, provaria que o Universo já existia – de outra forma, antes do período que presenciamos.

Cosmólogos então constataram, com alguma surpresa, que os círculos apontados por Penrose e Gurzadyan, estavam de fato lá – havendo passado despercebidos até então. Todavia, através de simulações de como seria a radiação cósmica de fundo, com base        na cosmologia clássica (‘Big Bang’)…constataram que os círculos também apareciam.

conformal cyclic cosmologyMas… Penrose e Gurzadyan retornaram com a ideia…do “Universo Cíclico e desta vez com novas evidências. Numa análise ‘mais a fundo’ dos círculos – publicada noEuropean Physical Journal Plus‘, eles concluem que…o ‘padrão observado’, melhor    se encaixa… na hipótese de        um Universo Cíclico‘. Eles agora analisam dados do satélite Planck, substituto com vantagens do ‘WMAP’.

(texto base – ago/2013) consulta: ‘Big Bang pode ter sido o fim de outro universo’    ‘Tempo termodinâmico corre para trás dentro de BNs’ # A teoria cíclica de Turok e Steinhardt Oscilação Harmônica Cósmica  Ciclos de Penrose  Nasce novo Universo    ****************************(texto complementar)*****************************

Novo modelode um Cosmos ‘reciclado’  (nov/2015)                                                          A decepção do que seria a mais poderosa confirmação da “teoria inflacionária”.

Em 17 de Março de 2014, o Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica realizou uma conferência de imprensa para anunciar “uma grande descoberta”…Não era um exagero. Uma equipe de astrofísicos havia detetado evidências de ‘ondas gravitacionais’, de uma época em que o universo era quase indescritivelmente jovem. – Essa evidência… então, justificaria a “inflação cósmica”…e com ela, a distribuição relativamente homogênea de aglomerados galáticos, as proporções relativas de matéria comum e ‘matéria escura’…a planitude do espaço-tempo, além da isotropia do universo visível…ao se expandir mais rápido que a velocidade da luz…a partir de algo do tamanho aproximado de um próton.

Usando um telescópio de microondas extremamente sensível, conhecido como BICEP2, localizado no Polo Sul…John Kovac e uma equipe de pesquisadores de Harvard haviam detetado uma torção na orientação das microondas geradas cerca de 380 mil anos após       o “Big Bang”. Esta “polarização de modo B“, previsto pela “teoria inflacionária“, representaria a energia subitamente liberada por uma giga-ondulação do espaçotempo.

Cyclic-universe

Os redemoinhos detectados nesta imagem da Via Láctea inicialmente deram a impressão de serem causados por ondas gravitacionais, mas medições posteriores mostraram que a poeira cósmica oriunda da própria Via-Láctea poderia criar o mesmo efeito. Crédito: ESA/Planck Collaboration.

O anúncio na conferência de imprensa de Harvard repercutiu nas manchetes ao redor do mundo… “Ondulações espaciais revelam prova clara do Big Bang”…alardeou o ‘New York Times’…“Descoberta de ondas gravitacionais primordiais anuncia ‘toda uma nova era’ na física”…declarou o ‘The Guardian’. Teorias alternativas sobre como o universo conseguiu sua estrutura não preveem tais ‘ondulações’. Paul Steinhardt, da Princeton University…e um dos pioneiros na ‘teoria inflacionária’…a abandonando em favor do desenvolvimento de sua própria teoria, assim comentou tal burburinho: “Se isso acontecer estamos fritos”.

Mas como praticamente todas as grandes novidades são acompanhadas por um fundo cético, houve ressalvas cautelosas de que: “os resultados exigem confirmação”. E, com efeito, poucos dias após o anúncio os repórteres acharam que tinham sido … mais que meramente cautelosos. E, quando o relatório científico de Kovac (on-line no arXiv)…é enfim liberado…a suspeita começa a se propagar… “Ondas gravitacionais primordiais”    não são o único modo de se polarizar microondas‘. Redemoinho de nuvens de poeira        na Via Láctea também poderiam fazê-lo. Até que, em fevereiro de 2015, o relatório de  uma análise combinada dos dados do BICEP2 e do “observatório orbital Planck”, ESA, afinal, não deixou dúvidas … conforme admitiu o próprio Kovac…“O que vemos não é compatível com ondas gravitacionais inflacionárias”…Porém, só isso não significava a morte da teoria da inflação‘. O novo resultado também permite ‘ondas gravitacionais inflacionárias’ se envolvendo com poeira. A inflação, por outro lado, não é uma teoria única, mas uma ‘classe de teorias’ – e muitas delas preveem ‘ondas gravitacionais’, 10 ‘ordens de grandeza’…a menos…do que qualquer instrumento moderno pode detetar.

Mas, isso não impede que alguns astrofísicos, diante dessa incapacidade, elevem a possibilidade de uma alternativa teórica estar correta. O conhecido modelo cíclicoproposto em 2003 por Steinhardt (‘Princeton’) e Neil Turok, então em ‘Cambridge’        (agora no “Perimeter Institute for Theoretical Physics” – Canadá) postula que, o ‘universo observável’ passou por fases de expansão e contração alternadas…talvez, eternamente, explicando assim…a teoria que se supõe saber tão bem (“inflação“).

Voltando atrás na história…O surgimento da “teoria inflacionária”                      Em 1964…os radioastrônomos Arno Penzias…e Robert Wilson, tropeçaram                      numa luz primordial distendida em microondas para todo céu, publicando                          a descoberta em 1965… – o que fez pender a balança a favor do “Big Bang”.

Quando a teoria da inflação surgiu pela primeira vez na década de 1980 tirou                        o fôlego dos cosmólogos…pela forma como explicava uma série de problemas                    que os atormentava, desde a descoberta da radiação cósmica de fundo (CMB)                    em 1964, que consolidou a teoria do Big Bang, a qual define o nascimento do            universo pela expansão violenta de uma nuvem de gás quente extremamente                densa (ou por uma “singularidade“)… que vem se expandindo desde então.

Foi a primeira oportunidade de estudar o nosso jovem universo, com cerca de 380 mil anos de idade em detalhes… E o CMB acabou por se tornar um “lugar misterioso”. Por    um lado impressionava sua temperatura estranhamente uniforme, pairando em torno      de 2,725° acima do zero absoluto, e variando por não mais que 1/100 mil…para toda e qualquer direção no céu. Porém, a nuvem turbulenta de gás superaquecida, de onde o universo se concebeu tinha ‘manchas‘; variando significativamente em temperatura e densidade – e isso deveria ter aparecido na estrutura inicial do universo em expansão.

Outro problema foi que enquanto o universo com 380 mil anos de idade era  especialmente suave…o universo maduro é enrugado, com filamentos e nós,                      que dariam origem aos aglomerados galáticos. Mas, como é que essas rugas                surgiram?…Pesquisadores também estavam preocupados com a “topologia”                aparente do universo primitivo. Em larga escala, suas medições mostraram                        que parecia ser geometricamente “plana”. E também não fazia sentido, por                        que “monopolos magnéticos” – previstos na teoria, não foram encontrados.

Os cosmólogos quebraram a cabeça por mais de uma década. – Então, em 1980, um jovem físico chamado Alan Guth, intuiu que estes enigmas desapareceriam…se um universo do tamanho de um próton, expandisse, em seus momentos iniciais…rapidissimamente… Isso justificaria a uniformidade do Universo, pois não haveria tempo – para que… as eventuais flutuações “enrugassem” o tecido do espaço-tempo em expansãoo mantendo uniforme, em todo seu volume dimensional…Por outro ladoo fato de todo universo já ter sido sub-atômico o tornou sujeito a ‘efeitos quânticos’.

Assim, estas flutuações quânticas aleatórias semearam na uniformidade do espaço-tempo, as rugas que deram origem aos “filamentos” e “nós”, embriões dos aglomerados galáticos; emergindo de “propriedades quânticas”, tais comoemaranhamento“, e “incerteza”.  Além disso…a inflação explica a aparente “planitude” do ‘universo observável’ … em sua homogeneidade isotrópica, por uma “expansão exponencial”…aplanando sua superfície a partir de uma significativa curvatura inicial. A antiga versão inflacionária de Alan Guth, deixou algumas lacunas – logo preenchidas por Andrei Linde, adicionando assim à teoria, um conjunto robusto de previsões…constantemente testadas por cosmólogos desde então.

Contestando a “Inflação”                                                                                                        “Nós descobrimos desde cedo algo totalmente incompreendido no início.” (P. Steinhardt)

universos cíclicosSteinhardt, um dos pioneiros da teoria da inflação“…diz que – pensando que a inflação fosse basicamente uma história sobre alongamento do universo… então, se incluíssemos um pouco de mecânica quântica para explicar uma ‘imperfeita’ uniformidade do Universo repleto de galáxiase seus aglomerados, teríamos uma história coerente. – Porém, diz ele, não existe“pouca” mecânica quântica:

“A física quântica está constantemente produzindo flutuações em todas                                  as formas de energia, incluindo a energia que está dirigindo a inflação,                                  de modo que…por algum tipo de…”incerteza quântica, ela termina                                    em alguns certos lugares — um pouco mais tarde — do que em outros”.

Em nossa porção do universo por exemplo, a inflação parou há bilhões de anos, mas em algumas outras partes ainda está acontecendo… Dada a taxa de expansão vertiginosa da inflação – essas regiões seriam agora inimaginavelmente grandes‘, como se pedaços do espaço original formassem gigantescos vazios. – Linde, que em boa parte é responsável por esta ideia, chama isso de “inflação caótica”…ou “inflação eterna”. Por esse ‘ponto de vista’, o nosso universo visível é apenas uma porção em um multiverso muito maior – e      o que é pior… – cada porção pode ter suas próprias leis…e constantes físicas específicas.

“O multiverso irá explorar todas as propriedades físicas concebíveis e                                    possibilidades de produzir cada resultado concebível”, diz Steinhardt.                                    “E esse é o 1º problema. O que podemos prever a partir de tal teoria?”                                    E, ele próprio responde… – “Coisa nenhuma… – Literalmente ‘nada’,                                      uma vez que tudo o que é fisicamente possível, fatalmente ocorrerá”.

multiverseMas é pior do que isso – uma vez que, existe um número infinito de porções, com uma infinita variedade de leis…e, constantes físicas… a pergunta que os físicos vêm tentando responder desde a época de Aristóteles…por que razão, o Universo é do jeito que é?…se torna sem sentido. É do jeito que é…porque o Universo étodas formas possíveis, de uma só vez…O vemos dessa forma porque é assim na parte que vivemos. E esse argumento — conhecido como ‘princípio antrópico’ … sem qualquer explicação – a não ser, a constatação dos fatos“puxa o tapete da ciência”.

Há também um 2º problema, decorrente do 1ºqual seja — mesmo considerando a ocorrência da inflação, ninguém sabe por que ela começou. De acordo com Steinhardt, “teóricos inflacionistas” dizem que é um problema a ser resolvido mais tarde “Mas é        um ‘grande problema‘ a ser resolvido mais tarde…pois as condições em que a inflação poderia começar são muitíssimo raras”. Podemos ainda considerar um 3º problema,        que é a ‘energia escura‘. Em 1999, foi confirmado que essa força misteriosa provoca      uma expansão acelerada do Universo, quando se pensava justamente na possibilidade      de sua contração gravitacional. A ‘teoria da inflação’, concebida na década de 1980,        não fazia a menor ideia dela; como diz Turok“Foi uma surpresa total. A inflação, em        si, já era um complemento artificial ao ‘Big Bang’, e agora surge este novo aspecto que nada tem a ver com inflação”. – Para ele…devemos também explicar o fato da inflação dominar os 1ºs momentos de nosso universo, para em seguida a ‘energia escura’ (bem menor que a inflacionária) surgir bilhões de anos mais tarde…para dominar o cenário.

Os inflacionistas consideram a ‘energia escura’ como algo inteiramente diferente da inflação – uma 2ª força expansionista, que só se tornou significativa muitos bilhões          de anos após a inflação perder força. – O fato de ser preciso explicar, não uma, mas            duas diferentes forças fez com que Steinhardt e Turok se sentissem desconfortáveis        com o modelo inflacionário‘. – Para estes físicos, a energia escura ofuscou o brilho            da teoria inflacionáriaportanto, tinha que haver uma teoria simples e abrangente.

E após vários anos de trabalho intenso, Steinhardt e Turok apresentaram seu modelo cíclico, onde a energia escura não surge de repente, após a inflação. Em vez disso, é a “energia escura” quem dá ao Universo seu…impulso inicial, incrementando o processo expansivo ao longo do tempo cosmológico…Em última análise, proporciona          o processo de “reversão” (de contração para expansão)entrando em colapso a um ‘tamanho minúsculo’ (o modelo não especifica precisamente o quão pequenomas é muito maior do que a inflação exige). “Nesse modelo” diz Turok “não há inflação, e a ‘energia escura’ não é apenas um complemento bizarro…ela é essencial”. (texto base*****************************************************************************

Um Universo imensamente expandidoé como infinitamente pequeno        Num trecho de seu novo livroo físico Carlo Rovelli relembra um encontro com o        matemático Roger Penrose, que compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 2020.

Roger Penrose, matemático teórico, fotografado em 1980. [Anthony Howarth/Science Photo Library]

Quanto mais perto chegarmos da velocidade da luz, mais devagar o tempo passaSe, por acaso pudéssemos viajar à velocidade da luz, o tempo pararia de fluir para nós…Mas para    a luz…que obviamente se move à velocidade da luz, podemos então concluir que o tempo nunca passa…Nesse sentido, “a luz é eterna”.  Desse modo, um Universo onde além da luz nada existisse … seria um Universo, em que não se perceberia a passagem do tempo… O tempo… literalmente… – deixaria de existir.

Mas não só seria esse o casose existisse apenas luz, também não poderíamos medir distâncias espaciais. O Universo de nosso futuro mais remoto, Penrose observa, seria imensamente grande e durável, mas na realidade seria um Universo desprovido de duração, e dimensões. Mas logo no início do Big Bang, um instante antes de começar            a se expandir, o universo estava numa situação deste tipo: sem duração ou dimensão.          É aqui que Penrose faz sua incrível sugestão…E se o futuro mais remoto do Universo    fosse exatamente, o Big Bang inicial de um novo ciclo cósmico?…Em ambos os casos,      não há duração nem distância…donde se pode concluir que: um Universo expandido imensamente … é, na realidade … o mesmo que um Universo infinitamente pequeno.

Podemos imaginar uma “reciclagem” do universo em que a escala                das distâncias se desvanece, e se redefine… Talvez a imensidão do    Universo futuro não seja outra, senão o microcosmo do Universo,                em seu nascimento, visto ‘numa escala diferente’, e nosso próprio                BB nada mais seja, que o futuro infinito de um Universo anterior.

Podemos tentar confirmar tal hipótese?…Bem, Penrose observa, os últimos eventos,        antes da desintegração do tempo teriam sido as últimas grandes colisões de buracos negros antes de sua evaporação finalÉ possível que estas colisões tenham deixado vestígios?…Talvez esse traço consista em alguma leve ondulação no mar da luz final. Algum “grande círculo” se expandindo pelo cosmos – centrado nos últimos grandes eventos do Universo anterior, pode ter passado pela fase ‘Big Bang’…em que este se reciclouSe nosso Universo fosse realmente o produto de tal evolução, deveríamos          ser capazes hoje de ver no céu estes grandes círculos, produzidos antes do Big Bang.

Esta é a hipótese audaciosa de Penrose. Tem um sabor bastante…’especulativo’. Mas há pouco tempo o astrofísico Vahe Gurzadyando “Instituto de Física” de Yerevan, Armênia … anunciou ter visto círculos desse tipo — ao analisar dados acumulados ao longo dos anos, sobre a radiação cósmica de fundo‘, coletados pelos WMAP e Boomerang. Todavia, a interpretação é controversa; poderiam      ser, talvez…”flutuações aleatórias“.

A verdade é que a questão permanece aberta. Talvez os círculos se revelem ilusórios, mas, mesmo assim, a ideia de procurar por pistas relacionadas a eventos pré-Big Bang…devem continuar. Em todo caso, há 2 lições importantes que podem ser extrapoladas dessa ideia. A primeira é a base precisa de observação à qual Penrose permanece orgulhosamente fiel. Não importa o quão exagerada a ideia possa parecer…o importante é que esteja ancorada na possibilidade de ser verificada – afinal, procurar círculos no céu é uma opção válida, e um contrapeso saudável aos muitos programas de pesquisa que continuam…por décadas, sem produzir quaisquer…previsões precisas‘…presos na infinitude daquele triste ‘limbo’, onde teorias além de não poderem ser verificadastampouco podem ser provadas falsas.

A segunda lição, apenas aparentemente em desacordo com a primeira, é sublinhada pelo próprio Penrose – com um sorriso maroto“Não suporto a ideia de que o universo está afundando em direção a um futuro infinito de morte congelada.” – Mas a melhor ciência, também pode se originar dessa forma – pela rejeição de um futuro, enfadonho demais para ser toleradoSe estão ancoradas na possibilidade concreta de serem verificadas ou não — as melhores ideias podem ser — e de fato muitas vezes foram … fruto de intuições totalmente irracionaisquase uma vaga empatia com a natureza das coisas. (texto base)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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5 respostas para O Discreto ‘Charme’ do “Modelo Cíclico”

  1. JMFC disse:

    ” a energia escura… com uma ‘equação de estado negativa’…viola tal suposição” ( i.é.:a energia escura ter uma densidade de energia negativa…)
    A questão: qual o suporte científico para fazer tal afirmação?

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  2. Cesarious disse:

    “Antes que o inferno congele…” (trecho do post)

    “…Pensando na física clássica essa ideia não faz sentido, mas, quando estamos falando de sistemas quânticos, a definição clássica de temperatura também não faz sentido. A definição de temperatura passa a levar em conta a ‘distribuição energética’  das partículas do gás, o que determina sua entropia. ‘Entropia’ é um conceito que tem haver com a ‘desordem’ de um sistema; e uma lei fundamental da termodinâmica diz que ela sempre aumenta. Ou seja, o aumento da entropia determina o fluxo dos acontecimentos.

    … Para temperaturas baixas usamos a definição de temperatura dada em termos da variação da energia com a variação da entropia.  Então, uma temperatura negativa pode ser atingida quando a variação de energia é positiva (todas as partículas estão em um estado de maior energia) e, a entropia diminui (só há um estado com energia máxima). Em um sistema sem energia máxima, você pode ir adicionando energia, e as partículas vão se espalhando entre os níveis (indo cada vez para os mais altos), o que representa uma situação em que a temperatura aumenta.

    Agora, em um sistema com uma ‘energia máxima fixa’, conforme você acrescenta energia, as partículas tendem a ficar juntinhas (diminuindo a entropia) nesse estado de energia máxima – o que representa, pela definição que demos, temperatura negativa.

    O importante é salientar que a temperatura negativa é uma coisa formal, porque um estado com temperatura negativa sempre tem muito mais energia que um outro com temperatura positiva (qualquer) — e, portanto, sempre cede calor ao último. Assim, temperatura negativa é muito, muito, mas muito quente.

    Outro ponto a se notar, é que temperaturas negativas só são alcançados através de uma transição brusca, não passando pelo zero absoluto (que continua sendo inatingível).”

    http://truesingularity.wordpress.com/2013/01/21/antes-que-o-inferno-congele/

    meu comentário: O que foi colocado acima (com bem mais detalhes no post original) pode ser interpretado – sintética (e, sintaticamente) da seguinte forma: temperaturas “absolutamente negativas” correspondem a energias “escuramente” negativas — o que resulta, substituindo um termo por outro – em energias absoluta (… e absurdamente) positivas – numa “quebra de simetria”… ‘algébrico/geometricamente’ falando.

    “É visão comum entre muitos físicos atuais que a mecânica quântica não nos fornece, absolutamente, nenhum retrato da ‘realidade’. O formalismo da física quântica, nessa visão, deve ser encarado simplesmente assim: um formalismo matemático. Esse formalismo, conforme argumentariam muitos físicos quânticos, não nos diz essencialmente nada sobre uma realidade quântica efetiva do mundo, mas nos permite calcular a probabilidade de realidades alternativas ocorrerem, de fato.”  Roger Penrose – ‘The Road to Reality’ (pg.782)

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  3. JMFC disse:

    E fornece?!
    A dualidade onda-partícula, o entrelaçamento quântico, a simultaneidade temporal de uma partícula surgir em locais diferentes…eu sei lá….

    Mas que o mundo subatómico é fascinante é…e que dele é feito o nosso também é!

    A probabilidade de serem manifestações da existência de mundos paralelos também não é fascinante?!

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  4. Cesarious disse:

    é uma outra realidade, mais abrangente, mais solidária, mais caleidoscópica, e mais subjetiva que, suponho contidas nas ideias do R. Penrose.
    é uma abertura de caminhos que levam para um mesmo destino, eu suponho, ou seja, a percepção cósmica da vida no espaço/tempo.

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