EVENTOS ANTERIORES AO BIG BANG CONTINUAM UM MISTÉRIO

O que fazia Deus antes da criação do mundo? O filósofo e escritor ( e, mais tarde, santo) Agostinho levantou essa questão nas suas “Confissões”, no século quatro, e encontrou uma resposta surpreendentemente moderna: antes de Deus ter criado o mundo não havia tempo e, portanto, nenhum “antes”. Parafraseando Gertrude Stein, não havia “então”.

Até recentemente ninguém seria capaz de, ao assistir a uma palestra sobre astronomia, formular a versão moderna da questão de Agostinho – o que aconteceu antes do Big Bang? -, sem receber a mesma resposta frustrante, uma cortesia da teoria da relatividade geral de Albert Einstein, que descreve como a matéria e a energia distorcem o espaço e o tempo.

Se imaginarmos que o universo está encolhendo de volta no tempo, como se fosse um filme rodado ao contrário, a densidade da matéria e da energia aumentaria até o infinito conforme nos aproximássemos do momento da sua origem. Os computadores soltariam fumaça e o espaço e o tempo se dissolveriam em uma “espuma quântica”. “Os nossos relógios e réguas se quebrariam”, explica Andrei Linde, cosmologista da Universidade de Stanford. “Perguntar o que havia antes desse momento seria uma contradição”.

Mais tarde, porém, encorajado pelo progresso feito em novas teorias que procuram unificar o reino altaneiro de Einstein com as imprevisíveis leis quânticas que governam a física subatômica – a chamada gravidade quântica – Linde e os seus colegas começaram a refinar as suas especulações, chegando cada vez mais perto do momento da criação e, em certos casos, indo além dele.

Alguns teóricos sugerem que o Big Bang não foi exatamente um nascimento, mas sim uma transição, um “salto quântico” a partir de uma era informe de tempo imaginário. Ou mesmo que esse salto se deu a partir do nada. Outros cientistas estão investigando modelos nos quais a história cósmica começa a partir de uma colisão com um universo de outra dimensão.

Toda essa especulação teórica ganhou fôlego devido a notícias recentes sobre a ocorrência de ondas em uma difusa radiação existente no espaço, que se acredita que sejam remanescentes da bola de fogo primordial do Big Bang. Essas ondas são consistentes com uma teoria popular, conhecida como inflação cósmica, segundo a qual o universo sofreu uma aceleração súbita da sua expansão sob a influência de uma violenta força antigravitacional, quando tinha a idade de apenas frações de frações de um nanosegundo. Essas ondas fornecem, portanto, uma baliza útil para a imaginação dos teóricos. Segundo os cosmologistas, qualquer teoria sobre as origens cósmicas que não explique esse fenômeno tem poucas chances de ser correta.

Felizmente (ou infelizmente), isso ainda deixa espaço para várias outras possibilidades.

“Se a inflação foi a dinamite que causou o Big Bang, ainda estamos procurando pelo palito de fósforo”, diz Michael Turner, cosmologista da Universidade de Chicago. O único ponto com que todos os especialistas concordam é com o fato de que nenhuma idéia relativa à origem do Big Bang funcionou – pelo menos até o momento.Turner compara os cosmologistas a músicos de jazz coletando temas que parecem soar bem para um trabalho em andamento: “Você ouve algo e diz, ‘Ah, sim, quero que isso faça parte do trabalho final’”.

Uma resposta para aqueles que perguntam o que ocorreu antes do Big Bang é a afirmação de que isso não importa, já que trata-se de algo que não afeta o estado atual do universo. De acordo com a teoria conhecida como “inflação eterna”, lançada por Linde em 1986, aquilo que sabemos sobre o Big Bang é apenas uma parte, dentre várias, que formam uma reação em cadeia de big bangs, por meio da qual o universo se reproduz e se reinventa eternamente. “Qualquer ponto particular do universo pode morrer, e provavelmente morrerá, mas o universo, tomado como um todo, é imortal”, afirma Linde.

A teoria de Linde é uma modificação da teoria da inflação proposta em 1980 pelo físico Alan Guth. Ele considerou o que aconteceria se, quando o universo estivesse esfriando durante os seus primeiros momentos, marcados por um calor violento, um campo de energia, conhecido como Campo de Higgs, que interage com as partículas para lhes conferir massa, fosse, de alguma forma, incapaz de liberar a sua energia por um breve momento.

O físico concluiu que o espaço seria tomado por uma espécie de energia latente que empurraria o universo violentamente para todas as direções, dilacerando-o. Em um espaço de tempo infinitesimal, o universo dobraria de tamanho por cerca de sessenta vezes, até que o Campo de Higgs liberasse a sua energia e preenchesse o universo super-acelerado com partículas quentes. A partir daí começaria a história do Cosmo.

Os cosmologistas apreciam a teoria da inflação porque tal aceleração teria suavizado qualquer irregularidade gritante proveniente do cosmo primordial, deixando-o homogêneo e geometricamente achatado. Além do mais, a inflação teria permitido que o cosmo se expandisse a partir de uma quase nulidade, o que fez com que Guth apelidasse o universo de “a maior das bocas livres”.

Cálculos subseqüentes descartaram o Campo de Higgs como agente causador da inflação, mas existem outros candidatos que causariam o mesmo efeito. E o mais importante é que, de uma perspectiva “pré-Big Bang”, uma bolha inflacionária poderia ter criado outra, que por sua vez formaria uma outra. Na verdade, cada bolha seria um novo big bang, um novo universo com diferentes características e talvez até mesmo com diferentes dimensões. O nosso universo seria meramente um dentre vários.

“Caso se inicie, esse processo pode prosseguir para sempre”, explica Linde. “Ele pode ocorrer neste momento, em alguma parte do universo”.

O maior dos universos concebidos pela inflação eterna é tão inimaginavelmente grande, caótico e variado que a questão da sua origem se torna quase que irrelevante. Para cosmólogos como Guth e Linde, é isso exatamente que a teoria possui de mais atraente.

“A inflação caótica nos permite explicar o nosso mundo sem ter que assumir por exemplo que houve uma criação simultânea de todo o universo a partir do nada”, afirma Linde.

A despeito disso, a maior parte dos cosmologistas, incluindo Guth e Linde, concorda com a idéia de que o universo tenha se originado de algo, e que o nada não é o candidato principal para ser o ponto de partida do cosmo.

Como resultado, uma outra proposta popular entre os cosmologistas é a da teoria quântica. Segundo o princípio da incerteza de Heisenberg, um dos pilares desse mundo paradoxal, o espaço vazio nunca pode ser considerado como sendo realmente vazio. Partículas subatômicas são capazes de surgir e desaparecer a partir de campos energéticos. Por mais estranha que essa idéia possa parecer, os efeitos dessas flutuações quânticas foram observados em átomos. E flutuações similares ocorridas durante a inflação devem ter produzido as sementes em torno das quais as galáxias de hoje se formaram.

Poderia o universo, da mesma forma, ser o resultado de uma flutuação quântica ocorrida em alguma forma de “nada” primordial ou eterno? Talvez, como sugere Turner, “O nada seja instável”.

Os problemas filosóficos que afligem a mecânica quântica comum são amplificados pela chamada cosmologia quântica. Por exemplo, Linde aponta o problema do ovo e da galinha. O que surgiu primeiro: o universo ou a lei que o governa? Ou, conforme ele coloca a questão, “Se não havia uma lei, como foi que o universo surgiu?”.

Uma das primeiras tentativas para se imaginar o nada como a fonte de tudo ocorreu em 1965, quando John Wheeler e Bryce De Witt, que hoje trabalham na Universidade do Texas, escreveram uma equação que combinava a teoria da relatividade geral e a teoria quântica. Desde então, os cientistas teóricos têm discutido incessantemente essa equação.

A equação Wheeler-De Witt parece se referir àquilo que os físicos costumam chamar de “super-espaço”, uma espécie de agrupamento matemático de todos os universos possíveis. Aqueles que existem por apenas cinco minutos, antes de entrarem em colapso, formando buracos negros; os que são repletos de estrelas vermelhas, e que existem por toda a eternidade; aqueles cheios de vida; os que são completamente desertos; e aqueles nos quais as constantes físicas e talvez até o número de dimensões sejam diferentes daqueles do nosso universo.

Segundo a mecânica quântica comum, um elétron pode ser imaginado como estando distribuído por todo o espaço, até o momento em que é mensurado e observado, quando fica determinada a sua localização específica. Da mesma forma, o nosso universo também se distribuiria por todo o super-espaço, até que, de alguma forma, pudesse ser observado um sistema de qualidades e de leis. Isso dá margem a mais uma das grandes questões. Já que ninguém pode sair do universo, quem o estaria observando?

Wheeler sugere que uma resposta para essa questão seria afirmar que os observadores seríamos nós mesmos, agindo por meio de uma observação mecânica-quântica. Ele denomina esse processo de “gênese pela observação”.

“O passado é teoria”, escreveu o cientista. “Ele não possui existência, exceto nos registros do presente. Nós somos participantes, no nível microscópico, da confecção do passado, bem como do presente e do futuro”. De fato, a resposta de Wheeler para Santo Agostinho é que nós, coletivamente, somos Deus, e estamos incessantemente criando o universo.

Uma outra opção, que possui muitos adeptos entre os cosmologistas, é a chamada “interpretação dos vários mundos”, que afirma que todos esses possíveis universos realmente existem. Por acaso nós estaríamos vivendo em um universo cujos atributos seriam favoráveis à nossa existência.

Mas um outro mistério embutido na equação Wheeler-De Witt é o fato de ela não fazer menção ao tempo. No super-espaço, tudo ocorre uma vez e definitivamente, o que leva alguns físicos a questionar o papel do tempo nas leis fundamentais da natureza. No seu livro, “The End of Time” (O Fim do Tempo), cuja publicação foi feita de forma a coincidir com a passagem do milênio, Julian Barbour, um físico independente que foi aluno de Einstein na Inglaterra, argumenta que o universo consiste de uma pilha de momentos, como cartas de um baralho, que podem ser embaralhados e reembaralhados de forma arbitrária, de forma a fornecer a ilusão de que existe tempo e história.

O Big Bang seria apenas uma outra carta no baralho, juntamente com todos os outros momentos. Um passado eterno do universo. “A imortalidade está aqui”, escreve ele no livro. “A nossa tarefa é reconhece-la”.

Carlo Rovelli, um teórico especializado em gravidade quântica, da Universidade de Pittsburgh, afirma que a equação Wheeler-De Witt também não menciona o espaço, sugerindo que, tanto o espaço quanto o tempo podem ser os artefatos de algo mais profundo. “Se levarmos a sério a teoria da relatividade”, diz ele, “temos que aprender a fazer a abordagem da física sem espaço e sem tempo, na teoria fundamental”.

Embora admitindo que não são capazes de responder a essas questões filosóficas, alguns teóricos se comprometeram a tentar imaginar a criação quântica com um rigor matemático.

Alexander Vilenkin, físico da Universidade Tufts, em Somerville, Massachusetts, comparou o universo a uma panela de água fervente. Assim como acontece na água, somente bolhas de um determinado tamanho perduram e se expandem. As menores desaparecem. Assim, ao ser criado, o universo tem que saltar de um estado onde não há dimensão – um espaço de raio zero, “sem espaço e tempo” – para um outro onde o raio seja suficiente para que a inflação controle os acontecimentos, sem no entanto passar por estágios intermediários de tamanho. Um processo mecânico quântico conhecido como “tunneling”.

Stephen Hawking, o cosmologista da Universidade de Cambridge e autor de best-sellers, descartaria completamente a teoria do salto quântico. Nos últimos vinte anos, ele e os seus colaboradores têm trabalhado no que Hawking chama de “proposta sem limites”. “O limite do universo é o fato de ele não ter limites”, gosta de dizer o cosmologista.

Uma das chaves para a abordagem de Hawking é a substituição do tempo, nas suas equações, por um conceito matemático chamado de tempo imaginário. Essa técnica é normalmente utilizada nos cálculos relativos aos buracos negros e em certos campos da física de partículas, mas a sua aplicação à cosmologia é controversa.

O universo, até o momento da sua origem, é representado por um objeto matemático de forma cônica, conhecido como “instanton”, que possui quatro dimensões espaciais (com o formato aproximado de uma esfera amassada) ao final do Big Bang e que, a seguir, passa a existir no tempo real e começa a se inflacionar. “Na verdade, ele sofre uma espécie de explosão, formando um universo infinito”, diz Neil Turok, que também trabalha na Universidade de Cambridge. “Todos os eventos do futuro estão determinados. Tudo está implícito no instanton”.

Infelizmente, o significado físico do tempo imaginário não é claro. Além disso, essa abordagem termina por levar a um universo que é muito menos denso do que o real.

Mas qualquer progresso real em se discernir os detalhes do salto da eternidade para o tempo, segundo os cosmologistas, terá que esperar pela formulação de uma teoria unificada da gravidade quântica que obtenha êxito em conjugar a relatividade geral einsteiniana com a mecânica quântica. Duas visões do mundo, uma descrevendo o espaço-tempo, curvo e contínuo, e a outra um mundo descontínuo e aleatório. Essas duas escolas travam uma guerra matemática e filosófica há quase um século. Tal teoria seria capaz de lidar com o universo durante a fúria do Big Bang, quando até mesmo o espaço e o tempo teriam que se submeter ao princípio da incerteza, tornando-se aleatórios e descontínuos.

Nos últimos anos, vários físicos tem depositado as suas esperanças com relação à gravidade quântica na teoria das cordas, um esforço matemático em andamento que se constitui em um verdadeiro labirinto de idéias, tentando representar a natureza como sendo formada de pequenas cordas onduladas ou membranas vibrando em 10 ou 11 dimensões.

A princípio, a teoria das cordas poderia explicar todas as forças conhecidas (e desconhecidas) da natureza. Na prática, os adeptos da teoria das cordas admitem que até mesmo as suas equações são apenas aproximações. Os físicos que não são especialistas dessa área reclamam de que os efeitos da “física das cordas” ocorreriam em níveis de energia tão elevados que não há a menor esperanças de que se possa testa-los nos aceleradores de partículas atuais. Portanto, os teóricos estão se aventurando pelos campos da cosmologia, em parte porque esperam descobrir algum efeito observável.

O Big Bang é um alvo óbvio. Um mundo feito de pequenas voltas possui um tamanho mínimo. Ele não pode encolher de forma a ficar menor do que as voltas das cordas. Essa idéia foi proposta por Robert Brandenberger, em 1989. Segundo o cientista da Brown University, ao se usar equações de cordas para imaginar o espaço encolhendo e ficando menor do que determinada dimensão, o universo se comportaria como se estivesse aumentando de tamanho. “É como se ele estivesse saltitando, após um período de colapso”.

Segundo essa visão, o Big Bang estaria mais para uma transformação, como o gelo que se derrete, formando a água, do que para um nascimento. Linde afirma que “essa é uma idéia interessante, que deve ser explorada”. “Talvez houvesse espécies diferentes de espaço e de tempo antes do Big Bang. Talvez o universo seja eterno”, diz Linde. “Talvez ele apenas mude de fase. Será que ele é formado do Nada? Ou seria uma transição de fase? Essas perguntas se aproximam muito das questões religiosas”.

O trabalho do Brandenberger e Vafa também explica porque vemos apenas três das nove ou dez dimensões espaciais existentes, segundo a teoria das cordas. No início dos tempos as cordas poderiam se enrolar em volta do espaço e estrangular a maior parte das dimensões espaciais, impedindo-as de crescer.

Nos últimos anos, os estudiosos da teoria das cordas ficaram eufóricos devido à descoberta de que a teoria admite a existência de membranas de várias dimensões. Além do mais eles começaram a explorar a possibilidade de que pelo menos uma dessas dimensões extras exista em uma escala de pelo menos um milímetro, o que é uma enormidade em se tratando de física de cordas. Nessa nova cosmologia, o nosso mundo seria uma ilha tridimensional, ou uma membrana flutuando em um espaço de cinco dimensões, como se fosse uma folha de árvore boiando em um tanque de peixes. Outras membranas poderiam estar flutuando ao lado. Partículas como quarks e elétrons e forças como o eletromagnetismo estariam aprisionadas na membrana, mas a gravidade não. Portanto, esses mundos-membranas exerceriam atração gravitacional uns sobre os outros.

“A uma fração de milímetro de nós está um outro universo”, diz Linde. “Ele pode estar lá. Isso pode ser o fator determinante do universo em que vivemos”.

Esse outro universo poderia ocasionar, ele próprio, a criação, segundo várias teorias recentes. Uma delas, chamada de “Branefall”, foi desenvolvida em 1998 por Georgi Dvali, da Universidade de Nova York, e por Henry Tye, de Cornell. Nessa teoria, o universo emerge do seu estado quanticamente informe como um emaranhado de cordas e membranas frias e vazias. Se, no entanto, existir uma lacuna entre as membranas em algum ponto, elas começam a despencar em conjunto.

Segundo Dvali, cada membrana experimentaria o envolvente campo gravitacional das outras membranas como se fosse um campo energético do seu próprio espaço tridimensional e começaria a se inflacionar rapidamente, dobrando de tamanho por mais de mil vezes durante o período decorrido para que as membranas caíssem em conjunto. “Se houvesse pelo menos uma região na qual as membranas fossem paralelas, essas regiões iniciariam um enorme processo de expansão, enquanto que outras regiões iriam encolher e entrar em colapso”, afirma Dvali.

Quando as membranas finalmente colidissem, a sua energia seria liberada e o universo se aqueceria, enchendo-se de matéria e de calor, como ocorre com o Big Bang tradicional.

Nesta primavera, quatro físicos propuseram um tipo diferente de choque de membranas que, segundo eles, poderia eliminar a necessidade da inflação, a peça fundamental da teoria do Big Bang, há 20 anos. Paul Steinhardt, um dos pais da teoria da inflação, e o seu aluno, Justin Khoury, ambos de Princeton, Burt Ovrut, da Universidade da Pensilvânia e Turok, chamam isso de “universo ekpyrótico”, um termo derivado da palavra grega “ekpyrosis”, que denota a morte violenta e o renascimento do mundo, segundo a filosofia estóica.

O processo ekpirótico teria começado nas profundezas de um passado indefinido, com um par de membranas achatadas e vazias, paralelas, e localizadas em um espaço destorcido pentadimensional. Uma situação que, segundo eles, representa a solução mais simples para as equações de Einstein em uma versão avançada da teoria das cordas. Os autores acham que o fato de não terem assumido nenhum efeito extra, que já não exista na teoria, é um ponto que conta a seu favor. “Portanto, estamos propondo um modelo potencialmente realista de cosmologia”, escreveram eles em um trabalho.

As duas membranas, que formam paredes da quinta dimensão, poderiam surgir do nada, como uma flutuação quântica em um passado ainda mais distante, e depois se separarem.

Em determinado momento, talvez quando as membranas tivessem atingido uma distância crítica, uma terceira membrana poderia ter se destacado de outra e começado a cair em direção à nossa. Durante a sua longa jornada, as flutuações quânticas causariam ondulações na superfície da membrana, e essas ondas imprimiriam as sementes das futuras galáxias por toda a nossa membrana no momento da colisão. Steinhardt expôs essa teoria em uma conferência astronômica em Baltimore, em abril.

Nas semanas subseqüentes o universo ekpyrótico foi bastante discutido. Alguns cosmologistas, especialmente Linde, argumentaram que ao exigir membranas perfeitamente achatadas e paralelas, o universo ekpyrótico requer uma calibragem excessiva.

Em uma crítica, Linde e os seus colegas sugeriram uma modificação que chamaram de “universo pirotécnico”.

Steinhardt admite que o modelo ekpirótico começou a partir de uma condição muito específica, porém lógica. O importante, segundo ele, foi verificar se o universo poderia ter surgido a partir de um estado muito antigo e quase estável, “extremamente diferente do modelo inflacionário”. A resposta foi positiva. O seu colaborador, Turok, afirmou, além disso, que a inflação também requer uma calibragem para que possa ter produzido o universo moderno, e os físicos ainda não sabem qual foi o campo que realmente o criou.

“Até que tenhamos solucionado o problema da gravidade quântica e conectado a teoria das cordas com a física de partículas, nenhum de nós poderá cantar vitória”, afirma Turok.

Enquanto isso, Santo Agostinho dorme em paz.

Dennis  Overbye

~ por Fernando Cortes Leal em Março 26, 2009.