29.6: O universo inflacionário

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva duas propriedades importantes do universo que o modelo simples do Big Bang não consegue explicar
• Explique por que essas duas características do universo podem ser explicadas se houve um período de rápida expansão (inflação) do universo logo após o Big Bang
• Cite as quatro forças que controlam todos os processos físicos no universo

O modelo quente do Big Bang que estamos descrevendo é extremamente bem-sucedido. Ele explica a expansão do universo, explica as observações do CMB e prevê corretamente a abundância dos elementos de luz. Ao que parece, esse modelo também prevê que deve haver exatamente três tipos de neutrinos na natureza, e essa previsão foi confirmada por experimentos com aceleradores de alta energia. No entanto, ainda não podemos relaxar. Esse modelo padrão do universo não explica todas as observações que fizemos sobre o universo como um todo.

Problemas com o modelo padrão do Big Bang

Há uma série de características do universo que só podem ser explicadas considerando melhor o que poderia ter acontecido antes da emissão do CMB. Um problema com o modelo padrão do Big Bang é que ele não explica por que a densidade do universo é igual à densidade crítica. A densidade de massa poderia ter sido, afinal, tão baixa e os efeitos da energia escura tão altos que a expansão teria sido muito rápida para formar qualquer galáxia. Alternativamente, poderia ter havido tanta matéria que o universo já teria começado a se contrair muito antes de agora. Por que o universo está equilibrado com tanta precisão na ponta da faca da densidade crítica?

Outro quebra-cabeça é a notável uniformidade do universo. A temperatura do CMB é a mesma de cerca de 1 parte em 100.000 em todos os lugares que olhamos. Essa semelhança poderia ser esperada se todas as partes do universo visível estivessem em contato em algum momento e tivessem tempo de chegar à mesma temperatura. Da mesma forma, se colocarmos um pouco de gelo em um copo de água morna e esperarmos um pouco, o gelo derreterá e a água esfriará até a mesma temperatura.

No entanto, se aceitarmos o modelo padrão do Big Bang, todas as partes do universo visível não entraram em contato em nenhum momento. O mais rápido que a informação pode ir de um ponto a outro é a velocidade da luz. Há uma distância máxima que a luz pode ter percorrido de qualquer ponto desde o início do universo — essa é a distância que a luz poderia ter percorrido desde então. Essa distância é chamada de distância do horizonte desse ponto porque qualquer coisa mais distante está “abaixo do horizonte” — incapaz de entrar em contato com ela. Uma região do espaço separada por mais do que a distância do horizonte de outra foi completamente isolada dela ao longo de toda a história do universo.

Se medirmos o CMB em duas direções opostas no céu, estamos observando regiões que estavam significativamente além da distância do horizonte uma da outra no momento em que o CMB foi emitido. Podemos ver as duas regiões, mas elas nunca podem ter se visto. Por que, então, suas temperaturas são exatamente as mesmas? De acordo com o modelo padrão do Big Bang, eles nunca conseguiram trocar informações e não há razão para que tenham temperaturas idênticas. (É como ver as roupas que todos os alunos usam em duas escolas em diferentes partes do mundo se tornarem idênticas, sem que os alunos tenham entrado em contato.) A única explicação que poderíamos sugerir era simplesmente que o universo de alguma forma começou a ser absolutamente uniforme (o que é como dizer que todos os estudantes nasceram gostando das mesmas roupas). Os cientistas sempre se sentem desconfortáveis quando precisam recorrer a um conjunto especial de condições iniciais para explicar o que veem.

A hipótese inflacionária

Alguns físicos sugeriram que essas características fundamentais do cosmos — sua planicidade e uniformidade — podem ser explicadas se logo após o Big Bang (e antes da emissão do CMB), o universo experimentasse um aumento repentino de tamanho. Um universo modelo no qual essa expansão rápida e precoce ocorre é chamado de universo inflacionário. O universo inflacionário é idêntico ao universo do Big Bang em todos os tempos após os primeiros 10 a ³⁰ segundos. Antes disso, o modelo sugere que houve um breve período de expansão ou inflação extraordinariamente rápida, durante o qual a escala do universo aumentou em um fator de cerca de 1050 vezes mais do que o previsto pelos modelos padrão do Big Bang (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\) Expansão do Universo. Este gráfico mostra como o fator de escala do universo observável muda com o tempo para o modelo padrão do Big Bang (linha vermelha) e para o modelo inflacionário (linha azul). (Observe que a escala de tempo na parte inferior é extremamente comprimida.) Durante a inflação, regiões que eram muito pequenas e em contato umas com as outras são subitamente ampliadas para ficarem muito maiores e fora do horizonte uma da outra. Os dois modelos são sempre iguais após 10 a ³⁰ segundos.

Antes (e durante) a inflação, todas as partes do universo que agora podemos ver eram tão pequenas e próximas umas das outras que podiam trocar informações, ou seja, a distância do horizonte incluía todo o universo que agora podemos observar. Antes (e durante) a inflação, havia tempo adequado para que o universo observável se homogeneizasse e chegasse à mesma temperatura. Então, a inflação expandiu tremendamente essas regiões, de modo que muitas partes do universo estão agora além do horizonte umas das outras.

Outro apelo do modelo inflacionário é sua previsão de que a densidade do universo deve ser exatamente igual à densidade crítica. Para ver por que isso acontece, lembre-se de que a curvatura do espaço-tempo está intimamente ligada à densidade da matéria. Se o universo começasse com alguma curvatura de seu espaço-tempo, uma analogia para ele poderia ser a pele de um balão. O período de inflação foi equivalente a explodir o balão até um tamanho tremendo. O universo se tornou tão grande que, do nosso ponto de vista, nenhuma curvatura deveria ser visível (Figura\(\PageIndex{2}\)). Da mesma forma, a superfície da Terra é tão grande que parece plana para nós, não importa onde estejamos. Os cálculos mostram que um universo sem curvatura está em densidade crítica. Universos com densidades maiores ou menores que a densidade crítica mostrariam uma curvatura acentuada. Mas vimos que as observações do CMB, que mostram que o universo tem densidade crítica, descartam a possibilidade de que o espaço seja significativamente curvo.

Figura\(\PageIndex{2}\) Analogia da inflação. Durante um período de inflação rápida, um balão curvo cresce tanto que, para qualquer observador local, parece plano. A inserção mostra a geometria do ponto de vista da formiga.

Grandes teorias unificadas

Embora a inflação seja uma ideia intrigante e amplamente aceita pelos pesquisadores, não podemos observar diretamente eventos tão cedo no universo. As condições na época da inflação eram tão extremas que não podemos reproduzi-las em nossos laboratórios ou aceleradores de alta energia, mas os cientistas têm algumas ideias sobre como o universo poderia ter sido. Essas ideias são chamadas de “grandes teorias unificadas” ou GUTs.

Nos modelos GUT, as forças com as quais estamos familiarizados aqui na Terra, incluindo gravidade e eletromagnetismo, se comportaram de maneira muito diferente nas condições extremas do universo primitivo do que hoje. Na ciência física, o termo força é usado para descrever qualquer coisa que possa mudar o movimento de uma partícula ou corpo. Uma das descobertas notáveis da ciência moderna é que todos os processos físicos conhecidos podem ser descritos pela ação de apenas quatro forças: gravidade, eletromagnetismo, força nuclear forte e força nuclear fraca (Tabela\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): As forças da natureza

Força	Força relativa hoje	Alcance de ação	Aplicações importantes
Gravidade	1	Universo inteiro	Movimentos de planetas, estrelas, galáxias
Eletromagnetismo	10 ^36	Universo inteiro	Átomos, moléculas, eletricidade, campos magnéticos
Força nuclear fraca	10 ^33	10 ^a 17 metros	Decaimento radioativo
Força nuclear forte	10 ^38	10 ^a 15 metros	A existência de núcleos atômicos

A gravidade é talvez a força mais familiar e certamente parece forte se você pular de um prédio alto. No entanto, a força da gravidade entre duas partículas elementares — digamos, dois prótons — é de longe a mais fraca das quatro forças. O eletromagnetismo - que inclui forças magnéticas e elétricas, mantém os átomos juntos e produz a radiação eletromagnética que usamos para estudar o universo - é muito mais forte, como você pode ver na Figura\(\PageIndex{1}\). A força nuclear fraca só é fraca em comparação com sua “prima” forte, mas na verdade é muito mais forte que a gravidade.

Tanto as forças nucleares fracas quanto as fortes diferem das duas primeiras porque agem apenas em distâncias muito pequenas — aquelas comparáveis ao tamanho de um núcleo atômico ou menos. A força fraca está envolvida no decaimento radioativo e nas reações que resultam na produção de neutrinos. A força forte mantém prótons e nêutrons juntos em um núcleo atômico.

Os físicos se perguntam por que existem quatro forças no universo — por que não 300 ou, de preferência, apenas uma? Uma dica importante vem do nome força eletromagnética. Por muito tempo, os cientistas pensaram que as forças da eletricidade e do magnetismo estavam separadas, mas James Clerk Maxwell (veja o capítulo sobre Radiação e Espectros) foi capaz de unificar essas forças — para mostrar que elas são aspectos do mesmo fenômeno. Da mesma forma, muitos cientistas (incluindo Einstein) se perguntaram se as quatro forças que conhecemos agora também poderiam ser unificadas. Na verdade, os físicos desenvolveram GUTs que unificam três das quatro forças (mas não a gravidade).

Nessas teorias, as forças fortes, fracas e eletromagnéticas não são três forças independentes, mas sim manifestações ou aspectos diferentes do que é, de fato, uma única força. As teorias preveem que, em temperaturas suficientemente altas, haveria apenas uma força. Em temperaturas mais baixas (como as do universo de hoje), no entanto, essa força única se transformou em três forças diferentes (Figura\(\PageIndex{3}\)). Assim como diferentes gases ou líquidos congelam em temperaturas diferentes, podemos dizer que as diferentes forças “congelaram” da força unificada em diferentes temperaturas. Infelizmente, as temperaturas nas quais as três forças atuaram como uma só força são tão altas que não podem ser alcançadas em nenhum laboratório na Terra. Somente o universo primitivo, às vezes antes de 10 a ³⁵ segundos, era quente o suficiente para unificar essas forças.

Figura\(\PageIndex{3}\) Quatro Forças que Governam o Universo. O comportamento das quatro forças depende da temperatura do universo. Esse diagrama (inspirado em algumas grandes teorias unificadas) mostra que nos primeiros tempos, quando a temperatura do universo era muito alta, todas as quatro forças se assemelhavam umas às outras e eram indistinguíveis. À medida que o universo esfriava, as forças assumiram características distintas e distintas.

Muitos físicos acham que a gravidade também foi unificada com as outras três forças em temperaturas ainda mais altas, e os cientistas tentaram desenvolver uma teoria que combina todas as quatro forças. Por exemplo, na teoria das cordas, as partículas pontuais da matéria que discutimos neste livro são substituídas por objetos unidimensionais chamados cordas. Nessa teoria, cordas infinitesimais, que têm comprimento, mas não altura ou largura, são os blocos de construção usados para construir todas as formas de matéria e energia no universo. Essas cordas existem no espaço de 11 dimensões (não no espaço-tempo de 4 dimensões com o qual estamos familiarizados). As cordas vibram nas várias dimensões e, dependendo de como vibram, são vistas em nosso mundo como matéria, gravidade ou luz. Como você pode imaginar, a matemática da teoria das cordas é muito complexa e a teoria permanece sem ser testada por experimentos. Mesmo os maiores aceleradores de partículas da Terra não alcançam energia alta o suficiente para mostrar se a teoria das cordas se aplica ao mundo real.

A teoria das cordas é interessante para os cientistas porque atualmente é a única abordagem que parece ter o potencial de combinar todas as quatro forças para produzir o que os físicos chamaram de “Teoria de Tudo”. ¹ As teorias das primeiras fases do universo devem levar em consideração a mecânica quântica e a gravidade, mas no nível mais simples, a gravidade e a mecânica quântica são incompatíveis. A relatividade geral, nossa melhor teoria da gravidade, diz que os movimentos dos objetos podem ser previstos com exatidão. A mecânica quântica diz que você só pode calcular a probabilidade (chance) de que um objeto faça alguma coisa. A teoria das cordas é uma tentativa de resolver esse paradoxo. A matemática que sustenta a teoria das cordas é elegante e bonita, mas resta saber se ela fará previsões que possam ser testadas por observações em aceleradores de alta energia ainda a serem desenvolvidos na Terra ou por observações do universo primitivo.

O período mais antigo da história do universo, do tempo zero ao ^10-43 segundos, é chamado de tempo de Planck. O universo era inimaginavelmente quente e denso, e os teóricos acreditam que, nessa época, os efeitos quânticos da gravidade dominavam as interações físicas — e, como acabamos de discutir, não temos uma teoria testada da gravidade quântica. Supõe-se que a inflação tenha ocorrido um pouco mais tarde, quando o universo tinha talvez entre 10 ^{—35 e 10 —33} segundos e a temperatura era de 10 ²⁷ a 10 ²⁸ K. Essa rápida expansão ocorreu quando três forças (eletromagnéticas, fortes e fracas) são acredita-se que tenham sido unificados, e é quando os GUTs são aplicáveis.

Depois da inflação, o universo continuou a se expandir (mas mais lentamente) e a esfriar. Um marco importante foi alcançado quando a temperatura caiu para 10 ¹⁵ K e o universo tinha 10 a ¹⁰ segundos de idade. Sob essas condições, todas as quatro forças eram separadas e distintas. Os aceleradores de partículas de alta energia podem atingir condições semelhantes e, portanto, as teorias da história do universo a partir desse ponto têm uma base sólida em experimentos.

Até o momento, não temos evidências diretas de quais eram as condições durante a época inflacionária, e as ideias apresentadas aqui são especulativas. Os pesquisadores estão tentando elaborar alguns testes experimentais. Por exemplo, as flutuações quânticas no universo primitivo teriam causado variações na densidade e produzido ondas gravitacionais que podem ter deixado uma marca detectável no CMB. A detecção dessa impressão exigirá observações com equipamentos cuja sensibilidade seja aprimorada em relação à que temos hoje. Em última análise, no entanto, pode fornecer a confirmação de que vivemos em um universo que já passou por uma época de inflação rápida.

Se você é típico dos estudantes que lêem este livro, pode ter achado essa breve discussão sobre matéria escura, inflação e cosmologia um pouco frustrante. Oferecemos vislumbres de teorias e observações, mas levantamos mais perguntas do que respondemos. O que é matéria escura? O que é energia escura? A inflação explica as observações de planicidade e uniformidade da universidade, mas isso realmente aconteceu? Essas ideias estão na vanguarda da ciência moderna, onde o progresso quase sempre leva a novos quebra-cabeças, e muito mais trabalho é necessário antes que possamos ver com clareza. Lembre-se de que menos de um século se passou desde que o Hubble demonstrou a existência de outras galáxias. A busca para entender como o universo das galáxias surgiu manterá os astrônomos ocupados por muito tempo.

Resumo

O modelo Big Bang não explica por que o CMB tem a mesma temperatura em todas as direções. Também não explica por que a densidade do universo está tão próxima da densidade crítica. Essas observações podem ser explicadas se o universo passou por um período de rápida expansão, que os cientistas chamam de inflação, cerca de 10 a ³⁵ segundos após o Big Bang. Novas grandes teorias unificadas (GUTs) estão sendo desenvolvidas para descrever os processos físicos no universo antes e na época em que a inflação ocorreu.

Notas de pé

³ Esse nome se tornou o título de um filme sobre o físico Stephen Hawking em 2014.

Glossário

grandes teorias unificadas

(GUTs) teorias físicas que tentam descrever as quatro forças da natureza como diferentes manifestações de uma única força

universo inflacionário

uma teoria da cosmologia na qual se presume que o universo tenha passado por uma fase de expansão muito rápida quando o universo tinha cerca de 10 a 35 segundos de idade; após esse período de rápida expansão, o Big Bang padrão e os modelos inflacionários são idênticos