Os cosmólogos mostraram que é teoricamente possível que um universo em contração salte e se expanda. O novo trabalho ressuscita uma velha ideia que desafia diretamente a teoria do Big Bang sobre as origens cósmicas.
Os humanos sempre tiveram duas teorias básicas sobre a origem do universo. “Numa delas, o universo emerge em um único instante de criação (como nas cosmogonias judaico-cristã e brasileira de Carajás)”, observaram em 2008 os cosmólogos Mario Novello e Santiago Perez-Bergliaffa . Na outra, “o universo é eterno, consistindo de uma série de ciclos (como nas cosmogonias dos babilônios e egípcios)”. A divisão na cosmologia moderna “de alguma forma é paralela à dos mitos cosmogônicos”, escrevem Novello e Perez-Bergliaffa.
Nas últimas décadas, não parecia uma grande competição. A teoria do Big Bang, material padrão de livros didáticos e programas de televisão, goza de forte apoio entre os cosmologistas de hoje. A imagem do universo eterno rival teve a vantagem há um século, mas perdeu terreno quando os astrônomos observaram que o cosmos está se expandindo e que era pequeno e simples há cerca de 14 bilhões de anos. Na versão mais popular da teoria, o Big Bang começou com um episódio “ inflação cósmica ” – durante uma explosão moderna de expansão exponencial que se transformou em um cosmos macro, que se expandiu mais. . suavemente em seguida.
Com um único ingrediente inicial (o “campo inflaton”), os modelos inflacionários reproduzem muitas características gerais do cosmos hoje. Mas como história de origem, inflação; Sobre as questões sobre o que o precedeu e de onde veio aquele ponto inicial carregado de inflação. Implacáveis, muitos teóricos pensam que o campo do inflaton deve se encaixar naturalmente em uma teoria mais completa, embora ainda desconhecida, da origem do tempo.
Mas nos últimos anos, um número crescente de cosmólogos revisitou cautelosamente a alternativa. Eles dizem que o Big Bang pode ter sido um Big Bounce. Alguns cosmólogos uma imagem em que o universo se expande e se contrai cicl como o cosmos relevante, saltando cada vez que leva até um certo tamanho, outros envios que o salto estava enquanto ou uma vez – que estava saltando enquanto ou uma vez – o que estava sendo contraindo, antes do, apenas, desde o cosmos infinito. passado, e que se expandirá para sempre depois. Em qualquer modelo, o tempo continua no passado e no futuro sem fim.
Já, vários grupos estão fazendo progresso ao mesmo tempo. Mais significativamente no ano passado, quais são os saltos físicos que podem ocorrer duas novas maneiras. Um dos modelos , descrito em um artigo que aparecerá no Journal of Cosmology and Physics , vem de Anna Ijjas , da Universidade de Columbia, estendendo o trabalho anterior com seu ex-orientador, o professor de Princeton e cosmólogo de salto de alto perfil Paul Steinhardt . Mais surpreendentemente, uma nova solução de proposta aceita , aceita para publicação Physical Review D , foi por Peter Graham , David Kaplan, David Kaplane Surjeet Rajendran , um conhecido trio de colaboradores que se concentra principalmente em questões de física de partícula e não tem nenhuma conexão anterior com a comunidade de cosmologia de salto. É um desenvolvimento notável em um campo que é altamente polarizado na questão do estrondo versus o ressalto.
A questão excepcional ganhou significado renovado em 2001, quando Steinhardt e três cosmólogos argumentaram que um período de contração lenta na história do universo poderia explicar outros suavidade e nivelamento, como sua testemunhamos hoje, mesmo após um salto – sem necessidade de um período. da inflação.
A planicidade do universo, o fato de que nenhuma região é significativamente mais matéria e que o é incrivelmente plano até do céu onde todos os espaços são relevantes. Para corresponder à sua uniformidade atual, os especialistas em se oferecerem que o cosmos tenha um centímetro de diâmetro, deve ter a mesma densidade em todos os lugares, com uma precisão de uma parte em 100.000. Mas medida que crescia de tamanho ainda menor, matéria à medida e um tamanho planejado para se agrupar precisamente o espaço-tempo. Por que nossa gravidade não vê um universo destruído?
Foto de Anna Ijjasn Revista Olena Shmahalo/Quanta Anna Ijjas, cosmóloga teórica da Universidade de Columbia.
“A tão conhecido como Neil Turo pela ideia de que era loucura ter aprendido que o universo era liso e não curvo”, disse o cosmos , diretor do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Ontário, e coautor do livro do artigo de 2001 sobre a contração cósmica com Steinhardt, Justin Khoury e Burt Ovrut . No cenário de inflação, a região do tamanho do centímetro resulta da expansão exponencial de uma região muito menor – uma partícula inicial medindo não mais do que um trilionésimo de um trilionésimo de centímetro de diâmetro.Contanto que esse ponto fosse infundido com um campo de inflação que fosse liso e plano, o que significa que sua concentração de energia não flutuaria no tempo ou no espaço, o ponto teria inflado em um universo enorme e suave como o nosso. Raman Sundrum , um físico teórico, disse que o que ele aprecia na inflação é que “ela tem uma espécie de tolerância a falhas embutida”. Se inflado rapidamente, teríamos um crescimento de energia que o tempo de crescimento em um lugar determinado, a concentração inflado rapidamente. “Você faz pequenas mudanças em relação ao que vê nos dados e vê o comportamento ao comportamento que os dados fornecem”, disse Sundrum.
No entanto, de onde exatamente esse ponto infinitesimal veio, e por que ele tão liso e plano, ficou sabendo. Os teóricos de uma variedade de hipóteses possíveis de incorporar o campo inflaton na teoria das cordas , uma hipótese quântica da subjacente. Até agora, não há provas a favor ou contra ideias.
A inflação cósmica também tem uma consequência controversa. A teoria – que foi pioneira na espuma de 1980 por Alan Guth , Andrei Linde década , Aleksei Starobinsky e (de todas as pessoas) Steinhardt, quase automaticamente leva à hipótese de que nosso universo é uma bolha aleatória em um multiverso infinito emar. Uma vez que a inflação começa, apenas os nossos locais descobriram que ela continua para sempre, que florescem em universos de bolhas então como o. Possibilidade de um multi inflado em particular pode nunca acontecer em nossa infinita bolsa em seus próprios termos, já que tudo o que pode acontecer em um número infinito de vezes. O assunto desacordo visceral entre os especialistas. Muitos se reconciliam com a ideia de que nosso universo poderia ser apenas um entre muitos; Steinhardt chama o multiverso de “bobagem”.
Esse sentimento motivou, em parte, a reviravolta dele e de outros pesquisadores. "Os modelos saltitantes não têm um período de inflação", disse Turok. Em vez disso, eles adicionam um período de contração antes de um Big Bounce para explicar nosso universo uniforme. Assim como o gás na sala em que você está sentado está completamente equilibrado, porque você está se equilibrando muito e se está contra o uniforme, se o universo vai muito lentamente, isso suavizar muito o tempo para o universo. -se.”
Embora os primeiros modelos de universo em contração sejam complicados e falhos, muitas pesquisas se tornam a ideia básica de que uma contração lenta pode ser muitas características do nosso universo em expansão. “Então o gargalo se tornou literalmente o gargalo – o próprio salto”, disse Steinhardt. Como disse Ijjas, “o salto tem sido o ponto alto para esses cenários. As pessoas concordam que é muito interessante se você puder fazer uma fase de contração, mas não se você não chegar a uma fase de expansão.”
Saltar não é fácil. Na densa de energia de 960, os físicos Stephen Hawk britânicos Roger Penrose um conjunto dos singularidade chamado “teoreore da singularidade” chamado de energia, sob condições muito gerais e em contração, se esmagarão em um ponto imensuravelmente imensuravelmente. “Dificuldades imaginárias como um espaço, matéria e contração, sem qual espaço-tempo para dentro pode ser possível ou até mesmo com uma teoria distinta da gravidade e do contraste de Albert Einstein, que há uma teoria clássica da gravidade e do contratempo de Albert Einstein. romper. para baixo e como desconhecidas da teoria da gravidade quântica .Por que um universo em contração não deveria ter o mesmo destino de uma estrela massiva, que continua operando para o centro singular de um negro ?
Ambos os modelos de rejeição recém-propostos exploram brechas nos teoremas da singularidade – aqueles que, por muitos anos, parecem ter sido considerados sem saída. Os cosmólogos do salto reconhecem muito que os saltos podem ser possíveis se o universo contiver uma substância com energia negativa (ou outras fontes de pressão negativa), que a gravidade a gravidade e essencialmente separaria tudo. Eles tentambrecha desde o dos anos 2, mas semper início, porque tornam negativa a adição de ingredientes de energia, início sem início, como negativa, a adição de ingredientes de energia, início de início, como negativa, de ingredientes de energia, início, como negativa, de energia positiva e de poder negativo em juntas, inicialmente, de energia positiva e negativo, de flutuações, juntas, inicialmente, controle, de flutuação, de flutuação. de energia zero do espaço. Em 2016, o cosmólogo russo Valery Rubakov e seus colegas atéprovaram teorema de “não ir” pareciar uma enorme classe de mecanismos de rejeição, alegando que eles são descartados como instabilidades “fantasmas”.
Então Ijja encontrou um mecanismo de rejeição que evita o seu teorema. O-chave em seu modelo uma entidade simples chamada “campo escalar”, de acordo com uma ideia, entrado em ação à medida que o universo se e a energia se torna que é altamente concentrado, em todos os ingredientes. O campo escalar teria se entrelaçado ao campo gravitacional de uma forma que exerceu pressão negativa sobre o universo, revertendo a contração e separando o espaço-tempo — sem desestabilizar tudo. O artigo de Ijjas “é essencialmente o tipo de melhor tentativa de se livrar de Jeans e criar um modelo realmente estável com esse material especial”, disse -Luc Lehners, teórico teórico do Instituto Maxck de Física na Alemanha, que também colaborou em propostas de rejeição.
O que é especialmente interessante para os dois novos modelos de salto é que eles são dois-singulares novamente”, que significa que a contração de sal antes não é interessante de começar a começar a um ponto de expansão. Esses saltos são descritos em todas as suas características clássicas, da gravidade, não quânticas sobre a gravidade da gravidade.
Graham, Kaplan e Rajendran, da Universidade de Stanford, da Universidade John e da Universidade da Califórnia Hopkins, em Berkeley, respectivamente, sua ideia de rejeição singular no site de pré-impressão científica arxiv.org em setembro 2017. Eles encontraram o caminho depois de se perguntarem se a fase de contração anterior na história do universo poderia ser usada para explicar o valor da cosmológica – um número mistificatificamente energia em uma área de energia que define uma quantidade de energia protegida constantemente no tecido do tempo-tempo que impulsiona a expansão acelerada do universo. universo.
Ao resolver a parte mais difícil – o salto – o trio explorou uma segunda brecha ampla esquecida nos teoremas da singularidade. Eles se tornaram um modelo caracteristicamente inspirador do universo proposto pelo lógico Kurt Gödel em 1949, quando ele e Einstein eram companheiros de caminhada e colegas do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, Nova Jersey. Gödel construiu as leis da relatividade geral para a teoria de um universo rotação em, cuja força o impede de colapsar gravitacionalmente da mesma forma que a órbita da Terra o impediria de cair no sol. Gödel agradou especialmente o fato de que seu universo giratório permite “temporais fechados”, essencialmente, loops no tempo, que levantam todos os tipos de enigmas gödelianos. Até o dia de sua morte,ele esperou ansiosamente por provas de que o universo realmente gira à maneira de seu modelo. Os pesquisadores agora sabem que não; caso contrário, os cosmos planejados e os preferenciais. Mas Graham companhia e se perguntavam sobre as dimensões espaciais e enroladas que poderiam existir espaço, como as dimensões extras postuladas teoria das cordas. Um universo em contração deve funcionar?
Imagine que há apenas uma dessas dimensões extras enroladas, um pequeno círculo encontrado em todos os pontos do espaço. Como Graham disse: “Em cada ponto no espaço há uma direção extra em que você pode ir, uma quarta direção espacial, mas você só pode percorrer uma pequena distância e depois voltar para onde começou”. Se houver pelo menos três dimensões compactas extras, então, à medida que o universo se contrair, a matéria e a energia podem começar a girar dentro delas, e as próprias dimensões vão girar com a matéria e a energia. A vorticidade nas dimensões extras pode de repente iniciar um salto. “Todas essas coisas que estariam se transformando em uma singularidade, porque estão girando nas dimensões extras, erra – como um estilingue gravitacional”, disse Graham. “Todas as coisas deveriam estar chegando a um único ponto,
O artigo atraiu a atenção para além do círculo habitual de cosmólogos saltitantes. Sean Carroll , físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, é cético, mas chamou a ideia de “muito inteligente”. Ele disse que é importante desenvolver alternativas para a história da inflação convencional, mesmo que seja apenas para ver o quanto a inflação parece melhor em comparação - especialmente quando os telescópios da próxima geração ficam online no início de 2020 procurando o padrão de redemoinho revelador no céucausados pela inflação. “Embora eu ache que a inflação tem uma boa chance de estar certa, gostaria que houvesse mais concorrentes”, disse Carroll. Sundrum, o físico de Maryland, sentiu o mesmo. “Há algumas questões que considero tão importantes que, mesmo que você tenha apenas 5% de chance de sucesso, deve jogar tudo o que tem e trabalhar nelas”, disse ele. “E é assim que me sinto sobre este papel.”
Enquanto Graham, Kaplan e Rajendran exploram seu salto e suas possíveis assinaturas experimentais, o próximo passo para Ijjas e Steinhardt, trabalhando com Frans Pretorius de Princeton, é desenvolver simulações de computador. (Sua colaboração é apoiada pela Simons Foundation , que também financia a Quanta Magazine .) Ambos os mecanismos de rejeição também precisam ser integrados em modelos cosmológicos mais completos e estáveis que descreveriam toda a história evolutiva do universo.
Além dessas soluções de saltos não singulares, outros pesquisadores estão especulando sobre que tipo de salto pode ocorrer quando um universo se contrai até uma singularidade – um salto orquestrado pelas leis quânticas desconhecidas da gravidade, que substituem a compreensão usual de espaço e tempo em energias extremamente altas. No próximo trabalho, Turok e colaboradores planejam propor um modelo no qual o universo se expande simetricamente no passado e no futuro, longe de um salto central e singular. Turok afirma que a existência deste universo de dois lóbulos é equivalente à criação espontânea de pares elétron-pósitron, que constantemente entram e saem do vácuo. “Richard Feynman apontou que você pode olhar para o pósitron como um elétron voltando no tempo”, disse ele. “São duas partículas, mas na verdade são a mesma coisa; em um determinado momento eles se fundem e se aniquilam.” Ele acrescentou: “A ideia é muito, muito profunda, e muito provavelmente o Big Bang será semelhante, onde um universo e seu anti-universo foram desenhados do nada, se você quiser, pela presença de matéria. .”
Resta saber se esse modelo de salto universo/anti-universo pode acomodar todas as observações do cosmos, mas Turok gosta de como é simples. A maioria dos modelos cosmológicos são muito complicados em sua opinião. O universo “parece extremamente ordenado, simétrico e simples”, disse ele. “Isso é muito emocionante para os teóricos, porque nos diz que pode haver uma teoria simples – mesmo que difícil de descobrir – esperando para ser descoberta, o que pode explicar as características mais paradoxais do universo.”
Revista Quanta Por Natalie Wolchover
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