Dias antes de sua morte em 14 de março, O famoso físico teórico e cosmologista Stephen Hawking concluiu o que seria seu trabalho final de pesquisa. Inicialmente disponibilizado através do serviço de pré-impressão arXiv, passou na revisão por pares e foi publicado online no Journal of High Energy Physics em 27 de abril.

Escrito com o co-autor Thomas Hertog, um físico teórico da Universidade de Leuven, Bélgica, o artigo acrescenta outra faceta à compreensão do universo em que vivemos. Nem é preciso dizer que é complicado. Intitulado "Uma saída suave da inflação eterna?" a publicação discute um problema enigmático que os cosmologistas enfrentam.

Mas antes de nos aprofundarmos no ponto crucial do estudo, vamos voltar a quando nosso universo era um bebê - cerca de 13,8 bilhões de anos atrás.

Big Bang e inflação

Muitas evidências sugerem que nosso universo se originou de uma singularidade, um ponto infinitamente denso onde todo o universo como o conhecemos nasceu. Chamamos esse evento de Big Bang. Mas como a singularidade surgiu e por que o Big Bang aconteceu não é motivo de preocupação agora. Estamos interessados ​​no que aconteceu imediatamente depois que nosso universo foi gerado, um período conhecido como "inflação".

Os cosmologistas prevêem que a inflação ocorreu ao longo de um período quase inexistente logo após o Big Bang - ou durante os primeiros 10 ^-32 segundos! Durante a inflação, o universo se expandiu exponencialmente e muito mais rápido do que a velocidade da luz. Depois de apenas um segundo, a energia desta explosão inconcebivelmente gigantesca condensou-se para formar as partículas subatômicas que, ao longo de milhões de anos, criou as estrelas, galáxias, planetas e (após 3,8 bilhões de anos) vida. Uma vez que este período inflacionário terminou, a taxa de expansão do universo diminuiu, mas continua a se expandir até hoje.

Como a inflação impulsionou uma expansão mais rápida do que a da luz, o "universo observável" que vemos hoje não é o inteira universo. Em vez disso, apenas existimos dentro de uma região do cosmos que a luz teve tempo de alcançar. É como jogar uma pedra em uma piscina tranquila. A primeira ondulação circular a se propagar a partir do respingo viaja a uma velocidade fixa pela superfície da piscina. Se imaginarmos que o limite do nosso universo observável é essa ondulação - viajando através da piscina à velocidade da luz - não é que nada exista além dessa ondulação (há muito mais piscina, ou universo, além disso), nós simplesmente não podemos ver isso ainda.

Então, a consequência da inflação é que deveria haver MUITO mais universo além do que podemos ver com nossos telescópios mais poderosos.

Entre no Multiverso

Cosmologistas há muito lutam com a possibilidade de que nosso universo não seja o só universo. Na verdade, poderíamos ser nada mais do que uma única bolha em um infinito, oceano espumoso, um conceito conhecido como "multiverso". Você vê, a inflação não aconteceu uma vez; Está sempre acontecendo por meio de alguma reação em cadeia infinitamente vasta conhecida como "inflação eterna". Um universo aparecerá, a inflação vai assumir, expandindo esse universo, e esse universo terá suas próprias instabilidades quânticas que irão gerar mais singularidades que irão criar mais universos. É como explodir um balão de festa que, por si só, gera muitos outros balões de festa que explodem de sua superfície de borracha aparentemente ao acaso. Esta situação parece caótica, e isso é. Os defensores desta hipótese pensam que a inflação eterna é imparável, vastamente complexos e gerando continuamente novos universos. A matemática dessa situação sugere que o multiverso age como um fractal.

É importante notar que cada universo sucessivo no multiverso provavelmente não compartilha a mesma física que nosso universo. Um universo pode não ter gravidade. Outro pode não apoiar as forças que mantêm a matéria unida. Existem muitos universos natimortos que simplesmente não significam muito. Nós, humanos, simplesmente temos sorte de ter um universo que tem o ambiente certo para criar o que vemos, um argumento filosófico conhecido como princípio antrópico.

O problema com a inflação eterna é que ela é confusa e infinita, e a hipótese é, em última análise, não testável. De que adianta ter um modelo matemático maravilhoso para o universo (ou universos) se não podemos pelo menos encontrar alguma evidência observacional que apóie a hipótese do multiverso?

Hawking não era um fã do multiverso

Então, o que a pesquisa de Hawking e Hertog tem a ver com este multiverso implacável?

No multiverso, nosso universo é apenas um universo de bolso onde a inflação acabou, e, apesar das probabilidades, ele encontrou a calma para criar uma abundância de estrelas e galáxias e um bando de humanos vivendo em alguma rocha aleatória refletindo sobre o cosmos. O que está acontecendo além do nosso bolso de calma é, Contudo, um pouco diferente.

"A teoria usual da inflação eterna prevê que, globalmente, nosso universo é como um fractal infinito, com um mosaico de diferentes universos de bolso, separados por um oceano inflando, "disse Hawking em uma entrevista no ano passado." As leis locais da física e da química podem diferir de um universo de bolso para outro, que juntos formariam um multiverso. Mas eu nunca fui um fã do multiverso. Se a escala dos diferentes universos no multiverso é grande ou infinita, a teoria não pode ser testada. "

O problema, de acordo com Hawking e Hertog, reside na incompatibilidade da relatividade geral de Einstein (que governa a evolução do universo) e da mecânica quântica (que semeia a criação de novos universos por meio de flutuações quânticas). O modelo de inflação eterna do multiverso "elimina a separação entre a física clássica e quântica, "Hertog disse no comunicado de imprensa que o acompanha." Como consequência, A teoria de Einstein desmorona na inflação eterna. "

Seu estudo não vai tão longe a ponto de reconciliar a relatividade geral com a física quântica (uma busca que tem, até aqui, sem sucesso), mas eles usam a matemática da teoria das cordas para ajudar a simplificar o modelo do multiverso. Recapitulação rápida:a teoria das cordas prevê que todas as partículas subatômicas em nosso universo são na verdade compostas de cordas unidimensionais que se propagam através do espaço. O estado vibracional dessas cordas é o que dá a essas partículas seu estado quântico (como carga, rotação e massa). Mas a teoria das cordas também prevê a existência do gráviton hipotético, uma partícula quântica que carrega a força da gravidade. A teoria das cordas, portanto, forneceria uma explicação de como a relatividade geral (gravidade) de Einstein combina com a física quântica.

Usando a estrutura matemática da teoria das cordas, este estudo simplifica o multiverso. Hawking e Hertog usaram o conceito de holografia da teoria das cordas para reduzir nosso universo tridimensional a uma "superfície bidimensional", "a partir do qual o universo que conhecemos e amamos é projetado. Ao fazer isso, eles foram capazes de descrever a inflação eterna sem relatividade geral, criando um "estado atemporal".

"Quando rastreamos a evolução do nosso universo para trás no tempo, em algum ponto chegamos ao limiar da inflação eterna, onde nossa noção familiar de tempo deixa de ter qualquer significado, "disse Hertog em um comunicado.

A matemática é complexa, mas o resultado é interessante. Os cálculos têm o efeito de transformar o multiverso infinito e fractal em uma situação muito mais simples (e finita) do que a inflação eterna prevê.

"Não estamos reduzidos a um único, universo único, mas nossas descobertas implicam em uma redução significativa do multiverso, a uma gama muito menor de universos possíveis, "disse Hawking.

Como o testamos?

Para colocar em perspectiva, O artigo final de Hawking não revoluciona nossa compreensão de como o universo (e, na verdade, o multiverso) funciona, mas é uma adição valiosa a um enorme campo de trabalho teórico. Especificamente, Hertog espera que este estudo possa nos ajudar na busca por ondas gravitacionais antigas que foram geradas pela inflação eterna. Essas ondulações no espaço-tempo são muito fracas para os detectores de ondas gravitacionais atuais detectarem, Contudo. Teríamos de esperar até que os observatórios avançados baseados no espaço - como a planejada missão LISA da Agência Espacial Européia - sejam lançados.

Independentemente de este estudo levar a descobertas inovadoras sobre o cosmos em que vivemos, é um testamento a um grande cientista que trabalhou incansavelmente toda a sua vida para responder a algumas das maiores questões que a humanidade tem ponderado. E nos ombros de Hawking, outras grandes mentes irão construir sobre este trabalho para decifrar se nosso universo é único - ou se é uma bolha caoticamente flutuando no oceano do multiverso.

O estudante de pós-graduação da Universidade de Princeton, de 27 anos, chamado Hugh Everett III, que fez um brainstorming do conceito de multiverso, inicialmente teve problemas para publicar sua ideia maluca.