É a questão mais fundamental da cosmologia: Como começou o universo?
A pergunta pressupõe que o universo teve um ponto de partida real, mas mais vale assumir que o universo sempre foi e sempre será. Nesse caso, não haveria qualquer começo – apenas uma história em constante evolução da qual estamos a vislumbrar um mero vislumbre.
“Temos muito boas provas de que houve um Big Bang, por isso o universo, tal como o conhecemos, começou quase certamente há cerca de 14 mil milhões de anos. Mas foi esse o início absoluto, ou havia algo antes?” pergunta Alexander Vilenkin, um cosmólogo da Universidade Tufts, perto de Boston. Parece ser o tipo de pergunta que nunca pode ser verdadeiramente respondida porque cada vez que alguém propõe uma solução, outra pessoa pode continuar a fazer a pergunta irritante: O que aconteceu antes disso?
Mas agora Vilenkin diz que tem em mãos provas convincentes: O universo teve um começo distinto – embora ele não consiga identificar o tempo. Após 35 anos de olhar para trás, diz ele, descobriu que antes do nosso universo não havia nada, nada mesmo, nem mesmo o próprio tempo.
Durante a sua carreira, incluindo os mais de 20 anos que dirigiu o Tufts Institute of Cosmology, Vilenkin emitiu uma série de ideias selvagens e deslumbrantes, embora de fora ele não pareça selvagem nem deslumbrante. O professor de 64 anos de idade é de fala mansa, aparada e de construção modesta. Veste-se de forma limpa, em tons neutros e discretos, que não lhe chamam a atenção.
Apesar de uma maneira discreta que beira o subjugado, Vilenkin é uma força criativa que tem encontrado continuamente formas de perfurar o nevoeiro que envolve alguns dos mais densos dilemas imagináveis – triunfos que lhe valeram o respeito de estudiosos de todo o mundo. “Alex é um pensador muito original e profundo que deu importantes e profundas contribuições às nossas noções sobre a criação do universo”, diz o cosmólogo Andrei Linde, de Stanford.
P>Já esta brilhante carreira talvez nunca tivesse acontecido. Nascido na União Soviética em 1949 e criado na cidade ucraniana de Kharkiv, Vilenkin ficou viciado em cosmologia no liceu, depois de ler sobre o Big Bang num livro de Sir Arthur Eddington. Essa “obsessão” sobre as origens do universo, diz Vilenkin, “nunca me abandonou”. Senti que se pudesse trabalhar nesta questão, que pode ser a mais intrigante de todas, porque escolheria trabalhar em qualquer outra coisa?”
Como licenciado na Universidade Nacional de Kharkiv, Vilenkin diz ter sido aconselhado a “fazer alguma física real” em vez de prosseguir o seu primeiro amor, a cosmologia. Embora fosse um excelente estudante, não conseguiu entrar em nenhum programa de pós-graduação em física porque, suspeita, a KGB colocou-o na lista negra por se recusar a tornar-se um informador do governo. Em vez disso, Vilenkin foi forçado a aceitar uma série de empregos mundanos. Durante algum tempo, deu aulas nocturnas para adultos, mas deixou essa posição porque as suas responsabilidades incluíam ir às casas dos ausentes, muitos dos quais eram alcoólicos, para tentar arrastá-los para a escola – uma tarefa pouco invejável.
Foi guarda nocturno durante cerca de um ano e meio, incluindo uma estadia no Jardim Zoológico de Kharkiv. Para proteger os animais (que por vezes eram caçados por comida), foi-lhe dada uma espingarda que ele não sabia usar e felizmente nunca teve de disparar. Quando teve tempo durante essas longas noites, Vilenkin estudou física, uma avocação que incluía a leitura dos quatro volumes recolhidos de Albert Einstein. Foi despedido desta tarefa de ameixa quando alguém decidiu – talvez com base na sua escolha do material de leitura – que estava sobrequalificado para a tarefa em questão.
Com as suas perspectivas de emprego a parecerem sombrias, decidiu emigrar para os Estados Unidos; pensou em começar a lavar pratos enquanto tentava entrar na academia. Mas a sua saída da União Soviética exigia um plano elaborado: Judeus como ele foram autorizados a ir a Israel em pequeno número, determinado por uma quota, mas primeiro era preciso obter um convite de parentes israelitas. Vilenkin não tinha lá parentes reais, pelo que contactou um amigo que conhecia pessoas em Israel e acabou por encontrar alguém – um estranho para ele – suficientemente gentil para escrever uma carta em seu nome.
Após a chegada da carta, esperou um ano por um visto, mas este veio com grandes custos. Antes de Vilenkin e a sua esposa poderem partir, os seus pais tiveram de consentir a mudança. Por darem a sua permissão, os pais da sua mulher perderam os seus trabalhos de laboratório. O seu pai, professor universitário, também perdeu mais tarde o seu emprego. A paragem tradicional a caminho de Israel era Viena, mas de lá Vilenkin, a sua mulher e a filha de 1 ano foram para Roma, chegando em 1976. Encontraram-se com o Consulado dos EUA em Roma e, após uma espera de três meses, foi finalmente concedido um visto aos EUA
Back to the Big Bang
No Outono de 1977, Vilenkin assumiu um cargo de pós-doutoramento na Case Western Reserve, onde deveria estudar as propriedades eléctricas dos metais aquecidos. Ainda assim, encontrou tempo para teorizar sobre os buracos negros giratórios e os seus misteriosos campos magnéticos. Um ano mais tarde, teve a sua sorte quando a Tufts lhe ofereceu uma posição de visita de um ano. Apostou ao por-se em cosmologia, uma área considerada franja na altura.
Isso iria mudar em breve. Em finais de 1979, um pós-doutoramento em física de Stanford chamado Alan Guth ofereceu uma explicação para a força explosiva por detrás do Big Bang. O salto intelectual de Guth resultou das teorias da física das partículas, que sustentavam que a energias extremamente elevadas – muito mais elevadas do que alguma vez se poderia alcançar num laboratório – um estado especial da matéria virava a gravidade de pernas para o ar, tornando-a um repulsivo do que uma força atractiva.
Um pedaço de espaço contendo um pouco desta matéria invulgar poderia repelir-se tão violentamente a ponto de literalmente explodir. Guth sugeriu que uma tremenda explosão deste tipo desencadeou o Big Bang, ampliando rapidamente o universo de tal forma que duplicou em tamanho pelo menos 100 vezes. Este surto de crescimento exponencial – chamado inflação cósmica – foi de curta duração, contudo, durando apenas uma pequena fracção de segundo porque o material repulsivo rapidamente se decompôs, deixando para trás as formas mais familiares de matéria e energia que hoje em dia preenchem o universo.
A ideia resolveu simultaneamente uma série de puzzles na cosmologia. Explicou de onde veio o “bang” por detrás do Big Bang e como o cosmos se tornou tão grande. A rápida inflação em todas as direcções também explicou porque é que o universo que agora observamos é tão homogéneo, e porque é que a temperatura da radiação de fundo deixada por aquela explosão primordial é uniforme, em cada pedaço do céu, para uma parte em 100.000. A inflação também revitalizou a cosmologia, dando aos teóricos como Vilenkin muito em que pensar – e um pouco mais de respeitabilidade para arrancar.
The Never-Ending Story
Até 1982, um par de anos após a descoberta de Guth, Vilenkin teve uma realização própria: O processo de inflação tinha de ser eterno, o que significava que, uma vez iniciado, nunca parou completamente. A inflação poderia terminar abruptamente numa região do espaço, como a que habitamos, mas continuaria noutros lugares, desencadeando uma série interminável de grandes franjas. Cada estrondo corresponderia ao nascimento de um universo “de bolso” separado, que poderia ser retratado como uma bolha em expansão – uma de inúmeras bolhas flutuando dentro do “multiverso”, como por vezes é chamado.
Como Vilenkin o viu, a natureza eterna da inflação derivava de duas propriedades concorrentes do combustível cósmico, o material repulsivo da gravidade que fez com que o universo se expandisse rapidamente. Por um lado, o material era instável, muito semelhante às substâncias radioactivas, e estava assim condenado à decomposição. Por outro lado, o material expandiu-se muito mais rapidamente do que se decompôs, pelo que mesmo que a decomposição pudesse parar a inflação em certas regiões, o crescimento fugitivo continuaria noutras.
Como uma analogia, Vilenkin sugere uma mancha de bactérias que quer continuar a reproduzir-se e a crescer, enquanto que os anticorpos assassinos de bactérias tentam reduzir esse crescimento. Se as bactérias se reproduzirem muito mais rapidamente do que são destruídas, multiplicar-se-ão e propagar-se-ão rapidamente, mesmo que a sua reprodução possa ser contrariada em alguns quadrantes. Seja como for, o resultado líquido é que a inflação (ou crescimento bacteriano) nunca acaba em todo o lado ao mesmo tempo e está sempre a acontecer em alguma parte do multiverso – mesmo quando se lê esta revista.
Para ter uma melhor percepção do fenómeno, Vilenkin juntou-se em 1986 a um estudante graduado da Tufts, Mukunda Aryal, numa simulação em computador que mostrou como poderia ser um universo eternamente inflável. Na sua simulação, as regiões insufladas, ou bolhas, começaram pequenas e cresceram constantemente, enquanto o espaço entre bolhas também se estendia. Cada bolha – representando um mini-universo como o nosso – era rodeada por bolhas menores, que por sua vez eram rodeadas por universos de bolhas ainda mais pequenos.
Road to Eternity
No universo borbulhante de Vilenkin, a inflação era, por definição, eterna para o futuro. Uma vez iniciada, ela não iria parar. Mas seria também eterna para o passado? Houve alguma vez um tempo em que o universo não estivesse a inflar? E se o universo estivesse sempre a inflar, e sempre a expandir-se, isso implicaria que o próprio universo era eterno e não tinha início?
Para abordar esta questão, Vilenkin juntou forças com o matemático da Universidade de Guth e Long Island, Arvind Borde. Usando uma prova matemática, eles argumentaram que qualquer universo em expansão como o nosso tinha de ter um começo. A experiência de pensamento que eles fizeram foi assim: Imagine um universo cheio de partículas. À medida que se expande constantemente, a distância entre as partículas cresce. Segue-se que os observadores espalhados por este universo em expansão estariam a afastar-se uns dos outros até, eventualmente, ocuparem regiões do espaço amplamente dispersas. Se fosse um desses observadores, quanto mais afastado estivesse um objecto de si, mais rapidamente se afastaria.
Agora atirar para a mistura um viajante espacial que se desloca pelo espaço a uma velocidade fixa: ele faz zoom para lá da Terra a 100.000 quilómetros por segundo. Mas quando chega à próxima galáxia, que se afasta de nós a, digamos, 20.000 quilómetros por segundo, parece estar a mover-se apenas 80.000 quilómetros por segundo para os observadores. À medida que continua na sua viagem de ida, a velocidade do viajante espacial parecerá cada vez menor para os observadores que ele passa. Agora vamos fazer o filme andar para trás. Desta vez, a velocidade do viajante espacial aparecerá cada vez mais rápida em cada galáxia sucessiva.
Se assumirmos que a inflação é eterna no passado – que não teve início – o viajante espacial acabará por alcançar e ultrapassar a velocidade da luz. Um cálculo de Borde, Guth e Vilenkin mostrou que isto aconteceria num período de tempo finito. Mas de acordo com as leis da relatividade, é impossível que qualquer objecto maciço atinja a velocidade da luz, quanto mais ultrapassá-la. “Isto não pode acontecer”, diz Vilenkin. “Por isso, quando se segue a história deste viajante espacial no tempo, descobre-se que a sua história tem de chegar ao fim”.
O facto de a viagem do viajante para trás no tempo atingir um impasse significa que existe um problema, de um ponto de vista lógico, com a suposição de um universo em constante expansão no qual todo este cenário se baseia. O universo, por outras palavras, nem sempre poderia ter estado em expansão. A sua expansão deve ter tido um começo, e a inflação – uma forma particularmente explosiva de expansão cósmica – também deve ter tido um começo. Por esta lógica, o nosso universo também teve um começo desde que foi gerado por um processo inflacionário que é eterno para o futuro, mas não para o passado.
Algo do Nada
Um universo com um começo levanta a questão irritante: Como é que começou? A resposta de Vilenkin não é de modo algum confirmada, e talvez nunca possa ser, mas continua a ser a melhor solução que ele ouviu até agora: Talvez o nosso fantástico e glorioso universo tenha surgido espontaneamente do nada. Esta afirmação herética choca com o senso comum, que reconhecidamente nos falha quando se fala do nascimento do universo, um acontecimento pensado para ocorrer com energias insondavelmente altas. Voa também contra o filósofo romano Lucretius, que há mais de 2.000 anos defendeu que “nada pode ser criado do nada”.
Obviamente, Lucretius nunca tinha ouvido falar da mecânica quântica e da cosmologia inflacionista, campos do século XX que contestam a sua afirmação ousada. “Costumamos dizer que nada pode ser criado do nada porque pensamos que violaria a lei da conservação da energia”, um princípio sagrado da física que sustenta que a energia não pode ser criada nem destruída, explica Vilenkin. Então como se poderia criar um universo com matéria nele, onde antes não havia nada?
“A forma como o universo contorna esse problema é que a energia gravitacional é negativa”, diz Vilenkin. É uma consequência do facto, matematicamente comprovado, de que a energia de um universo fechado é zero: A energia da matéria é positiva, a energia da gravitação é negativa, e elas somam-se sempre a zero. “Por conseguinte, criar um universo fechado a partir do nada não viola nenhuma lei de conservação”.
Os cálculos de Vilenkin mostram que um universo criado a partir do nada é provavelmente minúsculo, de facto – muito, muito mais pequeno do que, digamos, um protão. Se este reino minúsculo contiver apenas um material repulsivo de gravidade repulsiva, isso é suficiente para garantir que irá inflamar o processo imparável de inflação eterna, conduzindo ao universo que hoje habitamos. Se a teoria se mantém, devemos a nossa existência à mais humilde das origens: nada em si.
Uma virtude deste quadro, se correcta, é que a criação espontânea do nosso universo dá um ponto de partida definitivo às coisas. O tempo começa no momento da criação, pondo de lado as questões potencialmente infinitas sobre “o que aconteceu antes disso”.
Já a explicação ainda deixa um enorme mistério por resolver. Embora um universo, no esquema de Vilenkin, possa vir do nada, no sentido de não haver espaço, tempo ou matéria, algo está no lugar de antemão – nomeadamente as leis da física. Essas leis governam o momento de algo-em-nada da criação que dá origem ao nosso universo, e também governam a inflação eterna, que assume no primeiro nanossegundo do tempo.
Isso levanta algumas questões incómodas: Onde residiam as leis da física antes da existência de um universo ao qual pudessem ser aplicadas? Será que existem independentemente do espaço ou do tempo? “É um grande mistério de onde vieram as leis da física. Nem sequer sabemos como abordá-la”, admite Vilenkin. “Mas antes da inflação surgir, nem sequer sabíamos como abordar as questões que a inflação resolveu mais tarde. Por isso, quem sabe, talvez passemos também esta barreira”
p>No filme de Clint Eastwood Magnum Force, Harry Callahan diz: “Um homem tem de conhecer as suas limitações”, mas o trabalho de Vilenkin é uma prova de como ultrapassar os limites tradicionais. Se perseverarmos perante o cepticismo e a dúvida, como Vilenkin está frequentemente inclinado a fazer, ideias interessantes e inesperadas podem muito bem emergir – tal como um universo que surge do nada.
Eliminando os buracos do Loopholes
Loophole #1
Para reforçar a sua hipótese, Vilenkin estudou outros universos modelo, eliminando lacunas que contradizem a ideia de uma clara estreia cósmica. Num trabalho de 2012 com a estudante de pós-graduação Tufts Audrey Mithani, Vilenkin examinou o universo “cíclico” investigado pelos físicos Paul Steinhardt da Universidade de Princeton e Neil Turok, agora no Instituto Perimeter.
Neste modelo, não há nem um único Big Bang nem um único começo. Em vez disso, o universo passa continuamente por ciclos oscilantes de expansão, contracção, colapso e expansão de novo. O senão é que o universo cíclico entra na segunda lei da termodinâmica, que diz que a entropia, ou desordem, de um sistema fechado irá inevitavelmente aumentar ao longo do tempo.
Por exemplo, uma mansão de tijolos ornamentados é altamente ordenada, enquanto que uma pilha de tijolos espalhados pelo chão – o resultado da devastação da natureza e décadas ou séculos de negligência – é mais desordenada. E o pó de tijolo, espalhado pelo vento e pela água depois de os próprios tijolos se terem deteriorado, está ainda mais desordenado. Deixado por si só, um sistema – mesmo um universo de bolhas – irá naturalmente por este caminho. Não vemos frequentemente uma mansão de tijolos remontar-se espontaneamente do pó disperso.
Se o nosso universo tivesse estado aqui para sempre e mantido um tamanho estável, também ele teria sucumbido à segunda lei. A desordem teria inexoravelmente aumentado ao ponto de o universo ser agora um borrão suavizado e sem características. Mas não é de todo isso que vemos. Em vez disso, vemos um universo cheio de grandes estruturas cósmicas – galáxias, aglomerados de galáxias, aglomerados de aglomerados chamados superaglomerados, e aglomerados de superaglomerados chamados filamentos de galáxias – alguns destes últimos estendendo-se por um bilião ou mais de anos-luz.
Por essa razão, Vilenkin exclui a imagem do Universo Cíclico a menos que se faça a suposição adicional de que após cada ciclo de expansão e contracção, o universo acaba por ser um pouco maior do que quando começou. A estipulação deixar-nos-ia com outro universo em expansão, o que significa que o teorema original de Borde-Guth-Vilenkin ainda se aplicaria: Um universo em constante expansão deve ter um único começo.
Loophole #2
Outro possível buraco é o cenário do “ovo cósmico”, um universo modelo avançado pelo cosmólogo sul-africano George Ellis, entre outros. De acordo com esta visão, o universo pode ficar para sempre numa configuração estável, com um tamanho e raio fixos, até começar subitamente a expandir-se – como um ovo que eclode após uma fase de incubação excepcionalmente longa.
O problema com esta proposta, de acordo com Vilenkin e Mithani, é que o pequeno universo “estável” afinal não é tão estável. Algum tempo durante a longa fase de espera, ele iria ruir até ao nada, antes de alguma vez atingir o período expansionista – ou seja, se se acreditar nas leis da mecânica quântica.
A mecânica quântica, o ramo predominante da física para descrever como as coisas funcionam em escalas atómicas, é requintadamente bem testada, e requintadamente estranha. A mecânica quântica sustenta que se existe a mais pequena hipótese de algo acontecer, por mais absurdo que possa parecer, essa coisa é certa de acontecer se se esperar o tempo suficiente.
Como acontece, as fórmulas da mecânica quântica prevêem uma pequena (mas não nula) hipótese de o universo do ovo cósmico entrar em colapso até ao tamanho zero, altura em que o universo antigo desapareceria completamente. Dado um período de tempo infinito, que é o que o cenário do ovo cósmico exige, tal colapso seria inevitável – embora as probabilidades de ocorrer num determinado momento sejam pequenas – implicando que o universo não poderia ter existido para sempre.
Indeed, diz Vilenkin, entre todas as ideias que pensámos até agora para um universo sem um começo, nenhuma delas parece funcionar. “Assim, a resposta à questão de saber se o universo teve um começo é sim, provavelmente teve”.
Este artigo apareceu originalmente impresso como “Ponto de Partida”.