Um físico explica como imaginar a expansão alucinante do universo: WebCuriosos

Ao assar um pão ou uma fornada de muffins, você coloca a massa em uma assadeira. À medida que a massa assa no forno, ela se expande na assadeira. Quaisquer pedaços de chocolate ou mirtilos na massa do muffin ficam mais distantes uns dos outros à medida que a massa do muffin se expande.

A expansão do Universo é, em alguns aspectos, semelhante. Mas esta analogia erra numa coisa: enquanto a massa se expande na assadeira, o Universo não tem nada para onde se expandir. Apenas se expande em si mesmo.

Pode parecer um quebra-cabeças, mas o Universo é considerado tudo dentro do Universo. No Universo em expansão, não existe panela. Apenas massa. Mesmo que existisse uma panela, ela faria parte do Universo e, portanto, se expandiria com a panela.

Mesmo para mim, um professor de física e astronomia que estudou o Universo durante anos, estas ideias são difíceis de compreender. Você não experimenta nada assim em sua vida diária. É como perguntar em que direção fica mais ao norte do Pólo Norte.

Outra forma de pensar sobre a expansão do Universo é pensar em como outras galáxias estão se afastando da nossa galáxia, a Via Láctea.

Os cientistas sabem que o Universo está em expansão porque podem seguir outras galáxias à medida que se afastam da nossa. Eles definem a expansão usando a taxa com que outras galáxias se afastam de nós. Esta definição permite-lhes imaginar a expansão sem precisar de algo para expandir.

O Universo em expansão

O Universo começou com o Big Bang 13,8 bilhões de anos atrás. O Big Bang descreve a origem do Universo como uma singularidade extremamente densa e quente. Este pequeno ponto subitamente passou por uma rápida expansão chamada inflação, onde todos os lugares do Universo se expandiram para fora.

Mas o nome Big Bang é enganoso. Não foi uma explosão gigantecomo o nome sugere, mas uma época em que o Universo se expandiu rapidamente.

O Universo então rapidamente condensou-se e esfriou, e começou a produzir matéria e luz. Eventualmente, evoluiu para o que conhecemos hoje como nosso Universo.

A ideia de que o nosso Universo não era estático e poderia estar em expansão ou contração foi publicado pela primeira vez pelo físico Alexander Friedman em 1922. Ele confirmou matematicamente que o Universo está se expandindo.

Embora Friedman tenha provado que o Universo estava em expansão, pelo menos em alguns pontos, foi Edwin Hubble quem analisou mais profundamente a taxa de expansão. Muitos outros cientistas confirmaram que outras galáxias estão a afastar-se da Via Láctea, mas em 1929, o Hubble publicou seu famoso artigo isso confirmou que todo o Universo estava se expandindo e que a taxa de expansão está aumentando.

Esta descoberta continua a confundir os astrofísicos. Que fenômeno permite ao Universo superar a força da gravidade que o mantém unido e ao mesmo tempo se expandir, separando os objetos do Universo? E, além de tudo isso, sua taxa de expansão está acelerando com o tempo.

Muitos cientistas usam um recurso visual chamado funil de expansão para descrever como a expansão do Universo acelerou desde o Big Bang. Imagine um funil profundo com aba larga. O lado esquerdo do funil – a extremidade estreita – representa o início do Universo. À medida que você se move para a direita, você avança no tempo. O alargamento do cone representa a expansão do Universo.

Os cientistas não foram capazes de medir diretamente onde o energia causando esta expansão acelerada vem. Eles não foram capazes de detectá-lo ou medi-lo. Como não conseguem ver ou medir diretamente este tipo de energia, chamam-lhe energia escura.

De acordo com os modelos dos investigadores, a energia escura deve ser a forma de energia mais comum no Universo, constituindo cerca de 68 por cento da energia total do Universo. A energia da matéria cotidiana, que constitui a Terra, o Sol e tudo o que podemos ver, representa apenas cerca de 5% de toda a energia.

Fora do funil de expansão

Então, o que está fora do funil de expansão?

Os cientistas não têm evidências de nada além do nosso Universo conhecido. No entanto, alguns prevêem que poderia haver vários universos. Um modelo que inclua múltiplos Universos poderia resolver alguns dos problemas que os cientistas encontram com os modelos atuais do nosso Universo.

Um grande problema com a nossa física atual é que pesquisadores não conseguem integrar mecânica quânticaque descreve como a física funciona em uma escala muito pequena, e a gravidade, que governa a física em grande escala.

As regras sobre como a matéria se comporta em pequena escala dependem da probabilidade e de quantidades quantizadas ou fixas de energia. Nessa escala, os objetos podem surgir e desaparecer da existência. A matéria pode se comportar como uma onda. O mundo quântico é muito diferente de como vemos o mundo.

Em larga escala, o que os físicos chamam mecânica clássicaos objetos se comportam como esperamos que eles se comportem no dia a dia. Os objetos não são quantizados e podem ter quantidades contínuas de energia. Os objetos não aparecem e desaparecem.

O mundo quântico se comporta como um interruptor de luz, onde a energia tem apenas uma opção liga-desliga. O mundo que vemos e com o qual interagimos se comporta como um interruptor dimmer, permitindo todos os níveis de energia.

Mas os pesquisadores enfrentam problemas quando tentam estudar a gravidade no nível quântico. Em pequena escala, os físicos teriam que assumir que a gravidade é quantizada. Mas a pesquisa que muitos deles conduziram não apoia essa ideia.

Uma maneira de fazer com que essas teorias funcionem juntas é teoria do multiverso. Existem muitas teorias que vão além do nosso Universo atual para explicar como a gravidade e o mundo quântico funcionam juntos. Algumas das principais teorias incluem teoria das cordas, cosmologia brana, teoria quântica de loop e muitos outros.

Independentemente disso, o Universo continuará a expandir-se, com a distância entre a Via Láctea e a maioria das outras galáxias a aumentar com o tempo.

Nicole GranucciInstrutor de Física, Universidade Quinnipiac

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.