o universo é um lugar incrível, e a maneira como ele veio a ser hoje é algo que vale muito a pena ser … grato. Embora nossas imagens mais espetaculares do espaço sejam ricas em galáxias, a maior parte do volume do Universo é desprovida de matéria, galáxias e luz inteiramente. Só podemos imaginar um universo onde o espaço está realmente vazio.
NASA, ESA, HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI / AURA); J. BLAKESLEE
quanto mais curiosos ficamos sobre as grandes incógnitas cósmicas, mais perguntas não Respondidas nossas investigações do universo revelarão. Perguntar sobre a natureza de qualquer coisa — onde ela está, de onde veio e como veio a ser — inevitavelmente o levará aos mesmos grandes mistérios: sobre a natureza última e a origem do Universo e tudo nele. No entanto, não importa o quão longe vamos, essas mesmas questões persistentes sempre parecem permanecer: em algum momento, as entidades que são nosso “ponto de partida” não existiam necessariamente, então como elas surgiram? Eventualmente, você acaba com a pergunta final: como algo surgiu do nada? Como muitos questionadores recentes, incluindo Luke Martin, Buzz Morse, Russell Blalack, John Heiss e muitos outros escreveram:
“ok, você certamente recebe essa pergunta sem parar, mas devo perguntar, no entanto: como algo (o universo/big bang) veio do nada?”
esta é talvez uma das maiores questões de todas, porque é basicamente perguntar não só de onde tudo veio, mas como tudo isso surgiu em primeiro lugar. Aqui está até onde a ciência nos levou, pelo menos, até agora.
um olhar detalhado sobre o universo revela que ele é feito de matéria e não de antimatéria, tão escuro … matéria e energia escura são necessárias, e que não sabemos a origem de nenhum desses mistérios. No entanto, as flutuações no CMB, a formação e as correlações entre a estrutura em grande escala e as observações modernas de lentes gravitacionais apontam para a mesma imagem.CHRIS BLAKE e SAM MOORFIELD hoje, quando olhamos para o universo, o conjunto completo de observações que coletamos, mesmo com as incertezas conhecidas levadas em consideração, apontam para uma imagem notavelmente consistente. Nosso universo é feito de matéria( em vez de antimatéria), obedece às mesmas leis da física em todos os lugares e em todos os momentos, e começou — pelo menos, como a conhecemos — com um Big Bang quente há cerca de 13,8 bilhões de anos. É governado pela relatividade geral, está se expandindo, esfriando e gravitando, e é dominado por energia escura (68%) e matéria escura (27%), com matéria normal, neutrinos e radiação compondo o resto.Hoje, é claro, está cheio de galáxias, estrelas, planetas, elementos pesados e, em pelo menos um local, Vida inteligente e tecnologicamente avançada. Essas estruturas nem sempre estavam lá, mas surgiram como resultado da evolução cósmica. Em um salto científico notável, os cientistas do século 20 foram capazes de reconstruir a linha do tempo de como nosso universo passou de um universo quase uniforme, desprovido de estrutura complexa e consistindo exclusivamente de hidrogênio e hélio, para o universo rico em estrutura que observamos hoje.
este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do universo dimensionada,… representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um universo rico em matéria escura. Observe que filamentos e aglomerados ricos, que se formam na interseção de filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel menor.
Ralf Kähler e Tom Abel(Kipac) / Oliver Hahn
Se começarmos a partir de hoje, podemos retroceder no tempo e perguntar de onde veio qualquer estrutura ou componente individual dessa estrutura. Para cada resposta que recebemos, podemos então perguntar: “ok, mas de onde veio isso e como surgiu isso”, voltando até sermos forçados a responder: “não sabemos, pelo menos ainda não.”Então, finalmente, podemos contemplar o que temos e perguntar:” como isso surgiu, e existe uma maneira de que poderia ter surgido do nada?”
então, vamos começar.A vida que temos hoje vem de moléculas complexas, que devem ter surgido dos átomos da tabela periódica: os ingredientes crus que compõem toda a matéria normal que temos no universo hoje. O universo não nasceu com esses átomos; em vez disso, eles exigiram várias gerações de estrelas vivas e moribundas, com os produtos de suas reações nucleares reciclados em futuras gerações de estrelas. Sem isso, planetas e química complexa seriam uma impossibilidade.
restos de Supernova (L) e nebulosas planetárias (R) são as duas maneiras para as estrelas reciclarem suas queimadas … elementos pesados de volta ao meio interestelar e à próxima geração de estrelas e planetas. Esses processos são duas maneiras pelas quais os elementos pesados necessários para a vida baseada em produtos químicos surgem são gerados, e é difícil (mas não impossível) imaginar um universo sem eles ainda dando origem a observadores inteligentes.
ESO / Very Large Telescope / FORS instrument & team (L); NASA, ESA, C. R. O’Dell (Vanderbilt) e D. Thompson (large Binocular Telescope) (R)
para formar estrelas e galáxias modernas, precisamos:
- gravitação para puxar pequenas galáxias e aglomerados de estrelas em um outro, a criação de grandes galáxias e provocando novas ondas de formação de estrelas,
- que necessário pré-existente coleções de massa, criada a partir gravitacional crescimento,
- que necessitam de matéria escura haloes para formar cedo, impedindo a estrela se formando episódios de ejeção de que o assunto de volta para o intergaláctica médio,
- que exigem o equilíbrio certo de matéria normal, a matéria escura, e radiação para dar lugar ao cósmica de fundo em microondas, a luz de elementos formados no Big Bang, e as abundâncias / padrões que vemos neles,
- que exigiam flutuações iniciais de sementes — imperfeições de densidade — para crescer gravitacionalmente nessas estruturas,
- que exigem alguma maneira de criar essas imperfeições, junto com alguma maneira de criar matéria escura e criar as quantidades iniciais de matéria normal.
estes são três ingredientes-chave que são necessários, nos estágios iniciais do Big Bang quente, para dar origem ao universo como o observamos hoje. Assumindo que também exigimos que as leis da física e do próprio espaço — tempo existam — junto com a própria matéria/energia -, provavelmente queremos incluir aqueles como os ingredientes necessários que devem surgir de alguma forma.Então, em suma, quando perguntamos se podemos obter um universo do nada ou não, Essas são as entidades novas e até então inexplicáveis que precisamos de alguma forma surgir.
uma coleção igualmente simétrica de matéria e antimatéria (de X e Y e bósons anti-X e anti-y)… poderia, com as propriedades intestinais certas, dar origem à assimetria matéria/antimatéria que encontramos em nosso universo hoje. No entanto, assumimos que existe uma explicação física, e não divina, para a matéria-assimetria de antimatéria que observamos hoje, mas ainda não sabemos ao certo.
E. Siegel / Beyond the Galaxy
para obter mais matéria do que antimatéria, temos que extrapolar de volta para o universo muito antigo, para um momento em que nossa física é muito incerta. As leis da física como as conhecemos são, em certo sentido, simétricas entre matéria e antimatéria: cada reação que já criamos ou observamos só pode criar ou destruir matéria e antimatéria em quantidades iguais. Mas o Universo que tínhamos, apesar de começar em um estado Incrivelmente quente e denso, onde matéria e antimatéria poderiam ser criadas em quantidades abundantes e copiosas, deve ter tido alguma maneira de criar uma assimetria matéria/antimatéria onde nenhuma existia inicialmente.
existem muitas maneiras de fazer isso. Embora não saibamos qual cenário realmente ocorreu em nosso jovem universo, todas as formas de fazê-lo envolvem os três elementos a seguir:
- um fora-do-equilíbrio de um conjunto de condições, que surgem naturalmente em um crescente, o resfriamento do Universo,
- uma maneira de gerar baryon-número de violar medicamentosas, que o Modelo Padrão permite que através de sphaleron medicamentosas (e fora-da-Norma-Modelo de cenários permitir que outras formas),
- e uma forma de gerar o suficiente C e violação de CP para criar uma questão/antimattery assimetria em grandes quantidades suficientes.
o modelo padrão tem todos esses ingredientes, mas não o suficiente. Se você considera um universo simétrico matéria/antimatéria como “um universo sem nada”, então é quase garantido que o universo gerou algo do nada, mesmo que não tenhamos certeza exatamente como isso aconteceu.
as regiões superdensas do universo primitivo crescem e crescem ao longo do tempo, mas são limitadas em suas … crescimento tanto pelos pequenos tamanhos iniciais das superdensidades quanto pela presença de radiação que ainda é Energética, o que impede que a estrutura cresça mais rápido. Leva dezenas a centenas de milhões de anos para formar as primeiras estrelas; aglomerados de matéria existem muito antes disso, no entanto.
AARON SMITH / TACC / UT-AUSTIN
da mesma forma, existem muitas maneiras viáveis de gerar matéria escura. Sabemos – a partir de extensos testes e pesquisas-que qualquer que seja a matéria escura, ela não pode ser composta de nenhuma partícula que esteja presente no modelo padrão. Seja qual for sua verdadeira natureza, ela requer uma nova física além do que é atualmente conhecido. Mas existem muitas maneiras pelas quais ele poderia ter sido criado, incluindo:
- de ser termicamente criado no quente, início do Universo e, em seguida, falha completamente aniquilar distância, permanecendo estáveis (como o mais leve supersymmetric ou Kaluza-Klein de partículas),
- ou de uma fase de transição que, espontaneamente, ocorreu como o Universo se expandiu e esfriou, rasgando enorme partículas do vácuo quântico (por exemplo, a axion),
- como uma nova forma de um neutrino, que se pode misturar com o conhecido neutrinos (i.e. neutrino estéril), ou como um neutrino destro pesado que existe além dos neutrinos convencionais,
- ou como um fenômeno puramente gravitacional que dá origem a uma partícula ultramassiva (por exemplo, um WIMPzilla).
por que há matéria escura, hoje, quando o restante do universo parece funcionar bem no início sem ele? Deve ter havido alguma maneira de gerar essa “coisa” onde não havia tal coisa de antemão, mas todos esses cenários requerem energia. Então, de onde veio toda essa energia?
o universo como o observamos hoje começou com o Big Bang quente: um início quente, denso, uniforme,… estado de expansão com condições iniciais específicas. Mas se quisermos entender de onde vem o Big Bang, não devemos assumir que é o começo absoluto, e não devemos supor que qualquer coisa que não possamos prever não tenha um mecanismo para explicá-lo.
NASA / GSFC
talvez, de acordo com a inflação cósmica — nossa principal teoria das origens do universo pré-Big Bang — realmente veio do nada. Isso requer um pouco de explicação, e é o que mais frequentemente se entende por “um universo do nada.”(Incluindo, a propósito, como foi usado no título do livro de mesmo nome.)
quando você imagina os primeiros estágios do Big Bang quente, você tem que pensar em algo incrivelmente quente, denso, de alta energia e quase perfeitamente uniforme. Quando perguntamos: “como isso surgiu”, normalmente temos duas opções.
- podemos seguir a rota Lady Gaga, e apenas afirmar que deve ter nascido dessa maneira.”O universo nasceu com essas propriedades, que chamamos de condições iniciais, e não há mais explicações. Como físico teórico, chamamos essa abordagem de ” desistir.”
- ou podemos fazer o que os físicos teóricos fazem melhor: tentar inventar um mecanismo teórico que poderia explicar as condições iniciais, provocando previsões concretas que diferem do padrão, as previsões da teoria prevalecente e, em seguida, sair procurando medir os parâmetros críticos.
a inflação cósmica surgiu como resultado de tomar essa segunda abordagem, e literalmente mudou nossa concepção de como nosso universo veio a ser.
a expansão exponencial, que ocorre durante a inflação, é tão poderosa porque é implacável. … A cada ~ 10^-35 segundos (ou mais) que passa, o volume de qualquer região específica do espaço dobra em cada direção, fazendo com que quaisquer partículas ou radiação se diluam e fazendo com que qualquer curvatura se torne rapidamente indistinguível do plano.
E. SIEGEL (L); NED WRIGHT COSMOLOGIA TUTORIAL (R)
em Vez de extrapolar “quente e densa” de volta para um infinitamente quente, infinitamente denso singularidade, a inflação basicamente diz, “talvez o Big Bang foi precedida por um período onde um grande densidade de energia estava presente no tecido do espaço em si, fazendo com que o Universo a se expandir em um implacável (inflacionário) taxa e, em seguida, quando a inflação acabou, que a energia tem transferido para a matéria e anti-matéria e radiação, criando o que nós vemos como a do Big Bang: o rescaldo da inflação.Em detalhes sangrentos, isso não só cria um universo com a mesma temperatura em todos os lugares, planicidade espacial, e não sobras de relíquias de uma hipotética grande época unificada, mas também prevê um tipo particular e espectro de flutuações de sementes (densidade), que então saímos e vimos. Do próprio espaço vazio – embora seja um espaço vazio preenchido com uma grande quantidade de energia do campo — um processo natural criou todo o universo observável, rico em estrutura, como o vemos hoje.Essa é a grande ideia de obter um universo do nada, mas não é satisfatório para todos.
mesmo no espaço vazio, as flutuações quânticas inerentes à natureza de campo do fundamental … as interações não podem ser removidas. À medida que o universo infla nos estágios iniciais, essas flutuações se estendem por todo o universo, dando origem a densidade de sementes e flutuações de temperatura que ainda podem ser observadas hoje.
E. SIEGEL / BEYOND the GALAXY
para uma grande fração de pessoas, um universo onde o espaço e o tempo ainda existem, junto com as leis da física, as constantes fundamentais e alguma energia de campo diferente de zero inerente ao tecido do próprio espaço, está muito divorciada da ideia de nada. Podemos imaginar, afinal, um local fora do espaço; um momento além dos limites do tempo; um conjunto de condições que não têm realidade física para restringi-las. E essas imaginações-se definirmos essas realidades físicas como coisas que precisamos eliminar para obter o verdadeiro nada — são certamente válidas, pelo menos filosoficamente.Mas essa é a diferença entre o nada filosófico e uma definição mais física do nada. Como escrevi em 2018, existem quatro definições científicas de nada, e todas são válidas, dependendo do seu contexto:
- uma época em que sua “coisa” de interesse não existia,
- espaço físico vazio,
- espaço-tempo vazio no estado de energia mais baixa possível e
- o que sobrar quando você tirar todo o Universo e as leis que o governam.Podemos definitivamente dizer que obtivemos “um universo do nada” se usarmos as duas primeiras definições; não podemos se usarmos a terceira; e, infelizmente, não sabemos o suficiente para dizer o que acontece se usarmos a quarta. Sem uma teoria física para descrever o que acontece fora do Universo e além das leis físicas do reino, o conceito de verdadeiro nada é fisicamente mal definido.
flutuações no próprio espaço-tempo na escala quântica se estendem pelo universo durante … inflação, dando origem a imperfeições tanto na densidade quanto nas ondas gravitacionais. Embora inflar o espaço possa legitimamente ser chamado de “nada” em muitos aspectos, nem todos concordam.
E. SIEGEL, com imagens derivadas da ESA/PLANCK e da força-tarefa interagências Doe/NASA/ NSF na CMB RESEARCH
no contexto da física, é impossível dar sentido a uma ideia de nada absoluto. O que significa estar fora do espaço e do tempo, e como o espaço e o tempo podem emergir sensivelmente, previsivelmente, de um estado de não existência? Como o espaço-tempo pode surgir em um determinado local ou hora, quando não há definição de localização ou hora sem ele? De onde surgem as regras que regem os quanta-os campos e as partículas — ? Essa linha de pensamento até assume que o espaço, o tempo e as próprias leis da física não eram eternas, quando na verdade podem ser. Quaisquer teoremas ou provas em contrário baseiam-se em suposições cuja validade não é profundamente estabelecida sob as condições que procuraríamos aplicá-las. Se você aceitar uma definição física de “nada”, então sim, o universo como o conhecemos parece ter surgido do nada. Mas se você deixar restrições físicas para trás, então tudo certamente sobre nossas origens cósmicas finais desaparece. Infelizmente para todos nós, a inflação, por sua própria natureza, apaga qualquer informação que possa ser impressa de um estado pré-existente em nosso universo observável. Apesar da natureza ilimitada de nossa imaginação, só podemos tirar conclusões sobre assuntos para os quais testes envolvendo nossa realidade física podem ser construídos. Não importa o quão logicamente soe qualquer outra consideração possa ser, incluindo uma noção de nada absoluto, é apenas uma construção de nossas mentes.
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