Big Bang e inflação cósmica: como o Universo começou

Como tudo começou? Essa é uma pergunta que a humanidade faz há milhares de anos. No último século, a ciência passou a apontar para uma resposta: o Big Bang.

A ideia descreve o nascimento do Universo numa explosão cataclísmica ocorrida há quase 14 bilhões de anos. Em uma fração minúscula de segundo, o universo observável cresceu numa proporção equivalente à de uma bactéria que se expandisse até o tamanho da Via Láctea. O Universo primordial era absurdamente quente e extremamente denso. Mas como sabemos que isso de fato ocorreu?

Evidências observacionais do Big Bang

Comecemos pelas evidências. Em 1929, o astrônomo norte-americano Edwin Hubble constatou que galáxias distantes estão se afastando umas das outras, o que levou à conclusão de que o universo está em expansão.

Se voltássemos o relógio até o nascimento do cosmos, essa expansão se inverteria, e as galáxias “cairiam” umas sobre as outras há 14 bilhões de anos. Essa idade combina muito bem com as estimativas de idade dos objetos astronômicos mais antigos que observamos.

No início, a ideia encontrou muita desconfiança - e foi justamente um cético, o astrônomo inglês Fred Hoyle, quem batizou o conceito. De forma sarcástica, Hoyle descartou a hipótese como um " Big Bang" durante uma entrevista à rádio da BBC em 28 de março de 1949.

Depois, em 1964, Arno Penzias e Robert Wilson detectaram um tipo específico de radiação que preenche todo o espaço. Ela ficou conhecida como radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). Trata-se de um tipo de brilho remanescente da explosão do Big Bang, liberado quando o cosmos tinha apenas 380.000 anos.

A CMB funciona como uma janela para as condições quentes e densas do começo do universo. Penzias e Wilson receberam o Prêmio Nobel de Física de 1978 por essa descoberta.

Do LHC ao plasma de quarks e glúons

Mais recentemente, experiências em aceleradores de partículas como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) trouxeram pistas sobre condições ainda mais próximas do instante do Big Bang. O que entendemos de física nessas energias elevadíssimas indica que, nos primeiros momentos após o Big Bang, as quatro forças fundamentais da física existentes hoje estavam originalmente reunidas em uma força única.

Atualmente, as quatro forças são: gravidade, eletromagnetismo, força nuclear forte e força nuclear fraca. À medida que o universo se expandiu e esfriou, uma sequência de mudanças dramáticas - chamadas transições de fase (como a água fervendo ou congelando) - foi separando essas forças.

Resultados de aceleradores sugerem que, poucos bilionésimos de segundo depois do Big Bang, ocorreu a última dessas transições de fase: o fim da unificação eletrofraca, quando o eletromagnetismo e a força nuclear fraca deixaram de estar combinados. Foi nesse momento que toda a matéria do Universo passou a ter massa.

Avançando um pouco mais no tempo, o universo passa a ser preenchido por uma substância estranha chamada plasma de quarks e glúons. Como o nome indica, essa “sopa primordial” era composta por quarks e glúons - partículas subatômicas responsáveis pela força nuclear forte. O plasma de quarks e glúons foi gerado artificialmente em 2010 no Brookhaven National Laboratory e em 2015 no LHC.

Quarks e glúons se atraem fortemente e, hoje, ficam aprisionados formando prótons e nêutrons, que por sua vez são os blocos básicos dos átomos. No entanto, nas condições quentes e densas do universo inicial, eles existiam de modo independente.

O plasma de quarks e glúons durou pouco. Apenas alguns milionésimos de segundo após o Big Bang, com a expansão e o resfriamento do universo, quarks e glúons se aglomeraram, originando prótons e nêutrons - o cenário que permanece até hoje. Esse episódio é chamado de confinamento de quarks.

À medida que o universo continuou se expandindo e resfriando, passou a haver menos fótons de alta energia (partículas de luz) do que antes. Isso desencadeou um processo conhecido como nucleossíntese do Big Bang (BBN).

Foi então que surgiram os primeiros núcleos atômicos - aglomerados densos de matéria feitos de prótons e nêutrons e localizados nos centros dos átomos - formados por reações de fusão nuclear, como as que alimentam o Sol.

Quando havia mais fótons de alta energia no universo, quaisquer núcleos atômicos recém-formados seriam rapidamente destruídos por eles (um processo chamado fotodesintegração). A BBN terminou poucos minutos depois do Big Bang, mas seus efeitos podem ser medidos ainda hoje.

Observações astronômicas forneceram evidências das abundâncias primordiais dos elementos produzidos nessas reações de fusão. Os resultados concordam de perto com a teoria da BBN. Se seguíssemos adiante por quase 14 bilhões de anos, chegaríamos ao cenário atual. Mas o quanto conseguimos nos aproximar de entender o que acontecia perto do próprio instante do Big Bang?

Singularidade, relatividade geral, teoria quântica e espuma do espaço-tempo

Cientistas não têm evidência direta do que ocorreu antes do fim da unificação eletrofraca (quando eletromagnetismo e força nuclear fraca deixaram de estar combinados). Em energias tão altas e tempos tão iniciais, só nos resta encarar o mistério do Big Bang. Então, o que a teoria sugere?

Ao retroceder na história do cosmos, distâncias e volumes diminuem, enquanto a densidade média de energia aumenta. No Big Bang, distâncias e volumes caem a zero, todas as partes do universo se sobrepõem e a densidade de energia do universo se torna infinita.

Nossas equações matemáticas - que descrevem a evolução do espaço e a expansão do cosmos - passam a ficar repletas de zeros e infinitos e deixam de fazer sentido.

Chamamos isso de singularidade. A teoria da relatividade geral de Albert Einstein descreve como o espaço-tempo é moldado. Espaço-tempo é uma forma de representar a geometria tridimensional do universo, combinada com o tempo. Uma curvatura no espaço-tempo dá origem à gravidade.

Mas a matemática indica que existem locais no universo onde a curvatura do espaço-tempo se torna ilimitada. Esses pontos são chamados de singularidades. Um exemplo aparece no centro de um buraco negro. Nessas regiões, a relatividade geral deixa de funcionar.

Entre 1965 e 1966, os físicos teóricos britânicos Stephen Hawking e Roger Penrose apresentaram uma série de teoremas matemáticos demonstrando que o espaço-tempo de um universo em expansão precisa terminar, no passado, em uma singularidade: a singularidade do Big Bang.

Penrose recebeu o Prêmio Nobel em 2020. Hawking morreu em 2018, e Prêmios Nobel não são concedidos postumamente. Como espaço e tempo “aparecem” na singularidade do Big Bang, perguntas sobre o que aconteceu “antes” do Big Bang não ficam bem definidas. Pelo que a ciência consegue afirmar, não existe um “antes”; o Big Bang marca o início do tempo.

Ainda assim, a natureza não é descrita com precisão apenas pela relatividade geral, embora ela exista há mais de 100 anos e não tenha sido refutada. A relatividade geral não consegue explicar átomos, fusão nuclear ou radioatividade. Esses fenômenos, por outro lado, são tratados pela teoria quântica.

Teorias da física “clássica”, como a relatividade, são determinísticas. Isso significa que certas condições iniciais levam a um resultado definido e, por isso, são totalmente preditivas. A teoria quântica, em contraste, é probabilística: certas condições iniciais no universo podem produzir múltiplos resultados.

A teoria quântica prevê, sim, mas de maneira probabilística. Cada resultado recebe uma probabilidade de ocorrer. Se a distribuição matemática de probabilidades é fortemente concentrada em um resultado específico, então a situação é bem descrita por uma teoria “clássica”, como a relatividade geral.

Só que nem todos os sistemas são assim. Em alguns casos - como nos átomos - a distribuição de probabilidades é espalhada, e uma descrição clássica não se aplica.

E a gravidade? Na maioria esmagadora das situações, a gravidade é bem descrita pela física clássica. O espaço-tempo clássico é suave.

No entanto, quando a curvatura se torna extrema, perto de uma singularidade, a natureza quântica da gravidade não pode ser ignorada. Nessa escala, o espaço-tempo deixa de ser liso e passa a ficar “irregular”, como um carpete que parece uniforme à distância, mas que, de perto, revela fibras e fios.

Assim, próximo da singularidade do Big Bang, a estrutura do espaço-tempo deixa de ser suave. Teoremas matemáticos indicam que o espaço-tempo passa a ser dominado por características “irregulares”: ganchos, laços e bolhas. Essa situação de flutuações rápidas é chamada de espuma do espaço-tempo.

Na espuma do espaço-tempo, a causalidade não vale, porque existem laços fechados no espaço-tempo em que o futuro de um evento também é o seu passado (logo, seu efeito pode ser também sua causa).

O caráter probabilístico da teoria quântica sugere que, quando a distribuição de probabilidades está uniformemente espalhada, todos os resultados são igualmente possíveis, e a noção confortável de causalidade associada a uma visão clássica da física se perde.

Portanto, ao recuarmos no tempo, pouco antes de topar com a singularidade do Big Bang, entramos em uma época em que os efeitos quânticos da gravidade dominam e a causalidade não se aplica. Esse período é chamado de época de Planck.

O tempo deixa de ser linear - indo do passado ao futuro - e passa a ficar “enrolado”, caótico e aleatório. Isso faz com que a pergunta “por que o Big Bang aconteceu?” deixe de ter sentido, porque, fora da causalidade, eventos não precisam de uma causa para ocorrer.

Para entender como a física funciona numa singularidade como a do Big Bang, precisaríamos de uma teoria que descrevesse a gravidade segundo a teoria quântica. Infelizmente, não temos uma. Há esforços nessa direção, como a gravidade quântica em loop e a teoria das cordas, com suas diferentes versões.

Mesmo assim, no melhor dos casos essas tentativas são incompletas, pois o problema é notoriamente difícil. Isso faz com que a espuma do espaço-tempo carregue uma mística poderosa, quase totêmica - lembrando o antigo Caos de Hesíodo, que os gregos acreditavam existir no início.

E, então, como o nosso universo em expansão e amplamente clássico conseguiu escapar da espuma do espaço-tempo? É aqui que entra a inflação cósmica. Ela é definida como um período de expansão acelerada no universo primordial. A ideia foi apresentada pela primeira vez pelo físico teórico russo Alexei Starobinsky em 1980 e, em paralelo, no mesmo ano, pelo físico norte-americano Alan Guth, que cunhou o nome.

A inflação torna o universo grande e uniforme, de acordo com as observações. Ela também força o universo a ser espacialmente plano - uma condição que, de outro modo, seria instável - mas que também foi confirmada por observações.

Além disso, a inflação oferece um mecanismo natural para gerar as irregularidades primordiais na densidade do universo, essenciais para que estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias se formem.

Teoria confirmada

Observações de alta precisão da radiação cósmica de fundo em micro-ondas nas últimas décadas confirmaram de modo espetacular as previsões da inflação. Também sabemos que o universo pode, de fato, passar por expansão acelerada, porque, nos últimos poucos bilhões de anos, ele voltou a fazê-lo.

O que isso tem a ver com a espuma do espaço-tempo? Acontece que, se as condições para a inflação surgirem (por acaso) numa região de espaço-tempo em flutuação - como pode ocorrer na espuma do espaço-tempo -, então essa região infla e começa a se ajustar às leis da física clássica.

Segundo uma ideia proposta primeiro pelo físico russo-americano Andrei Linde, a inflação é uma consequência natural - e talvez inevitável - de condições iniciais caóticas no universo primordial.

O ponto central é que o nosso universo clássico poderia ter emergido de condições caóticas, como as da espuma do espaço-tempo, ao passar por um impulso inicial de inflação. Isso teria dado partida à expansão do universo. Aliás, as observações astronômicas da CMB sugerem que esse impulso inicial é explosivo, já que, durante a inflação, a expansão é exponencial.

Em 20 de março de 2014, Alan Guth resumiu a ideia assim: "Eu geralmente descrevo a inflação como uma teoria do 'bang' do Big Bang: ela descreve o mecanismo de propulsão que chamamos de Big Bang."

Então é isso. A história de 14 bilhões de anos do nosso universo começa com uma explosão cataclísmica em todo o espaço - o que chamamos de Big Bang. Quanto a isso, não há dúvida razoável.

Essa “explosão” é, na verdade, um período de expansão explosiva, chamado inflação cósmica. Mas o que acontece antes da inflação? Trata-se de uma singularidade do espaço-tempo, trata-se de espuma do espaço-tempo? Em grande parte, a resposta é desconhecida.

Na verdade, pode até ser incognoscível, porque existe um teorema matemático que nos proíbe de acessar informações sobre o início da inflação, de modo semelhante ao que nos impede de saber sobre os interiores de buracos negros. Assim, do nosso ponto de vista, a inflação cósmica é o Big Bang: a explosão que deu início a tudo.

Konstantinos Dimopoulos, Professor de Cosmologia de Partículas, Lancaster University

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.