#48 A cosmologia contemporânea e o princípio do universo

Dr. Craig responde

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Estou exatamente no processo de finalizar um artigo sobre o argumento cosmológico kalam em coautoria com James Sinclair para um volume futuro da editora Blackwell cujo título será Companion to Natural Theology [Manual de teologia natural]. Jim está escrevendo a seção a respeito da evidência empírica da cosmologia astrofísica a favor do começo do universo. Ele faz o trabalho maravilhoso de resumir a situação atual desse campo, cuja prévia lhe apresentarei aqui.

Em primeiro lugar, em resposta à sua pergunta, o modelo padrão do big bang inclui uma singularidade inicial. Não é possível que o modelo perca essa característica e continue a ser o mesmo modelo. Portanto, está fora de cogitação que o modelo padrão não inclua mais uma singularidade. Antes, o que os físicos entrevistados por você queriam dizer é que hoje o modelo padrão não é mais prevalecente. Eles alegam que, embora o modelo padrão fosse a visão aceita 25 anos atrás, hoje a situação não é mais essa.

Todavia, num certo sentido a verdade é esta: o modelo padrão do big bang precisa ser modificado de várias formas. Por exemplo, o modelo baseia-se na teoria geral da relatividade de Einstein. Mas a teoria de Einstein colapsa quando se encolhe o espaço em proporções subatômicas. Aí, é necessário que se introduza a física quântica, e ninguém sabe ao certo como isso deve ser feito. Era isso que seus físicos tinham em mente quando disseram que o big bang retroage somente até o tempo de Planck. (O que, a propósito, não é um entendimento novo; todo mundo sabia que a relatividade geral se rompe nesse ponto). Além disso, a expansão do universo provavelmente não é constante, como no modelo padrão. Está provavelmente acelerando e pode ter tido um breve momento de expansão superrápida, ou inflacionária, no passado.

Nenhum desses ajustes, porém, precisa afetar a predição fundamental do modelo padrão do começo absoluto do universo.

Na verdade, a investigação da cosmologia contemporânea realizada por Jim reforça exatamente quão robusta continua a ser a predição do modelo padrão a respeito de um começo absoluto. Ele considera três abrangentes programas de pesquisa em andamento, baseados nas possíveis exceções dos teoremas da singularidade Hawking-Penrose, os quais apoiam a predição do modelo padrão de uma singularidade cosmológica. Esses programas de pesquisa são: (1) curvas tipo-tempo fechadas, (2) violação da condição de energia forte (inflação eterna) e (3) falsidade da relatividade geral (gravidade quântica). O primeiro desses postulados é um espaço-tempo exótico que apresenta tempo circular no passado e, por isso, não é levado com muita seriedade pela quase totalidade dos cosmólogos. O trabalho real está nas outras duas alternativas.

Durante a década de 1980, alguns teóricos sugeriram, com relação à alternativa da inflação eterna, que talvez a expansão inflacionária do universo não tenha se confinado a um período breve e primitivo da história do universo, mas é eterno no passado, sendo cada região inflacionada o produto de alguma região inflacionada anteriormente. Embora esses modelos tenham sido alvos de ardentes debates, algo como um divisor de águas parece ter-se alcançado em 2003, quando três grandes cosmólogos — Arvin Borde, Alan Guth e Alexander Vilenkin — conseguiram provar que qualquer universo que, em média, tenha se expandido durante toda a sua história não pode ser infinito no passado, mas deve ter obrigatoriamente uma fronteira espaço-tempo no passado.

O que torna a prova desses cosmólogos tão poderosa é que ela é válida a despeito da descrição física do universo anterior ao tempo de Planck. Como ainda não conseguimos fornecer uma descrição física dos primórdios do universo, esse breve momento tem sido um território fértil para especulações. (Certo cientista comparou esse terreno às regiões dos mapas antigos nas quais estava escrito “Aqui há dragões!” — podem ser preenchidos com todo tipo de fantasias). Mas o teorema Borde-Guth-Vilenkin não depende de nenhuma descrição física desse momento. Segundo tal teorema, mesmo que o nosso universo fosse somente uma parte minúscula de um chamado “multiverso” composto de muitos universos, o multiverso tem de ter um princípio absoluto.

Vilenkin é curto e grosso com relação às implicações:

Algumas especulações cosmológicas atuais baseiam-se nas tentativas de elaborar modelos fundamentados nas possíveis exceções à condição Borde-Guth-Vilenkin de que o universo, em média, tem permanecido num estado de expansão cósmica. Em seu artigo, Jim apresenta a seguinte ilustração das possibilidades:

O primeiro caso envolve uma contração infinita anterior à singularidade, seguida pela nossa expansão atual. O segundo caso postula um estado inicial instável seguido de uma expansão inflacionária. O terceiro caso imagina uma contração seguida de uma superexpansão alimentada pela energia “escura”, com o universo irrompendo num multiverso. O quarto caso defende expansões inflacionárias em duas imagens espelhadas nas quais as setas do tempo apontam para fora da singularidade cosmológica. Jim mostra que todos esses modelos altamente especulativos estão em contradição com a cosmologia observacional ou terminam implicando exatamente o começo do universo que procuram evitar.

A outra alternativa aos teoremas de Hawking-Penrose que tem sido perseguida com empenho são os modelos de gravidade quântica. Jim apresenta a ilustração a seguir para esses modelos:

A primeira classe de modelos postula um espaço de vácuo eterno no qual nosso universo se origina mediante a flutuação quântica. Descobriu-se que esses modelos não poderiam evitar o começo do espaço de vácuo em si e por isso acarretavam o começo absoluto do espaço-tempo. Esses modelos não sobreviveram aos anos iniciais da década de 1980.

A segunda classe de modelos, os modelos teóricos das cordas, é a que está na moda ultimamente. Esses modelos estão baseados numa alternativa ao modelo padrão de partículas físicas que interpreta que os blocos que constituem a matéria sejam não partículas semelhantes a pontas, mas cordas unidimensionais de energia. Jim discute três tipos de modelos cosmológicos de cordas:

A primeira dessas cosmologias de cordas, os modelos cíclicos ecpiróticos, está sujeita ao teorema de Borde-Guth-Vilenkin e, portanto, admite que implica um começo do universo. Os modelos pré-big bang, do segundo grupo, não podem se estender no passado infinito, caso sejam considerados descrições realistas do universo. O terceiro grupo, os modelos de panoramas de cordas, compõe o cenário popular do multiverso. Também estão sujeitos ao teorema Borde-Guth-Vilenkin e, portanto, implicam um começo do universo. Assim, os modelos cosmológicos de cordas não servem para se evitar a predição do modelo padrão, segundo o qual o universo começou a existir.

A terceira classe de modelos gravitacionais quânticos, teorias gravitacionais quânticas de laço, apresenta versões de um universo cíclico, em expansão e contração. Esses modelos não exigem passado eterno, e a tentativa de estendê-los ao passado infinito é difícil de adequar-se à segunda lei da termodinâmica. Além disso, parece que são excluídos pelo acúmulo de energia escura, que, com o tempo, poria termo ao comportamento cíclico.

Finalmente, o quarto, os modelos de gravidade quântica semiclássicos incluem o célebre modelo Hartle-Hawking e a própria teoria de Vilenkin:

Esses modelos têm como característica um começo absoluto do universo, mesmo que o universo não passe a existir num momento singular. Por conseguinte, os modelos da gravidade quântica não evitam mais o começo do universo tanto quanto os supostos modelos inflacionários eternos.

Resumindo, acho que você pode ver quão desnorteadoras foram para você as declarações dos físicos. A predição do modelo padrão de que o universo passou a existir continua hoje segura como sempre; na verdade, mais segura, à luz do teorema Borde-Guth-Vilenkin e a corroboração da predição pelas incontáveis e sempre imaginosas tentativas de falsificá-la. De forma consistente e confortável, quem acredita que a existência do universo teve um começo continua inserido na ciência vigente.