Introdução
Há 13,8 bilhões de anos, todo o cosmos consistia em uma minúscula, quente e densa bola de energia que de repente explodiu. Esse é o início da história científica padrão do Big Bang, uma teoria que começou a tomar forma na década de 1920. A narrativa foi refinada ao longo das décadas, mais notavelmente nos anos 1980, quando muitos cosmologistas passaram a acreditar que, em seus primeiros momentos, o universo passou por um breve período de expansão extraordinariamente rápida chamado inflação, antes de se acomodar em um ritmo mais lento.
Três Perguntas Chave
- O que causou a extraordinária expansão inicial do universo conhecida como inflação?
- O que, se houver algo, precedeu o Big Bang?
- Como os matemáticos podem estender as equações da relatividade geral de Einstein para explorar o que pode ter acontecido antes da inflação?
A Singularidade do Big Bang
Nenhum experimento foi ainda concebido que possa observar o que aconteceu antes da inflação. No entanto, os matemáticos podem esboçar alguns cenários possíveis. A estratégia é aplicar a teoria geral da relatividade de Einstein — uma teoria que iguala a gravidade com a curvatura do espaço-tempo — tão longe no tempo quanto possível.
Uma Taxonomia de Singularidades
A questão central que confronta Geshnizjani, Ling e Quintin é se há um ponto antes da inflação em que as leis da gravidade entram em colapso em uma singularidade. O exemplo mais simples de uma singularidade matemática é o que acontece com a função 1/x à medida que x se aproxima de zero. A função considera um número x como entrada e produz outro número. À medida que x fica menor e menor, 1/x fica maior e maior, tendendo ao infinito. Se x é zero, a função não é mais bem definida: não se pode confiar nela como uma descrição da realidade.
Singularidades de Coordenadas vs. Singularidades de Curvatura
Às vezes, no entanto, os matemáticos podem contornar uma singularidade. Por exemplo, considere o meridiano principal, que passa por Greenwich, Inglaterra, na longitude zero. Se você tivesse uma função de 1/longitude, ela entraria em colapso em Greenwich. Mas não há nada de fisicamente especial sobre os subúrbios de Londres: você poderia facilmente redefinir a longitude zero para passar por outro lugar na Terra, e então sua função se comportaria perfeitamente normalmente ao se aproximar do Observatório Real em Greenwich.
O Teorema BGV e Suas Implicações
A investigação de Geshnizjani, Ling e Quintin se baseia em um teorema provado em 2003 por Arvind Borde, Alan Guth (uma das primeiras pessoas a propor a ideia da inflação) e Alexander Vilenkin. Este teorema, conhecido pelas iniciais dos autores como BGV, diz que a inflação deve ter tido um começo — ela não pode ter estado acontecendo incessantemente no passado. Deve ter havido uma singularidade para iniciar as coisas. O BGV estabelece a existência dessa singularidade, sem dizer que tipo de singularidade é.
Cenários de Pré-Inflação
Para classificar os possíveis cenários pré-inflacionários, os três pesquisadores usaram um parâmetro chamado fator de escala que descreve como a distância entre objetos mudou ao longo do tempo à medida que o universo se expandia. Por definição, o Big Bang é o momento em que o fator de escala era zero — tudo estava comprimido em um ponto sem dimensões.
Matéria vs. Energia Escura
Os pesquisadores já sabiam que em um universo com a chamada energia escura, mas sem matéria, o início da inflação identificado no teorema BGV é uma singularidade de coordenadas que pode ser eliminada. Mas o universo real tem matéria, é claro. Será que truques matemáticos também tornariam possível contornar sua singularidade? Os pesquisadores mostraram que se a quantidade de matéria for insignificante em comparação com a quantidade de energia escura, então a singularidade pode ser eliminada. “Os raios de luz podem realmente passar pela fronteira”, disse Quintin. “E nesse sentido, você pode ver além da fronteira; não é como um muro de tijolos.” A história do universo se estenderia além do Big Bang.
Singularidades Físicas e a Necessidade de Nova Física
No entanto, os cosmologistas acreditam que o universo primitivo tinha mais matéria do que energia. Neste caso, o novo trabalho mostra que a singularidade BGV seria uma verdadeira singularidade física de curvatura, na qual as leis da gravidade param de fazer sentido. Uma singularidade sugere que a relatividade geral não pode ser uma descrição completa das regras básicas da física. Os esforços para formar tal descrição, que exigiria conciliar a relatividade geral com a mecânica quântica, estão em andamento.
Conclusão
Este artigo explorou as implicações dos recentes avanços matemáticos na compreensão do que pode ter precedido o Big Bang. Embora as singularidades representem os limites do nosso atual entendimento físico, elas também podem apontar o caminho para uma nova física mais fundamental. A busca por respostas sobre as origens do universo continua, impulsionada pelo trabalho de matemáticos e físicos teóricos.
