Introdução
Nosso universo tem um começo. E um dia também terá um fim - mas qual? À medida que o cosmos se expande e as estrelas e galáxias escurecem, tudo ficará lentamente mais frio e isolado? A energia escura que está acelerando a expansão do universo poderia eventualmente destruir o espaço-tempo? Seria possível que nosso mundo e o resto do universo um dia deixassem de existir sem aviso prévio? Neste episódio, Steven Strogatz discute o grand finale final com Katie Mack, cosmólogo teórico do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Canadá. Mack também é o autor de O fim de tudo (Astrofisicamente falando), publicado em agosto de 2020, no qual ela descreveu os cinco cenários que os cientistas identificaram para como o universo pode acabar.
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Steve Strogatz (00:03): Sou Steve Strogatz, e este é A alegria do porquê, um podcast de Revista Quanta que leva você a algumas das maiores questões não respondidas em matemática e ciências hoje. Neste episódio, vamos perguntar, como tudo isso vai acabar?
(00:18) Imagine que você está caminhando um dia na cidade. Você está entrando e saindo de outros pedestres andando na calçada. Você ouve carros buzinando, conversas silenciosas saindo de cafés próximos. Este é o nosso mundo cotidiano como o conhecemos. Mas o que acontece se um dia esse mundo simplesmente implodir e deixar de existir? Como seria se tudo acabasse de repente? Sabemos que as estrelas, incluindo o nosso próprio sol, têm uma vida útil limitada. Eles vão queimar algum dia, mesmo que não seja durante a nossa vida. Mas e a nossa galáxia? Ou o universo inteiro? Como será o fim de tudo? E como isso poderia acontecer?
(01:00) Este não é o resultado de um filme de super-herói. Esse é o tipo de física teórica sobre a qual a Dra. Katie Mack pensa muito. Dr. Mack é um cosmólogo teórico no Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Canadá, cerca de uma hora fora de Toronto. Ela é a Cátedra Stephen Hawking em Pesquisa de Cosmologia e Comunicação Científica, onde um de seus objetivos é tornar a física mais acessível ao público. Dr. Mack também é o autor do livro bem recebido, O fim de tudo (Astrofisicamente falando), publicado em agosto de 2020. Ele detalha as cinco principais teorias de como os cientistas pensam que o universo terminará. Katie, obrigado por se juntar a nós hoje.
Katie Mack (01:47): Muito obrigado por me receber.
Strogatz (01:48): É um verdadeiro deleite para nós. Posso começar com uma pergunta pessoal? O que o atraiu para este tópico - pensando sobre o fim do universo? Por que, por que isso te prende?
Mack (01:56): Sabe, acho que é apenas parte da minha curiosidade geral sobre o cosmos. Cresci pensando muito no início do universo, no Big Bang. Você sabe, todas essas grandes questões sobre de onde viemos. E em algum momento, através de meus estudos em cosmologia, continuei me deparando com essa questão do final. Lembro-me de ter lido sobre o Big Rip - uma dessas possibilidades em que o universo meio que se desfaz - quando eu estava na pós-graduação e fiquei fascinado com o conceito de que o universo poderia terminar dessa maneira realmente violenta. E então, enquanto eu continuava a fazer pesquisas em cosmologia, me deparei com a decadência do vácuo - você sabe, esse tipo de fim repentino do universo - e fiquei fascinado com o conceito de que o universo poderia desaparecer da existência aparentemente sem motivo .
(02:46) E todos esses tópicos continuaram surgindo nas leituras que eu estava fazendo em meu trabalho profissional. E eu só queria explorar isso um pouco mais. E eu queria contar essa história que acho que não é contada com muita frequência no tipo de discurso público sobre cosmologia. Fala-se muito sobre o começo, sobre o Big Bang, mas muito pouco sobre o fim.
(03:05) E acho que é algo que sempre me fascinou toda vez que o encontrei. Apenas vendo as discussões sobre como a evolução final do nosso universo poderia ser concluída e o que isso diz sobre o que está acontecendo agora. Sobre a estrutura do cosmos, sobre o formato geral da existência. É uma pergunta fascinante para mim.
Strogatz (03:27): Sim, quero dizer, é - eu acho que é bastante natural se perguntar. Acho que a maioria de nós que tem algum interesse em ciência ou apenas grandes questões sobre a vida se pergunta sobre isso.
(03:38) Aqui está um que eu acho que provavelmente deveríamos começar: a morte por calor, o cenário que chamamos de morte por calor do universo, que existe há muito tempo. Conte-nos sobre esse, porque entendo que você acha que pode ser o mais provável.
Mack (03:50): Sim, então a morte térmica é considerada a mais aceita na física. Às vezes é chamado de Big Freeze, coloquialmente. A ideia por trás da morte térmica é que sabemos que o universo está se expandindo e sabemos que a expansão está se acelerando. Então as galáxias que estão no universo distante estão se afastando de nós. Eles estão ficando cada vez mais distantes um do outro. E essa expansão continua e está ficando mais rápida com o tempo. Não sabemos por que está acelerando - vou apenas apontar isso. No momento, acredita-se que seja devido a algo que chamamos de energia escura. Não sabemos o que é energia escura, mas é algo que está fazendo o universo se expandir mais rápido.
(04:23) Nossas ideias sobre a energia escura incluem a possibilidade de que a energia escura seja apenas uma espécie de propriedade do universo chamada constante cosmológica, onde cada pedacinho de espaço tem uma espécie de elasticidade incorporada a ela. E conforme temos mais espaço, conforme o universo se expande, também temos mais elasticidade, porque temos mais dessa energia escura, mais dessa constante cosmológica. E assim o universo continua se expandindo e se expandindo e se expandindo.
(04:48) E se for esse o caso, se é realmente isso que vai acontecer, então o que você obtém é que cada galáxia ou cada aglomerado de galáxias fica cada vez mais isolado de todos os outros, e o universo fica mais e mais vazio, cada vez mais difuso, mais frio com o tempo. Porque, você sabe, sabemos que no começo, o universo era muito quente e denso. Está em expansão desde então. Está esfriando, está ficando mais difuso. Então isso continua meio que indefinidamente. E quando isso acontece, se você está em uma galáxia que de repente está isolada porque todas as outras galáxias estão muito distantes, então não há interações, nenhuma galáxia entrando e trazendo novo gás para formar novas estrelas. Você, como uma galáxia, queima todas as estrelas que possui. Você queima todo o hidrogênio, então não pode fazer novas estrelas. As estrelas morrem, queimam e escurecem.
(05:36) Há um monte de buracos negros. Eventualmente, se você deixar um buraco negro sozinho por tempo suficiente, ele meio que irradiará sua energia - os buracos negros evaporam, tudo decai nessa energia desordenada. Então tudo o que estava nesta galáxia se irradia. A matéria decai e desmorona. E você teria apenas essa energia desordenada, apenas uma espécie de calor residual, se você pensar dessa maneira, de todas as coisas que existiam.
(06:01) E quando você chega ao estágio em que tudo se deteriora, você atinge o que é chamado de entropia máxima. Assim, a segunda lei da termodinâmica nos diz que a entropia ou desordem aumenta no futuro. E você sabe, [pela] mesma razão que você não pode ter uma máquina de movimento perpétuo, porque se você tentar fazer algo girar para sempre, ele quebrará, perderá um pouco de energia devido ao atrito e ao calor, e vai desmoronar. Da mesma forma, no universo, tudo meio que decai nesse calor residual. E é por isso que é chamada de morte por calor. É que você tem tudo para decair em energia desordenada, e você atinge esse estado de entropia máxima onde nenhuma desordem pode acontecer, onde tudo é meio que totalmente sem sentido. Essencialmente, é totalmente sem estrutura.
(06:49) Essa é a morte térmica final do universo. E as pessoas pensam nisso como uma maneira deprimente de ir, porque você acaba com tudo muito frio e escuro e vazio e isolado, e apenas decaindo para sempre.
Strogatz (07:03): Entendo por que você deu o nome de Big Freeze, porque a morte pelo calor faz parecer que vai ser quente. Considerando que, se estou ouvindo bem, isso será meio morno ou pior.
Mack (07:11): Exatamente. Sim. E, neste caso, "calor" é meio que o sentido técnico e físico da palavra, onde meio que esse calor residual de toda a criação.
(07:19) Mas o lado bom é que demora muito para isso acontecer. Portanto, não será até cerca de 100 bilhões de anos até que não possamos ver outras galáxias, porque elas estão muito distantes e se afastando muito rapidamente. Então você sabe, e que algumas das estrelas menos massivas da nossa galáxia podem durar um trilhão de anos ou mais. Portanto, temos algum tempo antes que fique frio, escuro e vazio em nosso universo, se formos nessa direção.
Strogatz (07:41): O vazio é outro aspecto interessante disso, por causa da extensão do espaço. Isso não só é realmente brando, homogêneo e desordenado, mas também muito solitário. Como se tudo estivesse tão separado de todo o resto.
Mack (07:56): Certo. E um aspecto realmente interessante disso é que você chegará a um certo ponto em que não teremos evidências de que outras galáxias existam. Não haverá nenhuma evidência observacional direta de que o Big Bang aconteceu, porque não seremos capazes de ver esse universo em expansão. E não seremos capazes de dizer: “Bem, se o universo está ficando maior agora, deve ter sido menor no passado”. Não seremos capazes de ver o tipo de luz residual do Big Bang, a radiação cósmica de fundo, que nos permite estudar o universo muito, muito primitivo. Não será apenas um universo frio, escuro e vazio, será um universo onde há muito pouco a aprender, porque não seremos capazes de ver as coisas além de nossos ambientes imediatos.
Strogatz (08:34): Acho que caso alguém esteja confuso - acho que ninguém ficaria - a referência a "nós", você não quis dizer isso, certo? Não estamos aqui, não estamos por perto para ver nada naquele momento. Também estamos desintegrados.
Mack (08:45): Estamos muito longe. Quero dizer, em algum momento o sol ficará tão brilhante que evaporará os oceanos da Terra. E isso levará apenas cerca de um bilhão de anos. Então, você sabe, temos entre meio bilhão e um bilhão de anos antes que a Terra seja totalmente inabitável. Então, sim, isso já passou há muito tempo. O que quer que venha depois de nós, ou se conseguirmos criar pequenas máquinas inteligentes que possam carregar nossa consciência ou, ou se nos espalharmos pelas estrelas e você sabe, viver em outros lugares e usar a pouca energia que resta nesses estrelas moribundas. Em algum momento, você sabe, haverá, vamos ficar sem coisas para fazer porque não haverá energia suficiente concentrada da maneira certa para usá-la.
Strogatz (09:26): Vamos fingir que acreditamos nisso espaço e tempo são quantizados como, a la gravidade quântica em coisas na escala do comprimento de Planck. Se houver apenas um número finito de parcelas de espaço e tempo, um grande número, mas um número finito, mesmo sob o cenário de morte por calor, não haveria uma recorrência em que cada estado eventualmente - quero dizer, em escalas de tempo muito, muito longas - voltar? Não seria o fim, mesmo depois da morte pelo calor.
Mack (09:54): Eu falo sobre isso no livro no capítulo da morte por calor, a ideia de recorrência eterna. Sim, então há uma maneira de olhar para a morte por calor onde você está nesse estado de morte por calor eterno onde a entropia é maximizada. Mas mesmo em um estado de entropia máxima, você pode ter flutuações aleatórias onde algo pode acontecer. E houve cálculos interessantes onde você pode calcular, com base em um universo totalmente homogêneo e desordenado, quanto tempo levará para um piano de cauda se montar aleatoriamente no meio do universo, bem no meio do vazio.
(10:29): E é um número muito, muito grande, certo? Mas se você tiver esse estado realmente eterno, isso acontecerá. Acontecerá um número infinito de vezes em uma escala de tempo recorrente. E você pode estender isso e dizer, bem, se um piano de cauda pode se montar sozinho, a Terra também pode, a galáxia também pode, assim como a totalidade de qualquer estado que já existiu no universo. Então, quando você chega a esse ponto, pode dizer, bem, neste momento, agora mesmo, a distribuição específica de átomos e moléculas no universo agora, neste ponto, deve ser possível que isso aconteça novamente - em uma situação realmente , escala de tempo muito longa, mas deve ser possível que isso se repita. E então o universo simplesmente evoluirá para a morte novamente, a partir deste ponto.
(11:13) E assim você chega a essa ideia de que cada momento que já aconteceu na história do universo pode acontecer novamente, um número infinito de vezes. E é um conceito realmente alucinante. Agora, há argumentos sobre isso na literatura, seja ou não um cálculo sensato a ser feito. Mas meio que traz de volta - há um cenário de pesadelo que Nietzsche escreveu baseado nessa ideia. Que você, você vive o mesmo momento repetidamente para sempre. E não seria horrível? E, você sabe, talvez isso seja fisicamente possível, talvez seja uma coisa que pode acontecer. A literatura meio que vai e volta sobre se você deve ou não pensar sobre isso dessa maneira. Mas é interessante. E também se conecta a essa possibilidade de que, vamos —. Se um, se um piano de cauda pode se reunir no universo, um único cérebro que pensa ter experimentado a totalidade do cosmos também pode? Isso é chamado de hipótese do cérebro de Boltzmann.
Strogatz: Ah, já ouvi falar disso. Eu não sabia o que era isso. OK legal.
Mack (12:12): Então talvez ao invés de tudo que existe, haja um cérebro que neste momento pensa que está tendo esta conversa e que viveu toda uma vida em um universo de 13.8 bilhões de anos. E então, em algum momento, esse cérebro simplesmente desaparecerá da existência, novamente, porque era uma coleção aleatória de partículas em um universo vazio de morte pós-aquecimento.
Strogatz: OK...
Mack (12:33): Então você pode fazer esse cálculo também. E se você fizer esse cálculo de uma certa maneira, descobrirá que isso é muito mais provável do que o universo existente.
Strogatz: Uh, hum.
Mack (12:42): É muito mais provável produzir um único cérebro que pensa que está no universo do que produzir, você sabe, um novo Big Bang e então um cosmos real. Mas, novamente, existem diferentes maneiras de calculá-lo, onde você obtém respostas diferentes. Essa é outra parte da questão: faz sentido fazer esses cálculos? E se você fizer esse cálculo, descobrirá que é mais provável que sejamos um pensamento aleatório em um cérebro aleatório, apenas existindo no vazio. Não diz necessariamente que esse é o cenário provável do universo, diz que esses cálculos não são úteis e realmente não fazem sentido no contexto do cosmos, e algo sobre nossas suposições deve estar errado. Mas como você lida com essa possibilidade de um universo infinito no qual qualquer coisa pode acontecer um número infinito de vezes é uma questão muito interessante em cosmologia quando você chega a essas escalas de tempo realmente enormes.
Strogatz (13:36): Tudo bem, bem, obrigado por me permitir isso. OK. Mas eu quero ter certeza de que entraremos em alguns desses outros.
Esse foi o Cenário nº 1, a morte por calor, o Grande Congelamento, e esta bela nota de rodapé sobre a recorrência eterna no, na natureza - não quero dizer paradoxos, mas, mas tipos de considerações que realmente ampliam a mente que isso traz acima. OK, vamos passar para #2. Qual é o grande rasgo?
Mack (13:58): Então o Big Rip é uma ideia que volta a esta questão da energia escura. Não sabemos o que é que faz o universo se expandir mais rápido. Nós a chamamos de energia “escura” porque não sabemos o que é. Mas há algo que está acelerando a expansão do universo. Agora, se for apenas uma constante cosmológica, se for apenas uma propriedade do cosmos, então sabemos como isso acontece. Você sabe, isso nos leva à morte por calor, onde todas as galáxias são isoladas ao máximo e depois desaparecem.
(14:23): Mas há outras possibilidades hipotéticas para a energia escura. Existem alguns em que, em vez de ser apenas um pano de fundo constante no cosmos, é algo dinâmico. É algo que pode mudar com o tempo. E especificamente, você pode escrever equações para algo que se torna mais poderoso com o tempo. Onde quer que seja, é o tipo de elasticidade embutido no cosmos, é um campo dinâmico, um campo de energia, e fica mais poderoso com o tempo. E para que comece a esticar o universo cada vez mais rápido. Não apenas causando aceleração, mas aumentando dentro dos objetos.
(14:57) Uma coisa sobre uma constante cosmológica. Se existe uma constante cosmológica, a densidade dela é constante no universo. O que isso significa é que se você desenhar uma esfera ao redor de uma certa região, haverá uma certa quantidade de constante cosmológica naquela esfera. E mesmo que o universo se expanda, ainda há a mesma quantidade naquela esfera, certo? A constante cosmológica permanece a mesma. Em um universo com o que chamamos de energia escura “fantasma”, a quantidade de energia escura dentro dessa esfera aumentaria com o tempo. Se você tivesse uma galáxia vivendo nessa esfera, por exemplo, e essa galáxia ligada gravitacionalmente e tudo meio que mantido unido pela gravidade, em um universo cosmológico constante, tudo bem. As órbitas não mudam. A galáxia permanece como está. Em um universo com energia escura fantasma, a quantidade de elasticidade dentro dessa esfera está aumentando. A energia escura está se acumulando e pode separar a galáxia. Poderia afastar as estrelas da galáxia, poderia afastar os planetas das estrelas, e apenas se acumularia e se acumularia dentro dos objetos.
(15:55) Então, em vez de uma situação em que toda a energia escura está apenas afastando coisas distantes umas das outras, apenas criando mais espaço vazio, na verdade estaria esticando as coisas por dentro. Costumo dizer às pessoas: “Oh, você sabe, o universo está se expandindo, o que está acontecendo é que galáxias distantes estão se distanciando. Mas esta sala não está se expandindo. Em um universo com energia escura fantasma, esta sala estaria se expandindo, eventualmente.
Strogatz: Eu vejo.
Mack (16:19): Então, o que ele faria é começar crescendo em escalas realmente grandes. Portanto, separaria os antigos aglomerados de galáxias. Isso puxaria as estrelas para fora da borda da galáxia. Mas ficaria cada vez mais poderoso, de modo que começaria a afastar os planetas das estrelas, começaria a afastar as luas dos planetas e se acumularia dentro dos planetas e eventualmente explodiria o próprio planeta. E então fica cada vez mais poderoso à medida que desce e você eventualmente separa as moléculas, separa os átomos e, finalmente, destrói o próprio universo.
Strogatz (16:50): Então é realmente o caso que sob esta imagem que você descreveu, é como se estivesse descendo através das escalas de comprimento do maior para o menor. Vai nessa sequência?
Mack (17:00): Bem, o que é, está ficando mais poderoso. Então é desvincular as coisas mais fracas primeiro, as coisas maiores são mais fracas. E então, conforme você chega a escalas cada vez menores, você começa a gostar de ligação atômica, ligação nuclear. Então, apenas ligações mais fortes.
Strogatz: Eu vejo. Eu vejo.
Mack: Isso meio que se desenvolve nesse sentido.
Strogatz (17:18): Uau, isso é interessante, as coisas estão sendo arrancadas de dentro, ao contrário de apenas... Tipo, eu imaginei com a morte por calor e o cenário cosmológico constante, quase como quando falamos sobre como o universo está se expandindo, e as pessoas dizem: "Bem, para onde ele está se expandindo?" E então alguém diz: “Não, pinte pontos na superfície de um balão de borracha elástica”, sabe, ou algo assim. Isso é uma espécie de constante cosmológica. Parece que os pontos no balão ficam mais distantes. Essas são, digamos, as galáxias se distanciando. Existe uma imagem que substitua o balão para o Big Rip? Soa muito mais violento.
Mack (17:55): Bem, quando estou usando uma metáfora de balão, costumo dizer, tipo, imagine, tipo, formiguinhas na superfície da lua. E conforme o balão fica maior, as formigas ficam mais distantes. Mas as próprias formigas não estão realmente prestando atenção nisso. Eles são uma espécie de seus próprios pequenos objetos. No cenário Big Rip, será mais como se você desenhasse uma galáxia no balão e depois expandisse o balão. Até a própria galáxia vai ficar maior nessa foto. E assim os próprios objetos vão ficar maiores. E em algum momento, você chega ao ponto em que o próprio balão explode. Você não conseguiu descobrir dessa maneira.
(18:26) Há problemas com a analogia do balão em termos de detalhes, mas esse é o tipo de imagem que você pode ter.
(18:53): Agora, devo dizer que a maioria dos cosmólogos não acha que o Big Rip vai acontecer. Ele quebra certas regras sobre as condições de energia no universo. Então, coisas que achamos que deveriam ser verdadeiras sobre como a energia se move pelo cosmos, a energia escura fantasma quebra essas regras. E, portanto, provavelmente não é viável como cenário. Mas dito isso, não podemos descartar totalmente a observação, tudo o que podemos dizer é que, quando observamos como o universo está evoluindo agora, podemos dizer que o Big Rip quase certamente não acontecerá no próximo, digamos , 200 bilhões de anos. Porque você nunca pode dizer que 100% não vai acontecer. Mas com base em nossas medições, podemos colocar um tipo de limite no tempo e podemos dizer que quase certamente não acontecerá dentro de um determinado prazo.
Strogatz (19:15): Hã. Bem, devemos passar para o número 3? Este que eu ouvi vem de coisas que aprendemos no Grande Colisor de Hádrons e dizem na rua que este pode ser o seu favorito, mesmo que você não ache que seja o mais provável. Atende pelo nome de teoria do decaimento do vácuo.
Mack (19:33): Sim. Portanto, o decaimento do vácuo é algo que só aprendi na época em que o Grande Colisor de Hádrons descobriu o bóson de Higgs. E a razão pela qual eu ouvi sobre isso é porque as pessoas começaram a escrever artigos sobre o decaimento do vácuo em resposta à descoberta do bóson de Higgs. Porque as propriedades do bóson de Higgs sugeriram que o decaimento do vácuo pode realmente ser uma possibilidade.
(19:56) A ideia por trás disso é esta. É uma história bastante técnica, mas vou tentar simplificá-la. Então a ideia é que o interessante sobre o bóson de Higgs não é a partícula em si. É o fato de que o bóson de Higgs implica a existência do campo de Higgs. Agora, o campo de Higgs é uma espécie de campo de energia que está em todo o espaço. E essencialmente, o que o Grande Colisor de Hádrons fez foi, meio que excitou aquele campo de energia, excitou uma partícula desse campo de energia e a partícula foi o que foi identificado. Mas isso significa que existe esse campo de energia que existe através do universo. E esse campo de energia tem algum valor. E chamamos esse campo de energia de campo de Higgs. E há toda uma história sobre como as partículas interagem com esse campo de energia e como certas partículas têm massa. E está ligado a toda essa imagem.
(20:43) Mas, do ponto de vista da física, o importante sobre o campo de Higgs é que houve um processo que aconteceu no universo muito primitivo, onde o campo de Higgs mudou. Portanto, no universo muito primitivo, o campo de Higgs tinha um valor diferente. É como se fosse um campo que tem um valor no sentido de que a temperatura nesta sala tem um valor em todos os lugares. Você pode definir um campo de temperatura, e ele tem valores diferentes, esteja você perto da janela, perto da porta, seja o que for. O campo de Higgs seria um campo onde tem o mesmo valor em todos os lugares, mas é um campo com um certo valor em todo o espaço. Tem alguma energia associada a ele.
(21:15) Agora, o valor que o campo de Higgs assume tem relação com a forma como a física de partículas funciona no universo. Assim, no início do universo, o campo de Higgs era diferente. As partículas interagiram com ele de forma diferente, e havia um conjunto diferente de partículas no universo. Nenhum deles tinha massa. E havia diferentes interações no universo. Tínhamos, em vez de, você sabe, eletricidade e magnetismo e as forças nucleares fortes e fracas, tínhamos um conjunto diferente de forças. Existia uma espécie de combinação de forças, e existiam diferentes partículas e nenhuma delas tinha massa. E então houve um evento chamado quebra de simetria, onde o campo de Higgs mudou, assumiu um valor diferente. E quando isso aconteceu, permitiu a existência de todas as partículas e combustíveis que entendemos agora no universo. Então, você sabe, elétrons e quarks, e isso permitiu a existência da força eletromagnética e das forças nucleares fortes e fracas. Tudo meio que se estabeleceu no tipo de física que experimentamos hoje. E isso foi bom porque significa que poderíamos ter átomos e moléculas e poderíamos existir.
Strogatz (22:16): Desculpe, tive que fazer uma pausa aqui, porque isso soou muito bíblico. “E isso foi bom”, certo? É o que diz, certo? "Que haja luz. E Deus viu que era bom”.
Mack (22:26): Bem, quero dizer, neste caso, estamos muito felizes que o campo de Higgs mudou, que este evento de quebra de simetria ocorreu porque nos permitiu existir. Quero dizer, você pode falar, sabe, se não tivesse acontecido, não existiríamos para ficar felizes com isso. Tem toda uma discussão aí. Mas, de qualquer forma, aconteceu; agora nós existimos.
(22:41) O problema é que, quando o bóson de Higgs foi descoberto, as medições da massa do campo de Higgs e das massas de outras partículas nos dão dicas sobre o que o campo de Higgs está fazendo sobre como o campo de Higgs evoluiu. E essas dicas parecem apontar para a possibilidade de que o campo de Higgs possa mudar novamente. Isso seria muito ruim da mesma forma que para a primeira vez a mudança foi boa. Se mudasse novamente, nos colocaria em uma situação em que não podemos existir, em que nossas partículas não se mantêm unidas. As constantes da natureza mudariam. Haveria diferentes forças e diferentes partículas. Isso nos mudaria para o que é chamado um verdadeiro estado de vácuo. Não quero dizer “vácuo” no sentido de, tipo, nada existir. Os estados de vácuo são estados diferentes de como a física funciona, essencialmente. Então falamos que estamos em um certo estado de vácuo. Pode haver um estado de vácuo diferente. Então, se o campo de Higgs realmente tem essa possibilidade de mudar, isso significa que o estado de vácuo em que estamos é chamado de falso vácuo. E o verdadeiro vácuo seria o estado de vácuo em que o universo preferiria estar, em que o campo de Higgs preferiria estar. outro valor, e meio que evoluirá para o verdadeiro estado de vácuo.
(24:01) E a maneira como isso acontece é meio … dramática. Então você pode pensar nisso como o universo sendo meio metaestável, significando "não totalmente estável" da mesma forma que, se você colocar uma xícara de café na beirada de uma mesa, ela ficará lá, mas algo pode bater fora, e poderia cair, e realmente preferiria estar no chão. E você pode pensar em nosso campo de Higgs como estando potencialmente naquele tipo de estado, onde tudo o que você precisa é, para mudá-lo para outro estado, você precisa perturbar o campo de Higgs diretamente da mesma maneira que você poderia, você sabe, derrubar uma xícara de café da mesa. Ou você precisaria apenas confiar na ideia de que todas essas partículas e campos dependem da mecânica quântica, das regras da mecânica quântica, e a mecânica quântica diz que às vezes, às vezes sua xícara de café pode cair no chão de qualquer maneira, certo? A incerteza da mecânica quântica diz que, de vez em quando, se você colocar uma partícula de um lado de uma parede, ela aparecerá do outro lado. Isso é chamado de tunelamento quântico. Isso é algo que acontece que observamos na escala subatômica o tempo todo. E isso também se aplica ao campo de Higgs.
(25:03) E então há algum tipo de tempo de decaimento associado ao campo de Higgs no estado em que, se você deixar o campo de Higgs sozinho por tempo suficiente, eventualmente um pouco desse campo de Higgs em algum lugar do universo fará um túnel quântico para esse outro estado . E isso pode não ser um problema como um estado na escala subatômica. Mas, infelizmente, se um pedaço do campo de Higgs vai para este novo estado, vai para o vácuo verdadeiro, todo o campo de Higgs ao seu redor também cai para o vácuo verdadeiro.
Strogatz (24:33): Ah, sério? Portanto, há algum tipo de reação em cadeia como se inflamasse tudo.
Mack: Exatamente. Exatamente.
Strogatz: Não sei se essa é a palavra certa. Mas sim.
Mack (25:35): Sim, sim, seria como, se você tivesse uma corrente em uma mesa e você - e um elo caísse da mesa, ele puxaria todos os outros elos para baixo conforme caísse. E você teria algo assim acontecendo. Você teria essa cascata, onde assim que o evento acontecesse em um ponto, ele aconteceria ao seu redor, e isso criaria essa bolha do verdadeiro estado de vácuo que se expandiria pelo universo mais ou menos à velocidade da luz.
Strogatz: Oh.
Mack (25:58): Isso é ruim por alguns motivos. Um, é que o tipo de borda da bolha, a parede da bolha tem alguma energia associada a ela, onde se a parede da bolha atingir você, ela meio que o incinerará imediatamente. Além disso, se você entrar na bolha, estará neste verdadeiro estado de vácuo, onde as leis da física são diferentes e suas partículas não se mantêm mais unidas. Além disso, houve um cálculo feito na década de 1980 que sugeria que, uma vez que você está dentro do verdadeiro estado de vácuo, o espaço lá é fundamentalmente instável gravitacionalmente. E assim você imediatamente entraria em colapso em um buraco negro.
Strogatz: Cara, você consegue de todas as direções.
Mack (26:34): Exatamente, exatamente. E se isso ocorrer, se esse evento quântico acontecer em um ponto do universo, então essa bolha se expande na velocidade da luz e simplesmente destrói tudo no universo. E porque está acontecendo, foi na velocidade da luz, você não vê isso chegando. No momento em que o sinal chega até você, ele já está em cima de você. Mas, por outro lado, você não sentiria porque sabe, seus impulsos nervosos não viajam tão rápido, você realmente não notaria o que aconteceu. Mas você simplesmente deixaria de existir.
Strogatz (27:04): Quer dizer, a velocidade da luz torna isso uma coisa interessante, já que o universo é muito grande, mesmo em relação à velocidade da luz. Então pode estar acontecendo em algum lugar distante, 13 bilhões de anos-luz de distância, não?
Mack (27:16): Claro, claro. Certamente é verdade que há partes do universo que estão sendo afastadas de nós mais rapidamente do que a velocidade da luz pela expansão do universo. E assim, se a bolha ocorrer em uma dessas regiões distantes, essa bolha não nos alcançará. Mas como é um evento aleatório com a mesma taxa de decaimento em todos os lugares, se uma bolha acontecer muito longe, é provável que aconteça nas proximidades.
Strogatz: Aha. OK, bom ponto.
Mack (27:40): Então, felizmente, o tempo de decaimento que podemos estimar a partir de nossos dados atuais é algo como 10 elevado a 100 anos. Portanto, não é algo que achamos que acontecerá tão cedo. Se pensarmos que isso vai acontecer, então certamente será daqui a muito, muito tempo. Mas por ser um evento quântico, é fundamentalmente imprevisível exatamente quando isso aconteceria, da mesma forma que você não pode prever, você sabe, quando um determinado átomo vai decair em um processo de decaimento radioativo. Você só pode dar uma espécie de meia-vida para um pedaço do material. Da mesma forma, com o universo, não podemos dizer com certeza que não vai acontecer aqui, sabe, nos próximos cinco minutos. Podemos apenas dizer, muito provavelmente, em nosso universo observável, isso não acontecerá nos próximos 10 elevado a 100, ou 10 elevado a 500 anos.
(28:25) A outra ressalva a ter em mente é que esses cálculos são baseados em levar muito a sério o que sabemos sobre o Modelo Padrão da física de partículas. E o Modelo Padrão da física de partículas, que é nosso tipo de compreensão de como as partículas funcionam neste universo, é, pensamos, incompleto. Não inclui matéria escura; não inclui energia escura. Temos certeza de que há buracos nele. E se realmente tivéssemos uma imagem mais completa da física de partículas, talvez não incluísse a possibilidade de decaimento do vácuo.
Strogatz: ESTÁ BEM.
Mack (28:58): Portanto, a decadência do vácuo é uma ideia que surge quando meio que extrapolamos além do que pensamos, você sabe, é o limite de validade de nossas teorias. Mas é uma possibilidade fascinante. A razão pela qual gosto tanto disso como uma ideia é que é essa conexão muito, muito profunda entre as menores escalas, o universo muito, muito primitivo e a destruição de todo o cosmos.
Strogatz (29:21): Legal. Certo. Quer dizer, é, é muito... É que há algo tão fundamental sobre esse mecanismo, onde todas as leis da física mudam em você em um piscar de olhos. Mas também que imagem essa ideia da borda da bolha de vácuo ou o que quer que você chame vindo em sua direção…. Caramba.
Mack: Sim.
Strogatz (29:42): Teoria #4, é hora da teoria #4 entrar em campo aqui. Este é o cenário conhecido como Big Crunch, que certamente soa violento e interessante. O que, o que é o Big Crunch?
Mack (29:56): Bem, o Big Crunch é uma ideia que existe há muito tempo. Foi a ideia que foi mais aceita como provável na década de 1960. A ideia por trás do Big Crunch é que observamos que o universo está se expandindo. E há a pergunta que temos que fazer: o universo vai continuar se estendendo para sempre? Ou será que voltará a entrar em colapso em algum momento? Então sabemos que o universo era pequeno, quente e denso bem no começo. E vem se expandindo desde então. E deve haver alguma interação entre a expansão e a gravidade em toda a história, certo? Assim como as galáxias estão sendo separadas umas das outras, pela extensão do espaço, elas também têm a gravidade puxando uma para a outra. E assim a existência de matéria no universo deveria apenas retardar a expansão pelo fato de que tudo é atraído por tudo o mais.
(30:41) Ao longo dos anos, houve uma tentativa de descobrir, a expansão vai vencer? Ou a gravidade vai vencer? E agora sabemos que é muito provável que a expansão vença, porque vemos que a expansão está realmente acelerando, porque a energia escura está acelerando a expansão. E, portanto, não vemos uma maneira clara de onde o universo poderia parar e entrar em colapso novamente. Mas, na década de 1960, não sabíamos, e os dados preliminares pareciam sugerir que havia mais gravidade do que expansão, no sentido de que o universo pararia de se expandir e, eventualmente, voltaria a entrar em colapso.
(31:13) E também devo dizer que, você sabe, não achamos que esta seja uma ideia favorita agora. Mas como não sabemos o que é a energia escura, não sabemos ao certo se não é algo que poderia mudar. Você sabe, nós sabemos que está causando expansão agora. Não sabemos se não é algo que poderia mudar, pode ser algum campo dinâmico que em algum momento causaria uma compressão ao invés de expansão.
(31:34) Portanto, não sabemos ao certo, mas acho que é o cenário que considero mais assustador, embora, de certa forma, seja um dos menos prováveis porque parece contradizer os dados atuais. A ideia de que o universo pode começar a comprimir tudo é muito, muito perturbadora. Porque, você sabe, agora vemos as galáxias se afastando. Vemos o universo meio que esfriando e se esvaziando. Se o universo começasse a se contrair, o que veríamos é que poderíamos ver todas essas galáxias distantes correndo em nossa direção. E as galáxias estariam colidindo umas com as outras o tempo todo, mas galáxias distantes viriam em nossa direção e o universo ficaria muito, muito denso e lotado.
(32:12) E pior do que isso, toda a radiação do universo também seria comprimida. Isso significa que não só ficaria mais quente, apenas porque mais radiação está em um espaço menor. Mas também toda a radiação seria endurecida em radiação de energia mais alta, radiação de frequência mais alta. Então há um processo que acontece no universo durante a expansão chamado redshift, onde a radiação é estendida para comprimentos de onda mais longos. Então, você sabe, a luz visível torna-se infravermelha, torna-se rádio. Se você tivesse compressão, toda aquela luz visível de todas as estrelas que já apareceram no universo começaria a ser comprimida em ultravioleta, em raios-x, em luz de raios gama. E começaria a cozinhar o universo dessa maneira muito profunda.
(32:57) E havia um artigo realmente fascinante de, eu acho, 1969 pelo astrônomo Martin Rees, onde ele calculou que neste cenário do Big Crunch, em algum ponto, a temperatura ambiente do espaço, a radiação no espaço de todos os essa luz estelar sendo comprimida, seria suficiente para causar reações termonucleares ao longo das superfícies das estrelas, e iria cozinhar as estrelas de fora para dentro, apenas com a radiação do espaço. E você sabe, nesse ponto, como se nada pudesse sobreviver. Portanto, é uma ideia que pessoalmente acho bastante perturbadora, a ideia de que poderíamos ser cozinhados pela radiação do espaço enquanto o universo está entrando em colapso ao nosso redor.
Strogatz (33:38): Bem, sim, interessante que esse é o que mais te incomoda, porque quero dizer, todos eles têm os seus…. Você sabe, tipo, você quer ir de repente? Você quer ferver? Você quer congelar?
Mack (33:49): Certo. Certo. Quero dizer, nenhum deles termina bem, certo? Mas com a morte por calor, você tem muito tempo. Então isso é bom. Você sabe, é tudo meio gentil. Com a decadência do vácuo, você não vê chegando. Então, tanto faz, você nem percebe.
Strogatz: ESTÁ BEM.
Mack (34:04): É uma espécie de não-evento, da perspectiva de um ser consciente. Mas tanto o Big Rip quanto o Big Crunch, você veria chegando, e isso é bastante assustador.
Strogatz (34:13): Uh huh. Acho que agora estamos no último, o Bounce, ou o que me lembro quando criança costumava ser chamado de Universo Pulsante. É a mesma ideia?
Mack (34:23) Portanto, neste caso, estou agrupando algumas ideias diferentes em uma ampla categoria de universo cíclico ou universo saltitante. A ideia é que essencialmente tenta explicar o início do universo…. Portanto, há certos aspectos do universo primitivo que são difíceis de explicar em nossa cosmologia atual, você sabe. Como foi configurado do jeito que estava? Por que nosso universo tem o tipo de forma que tem, em termos do tipo de forma do espaço? Por que nosso universo tinha baixa entropia o suficiente no passado para que a entropia pudesse aumentar no futuro até o estado em que está agora?
(34:54) Todas essas são questões profundas sobre o início. E houve algumas tentativas de responder a essas perguntas dizendo: “Bem, talvez o começo não tenha sido o começo. Talvez houvesse algo antes do começo que criou as condições para o universo que existe hoje.” Esses levam a essas cosmologias cíclicas. Ou uma ideia onde havia um universo anterior que evoluiu para o Big Bang que experimentamos e depois evolui para o nosso universo atual. Ou simplesmente onde você apenas tem um ciclo constante de universos, onde havia algo antes de nós, haverá algo depois de nós. E algumas dessas ideias envolvem uma espécie de compressão para o novo Big Bang, algumas envolvem uma espécie de morte por calor e, em seguida, um novo Big Bang saindo disso. Alguns são como “houve uma fase anterior, e isso evolui para a nossa fase, mas nada vai acontecer no futuro”. Portanto, esses são todos os tipos de ideias que são escolhidas como possibilidades para o futuro de nosso universo ou o fim de um universo anterior que leva ao nosso.
Strogatz (35:48): Neste ponto, eu acho, eu gosto de colocar meu… não exatamente meu chapéu de cético, mas meu chapéu de cientista. Parece que há muita ciência no que você está dizendo, no que você está conectando com o que sabemos sobre a teoria quântica de campos ou sobre a relatividade geral. Mas e as observações?
Mack (36:05): Sim, quero dizer, fundamentalmente, nunca seremos capazes de responder com total certeza à pergunta “como o universo vai acabar?” Porque, obviamente, se acontecer, não estamos lá para anotar a resposta. Mas existem algumas maneiras diferentes de abordar essa questão que, fundamentalmente, o que estamos tentando fazer é extrapolar o que sabemos sobre o universo agora e sua evolução do passado para o futuro. E é aí que você acaba com essa ramificação de diferentes possibilidades. Porque existem várias direções diferentes que poderiam seguir e poderíamos seguir no futuro que são consistentes com a evolução do universo até agora.
(36:37) Em termos de coisas observacionais que podemos aprender que podem nos dizer mais sobre qual desses caminhos é mais provável, existem algumas maneiras diferentes de abordá-lo. Uma delas é tentar entender a energia escura. Portanto, três desses cenários dependem muito do que é a energia escura e de como ela agirá. Então, se pudermos descobrir se a energia escura é realmente uma constante cosmológica? Ou é algo que varia? E isso pode ser uma pergunta impossível por si só, porque uma constante cosmológica é um tipo de caso especial de uma classe mais ampla de idéias de energia escura, onde você nunca pode ter 100% de certeza de que está exatamente nesse estado.
(37:16) É um pouco - observacionalmente, é difícil estar lá com total certeza, mas podemos obter cada vez mais certeza sobre o comportamento da energia escura. E talvez possamos encontrar uma espécie de base teórica para a energia escura. Talvez haja algum resultado experimental de alguma outra forma que nos diga que esta é realmente a resposta para o que é a energia escura. Então, tentando entender a energia escura por meio de observações cosmológicas ou por meio de testes experimentais que possam chegar ao possível tipo de física fundamental da energia escura. Esses são todos os caminhos que podemos explorar e tentar distinguir entre morte por calor, Big Rip, Big Crunch - esses tipos de ideias que dependem da dinâmica de expansão.
(37:55) Em termos de algo como o decaimento do vácuo, se entendermos melhor o campo de Higgs e suas conexões com outras partículas e outros campos na física de partículas, teremos uma ideia melhor se o campo de Higgs é ou não uniforme capaz de decair dessa maneira. E se o decaimento do vácuo é uma possibilidade, como o potencial de Higgs muda em diferentes escalas. Todas essas coisas estão sendo pesquisadas ativamente com experimentos como o Grande Colisor de Hádrons.
(38:22) E então, quando estamos falando de universos cíclicos, só precisamos entender o começo, certo? Se obtivermos mais informações sobre o universo muito primitivo por meio de observações, por meio de análises inteligentes dos dados do universo primitivo, procurando por coisas como ondas gravitacionais primordiais e o que isso pode nos dizer sobre se a inflação cósmica ocorreu ou não no início , ou através de uma melhor compreensão da teoria das partículas por meio de coisas como experimentos de partículas que poderiam nos dizer se o Modelo Padrão da física de partículas é realmente válido, ou o que mais pode estar por trás dele, se pode haver dimensões superiores do espaço? Esse é outro aspecto dessa questão.
(38:59) Portanto, todos esses são lugares que podemos procurar para tentar entender se os universos cíclicos são a direção certa a seguir. E se houve algo antes do Big Bang que estabeleceu as condições para o nosso universo hoje.
Strogatz (39:11): Parece que muitos caminhos diferentes dentro da física fundamental são nossa melhor chance aqui. Vamos apenas falar sobre o telescópio Webb, porque tenho certeza que muitas pessoas estão pensando sobre isso, já que especialmente o que você acabou de mencionar no último caso sobre o universo cíclico é que é uma questão tão grande sobre o que está acontecendo no início do universo . E o telescópio Webb nos diz algo sobre o início do universo, mas acho que não é cedo o suficiente. Isso está certo?
Mack (39:35): Sim. Assim, o telescópio Webb pode nos dizer muito sobre a primeira geração de galáxias. E isso é super empolgante para mim pessoalmente, porque como pesquisador de matéria escura, o impacto da matéria escura nessas primeiras galáxias pode ser muito diferente em diferentes tipos de modelos de matéria escura. Portanto, podemos aprender muito sobre certos aspectos da física fundamental, sobre coisas como matéria escura, essencialmente sobre energia escura enquanto observamos galáxias muito distantes. e potencialmente obter apenas uma medida melhor da geometria do universo à medida que obtemos mais dessas galáxias. Certamente podemos aprender muito sobre as galáxias e sobre a estrutura em larga escala do universo, vamos obter algumas informações do JWST a partir desses tipos de observações.
Mack (40:15): Em termos do universo muito, muito primitivo, porém, são realmente observações de coisas como a radiação cósmica de fundo. Então esse tipo de luz do universo primitivo onde o universo ainda estava em chamas. Mas ainda está nesse tipo de fase de radiação quente, estava brilhando com o calor e com a radiação desse plasma primordial. E com telescópios de microondas, podemos ver esse brilho. E isso pode nos dar algumas informações realmente importantes sobre o universo muito, muito, muito primitivo.
Strogatz (40:42): O que você acha do campo de estudo do fim do universo? Alguma ideia sobre para onde vai nos próximos 10-20 anos? É só que vamos continuar nos concentrando na física fundamental, e essa será nossa melhor esperança de realmente fazer algum progresso aqui?
Mack (40:58): Acho que é verdade. Acho que, à medida que continuamos a aprender mais sobre a natureza fundamental do cosmos, tanto no sentido de, você sabe, a estrutura do cosmos, a forma do espaço e o potencial para - talvez haja mais dimensões do espaço. Talvez o espaço e o tempo sejam emergentes de algum fenômeno mais abstrato. Talvez possamos descobrir isso através de coisas como holografia e buracos negros. E há todo um outro campo em que podemos entrar, no qual não quero me aprofundar muito agora. Sabe, talvez possamos aprender algo sobre as estruturas fundamentais da realidade. Talvez aprendamos o que é energia escura. Talvez aprendamos o que é a matéria escura. Talvez essas coisas informem nossa compreensão da física de partículas fundamental. Talvez possamos obter mais informações sobre o universo muito, muito primitivo e aprenderemos algo sobre como as condições iniciais para o nosso universo foram estabelecidas.
(41:45) Todos esses são super emocionantes à sua maneira, certo? Cada parte disso é algo que seria tremendamente importante para a física, que revolucionaria a forma como pensamos sobre o universo de maneiras realmente importantes. E como efeito colateral, aprenderíamos um pouco sobre como nosso universo pode acabar, qual pode ser nosso destino final. Então eu acho que há muito poucas pessoas que são, você sabe, realmente, seu foco principal é o que vai acontecer com o universo? Como vamos terminar? Realmente, são essas outras questões que chegam à natureza fundamental da realidade, a evolução do cosmos, as origens do cosmos. E tudo isso alimenta essas grandes questões sobre para onde estamos indo? O que vai acontecer a seguir?
Strogatz (42:27): Maravilhoso. Bem, conversamos com a cosmóloga teórica Katie Mack, autora do livro O fim de tudo (Astrofisicamente falando). Muito obrigado por se juntar a nós hoje. Katie,
Mack (42:38): Obrigado por me receber. Esta foi uma conversa muito divertida.
Locutor (42: 40)
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Strogatz (42: 57): A alegria do porquê é um podcast de Revista Quanta, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. As decisões de financiamento da Simons Foundation não têm influência na seleção de tópicos, convidados ou outras decisões editoriais neste podcast ou em Revista Quanta. A alegria do porquê é produzido por Susan Valot e Polly Stryker. Nossos editores são John Rennie e Thomas Lin, com apoio de Matt Carlstrom, Annie Melchor e Allison Parshall. Nossa música tema foi composta por Richie Johnson. Agradecimentos especiais a Bert Odom-Reed nos estúdios de transmissão de Cornell. Nosso logotipo é de Jaki King. Sou seu anfitrião, Steve Strogatz. Se você tiver quaisquer perguntas ou comentários para nós, envie-nos um e-mail para Obrigado por escutar.
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