Sean Carroll: O tempo distante e um indício de um multiverso

Na TEDxCaltech, o cosmólogo Sean Carrol ataca - num divertido e provocador passeio através da natureza do tempo e do universo -- uma questão enganosamente simples: Porque existe o tempo afinal? As respostas potenciais apontam para uma surpreendente visão da natureza do universo, e o nosso lugar nele.

O universo

é mesmo muito grande.

Vivemos numa galáxia, a Via Láctea.

Há cerca de 100 mil milhões de estrelas na Via Láctea.

E se pegarem numa câmara

e a apontarem a uma parte do céu de forma aleatória,

e mantiverem o obturador aberto,

desde que a vossa câmara esteja ligada ao Telescópio Espacial Hubble,

verão algo como isto.

Cada um destes pequenos borrões

é uma galáxia mais ou menos do tamanho da nossa Via Láctea --

100 mil milhões de estrelas em cada um desses borrões.

Há aproximadamente 100 mil milhões de galáxias

no universo observável.

100 mil milhões é o único número que precisam de saber.

A idade do universo, desde este momento e o Big Band,

é de 100 mil milhões em anos de cão.

(Risos)

O que nos diz algo sobre o nosso lugar no universo.

Algo que podem fazer com uma imagem destas é simplesmente admirá-la.

É extremamente bela.

Perguntei-me muitas vezes, qual é a pressão evolucionária

que fez os nossos antepassados no Veldt adaptarem-se e evoluírem

para apreciarem realmente imagens de galáxias

quando não tinham nenhuma.

Mas também gostaríamos de o compreender.

Enquanto cosmólogo, quero perguntar, porque é que o universo é assim?

Uma pista importante que temos é que o universo está a mudar com o tempo.

Se olhassem para uma destas galáxias e medissem a sua velocidade,

estariam a afastar-se de vós.

E se olhassem para uma galáxia de mais longe ainda,

estaria a afastar-se ainda mais rápido.

Por isso dizemos que o universo se está a expandir.

O que isso significa, é claro, é que, no passado,

as coisas estavam mais perto umas das outras.

No passado, o universo era mais denso,

e também mais quente.

Se comprimirem a matéria, a temperatura sobe.

De alguma forma, isso faz sentido para nós.

O que não faz tanto sentido

é que o universo, nos primórdios, perto do Big Bang,

era também muito, muito regular.

Talvez pensem que isso não é surpresa.

O ar nesta sala é muito regular.

Podem dizer, "Bem, talvez as coisas fossem ficando mais regulares por si mesmas."

Mas as condições perto do Big Bang são muito, muito diferentes

das condições do ar desta sala.

Em particular, as coisas eram muito mais densas.

A atracão gravitacional das coisas

era muito mais forte perto do Big Bang.

Aquilo em que têm de pensar

é que temos um universo com 100 mil milhões de galáxias,

cada uma com 100 mil milhões de estrelas.

Nos primórdios, essas 100 mil milhões de galáxias

estavam comprimidas numa região assim deste tamanho --

literalmente, nos primórdios.

E têm de imaginar fazer essa compressão

sem quaisquer imperfeições,

pequenos quaisquer pequenos pontos

em que houvesse mais alguns átomos que em qualquer outro ponto.

Porque se tivesse havido, teriam colapsado sob a atracção gravitacional

num imenso buraco negro.

Manter o universo muito, muito regular, nos primórdios,

não é fácil, é um arranjo delicado.

É uma pista

de que o universo primordial não foi escolhido aleatoriamente.

Houve algo que o fez assim.

Gostaríamos de saber o quê.

Parte do nosso conhecimento sobre isto foi-no dado por Ludwig Boltzmann,

um físico Austríaco do séc. XIX.

E a contribuição de Boltzmann foi ter-nos ajudado a compreender a entropia.

Já ouviram falar da entropia.

É a aleatoriedade, a desordem, o carácter caótico de alguns sistemas.

Boltzmann deu-nos uma fórmula --

agora gravada na sua lápide --

que realmente quantifica o que é a entropia.

E é basicamente dizer apenas

que a entropia é o número de formas

em que conseguimos rearranjar os elementos consituintes de um sistema de maneira a que não se note,

de maneira a que, à escala microscópica, pareça igual.

Se virem o ar desta sala,

não notam cada átomo individual.

Uma configuração de baixa entropia

é uma em que apenas alguns arranjos têm esse aspecto.

Um arranjo de alta entropia

é um em que há muitos arranjos com alta entropia.

É uma noção crucialmente importante,

porque nos ajuda a explicar

a segunda lei da termodinâmica --

a lei que diz que a entropia aumenta no universo,

ou num pedaço isolado do universo.

A razão por que a entropia aumenta

é simplesmente porque há muito mais maneiras

de ser alta entropia do que de ser baixa entropia.

É uma noção maravilhosa,

mas deixa algo de fora.

Esta noção de que a entropia aumenta, a propósito,

é o que está por detrás do que chamamos de seta do tempo,

a diferença entre o passado e o futuro.

Cada diferença que existe

entre o passado e o futuro

é porque a entropia está a aumentar --

o facto de que se conseguem lembrar do passado, mas não do futuro.

O facto de que nascem, vivem, e depois morrem,

sempre nessa ordem,

é porque a entropia está a aumentar.

Boltzmann explicou que se se começa com baixa entropia,

é muito natural que aumente,

porque há mais maneiras de ser alta entropia.

O que ele não explicou

foi porque é que a entropia começou por ser baixa.

O facto é que a entropia do universo era baixa

era um reflexo do facto

de que o universo primordial era muito, muito, regular.

Gostaríamos de entender isto.

É o nosso trabalho, enquanto cosmólogos.

Infelizmente, é um problema a que, de facto,

não temos vindo a dar atenção suficiente.

Não é das primeiras que as pessoas diriam,

se perguntassem a um cosmólogo moderno,

"Quais são os problemas a que estamos a tentar fazer face?"

Umas das pessoas que de facto percebia que isto era um problema

foi Richard Feynman.

Há 50 anos, ele deu uma série de palestras diferentes.

Deu as famosas palestras

que se tornaram "The Character of Physical Law."

Deu palestras a estudantes universitários da Caltech

que se tornaram "The Feynman Lectures on Physics."

Deu palestras a pós-graduados da Caltech

que se tornaram "The Feynman Lectures on Gravitation."

Em cada um destes livros, cada um deste conjunto de palestras,

ele colocou a ênfase neste enigma:

Porque tinha o universo primordial tão baixa entropia?

E ele diz -- não vou imitar a pronúncia --

ele diz, "Por alguma razão, o universo, a dado momento,

tinha muito baixa entropia para o seu conteúdo de energia,

e desde então a entropia tem aumentado.

A seta do tempo não pode ser completamente entendida

até que o mistério dos inícios da história do universo

sejam ainda mais reduzidas

de especulação a entendimento."

É este, então, o nosso trabalho.

Queremos saber -- isto foi à 50 anos atrás, "Certamente," estão a pensar,

"já encontrámos a solução, a esta altura."

Não é verdade que tenhamos encontrado a solução, a esta altura.

A razão por que o problema se agravou,

em vez de melhorar,

é porque em 1998

aprendemos algo de crucial acerca do universo que ainda não sabíamos.

Aprendemos que está a acelerar.

O universo não se está a expandir.

Se olharem para a galáxia, está a afastar-se.

Se regressarem daqui a mil milhões de anos e olharem de novo,

estará a afastar-se mais depressa.

As galáxias individuais estão a afastar-se de nós mais e mais depressa.

Por isso dizemos que o universo está a acelerar.

Ao contrário da baixa entropia do universo primordial,

mesmo se não sabemos a resposta a isto,

ao menos temos uma boa teoria que o pode explicar,

se essa teoria estiver correcta,

e trata-se da teoria da energia escura.

É apenas a ideia que de o próprio espaço vazio tem energia.

Em cada centímetro cúbico de espaço,

haja ou não coisas lá,

haja lá ou não partículas, matérias, radiação ou seja o que for,

continua a haver energia, mesmo no próprio espaço.

E esta energia, de acordo com Einstein,

exerce um impulso sobre o universo.

E é um perpétuo impulso

que empurra as galáxias, afastando-as umas das outras.

Porque a energia escura, ao contrário da matéria ou da radiação,

não se dilui à medida que o universo se expande.

A quantidade de energia em cada centímetro cúbico

permanece a mesma,

mesmo à medida que o universo fica cada vez maior.

Isto tem implicações cruciais

para o que o universo vai fazer no futuro.

Por um lado, o universo vai-se expandir para sempre.

Quando eu era da vossa idade,

não sabíamos o que o universo iria fazer.

Algumas pessoas pensavam que o universo iria re-colapsar no futuro.

Einstein gostava desta ideia.

Mas se existe energia escura, e a energia escura não desaparece,

o universo vai simplesmente continuar a expandir-se sempre, e sempre e sempre.

14 mil milhões de anos, no passado,

100 mil milhões de anos de cão,

mas um número infinito de anos no futuro.

Entretanto, em todo o caso,

o espaço a nós parece-nos finito.

O espaço pode ser finito ou infinito,

mas porque o universo está a acelerar,

há partes que não conseguimos ver

e que nunca veremos.

Há uma região finita do espaço a que temos acesso,

rodeada por um horizonte.

Por isso, mesmo se o tempo continua para sempre,

o espaço é limitado, para nós.

Finalmente, o espaço vazio tem uma temperatura.

No anos 1970, Stephen Hawking disse-nos

que um buraco negro, mesmo que pensem que é negro,

na verdade emite radiação,

quando se tem em conta a mecânica quântica.

A curvatura do espaço-tempo à volta do buraco negro

faz nascer a flutuação quântica,

e o buraco negro irradia.

Um cálculo rigorosamente semelhante de Hawkings e de Gary Gibsons

mostrou que, se tivermos energia escura no espaço vazio,

então todo o universo irradia.

A energia do espaço vazio

faz nascer as flutuações quânticas.

E então, ainda que o universo dure para sempre,

e a matéria comum e a radiação se diluam,

haverá sempre alguma radiação,

algumas flutuações térmicas,

mesmo no espaço vazio.

O que isto significa

é que o universo é como uma caixa de gás

que dura para sempre.

Bem, o que é que isso implica?

Essa implicação foi estudada por Boltzmann no séc. XIX.

Ele disse, bem, a entropia aumenta

porque há mais, muito mais maneiras

de o universo ser alta entropia, em vez de baixa entropia.

Mas isso é uma afirmação probabilística.

Provavelmente aumentará,

e a probabilidade é enormemente imensa.

Não é algo com que tenham de se preocupar --

o ar desta sala a juntar-se todo numa parte da sala fazendo-nos sufocar.

É muito, muito improvável.

Só se se trancassem as portas

e nos mantivessem aqui literalmente para sempre,

isso aconteceria.

Tudo o que é possível,

cada configuração que seja possível obter pelas moléculas nesta sala,

irá eventualmente ser obtida.

Então Boltzmann diz, ouçam, podem começar com um universo

que estava em equilíbrio térmico.

Ele não sabia do Big Bang. Não sabia da expansão do universo.

Pensava que o o espaço e o tempo tinham sido explicados por Isaac Newton --

eram absolutos; simplesmente mantinham-se onde estavam sempre.

Por isso a ideia dele sobre um universo natural

era uma ideia em que as moléculas do ar estavam simplesmente espalhadas uniformemente por todo o lado --

as moléculas "do tudo".

Mas Boltzmann sabia que, se esperarmos tempo suficiente,

as flutuações aleatórias destas moléculas

irão ocasionalmente trazê-las

até configurações de mais baixa entropia.

E então, é claro, no decurso natural das coisas,

voltarão a expandir-se.

Então, não é que a entropia tenha sempre de aumentar --

podemos ter flutuações com entropia mais baixa,

situações mais organizadas.

Bem, se isso é verdade,

Boltzmann a seguir inventa

duas ideias que parecem muito modernas --

o multiverso e o princípio antrópico.

Diz ele, o problema com o equilíbrio térmico

é que não conseguimos viver lá.

Lembrem-se, a própria vida depende da seta do tempo.

Não seríamos capazes de processar informação,

metabolizar, andar e falar,

se vivêssemos em equilíbrio térmico.

Então, se imaginarem um universo muito, muito grande,

um universo infinitamente grande,

com partículas que colidem umas com as outras aleatoriamente,

haverá ocasionalmente pequenas flutuações nos estados de entropia mais baixa,

e depois voltam a "relaxar".

Mas haverá também flutuações grandes.

Ocasionalmente, far-se-á um planeta

um uma estrela ou uma galáxia

um 100 mil milhões de galáxias.

Então Boltzmann diz que

apenas viveremos na parte do multiverso,

na parte com este infinitamente grande conjunto de partículas de flutuação,

em que a vida é possível.

É a região em que a entropia é baixa.

Talvez o nosso universo seja apenas uma daquelas coisas

que acontece de tempos a tempos.

O vosso trabalho de casa

é pensar bem sobre isto, contemplar o que isto significa.

Carl Sagan é conhecido por ter dito

que "para se fazer uma tarte de maçã,

primeiro tem de se inventar o universo."

Mas ele não estava certo.

No cenário de Boltzmann, se se quer fazer uma tarte de maçã,

é só esperar pelo movimento aleatório de átomos

que nos façam uma tarte de maçã.

Isso acontecerá muito mais frequentemente

que um movimento aleatório de átomos

a fazer-nos um pomar de macieiras

e algum açúcar e um forno,

e depois uma tarte de maçã.

Este cenário, então, faz previsões.

E as previsões são

que as flutuações que nos fazem são mínimas.

Mesmo se imaginarmos que esta sala em que estamos agota

existe e é real e que aqui estamos,

e tenhamos, não só nas nossas memórias,

mas uma impressão que há algo lá fora

chamado Calltech e os Estados Unidos e a Via Láctea,

é muito mais fácil que todas essas impressões flutuem aleatoriamente no vosso cérebro

do que realmente flutuarem aleatoriamente

até se tornarem a Caltech, os Estado Unidos e a galáxia.

A boa notícia é que

assim sendo este cenário não funciona; não está certo.

Este cenário prevê que deveríamos ser uma flutuação mínima.

Mesmo se deixarmos a nossa galáxia de fora,

não teremos 100 mil milhões de outras galáxias.

E Feynman também percebeu isto.

Feynman diz, "Seguindo a hipótese de que o mundo é uma flutuação,

e as previsões são que,

se olharmos para uma parte do mundo que nunca vimos antes,

a encontraremos numa amálgama, e não como a tínhamos visto no momento anterior --

alta entropia.

Se a nossa ordem fosse devida a uma flutuação,

seria de esperar ordem em todo o lado menos onde a acabámos de detectar.

Assim, concluímos que o universo não é uma flutuação."

Isso está bem. A questão é qual é a resposta certa?

Se o universo não é uma flutuação,

porque tinha o universo primordial baixa entropia?

E eu adoraria contar-vos a resposta, mas estou a ficar sem tempo.

(Risos)

Aqui está o universo de que vos falamos,

versus o universos que realmente existe.

Apenas vos mostrei esta imagem.

O universo está a expandir-se há uns 10 mil milhões de anos.

Está a arrefecer.

Mas agora sabemos o suficiente sobre o futuro do universo

para dizer muito mais.

Se a energia escura continuar por cá,

as estrelas à nossa volta irão esgotar o seu combustível nuclear, irão parar de arder.

Tornar-se-ão buracos negros.

Viveremos num universo

sem nada, a não ser buracos negros.

O universo irá durar 10 elevado a 100 anos --

muito mais do que o nosso pequeno universo viveu.

O futuro é muito mais longo que o passado.

Mas nem os buracos negros irão durar para sempre.

Irão evaporar,

e restar-nos-á apenas espaço vazio.

Esse espaço vazio dura, essencialmente, para sempre.

No entanto, repararam, como o espaço vazio emite radiação,

na verdade há flutuações térmicas,

e esse espaço anda num ciclo à volta de

todas as diferentes combinações possíveis

dos graus de liberdade que existem no espaço vazio.

Então, mesmo se o universo durar para sempre,

existe apenas um número limitado de coisas

que é possível acontecer no universo.

Todas acontecem num período de tempo

igual a 10 elevado a 10 elevado a 120 anos.

Aqui estão duas perguntas para vós.

Número um: se o universo durar 10 elevado a 10 elevado a 120 anos,

porque é que nascemos

nos primeiros 14 mil milhões de anos,

no quente e confortável brilho a seguir ao Big Bang?

Porque não estamos em espaço vazio?

Podem dizer, "Bem, não há lá nada para se viver,"

mas isso não está certo.

Podemos ser uma flutuação aleatória vinda do nada.

Porque é não somos isso?

Mais trabalho de casa para vós.

Como disse, na verdade não sei a resposta.

Vou dar-vos o meu cenário favorito.

Ou é assim mesmo. Não há explicação.

É um facto brutal acerca do universo

que tenhamos de aprender a aceitar e deixar de fazer perguntas.

Ou talvez o Big Bang

não seja o início do universo.

Um ovo, um ovo por partir, é uma configuração de baixa entropia,

e no entanto, quando abrimos o nosso frigorífico,

não dizemos, "Olha, que surpresa encontrar

esta configuração de baixa entropia no nosso frigorífico."

Isso é porque um ovo não é um sistema fechado;

vem de uma galinha.

Talvez o universo venha de uma galinha universal.

Talvez haja algo que naturalmente,

através do desenvolvimento das leis da física,

dê origem a um universo como o nosso

em configurações de baixa entropia.

Se isso for verdade teria de acontecer mais do que uma vez;

seríamos parte de um muito maior multiverso.

É o meu cenário favorito.

Os organizadores pediram-me para acabar com uma especulação arrojada.

A minha especulação arrojada

é que isto será absolutamente confirmado pela história.

E daqui a 50 anos,

todas as minhas estranhas ideias actuais serão aceites como verdades

pelas comunidades científica e externa.

Todos acreditaremos que o nosso pequeno universo

é apenas uma pequena parte de um muito maior multiverso.

E melhor ainda, compreenderemos o que aconteceu no Big Bang

em termos de uma teoria

que seremos capaz de comparar às observações.

Isto é uma previsão. Posso estar errado.

Mas temos pensado, enquanto raça humana,

sobre como era o universo,

porque veio a ser aquilo que é por muito, muitos anos.

É entusiasmante pensar que poderemos finalmente saber a resposta um dia.

Obrigado.

(Aplausos)