Em que o universo está se expandindo? - Sajan Saini

O universo começou em um Big Bang, há cerca de 14 bilhões de anos, e vem se expandindo desde então. Mas, como o universo se expande, e em que está se expandindo? Sajan Saini explica as teorias existentes em torno do Big Bang e o que existe, se é que existe, para além do nosso universo.
[Animação TED-Ed por Wooden Plane Productions]

O universo começou sua vida
cósmica em um Big Bang,

há cerca de 14 bilhões de anos,

e vem se expandindo desde então.

Mas em que está se expandindo?

Essa é uma pergunta complicada.

Eis o motivo:

as equações de campo de Einstein

descrevem o espaço e o tempo

como uma espécie de tecido
interligado para o universo.

Ou seja, o que conhecemos
como espaço e tempo

só existe como parte do universo
e não para além dele.

Quando objetos do cotidiano
se expandem,

ocupam um espaço maior.

Mas, se não existe essa coisa
que chamamos de espaço,

o que significa se expandir?

Em 1929, as observações
astronômicas de Edwin Hubble

nos deram uma resposta definitiva.

Seu estudo sobre o céu à noite

constatou que todas as galáxias distantes
recuam ou afastam-se da Terra.

Além disso, quanto mais distante estiver
a galáxia, mais rápido ela irá se afastar.

Como podemos interpretar isso?

Considere um pedaço de pão
de passas crescendo no forno.

A massa cresce proporcionalmente
entre cada uma das passas.

Se pensarmos nas passas
como se fossem as galáxias,

e na massa como o espaço entre elas,

podemos imaginar que a expansão
do espaço intergaláctico

fará com que as galáxias
se afastem umas das outras.

Para qualquer uma das galáxias,
suas vizinhas mais distantes

irão recuar uma distância maior
do que as mais próximas

no mesmo período de tempo.

Conforme esperado, as equações de campo

preveem uma disputa cósmica
entre a gravidade e a expansão.

É apenas no vazio escuro entre as galáxias
que a expansão pode ocorrer,

e o espaço pode se tornar mais amplo.

Então, temos nossa resposta.

O universo está se expandindo em si mesmo.

Dito isso, os cosmologistas pressionam
os limites dos modelos matemáticos

para especular sobre o que existe,
se é que existe,

para além de nosso espaço-tempo.

Não são palpites absurdos,

e sim hipóteses que abordam problemas
na teoria científica do Big Bang.

O Big Bang

prevê que a matéria está distribuída
uniformemente por todo o universo,

como um gás disperso,

mas, então, como as galáxias
e as estrelas se formaram?

O modelo inflacionário

descreve uma era breve
de expansão incrivelmente rápida

que relaciona flutuações quânticas
na energia do universo primitivo

à formação de massas gasosas
que acabaram formando as galáxias.

Se aceitarmos esse paradigma,

isso também pode implicar
que nosso universo representa uma região

numa realidade cósmica maior
submetida a inflação eterna e infinita.

Nada sabemos sobre essa realidade
de inflação especulativa,

a não ser quanto à previsão matemática
de que sua expansão infinita

possa ser motivada por um estado
de energia quântica instável.

Em muitas regiões locais, no entanto,
a energia pode se instalar ao acaso

em um estado estável, detendo a inflação
e formando universos-bolha.

Cada universo-bolha,
sendo o nosso um deles,

seria descrito por seu próprio
Big Bang e pelas leis da física.

Nosso universo faria parte
de uma coleção de universos maior,

em que o ritmo fantástico
da inflação eterna

tornaria impossível encontrar
um universo vizinho.

O Big Bang também prevê
que, no início do universo quente,

nossas forças fundamentais podem
se unificar em uma superforça.

As teorias matemáticas das cordas
sugerem descrições dessa unificação,

além de uma estrutura fundamental
para elétrons e quarks subatômicos.

Nesses modelos propostos,

as cordas que vibram são os blocos
de construção do universo.

Modelos concorrentes para as cordas foram
consolidados em uma descrição unificada,

e sugerem que essas estruturas
podem interagir

com enormes superfícies dimensionais
superiores chamadas p-branas.

Nosso universo pode estar contido
dentro de uma dessas p-branas,

flutuando em um lugar
de dimensão superior desconhecido

chamado hiperespaço.

Outras p-branas, contendo
outros tipos de universos,

podem coexistir no hiperespaço,

e as p-branas vizinhas
podem até compartilhar

certas forças fundamentais
como a gravidade.

Tanto a inflação eterna quanto as p-branas
descrevem uma coleção de universos,

mas, enquanto os universos
na inflação eterna estão isolados,

os universos das p-branas
podem colidir uns com os outros.

Um eco de uma colisão pode aparecer
no fundo das micro-ondas cósmicas,

uma mistura de radiações
pelo nosso universo,

que é uma relíquia
de uma época inicial do Big Bang.

Mas, até agora, não encontramos
nenhum eco cósmico.

Há quem suspeite que as hipóteses
divergentes de coleção de universos

possam finalmente se fundir
em uma descrição comum,

ou sejam substituídas
por outra coisa qualquer.

Por enquanto, são explorações
especulativas de modelos matemáticos.

Enquanto esses modelos

são inspirados e guiados
por muitas experiências científicas,

há muito poucas experiências objetivas
que as testem diretamente.

Até aparecer o próximo Edwin Hubble,

os cientistas deverão continuar

a discutir sobre a elegância
de seus modelos concorrentes

e a sonhar com o que existe,
se é que existe,

para além do nosso universo.