Problemas com o Modelo Padrão

Deep Field: Imagem obtida pelo Hubble Space Telescope
(1) Homogeneidade é a propriedade do espaço de ser basicamente, pelo menos em média para grande escalas, independente do ponto onde se olha. As diversas partes do universo possuem a mesma densidade de matéria e radiação. Isotropia é a invariância destas propriedades com relação à direção. O universo é idêntico, para todos os lados que se olhe. Esta homogeneidade e isotropia não ocorrem em todas as escalas. No nível das galáxias, por exemplo, a matéria está concentrada nestas galáxias, que são muito mais densas no núcleo do que em suas bordas. Além disto as galáxias estão separadas entre si por grandes distâncias. Em níveis maiores elas tendem a se agrupar em aglomerados galáticos e, portanto, também não existe homogeneidade nesta escala. A homogeneidade aparece em escala muito maiores e isto pode ser verificado através de correlações entre distribuição e escala ou através de medições feitas sobre a radiação cósmica de fundo. Leia mais sobre o modelo padrão do Big Bang ou sobre a radiação cósmica de fundo.

O modelo do Big Bang é uma consequência da Teoria da Relatividade Geral, TRG, sob a hipótese de que o universo é homogêneo e isotrópico(1). Este modelo é bem sucedido em explicar características observadas, em especial o afastamento das galáxias descoberto por Edwin Hubble e a radiação de fundo na faixa de microondas. Vale enfatizar que, neste quadro, o universo não existiu sempre, tendo passado por um momento específico a aproximadamente 14 bilhões de anos. A pergunta sobre o que existia antes do Big Bang não possui qualquer significado, da mesma forma que uma pessoa postada sobre o pólo norte não pode prosseguir caminhando em direção ao norte.

No entanto ela introduz um número de problemas ainda não resolvidos, entre eles o motivo para que o universo esteja tão perto de sua densidade crítica (ou porque ele é hoje um universo plano), de como ele alcançou a homogeneidade hoje verificada embora não exista a possibilidade de contato entre regiões causalmente separadas, ou mesmo sobre o que teria motivado a própria explosão inicial. Existe razoável consenso entre os pesquisadores da área de que a TRG, que é a estrutura matemática por trás da descrição do espaço-tempo, não é uma boa teoria para a descrição dos estados que ocorreram logo após o big bang quando matéria e energia se encontravam em estado de alta densidade e a temperatura era muito elevada. É muito provável que uma descrição quântica da gravitação seja necessária para uma descrição apropriada deste período. Esta descrição, pelo menos por enquanto, não existe.

A TRG explica a gravitação em termos de modificações na curvatura do espaço-tempo causadas pela presença de matéria-energia. A teoria é elegante, matematicamente consistente e verificada experimentalmente em todos os tipos de experimentos e observações possíveis até o presente.

(2) Na natureza existem apenas quatro campos identificados: o campo gravitacional, campo eletromagnético, campo nuclear fraco e campo nuclear forte. É possível hoje mostrar que, em altas temperaturas (portanto altas energias), tais como as encontradas logo após o big bang, estes campos, exceto o gravitacional, se tornam unificados e a teoria quântica de campo é o embasamento teórico para esta unificação. A teoria quântica de campo não faz nenhum uso de alterações na geometria do espaço como a TRG mas explica as interações entre partículas subatômicas por meio de trocas de partículas virtuais.

Por outro lado houve também um grande avanço na explicação dos demais campos de força2. Na década de 1980 foi proposto o modelo inflacionário que se utiliza de campos quânticos para promover um crescimento muito rápido no universo inicial. Considera-se hoje que a inflação é a responsável pela explosão e explica algumas características hoje observadas, tais como porque o universo se encontra tão próximo da densidade crítica e porque é tão homogêneo. Além disto as pequenas distorções ou inomogeneidades observadas na radiação cósmica de fundo são compatíveis, dentro do panorama da inflação, com a formação de galáxias e grandes estruturas como aglomerados galáticos.

(3) Em breve publicaremos neste site um artigo exclusivamente sobre a constante cosmológica e sua história.

Independente do sucesso ou não deste modelo é necessário incluir a presença de campos quânticos e a provável existência de uma constante cosmológica, tal como proposta por Einstein ou alguma alternativa na forma de termos cosmológicos variáveis com o tempo. De fato tornou-se um problema adicional a explicação de como o universo sai da fase inflacionária e existem evidências observacionais de que ainda existe, mesmo no presente, uma pressão para a expansão, o que poderia ser explicado pela presença de uma constante cosmológica3.

Representação artística de um buraco negro: uma região de altíssima
curvatura no espaço-tempo, de onde nem a luz consegue escapar

O fato de que a TRG prevê seu próprio fracasso em algumas regiões do espaço tempo, dentro das chamadas singularidades representadas por buracos negros ou pelo própio Big Bang, é suficiente para que se investigue uma descrição alternativa, provavelmente uma extensão, no mesmo sentido em que a teoria da relatividade especial é uma extensão da mecânica clássica e a relatividade geral é uma extensão da especial. Além disto a existência de teorias reconhecidamente eficientes para a explicação da natureza dentro de seus respectivos domínios mas inconsistentes entre si em um domínio comum, tal como ocorre com a teoria quântica de campos e a teoria da gravitação, impulsiona a busca de uma nova teoria. Como se acredita que esta teoria deve incorporar características da física quântica ela tem recebido o nome de Gravitação Quântica, GQ.

Perturbações em escalas de 10-33 cm nos campos e na densidade de partículas faz com que o espaço-tempo tenha uma natureza de “espuma” nesta escala.

Um raciocínio simples aponta para a necessidade de uma descrição especial para a gravitação ou para o espaço tempo em níveis microscópicos. Suponha que estamos analisando uma região vazia do espaço-tempo onde nenhuma matéria ou energia tenham sido detectadas. Temos neste caso um espaço plano, matematicamente denominado espaço-tempo de Minkovsky. Suponha ainda que passamos a analisar este espaço-tempo com microscópios poderosos para compreender o que ocontece com o espaço em escalas muito reduzidas. De acordo com a teoria quântica nenhum dos campos físicos existentes pode ser relaxado ou enfraquecido até um nível completamente nulo. Como todos os osciladores, mecânicos ou não, o nível mínimo de energia não é nulo ou, dito de outra forma, o estado fundamental de qualquer oscilador encontra-se acima do zero. Estes campos carregam energia e portanto devem provocar a curvatura do espaço. Alternativamente se pode imaginar outro quadro: microscopicamente a teoria quântica permite a criação de partículas virtuais acompanhadas de suas antipartículas, desde que elas surjam e se aniquilem rapidamente de modo a não contrariar o princípio da incerteza. Estas partículas carregam massa e energia e portanto curvam o espaço-tempo. Pode-se portanto esperar que o espaço-tempo tenha uma estrura ultra granulada, como se fosse uma espuma de bolhas, em um nível muito pequeno. Esta espuma deve afetar os fenômenos, pelo menos em níveis microscópicos ou de altas energias.

(4) Com o fim da guerra fria ocorreu uma drástica uma diminuição no nível de investimento em pesquisa básica no mundo todo. Os aceleradores estão se tornando cada vez mais caros, só se tornando possível em empreendimentos cooperativos envolvendo diversas nações.

Existem diversas formulações candidatas concorrentes ao título de Gravitação Quântica, GQ. Entre elas está teoria das cordas em suas diversas modalidades, loops (ou laços) ou teorias quânticas não-perturbativas. Além de sua importância em cosmologia se espera dai uma explicação para muitas questões não respondidas, tais como um tratamento mais completo de singularidades, a compreensão de aspectos quânticos dos buracos negros e, possivelmente, sobre a natureza da energia escura. Toda teoria física deve fornecer previsões que podem ser verificadas sob o crivo da experimentação e observação, e estas não são exceções. No entanto as predições testáveis destas teorias ocorrem em regime de altíssimas energias que ainda não podem ser obtidas nos aceleradores de partículas atuais. Por isto existe uma corrida4 para a construção de aceleradores maiores e melhores e eventualmente será possível discernir quais destas teorias, se houver alguma, estão corretas ou não. Outra possibilidade de teste consiste na observação astrofísica de buracos negros, de eventos cósmicos de altas energias e da própria cosmologia.

Além de passar por estes testes uma boa candidata à teoria da GQ deve se resumir à Relatividade Geral no domínio de baixas energias, assim como objetos em velocidades relativísticos passam a ser muito bem descritos quando sua velocidade baixa até um nível muito inferior à velocidade da luz.

Teoria das Cordas, Universos sem um Início

(5) Para uma diferenciação entre modelos, teorias especulativas e teorias comprovadas e aceitas leia: Hipótese, Modelo e Teoria em Física.

Uma das “teorias”5 tentativas promissoras e muito interessantes para a descrição de uma gravitação quântica, reconciliando a mecânica quântica e a gravitação, tal como descrita pela teoria da relatividade geral, é teoria das cordas ou string theory. A principal motivação para se considerar uma teoria deste tipo é a procura pela chamada Teoria de Tudo (Theory of Everything – TOE), uma forma matemática unificada de descrição da matéria e dos quato campo conhecidos. A teoria das cordas propõe que partículas elemtares, tais como eletrons e quarks, não são objetos pontuais (adimensionais), como são tratados na formulação clássica e mesmo na mecânica quântica padrão, mas sim pequenas cordas oscilantes e vibratórias, objetos unidimensionais. Os primeiros modelos de cordas incluiam apenas bósons, partículas de spin inteiro tais como o fóton e outras partículas que servem de mediadoras entre os campos de força. Mais tarde foram propostos modelos como os de Supercordas onde se pretendia uma supersimetria envolvendo bósons e férmions (elétrons, por exemplo). Curiosamente o tratamento matemático destes modelos envolve a existência de dimensões extras além das quatro dimensões do espaço-tempo usuais. Como estas dimensões extras não são observadas se desenvolveu um mecanismo de compactação destas dimensões que adquirem altas curvaturas e se tornam algo como pequenas bolas anexadas a cada ponto do espaço físico.

A teoria das cordas ou strings parte do pressuposto de que as partículas elementares não são pontos mas sim pequenas cordas.
Imagem modificada à partir de imagem na Wikimedia Commons, sob licensa Creative Commons.

Na década de 1990, em uma tentativa de apresentar um modelo que engloba os diferentes modelos de supercordas existentes, foi proposta a Teoria-M, (M de membrana) onde as cordas são vistas como cortes de membranas vibratórias que existem em 11 dimensões. Alguns físicos consideram que a teoria das cordas e seus aperfeiçoamentos são um passo importante na compreensão da teoria unificada, enquanto outros a criticam por não fornecerem previsões quantitativas suficientes para que possam ser comprovadas ou descartadas pela experimentação.

Apesar de parecer excessivamente especulativo o conceito de cordas carrega consigo alguns aspectos interessantes. Para entender isto podemos considerar um mero eletron como partícula pontual. Na descrição usual de partícula seu campo gravitacional e elétrico ambos são proporcionais a 1/r2 sendo portanto singulares em r=0 (assumem valores que tendem a infinito quando r tende a zero). Em outras palavras tanto o campo gravitacional quanto o elétrico tendem a infinito nas proximidades do eletron que carrega, portanto, infinita energia! Esta dificuldade é removida se sua massa e carga (e outras propriedades) estão distribuídas ao longo de uma corda ou membrana.

A falta de comprovação, no entanto, não impede que muitos cosmólogos apliquem os conceitos das cordas em seus modelos cosmológicos, obtendo alguns resultados interessantes apesar de altamente especulativos. Um exemplo disto esta descrito no artigo Modelo de Steinhardt e Turok.



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