O Universo é realmente grande.
Vivemos numa galáxia, a Via Láctea.
Há cerca de cem bilhões de estrelas na Via Láctea,
ao se apontar uma câmera fotográfica para uma parte aleatória do céu,
e manter o obturador aberto,
contanto que sua câmera esteja no Telescópio Espacial Hubble,
ela registrará algo assim.
Cada uma dessas pequenas bolinhas é uma galáxia,
com cerca do tamanho da Via Láctea.
Cem bilhões de estrelas em cada uma dessas bolinhas,
há aproximadamente cem bilhões de galáxias no universo observável.
Cem bilhões é o único número que vocês precisam saber,
a idade do universo entre agora e o Big Bang
é de cem bilhões de anos caninos.
(Risos)
O que nos diz algo sobre nosso lugar no universo.
O que podemos fazer com uma foto como esta é apenas admirá-la,
é extremamente bela, e com frequência me pergunto
qual foi a pressão evolucionária que fez nossos ancestrais se desenvolverem,
e evoluírem a ponto de admirarem fotos de galáxias, sendo que eles não as tinham.
Mas também gostaríamos de entender,
como um cosmólogo, eu me pergunto, "Por que o universo é assim?"
Um grande indício que temos é que o universo muda ao longo do tempo.
Analisando uma destas galáxias e medindo sua velocidade,
descobrimos que ela está se afastando,
e ao analisar uma galáxia ainda mais distante,
ela se afasta mais rapidamente.
Então dizemos que o universo está se expandindo.
Isso significa, é claro, que no passado,
as coisas estavam mais próximas.
No passado, o universo era mais denso, e também mais quente;
ao comprimir as coisas, a temperatura aumenta.
Isto faz sentido para nós.
O que não faz tanto sentido assim
é que o universo, em seu início, próximo ao Big Bang,
era muito, muito uniforme.
Pode-se até pensar que não é uma surpresa, o ar nesta sala é muito uniforme,
pode-se dizer: "Bem, estas coisas se uniformizam."
Mas as condições próximo ao Big Bang eram muito, muito diferentes
das do ar nesta sala.
Em particular, as coisas eram muito mais densas,
a atração gravitacional das coisas era muito mais forte próximo ao Big Bang.
O que se deve pensar é,
o universo tem cem bilhões de galáxias,
cada uma com cem bilhões de estrelas,
e no início, estes cem bilhões de galáxias
estavam comprimidos em uma região mais ou menos deste tamanho, literalmente.
Deve-se imaginar essa compressão sem qualquer imperfeição,
sem qualquer ponto onde houvesse alguns átomos a mais do que outros pontos,
porque se houvesse, aconteceria um colapso
devido à atração gravitacional, criando um enorme buraco negro.
Manter o universo muito, muito uniforme em seu início não é fácil.
É um arranjo delicado.
É um indício de que o universo primitivo não foi criado aleatoriamente,
houve algo que o fez assim,
e gostaríamos de saber o quê.
Parte de nossa compreensão disso nos foi dada por Ludwig Boltzmann,
um físico austríaco do século 19,
cuja contribuição nos ajudou a entender a entropia.
Vocês já ouviram falar de entropia,
é a aleatoriedade, a desordem, o caos de alguns sistemas.
Boltzmann nos deu a fórmula, agora gravada em seu túmulo,
que quantifica o que de fato é entropia.
Basicamente é afirmar que a entropia é o número de maneiras
que podemos rearranjar as partes de um sistema sem que se perceba.
Macroscopicamente, é o mesmo.
No ar desta sala, não se percebe cada átomo individualmente.
Uma configuração de baixa entropia é
quando há apenas alguns poucos arranjos com a mesma aparência.
Um arranjo de alta entropia é
quando há muitos arranjos com a mesma aparência.
Esta é uma visão importante,
pois nos ajuda a explicar a segunda lei da termodinâmica;
a lei que diz que a entropia aumenta no universo,
ou em uma porção isolada do universo.
A razão pela qual a entropia aumenta é simplesmente porque há muito mais jeitos
de possuir alta entropia do que baixa entropia.
É uma percepção maravilhosa, mas que deixa algo de lado.
Esta descoberta do aumento da entropia, aliás,
é o que está por trás do que chamamos de "A Flecha do Tempo",
a diferença entre o passado e o futuro.
Toda a diferença que há entre o passado e o futuro
deve-se à entropia ser crescente.
O fato de que você consegue se lembrar do passado mas não do futuro.
O fato de que se nasce, depois se vive,
e depois se morre, sempre nesta ordem,
é porque a entropia é crescente.
Boltzmann explicou que ao se começar com baixa entropia,
é natural que ela aumente
pois há mais maneiras de se ter alta entropia.
O que ele não explicou foi por que a entropia era baixa no início.
O fato de que a entropia do universo era baixa,
é um reflexo do fato de que o universo era muito uniforme,
gostaríamos de entender isso, esse é nosso trabalho como cosmólogos.
Infelizmente, não é um problema ao qual temos dado atenção suficiente.
As pessoas não responderiam inicialmente assim,
se lhe perguntassem quais problemas um cosmólogo moderno tenta resolver.
Richard Feynman entendeu que isso era um problema.
Há 50 anos, ele deu uma série de palestras,
vocês já ouviram falar delas,
palestras populares que se tornaram "The Character of Physical Law",
deu palestras a graduandos do Caltech
as "Lições de Fisica de Feynman",
para alunos de pós-graduação, "The Feynman Lectures on Gravitation."
Em cada um desses livros, destas séries de palestras,
ele enfatizou este enigma:
por que o universo primitivo tinha tão pouca entropia?
Ele respondia, e eu não vou imitar seu sotaque:
"Por alguma razão, o universo em algum tempo, tinha entropia muito baixa
para seu conteúdo energético, e desde então a entropia tem aumentado.
A flecha do tempo não pode ser completamente compreendida
até que o mistério dos primórdios da história do universo
seja menos especulação e mais compreensão."
Esse é nosso trabalho, queremos entender.
Vocês devem estar pensando
"Isto foi há 50 anos. Agora já sabemos."
Não é verdade que agora sabemos.
É mais do que um problema de 50 anos.
Boltzmann compreendeu que era um problema
e sugeriu uma resposta.
Antes de chegar lá,
eu devo dizer que, o motivo pelo qual o problema piorou em vez de melhorar,
é que em 1998, descobrimos algo crucial sobre o universo,
que não sabíamos até então.
Descobrimos que ele está acelerando.
O universo não está apenas expandindo,
Aquela galáxia está se afastando.
Daqui a um bilhão de anos,
ela vai estar se afastando mais rapidamente.
As galáxias estão se afastando de nós, mais e mais rapidamente,
portanto dizemos que o universo está acelerando.
É diferente do universo primitivo de baixa entropia,
mesmo que não saibamos a resposta ao menos temos uma boa teoria,
que pode explicar tudo, caso esteja correta,
e é a teoria da energia escura.
É a ideia de que o vácuo possui energia.
Cada centímetro cúbico de espaço,
havendo ou não algo ali,
partículas, matéria, radiação, ou o que seja,
ainda assim há energia no espaço em si.
Esta energia, de acordo com Einstein, empurra o universo,
é um impulso perpétuo que afasta as galáxias para longe umas das outras.
E porque a energia escura, ao contrário da radiação da matéria,
não se dilui conforme o universo expande.
A quantidade de energia em cada centímetro cúbico permanece igual,
mesmo enquanto o universo se torna maior e maior.
Isto possui implicações cruciais sobre o que o universo fará
no futuro.
Primeiramente, o universo irá se expandir para sempre.
Quando eu era mais novo,
não sabíamos o que o universo faria,
algumas pessoas pensavam que ele reentraria em colapso no futuro,
Einstein gostava dessa ideia.
Mas se há energia escura e ela não desaparece,
o universo irá se expandir pra todo o sempre.
Há 14 bilhões de anos, cem bilhões de anos caninos,
mas um número infinito de anos no futuro.
Enquanto isso, para todos os efeitos, o espaço parece ser finito para nós.
O espaço pode ser finito ou infinito,
mas porque o universo está acelerando
há partes dele que não podemos nem nunca iremos ver.
Há uma região finita de espaço à que temos acesso,
cercada por um horizonte,
então mesmo que o tempo seja infinito, o espaço é limitado para nós.
Finalmente, o vácuo possui uma temperatura.
Nos anos 70, Stephen Hawking nos disse que um buraco negro,
mesmo que se pense ser negro, na verdade emite radiação
quando se leva em consideração a mecânica quântica.
A curvatura do espaço-tempo em torno do buraco negro
traz à tona a flutuação da mecânica quântica que o buraco negro irradia.
Um cálculo precisamente similar de Hawkings e Gary Gibbens
mostra que se há energia escura no vácuo,
então o universo inteiro emite radiação.
A energia no vácuo traz à tona flutuações quânticas,
mesmo que o universo dure para sempre,
e a radiação da matéria comum se dilua,
haverá sempre alguma radiação, alguma flutuação térmica,
mesmo no vácuo.
Isso significa que o universo é como uma caixa de gás
que dura para sempre.
Quais são as implicações disso?
As implicações foram estudadas por Boltzmann, lá no século 19.
Ele disse, bem, a entropia aumenta porque há muito mais maneiras
do universo possuir alta entropia do que baixa entropia.
Mas esta é uma afirmação probabilística.
Provavelmente ela irá aumentar,
e a probabilidade é enormemente gigante,
não temos que nos preocupar
que o ar desta sala se concentre em apenas uma região e nos sufoque.
É algo extremamente improvável.
Exceto se trancassem as portas conosco aqui, literalmente, para sempre,
então isto aconteceria.
Tudo que é permitido,
toda configuração que é permitida para as moléculas nesta sala,
em algum momento aconteceria.
Então Boltzmann diz, pode-se começar com um universo em equilíbrio térmico,
ele não sabia sobre o Big Bang ou sobre a expansão do universo,
ele pensava que tempo e espaço eram explicados por Isaac Newton,
que fossem absolutos.
Então em sua ideia de um universo natural, as moléculas de ar
se espalham uniformemente em qualquer lugar, quaisquer moléculas.
Mas sendo Boltzmann, você saberia que se esperar o suficiente,
as flutuações aleatórias destas moléculas
ocasionalmente as levam a configurações de menos energia, menor entropia.
E então, é claro, no curso natural das coisas, elas reexpandiriam.
Não é que a entropia deve sempre aumentar,
pode-se ter flutuações para entropia menor,
situações mais organizadas.
Boltzmann então inventou duas ideias que soam bem modernas,
o multiverso e o princípio da entropia.
O problema, ele diz, é que não poderíamos viver no equilíbrio térmico
Lembrem-se, a vida por si só depende da flecha do tempo.
Não poderíamos processar informação, metabolizar,
caminhar e falar, se vivêssemos em equilíbrio térmico.
Se imaginarmos um universo muito grande, infinitamente grande,
com partículas aleatoriamente se chocando umas com as outras,
ocasionalmente haverá pequenas flutuações
para estados de menor entropia em que terão menor agitação.
Mas haveria também grandes flutuações.
ocasionalmente, um planeta surgiria, ou uma estrela, ou uma galáxia,
ou cem bilhões de galáxias.
Então Boltzmann diz, que apenas viveremos em uma parte do multiverso,
onde há um conjunto infinitamente grande de partículas em flutuação,
em que a vida é possível, regiões em que a entropia é baixa;
talvez nosso universo seja uma daquelas coisas que acontecem de vez em quando.
O dever de casa de vocês é pensar de verdade sobre isso,
meditar sobre seu significado.
Carl Sagan certa vez disse que para fazer uma torta de maçã,
primeiro deve-se inventar o universo.
Mas ele não estava certo.
No cenário de Boltzmann, para fazer uma torta de maçã,
basta esperar e o movimento aleatório dos átomos fará uma torta de maçã.
(Risos)
Isso irá ocorrer muito mais frequentemente
do que o movimento aleatório dos átomos criar um pomar de macieiras;
um pouco de açúcar, um forno, e então teremos a torta de maçã.
Este cenário faz predições, e as predições são
que as flutuações que nos fazem existir são mínimas.
Mesmo ao imaginar que esta sala em que estamos agora existe e é real,
e estamos aqui e temos não apenas nossas memórias,
mas nossa impressão de que lá fora há algo chamado universidade,
e então o país, e a Via Láctea.
É muito mais fácil para estas impressões flutuarem aleatoriamente na sua mente
do que de fato aleatoriamente flutuarem em uma universidade,
num país, e numa galáxia.
A boa notícia é que, portanto, este cenário não funciona,
não está correto.
Este cenário prediz que estamos em flutuação mínima,
mesmo que deixássemos a galáxia de lado,
não teríamos cem bilhões de outras galáxias.
Feynman também compreendeu isso. Ele diz:
"Da hipótese de que o mundo é uma flutuação,
todas as predições são que se examinássemos uma parte do mundo
nunca vista antes, a acharíamos confusa,
não como o que acabamos de olhar." Alta entropia.
"Se nossa ordem fosse devida a uma flutuação,
não esperaríamos ordem em todo lugar, mas onde a percebêssemos.
Portanto concluímos que o universo não é uma flutuação".
O que é bom, mas a questão é: qual a resposta certa?
Se o universo não é uma flutuação, por que no início possuía baixa entropia?
E eu adoraria dizer a resposta mas meu tempo está acabando.
(Risos)
Eis o universo do qual falamos a vocês
em relação ao universo que existe realmente.
Eu acabei de mostrar a vocês esta foto,
o universo está expandindo e resfriando, nos últimos dez bilhões de anos.
Mas sabemos o suficiente sobre o futuro do universo para dizer muito mais.
Se a energia escura permanece ali,
o combustível nuclear das estrelas ao nosso redor acabará,
elas vão parar de queimá-lo, virando buracos negros.
Iremos viver em um universo com nada além de buracos negros.
Este universo irá durar de dez elevado a cem anos,
muito mais do que nosso universo viveu.
O futuro é muito maior do que o passado.
Mas mesmo os buracos negros não duram para sempre, eles evaporam,
e teremos nada além de vácuo.
O vácuo essencialmente dura para sempre.
Entretanto, notem que o vácuo emite radiação,
que há flutuações térmicas cíclicas,
todas as possíveis diferentes combinações dos graus de liberdade
que existem no vácuo.
Mesmo que o universo dure para sempre,
há apenas um número finito de coisas que possivelmente podem ocorrer,
todas elas ocorrem num período de tempo de 10 elevado a 10 elevado a 120 anos.
Então aqui estão duas questões para vocês:
número um: se o universo existirá por 10 elevado a 10 elevado a 120 anos,
por que nascemos nos primeiros 14 bilhões de anos,
no confortável e aquecido brilho do Big Bang?
Por que não estamos no vácuo?
Pode-se dizer que não há nada lá em que se viver, mas isso não está certo.
Vocês poderiam ser uma flutuação aleatória no meio do nada.
Por que não é?
Mais deveres de casa para vocês.
Então, como eu disse, eu não sei a resposta,
mas vou lhes dar meu cenário favorito,
ou é assim mesmo, não há explicação,
é um fato bruto sobre o universo que devemos aprender a aceitar
e parar de questionar.
Ou talvez o Big Bang não seja o início do universo.
Um ovo não quebrado é uma configuração de baixa entropia
e quando abrimos a geladeira não dizemos:
"Que surpresa encontrar esta configuração de baixa entropia na geladeira".
Porque um ovo não é um sistema fechado.
Ele sai de uma galinha.
Talvez o universo tenha saído de uma galinha universal.
(Risos)
Talvez haja algum fenômeno natural
que obedece às leis da física,
e dá origem a um universo como o nosso, em uma configuração de baixa entropia.
Se isso for verdade, aconteceria mais de uma vez,
seríamos parte de um multiverso muito maior.
Este é meu cenário favorito.
Os organizadores me pediram para finalizar com uma especulação ousada;
minha especulação ousada é que serei absolutamente justificado pela história,
e em 50 anos todas as minhas ideias, hoje loucas, serão aceitas como verdades
pelas comunidades científica e externa
que irão todas acreditar que nosso pequeno universo
é apenas uma parte pequena de um multiverso muito maior,
e, ainda melhor, entenderemos o que aconteceu no Big Bang
em termos de uma teoria que poderemos comparar a observações.
É uma predição, eu posso estar errado, mas temos pensado,
como seres humanos, sobre como era o universo,
como se tornou da maneira que é, por muitos e muitos anos.
É fascinante pensar que possamos saber a resposta um dia.
Obrigado.
(Aplausos)