Cosmologia e a flecha do tempo | Sean Carroll | TEDxCaltech

Esta palestra foi dada em um evento TEDx local, produzido independentemente das conferências TED.
As pesquisas de Sean Carroll abrangem um grande número de tópicos de física teórica, com foco na cosmologia, física de partículas, e relatividade geral, com ênfase especial na matéria escura, na energia escura e na origem do universo.

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)