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Em que o universo está se expandindo se já é infinito? – Mael, 10 anos, Missoula, Montana
Ao assar um pão ou uma fornada de muffins, você coloca a massa em uma forma. Conforme assa no forno, a massa se expande e preenche a forma. As gotas de chocolate ou os mirtilos na massa de muffin ficam mais espaçados à medida que a massa se expande.
A expansão do universo é semelhante em alguns aspectos. Mas essa analogia tem uma falha: enquanto a massa se expande na forma, o universo não tem nada para onde se expandir. Ele simplesmente se expande sobre si mesmo.
Pode parecer um enigma, mas o universo é tudo o que está dentro do universo. Em um universo em expansão, não existe frigideira. Existe apenas massa. Mesmo que a frigideira existisse, ela faria parte do universo e, portanto, se expandiria junto com ela.
Até eu, professor de física e astronomia que estudo o universo há muitos anos, acho essas ideias difíceis de compreender. Não nos deparamos com nada parecido no dia a dia. É como perguntar qual direção fica ao norte do Polo Norte.
Outra forma de conceber a expansão do universo é imaginar outras galáxias se afastando da nossa, a Via Láctea. Os cientistas sabem que o universo está se expandindo porque conseguem rastrear outras galáxias à medida que se afastam da nossa. Eles definem a expansão usando a velocidade com que outras galáxias estão se afastando de nós. Essa definição permite que eles imaginem a expansão sem precisar de algo para onde se expandir.
O Universo em Expansão
O universo nasceu no Big Bang, há 13,8 bilhões de anos. A teoria do Big Bang descreve a origem do universo como uma singularidade extremamente densa e quente. Esse minúsculo ponto passou repentinamente por uma rápida expansão chamada inflação, fazendo com que cada região do universo se expandisse para fora. Mas o nome "Big Bang" é enganoso. Não foi uma explosão gigantesca, como o nome sugere, mas sim um período em que o universo estava em rápida expansão.
O universo então se condensou e esfriou rapidamente, começando a criar matéria e luz. Por fim, evoluiu para o que conhecemos hoje como nosso universo.
A ideia de que o nosso Universo não é estático e pode expandir-se ou contrair-se foi publicada pela primeira vez pelo físico Alexander Friedmann em 1922. Ele confirmou matematicamente que o Universo está em expansão.
Embora Friedmann tenha provado que o universo estava em expansão, pelo menos em alguns lugares, foi Edwin Hubble quem explorou mais a fundo a taxa de expansão. Muitos outros cientistas confirmaram que outras galáxias estavam se afastando da Via Láctea, mas em 1929, Hubble publicou seu famoso artigo, que confirmou que todo o universo estava em expansão e que a taxa dessa expansão estava acelerando.
Essa descoberta continua a intrigar os astrofísicos. Que fenômeno permite ao Universo superar a força da gravidade que o mantém unido e, simultaneamente, expandir-se, atraindo objetos uns aos outros dentro do Universo? E, além disso, a taxa de sua expansão está acelerando com o tempo.
Muitos cientistas usam uma imagem visual chamada cone de expansão para descrever como a expansão do universo acelerou desde o Big Bang. Imagine um cone profundo com uma borda larga. O lado esquerdo do cone — a extremidade estreita — representa o início do universo. À medida que você se move para a direita, você avança no tempo. A expansão do cone simboliza a expansão do universo.
O vórtice de expansão demonstra claramente como a taxa de expansão do universo aumentou ao longo do tempo. O Big Bang é mostrado no lado esquerdo do vórtice e, desde então, o universo tem se expandido cada vez mais rápido. NASA
Os cientistas ainda não conseguiram medir diretamente a fonte de energia que impulsiona essa expansão acelerada. Eles não foram capazes de detectá-la ou medi-la. Como não conseguem ver ou medir diretamente esse tipo de energia, chamam-na de energia escura.
De acordo com os modelos dos pesquisadores, a energia escura deveria ser a forma de energia mais abundante no Universo, representando aproximadamente 681 TP3T de toda a energia do Universo. A energia derivada da matéria comum, que compõe a Terra, o Sol e tudo o que vemos, representa apenas cerca de 51 TP3T de toda a energia.
Fora do funil de expansão
Então, o que está fora do funil de expansão?
Os cientistas não têm provas da existência de nada além do universo conhecido. No entanto, alguns preveem a possibilidade da existência de múltiplos universos. Um modelo que incorpore múltiplos universos poderia solucionar alguns dos problemas que os cientistas enfrentam com os modelos existentes do nosso universo.
Um dos principais problemas da física moderna é que os pesquisadores não conseguem integrar a mecânica quântica, que descreve como a física funciona em escalas muito pequenas, e a gravidade, que rege a física em grandes escalas.
As regras que regem o comportamento da matéria em pequena escala dependem da probabilidade e de quantidades de energia quantizadas, ou fixas. Nessa escala, os objetos podem aparecer e desaparecer. A matéria pode se comportar como uma onda. O mundo quântico é muito diferente da forma como vemos o mundo.
Em grandes escalas, que os físicos chamam de mecânica clássica, os objetos se comportam como esperamos que se comportem no dia a dia. Os objetos não são quantizados e podem possuir uma quantidade contínua de energia. Os objetos não aparecem nem desaparecem sem deixar rastro.
O mundo quântico se comporta como um interruptor de luz, onde a energia tem apenas dois modos: ligado e desligado. O mundo que vemos e com o qual interagimos age como um dimmer, permitindo-nos regular o nível de energia.
No entanto, os pesquisadores encontram problemas ao tentar estudar a gravidade em nível quântico. Em escalas pequenas, os físicos teriam que assumir que a gravidade é quantizada. Mas estudos conduzidos por muitos deles não corroboram essa ideia.
Além da Via Láctea, existe um universo em infinita expansão. DECaPS2/DOE/FNAL/DECam/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA, M. Zamani e D. de Martin via AP
Uma maneira de fazer com que essas teorias funcionem juntas é através da teoria do multiverso. Existem inúmeras teorias que olham além do nosso universo atual para explicar como a gravidade e o mundo quântico interagem. As principais teorias incluem a teoria das cordas, a cosmologia de branas, a teoria quântica de loops e muitas outras.
No entanto, o Universo continuará a se expandir, e a distância entre a Via Láctea e a maioria das outras galáxias aumentará com o tempo.
Olá, crianças curiosas! Vocês têm alguma pergunta que gostariam de ver respondida por um especialista? Peçam a um adulto para enviar a pergunta para CuriousKidsUS@theconversation.com. Por favor, incluam seu nome, idade e cidade.
E como a curiosidade não tem idade, adultos, contem-nos também o que vos interessa. Não conseguiremos responder a todas as perguntas, mas faremos o nosso melhor.
Este artigo foi republicado do The Conversation, um veículo de notícias independente e sem fins lucrativos que fornece fatos e análises confiáveis para ajudar você a navegar em nosso mundo complexo. Por Nicole Granucci, Universidade Quinnipiac.
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Nicole Granucci não trabalha para, não presta consultoria para, não possui ações em, nem recebe financiamento de qualquer empresa ou organização que possa se beneficiar deste artigo, e não divulgou nenhuma afiliação relevante além de sua posição acadêmica.