Durante seis meses a cada ano, as planícies perenemente escuras e varridas pelo vento da calota de gelo polar do sul têm uma temperatura média de cerca de 58 graus Fahrenheit abaixo de zero. No verão, quando o sol retorna para o seu dia de seis meses, o terreno glacial dificilmente se torna mais convidativo, com temperaturas subindo para menos 20 graus. Não é o tipo de lugar que a maioria de nós escolheria para visitar.
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Mas se você é um astrônomo em busca de uma coleção de fótons que vêm fluindo para nós desde logo depois do Big Bang, então o Laboratório do Setor Escuro do Polo Sul é o que o Met tem para a ópera ou o Yankee Stadium para o beisebol. É o melhor lugar para praticar seu ofício. Com o ar mais frio e seco da Terra, a atmosfera permite que os fótons viajem virtualmente sem obstáculos, proporcionando as mais nítidas imagens espaciais terrestres já feitas.
Por três anos, uma equipe de astrônomos liderada pelo pesquisador John Kovac, da Universidade Harvard-Smithsonian, enfrentou os elementos para apontar um telescópio musculoso conhecido como Bicep2 (uma imagem menos conhecida da Polarização Extragaláctica Cósmica) em um trecho do céu meridional. Em março, a equipe divulgou seus resultados. Se as conclusões se mantiverem, elas abrirão uma nova janela espetacular nos primeiros momentos do universo, e estarão merecidamente entre as descobertas cosmológicas mais importantes do século passado.
É uma história cujas raízes remontam às primeiras histórias da criação, destinadas a satisfazer o desejo primordial de compreender nossas origens. Mas vou retomar a narrativa mais tarde - com a descoberta da teoria geral da relatividade de Albert Einstein, a base matemática do espaço, do tempo e de todo o pensamento cosmológico moderno.
O plano focal do telescópio Bicep2, mostrado sob um microscópio, foi desenvolvido pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. (Anthony Turner / JPL) 
Ondas gravitacionais esticadas pela inflação geram um padrão fraco, mas distinto, chamado de sinal do modo B, capturado pelo Bicep2. (BICEP2) 
Durante a inflação (mostrada à esquerda), uma força gravitacional empurrou para fora, esticando o universo em uma pequena fração de segundo. (WMAP) O telescópio Bicep2, mostrado no crepúsculo, alcançou a primeira detecção de um padrão de onda gravitacional previsto, anunciou sua equipe. (Steffen Richter / Harvard University) Espaço deformado para o Big Bang
Nos primeiros anos do século XX, Einstein reescreveu as regras do espaço e do tempo com sua teoria da relatividade especial. Até então, a maioria das pessoas aderiu à perspectiva newtoniana - a perspectiva intuitiva - na qual o espaço e o tempo fornecem uma arena imutável na qual os eventos ocorrem. Mas, como Einstein descreveu, na primavera de 1905, uma tempestade irrompeu em sua mente, uma chuva torrencial de insights matemáticos que varreu a arena universal de Newton. Einstein argumentou convincentemente que não há tempo universal - os relógios em movimento marcam mais lentamente - e não há espaço universal - os governantes em movimento são mais curtos. A arena absoluta e imutável deu lugar a um espaço e tempo maleáveis e flexíveis.
Após esse sucesso, Einstein voltou-se para um desafio ainda mais íngreme. Por mais de dois séculos, a lei universal da gravidade de Newton fez um trabalho impressionante ao prever o movimento de tudo, de planetas a cometas. Mesmo assim, houve um enigma que o próprio Newton articulou: como a gravidade exerce sua influência? Como o Sol influencia a Terra em 93 milhões de quilômetros de espaço essencialmente vazio? Newton havia fornecido um manual do proprietário que permitia matematicamente adaptar o efeito da gravidade, mas ele não conseguia abrir o capô e revelar como a gravidade faz o que faz.
Em busca da resposta, Einstein empenhou-se numa odisséia obsessiva e exaustiva de uma década, através de matemática arcana e voos criativos de imaginação física. Em 1915, seu gênio brilhou através das equações finais da teoria geral da relatividade, finalmente revelando o mecanismo subjacente à força da gravidade.
A resposta? Espaço e tempo. Já desimpedidos de suas bases newtonianas pela relatividade especial, o espaço e o tempo surgiram plenamente para a vida na relatividade geral. Einstein mostrou que, assim como um piso de madeira deformado pode empurrar um mármore ondulado, o espaço e o tempo podem se distorcer e empurrar corpos terrestres e celestes para seguir as trajetórias atribuídas há muito tempo à influência da gravidade.
Por mais abstrata que seja a formulação, a relatividade geral fez previsões definitivas, algumas das quais foram rapidamente confirmadas através de observações astronômicas. Isso inspirou pensadores matematicamente orientados em todo o mundo a explorar as implicações detalhadas da teoria. Foi o trabalho de um padre belga, Georges Lemaître, que também fez um doutorado em física, que avançou a história que estamos seguindo. Em 1927, Lemaître aplicou as equações de relatividade geral de Einstein não a objetos dentro do universo, como estrelas e buracos negros, mas a todo o universo em si. O resultado bateu Lemaître em seus calcanhares. A matemática mostrava que o universo não podia ser estático: o tecido do espaço estava se alongando ou se contraindo, o que significava que o universo estava crescendo em tamanho ou encolhendo.
Quando Lemaître alertou Einstein sobre o que havia encontrado, Einstein zombou. Ele achava que Lemaître estava levando as contas longe demais. Tão certo era Einstein de que o universo, como um todo, era eterno e imutável, que não apenas rejeitava análises matemáticas que atestavam o contrário, como inseria uma modesta emenda em suas equações para garantir que a matemática acomodasse seu preconceito.
E o preconceito foi. Em 1929, as observações astronômicas de Edwin Hubble, usando o poderoso telescópio do Observatório Mount Wilson, revelaram que galáxias distantes estão se afastando. O universo está se expandindo. Einstein deu a si mesmo uma bofetada eufemística na testa, uma reprimenda por não confiar nos resultados que surgiram de suas próprias equações, e colocou seu pensamento - e suas equações - em sintonia com os dados.
Grande progresso, claro. Mas novos insights produzem novos quebra-cabeças.
Como Lemaître havia apontado, se o espaço agora está se expandindo, então, ao inverter o filme cósmico, concluímos que o universo observável era cada vez menor, mais denso e mais quente no passado. A conclusão aparentemente inevitável é que o universo que vemos emergiu de uma partícula fenomenalmente minúscula que entrou em erupção, enviando espaço para o exterior - o que hoje chamamos de Big Bang.
Mas se for verdade, o que causou inchaço no espaço? E como poderia uma proposta tão estranha ser testada?
A teoria inflacionária
Se o universo emergisse de um átomo primordial quente e intensamente denso, como Lemaître o chamava, então, à medida que o espaço aumentasse, o universo deveria ter esfriado. Cálculos realizados na Universidade George Washington na década de 1940, e mais tarde em Princeton na década de 1960, mostraram que o calor residual do Big Bang se manifestaria como um banho de fótons (partículas de luz) uniformemente preenchendo o espaço. A temperatura dos fótons teria agora caído para meros 2, 7 graus acima do zero absoluto, colocando seu comprimento de onda na parte de microondas do espectro - explicando porque essa possível relíquia do Big Bang é chamada de radiação cósmica de fundo de microondas.
Em 1964, dois cientistas da Bell Labs, Arno Penzias e Robert Wilson, estavam perplexos, frustrados por uma grande antena terrestre projetada para comunicações via satélite. Independentemente de onde eles apontaram a antena, eles encontraram o pesadelo do audiófilo: um chiado incessante de fundo. Durante meses eles procuraram, mas não conseguiram encontrar a fonte. Então, Penzias e Wilson souberam dos cálculos cosmológicos que estavam sendo feitos em Princeton, sugerindo que deveria haver um espaço de preenchimento de radiação de baixo nível. O chiado incessante, os pesquisadores perceberam, estava surgindo dos fótons do Big Bang fazendo cócegas no receptor da antena. A descoberta rendeu a Penzias e Wilson o prêmio Nobel de 1978.
A proeminência da teoria do Big Bang disparou, levando os cientistas a separar a teoria, buscando implicações inesperadas e possíveis fraquezas. Várias questões importantes foram trazidas à luz, mas o mais essencial foi também o mais
básico.
O Big Bang é frequentemente descrito como a moderna teoria científica da criação, a resposta matemática ao Gênesis. Mas essa noção obscurece uma falácia essencial: a teoria do Big Bang não nos diz como o universo começou . Ela nos diz como o universo evoluiu, começando uma minúscula fração de segundo depois que tudo começou. À medida que o filme cósmico rebobinado se aproxima do primeiro quadro, a matemática se rompe, fechando a lente exatamente quando o evento de criação está prestes a preencher a tela. E assim, quando se trata de explicar o estrondo em si - o impulso primordial que deve ter colocado o universo de cabeça em seu curso expansionista - a teoria do Big Bang é silenciosa.
Caberia a um jovem pós-doutorado no departamento de física da Universidade de Stanford, Alan Guth, dar o passo vital para preencher essa lacuna. Guth e seu colaborador Henry Tye, da Cornell University, tentavam entender como determinadas partículas hipotéticas chamadas monopolos podiam ser produzidas nos primeiros momentos do universo. Mas, calculando profundamente na noite de 6 de dezembro de 1979, Guth levou o trabalho em uma direção diferente. Ele percebeu que não apenas as equações mostravam que a relatividade geral obstruía uma lacuna essencial na gravidade newtoniana - fornecendo o mecanismo da gravidade - mas também revelavam que a gravidade poderia se comportar de maneiras inesperadas. Segundo Newton (e a experiência cotidiana), a gravidade é uma força atrativa que puxa um objeto para outro. As equações mostravam que, na formulação de Einstein, a gravidade também poderia ser repulsiva.
A gravidade de objetos familiares, como o Sol, a Terra e a Lua, é certamente atraente. Mas a matemática mostrou que uma fonte diferente, não um aglomerado de matéria, mas sim a energia incorporada em um campo que preenche uniformemente uma região, geraria uma força gravitacional que seria empurrada para fora. E ferozmente isso. Uma região de um bilionésimo de um bilionésimo de um bilionésimo de um centímetro de diâmetro, preenchida com o campo de energia apropriado - chamado de campo inflaton - seria arrancada pela poderosa gravidade repulsiva, potencialmente chegando ao tamanho do universo observável em uma fração de um segundo.
E isso seria justamente chamado de estrondo. Um grande estrondo
Com os refinamentos subsequentes da implementação inicial de gravidade repulsiva de Guth por cientistas como Andrei Linde, Paul Steinhardt e Andreas Albrecht, nasceu a teoria inflacionária da cosmologia. Uma proposta credível para o que incendiou o inchaço externo do espaço estava finalmente na mesa dos teóricos. Mas está certo?
Testando a inflação
À primeira vista, pode parecer uma tolice buscar a confirmação de uma teoria que operou ostensivamente por uma pequena fração de segundo, há quase 14 bilhões de anos. Claro, o universo agora está se expandindo, então algo o coloca em primeiro lugar. Mas é até concebível verificar se foi desencadeado por um poderoso mas breve lampejo de gravidade repulsiva?
Isto é. E a abordagem faz uso, mais uma vez, da radiação de fundo de microondas.
Para ter uma ideia de como, imagine escrever uma mensagem pequena, pequena demais para alguém ler, na superfície de um balão vazio. Em seguida, sopre o balão para cima. À medida que se estende, sua mensagem se estica também, tornando-se visível. Da mesma forma, se o espaço sofresse um alongamento inflacionário dramático, então pequenas impressões físicas estabelecidas durante os primeiros momentos do universo estariam espalhadas pelo céu, possivelmente tornando-as visíveis também.
Existe um processo que imprimiu uma pequena mensagem no início do universo? A física quântica responde com um retumbante sim. Tudo se resume ao princípio da incerteza, adiantado por Werner Heisenberg em 1927. Heisenberg mostrou que o micromundo está sujeito a inevitáveis “nervos quânticos” que impossibilitam a especificação simultânea de certas características, como a posição e a velocidade de uma partícula. Para campos que ocupam espaço, o princípio da incerteza mostra que a força de um campo também está sujeita a nervosidades quânticas, fazendo com que seu valor em cada local suba e desça.
Décadas de experimentos no microrealm verificaram que os nervos quânticos são reais e onipresentes; eles não estão familiarizados apenas porque as flutuações são pequenas demais para serem observadas diretamente na vida cotidiana. Que é onde o alongamento inflacionário do espaço entra em si.
Assim como com sua mensagem no balão em expansão, se o universo sofresse a estupenda expansão proposta pela teoria inflacionária, então os minúsculos nervos quânticos no campo de inflação - lembre-se, esse é o campo responsável pela gravidade repulsiva - estariam no macromundo. Isto resultaria na energia do campo ser um toque maior em alguns locais, e um toque menor em outros.
Por sua vez, essas variações de energia teriam um impacto na radiação cósmica de fundo de microondas, elevando a temperatura ligeiramente mais alto em alguns locais e ligeiramente menor em outros. Cálculos matemáticos revelam que as variações de temperatura seriam pequenas - cerca de uma parte em 100.000. Mas - e isso é fundamental - as variações de temperatura preencheriam um padrão estatístico específico no céu.
A partir dos anos 90, uma série de empreendimentos observacionais cada vez mais refinados - telescópios baseados em terra, balão e espaço - buscaram essas variações de temperatura. E os encontrei. De fato, há uma concordância de tirar o fôlego entre as previsões teóricas e os dados observacionais.
E com isso, você pode pensar que a abordagem inflacionária foi confirmada. Mas, como comunidade, os físicos são tão cético quanto um grupo, como você jamais encontrará. Ao longo dos anos, alguns propuseram explicações alternativas para os dados, enquanto outros levantaram vários desafios técnicos à própria abordagem inflacionária. A inflação permaneceu de longe a principal teoria cosmológica, mas muitos sentiram que a arma fumegante ainda não havia sido encontrada.
Até agora.
Ondulações no tecido do espaço
Assim como os campos no espaço estão sujeitos a tremores quânticos, a incerteza quântica garante que o próprio espaço também esteja sujeito a tremores quânticos. O que significa que o espaço deve ondular como a superfície de uma panela fervente de água. Isso não é familiar pelo mesmo motivo que uma mesa de granito parece lisa, embora sua superfície esteja crivada de imperfeições microscópicas - as ondulações acontecem em escalas extraordinariamente pequenas. Mas, mais uma vez, porque a expansão inflacionária estica as características quânticas no macroreal, a teoria prevê que as minúsculas ondulações surgem em ondulações muito mais longas no tecido espacial. Como poderíamos detectar essas ondulações, ou ondas gravitacionais primordiais, como elas são mais apropriadamente chamadas? Pela terceira vez, a relíquia onipresente do Big Bang, a radiação cósmica de fundo de microondas, é a passagem.
Os cálculos mostram que as ondas gravitacionais imprimem um padrão de torção na radiação de fundo, uma impressão digital icônica da expansão inflacionária. (Mais precisamente, a radiação de fundo surge de oscilações no campo eletromagnético; a direção dessas oscilações, conhecida como polarização, fica distorcida na esteira de ondas gravitacionais.) A detecção de tais redemoinhos na radiação de fundo tem sido reverenciada há muito tempo. o padrão-ouro para estabelecer a teoria inflacionária, a tão procurada arma fumegante.
Em 12 de março, um comunicado de imprensa prometendo uma "grande descoberta", emitido pelo Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, controle terrestre norte-americano para a missão Bicep2, enviou rumores ofegantes pela comunidade mundial de física. Talvez os redemoinhos tivessem sido encontrados? Na coletiva de imprensa de 17 de março, os rumores foram confirmados. Após mais de um ano de análise cuidadosa dos dados, a equipe do Bicep2 anunciou que havia alcançado a primeira detecção do padrão de onda gravitacional previsto.
Redemoinhos sutis nos dados coletados no Pólo Sul atestam tremores quânticos do espaço, esticados pela expansão inflacionária, flutuando no universo primitivo.
O que tudo isso significa?
A defesa da teoria inflacionária agora se fortaleceu, encerrando um século de turbulências na cosmologia. Agora, não só sabemos que o universo está se expandindo, não apenas temos uma proposta credível para o que desencadeou a expansão, mas estamos detectando a impressão de processos quânticos que fizeram cócegas no espaço durante essa primeira fração de segundo.
Mas, sendo um desses físicos céticos, ainda que seja também excitável, permita-me concluir com algum contexto para pensar sobre esses desenvolvimentos.
A equipe do Bicep2 fez um trabalho heróico, mas a confiança total em seus resultados exigirá a confirmação por equipes independentes de pesquisadores. Nós não teremos que esperar muito. Os concorrentes da Bicep2 também estão em busca dos redemoinhos de microondas. Dentro de um ano, talvez menos, alguns desses grupos podem relatar suas descobertas.
O que é certo é que as missões atuais e futuras fornecerão dados cada vez mais refinados que aguçarão a abordagem inflacionária. Tenha em mente que a inflação é um paradigma, não uma teoria única. Os teóricos implementaram agora a ideia central da gravidade como um impulso repulsivo em centenas de maneiras (diferentes números de campos inflaton, diferentes interações entre esses campos e assim por diante), com cada um geralmente produzindo previsões ligeiramente diferentes. Os dados do Bicep2 já ganharam significativamente os modelos viáveis e os dados futuros continuarão o processo.
Tudo isso contribui para um momento extraordinário para a teoria inflacionária. Mas há uma lição ainda maior. Exceto a improvável possibilidade de que com melhores medidas os redemoinhos desapareçam, agora temos uma nova janela de observação sobre os processos quânticos no início do universo. Os dados do Bicep2 mostram que esses processos acontecem em escalas de distância mais de um trilhão de vezes menores do que aqueles testados pelo nosso mais poderoso acelerador de partículas, o Large Hadron Collider. Alguns anos atrás, juntamente com um grupo de pesquisadores, eu tomei uma das primeiras incursões para calcular como nossas teorias de ponta da ultra pequena, como a teoria das cordas, poderiam ser testadas com observações da radiação de fundo de microondas. Agora, com esse salto sem precedentes no microreal, posso imaginar que estudos mais refinados desse tipo possam anunciar a próxima fase em nossa compreensão da gravidade, da mecânica quântica e de nossas origens cósmicas.
Inflação e o Multiverso
Finalmente, deixe-me abordar um problema que evitei com tanto cuidado, que é tão maravilhoso quanto especulativo. Um possível subproduto da teoria inflacionária é que nosso universo pode não ser o único universo.
Em muitos modelos inflacionários, o campo inflaton é tão eficiente que, mesmo depois de alimentar o impulso repulsivo de nosso Big Bang, o campo está pronto para abastecer outro big bang e outro ainda. Cada estrondo produz seu próprio reino em expansão, com nosso universo sendo relegado a um entre muitos. De fato, nesses modelos, o processo inflacionário geralmente se mostra interminável, é eterno e, portanto, produz um número ilimitado de universos povoando um grande multiverso cósmico.
Com a evidência de que o paradigma inflacionário está se acumulando, é tentador concluir que a confiança no multiverso também deve crescer. Embora eu seja simpático a essa perspectiva, a situação está longe de ser clara. Flutuações quânticas não apenas produzem variações dentro de um determinado universo - um ótimo exemplo são as variações de fundo de microondas que discutimos - elas também implicam variações entre os próprios universos. E essas variações podem ser significativas. Em algumas encarnações da teoria, os outros universos podem diferir até mesmo nos tipos de partículas que contêm e nas forças que estão em ação.
Nesta perspectiva enormemente ampliada da realidade, o desafio é articular o que a teoria inflacionária realmente prevê. Como explicamos o que vemos aqui neste universo? Será que temos que argumentar que nossa forma de vida não poderia existir nos diferentes ambientes da maioria dos outros universos, e é por isso que nos encontramos aqui - uma abordagem controversa que chama a atenção de alguns cientistas como uma desculpa? A preocupação, então, é que, com a versão eterna da inflação gerando tantos universos, cada um com características distintas, a teoria tem a capacidade de minar nossa própria razão para ter confiança na própria inflação.
Os físicos continuam lutando com essas lacunas. Muitos têm confiança de que estes são meros desafios técnicos à inflação que, com o tempo, serão resolvidos. Eu tendo a concordar. O pacote explicativo da inflação é tão notável, e suas previsões mais naturais são tão espetacularmente alinhadas com a observação, que tudo parece quase belo demais para estar errado. Mas até que as sutilezas levantadas pelo multiverso sejam resolvidas, é sábio reservar o julgamento final.
Se a inflação está certa, os visionários que desenvolveram a teoria e os pioneiros que confirmaram suas previsões são bem merecedores do Prêmio Nobel. No entanto, a história seria ainda maior. Conquistas dessa magnitude transcendem o indivíduo. Seria um momento para todos nós ficarmos orgulhosos e maravilhados de que nossa criatividade coletiva e insight tivessem revelado alguns dos segredos mais profundos do universo.
