Por que o tempo nunca anda para trás

Por que o tempo não anda para trás? Por que nos lembramos do passado e não do futuro? Para um grupo de físicos, as respostas a estas questões profundas e complexas podem surgir a partir de uma fonte bastante familiar: a gravidade.

Mesmo que o tempo seja uma parte fundamental de nossa experiência, as leis básicas da física parecem não se importar em qual direção ele se move. Por exemplo, as regras que governam as órbitas dos planetas funcionam da mesma forma se você ir para a frente ou para trás no tempo. Você pode reproduzir os movimentos do sistema solar em sentido inverso e eles parecem completamente normais, sem violar qualquer lei da física. Então, o que distingue o futuro do passado?

“O problema da seta do tempo tem incomodado mentes desde sempre”, afirma Flavio Mercati, do Instituto Perimeter de Física Teórica em Waterloo, no Canadá.

A maioria das pessoas que já pensou sobre a “flecha do tempo” diz que ela é determinada pela entropia, a quantidade de desordem em um sistema (um sistema pode ser uma tigela de cereal ou o universo). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a entropia total de um sistema fechado sempre deve aumentar. E o tempo parece viajar na mesma direção que a entropia.

Quando um cubo de gelo no seu copo derrete e dilui sua limonada, por exemplo, a entropia aumenta. Quando você faz um ovo mexido, a entropia aumenta. Ambos os exemplos são irreversíveis: você não pode refazer um cubo de gelo ou desmexer um ovo. A sequência de eventos – e assim o tempo também – segue somente em uma direção.

Se a seta do tempo acompanha o aumento da entropia, e se a entropia do universo está sempre aumentando, então isso significa que em algum momento no passado, a entropia deve ter sido baixa. É aí que reside o enigma: por que o universo estava em tal estado de baixa entropia?
De acordo com Mercati e os seus colegas, não houve este estado especial e inicial. Em vez disso, um estado que fica o tempo todo apontando para a frente surge naturalmente a partir de um universo ditado pela gravidade.

Para testar sua ideia, eles simularam o universo com uma coleção de 1.000 partículas que interagiam uma com a outra apenas pela gravidade, representando as galáxias e estrelas que flutuam em torno do cosmos.

Os pesquisadores descobriram que, independentemente de posições e velocidades iniciais, em algum momento, inevitavelmente, as partículas encontram-se agrupadas em uma bola antes de se dispersar novamente. Este momento de aglutinação é equivalente ao Big Bang, quando o universo inteiro estava espremido em um ponto infinitamente pequeno.

Em vez de usar a entropia, os investigadores descrevem o seu sistema com uma quantidade que eles chamam de “complexidade”, que define como mais ou menos a razão entre a distância entre as duas partículas mais distantes uma da outra e a distância entre as duas partículas mais próximas uma da outra. Quando as partículas são aglutinadas, a complexidade é a mais baixa.

A ideia-chave, Mercati explica, é que este momento de menor complexidade surge naturalmente do grupo de interação gravitacional – não são necessárias condições iniciais especiais. A complexidade, em seguida, aumenta à medida que as partículas se dispersam, representando a expansão do universo e o progresso para a frente do tempo.

Mas aqui vai a ideia que vai explodir a sua cabeça: os eventos que ocorrem antes das partículas se aglomerarem, isto é, antes do “Big Bang”, orientam uma segunda direção do tempo. Se você seguir para trás os eventos a partir deste ponto, as partículas irão se dispersar a partir da aglomeração. Como a complexidade está aumentando para trás neste sentido, esta segunda seta do tempo também aponta para o passado. O que, de acordo com este segundo sentido do tempo, é na verdade o “futuro” de outro universo que existe do outro lado do Big Bang.

Mostrar como a direção temporal vem de um sistema tão simples, que segue a física clássica, é uma grande novidade, diz o físico Steve Carlip, da Universidade da Califórnia (EUA).

Porém, uma grande limitação deste modelo é que ele é baseado unicamente na física clássica, ignorando a mecânica quântica. Também não inclui a teoria da relatividade geral de Einstein. Não há energia escura ou qualquer outra coisa necessária para modelar com mais precisão o universo. Mas os pesquisadores estão pensando em como incorporar física mais realista para o modelo, que poderia, então, fazer predições testáveis, diz Mercati. “Então, você realmente teria a natureza dizendo se você está certo ou errado”.

“Para mim, o maior problema é que há um monte de diferentes setas físicas de tempo”, aponta Carlip. A direção para a frente do tempo se manifesta de muitas maneiras que não envolvem gravidade. Por exemplo, a luz sempre irradia para longe de uma lâmpada, nunca em direção a ela. Um isótopo radioativo decai em átomos mais leves; você nunca vê o inverso. Por que uma flecha do tempo derivada da gravidade também empurraria outras flechas de tempo na mesma direção? Segundo Carlip, essa ainda é uma grande questão em aberto.

Fonte: Hypescience.

5 motivos pelos quais devemos estar em um multiverso

A teoria do multiverso prega que o universo em que vivemos não é o único que existe. Na verdade, nosso universo pode ser apenas um entre um número infinito de universos que compõem um “multiverso”.

Sei o que você está pensando: “aham, claro”. Embora a ideia realmente soe como algo saído da mais barata ficção científica, há uma física bastante razoável por trás dela.

Mais: não há apenas uma teoria que chega a um multiverso: diversas teses físicas independentes apontam para tal conclusão. Na verdade, alguns especialistas acreditam que é mais provável que existam universos ocultos, do que o contrário.

Confira as cinco teorias científicas mais plausíveis que sugerem que vivemos em um multiverso:

1 – Universos infinitos

     
Os cientistas não podem ter certeza sobre a forma do espaço-tempo, mas mais provavelmente, ela é plana (em oposição à esférica) e estende-se infinitamente. Se o espaço-tempo dura para sempre, então deve começar a se repetir em algum ponto, porque há um número finito de formas com as quais as partículas podem ser organizadas no espaço e no tempo.

Então, se você olhar longe o suficiente, encontrará uma outra versão de você – na verdade, versões infinitas de você. Alguns desses “gêmeos” estarão fazendo exatamente o que você está fazendo agora, enquanto outros estarão com uma roupa diferente esta manhã, e outros ainda terão carreiras e escolhas de vida totalmente diferentes.

Como o universo observável se estende apenas até onde a luz teve a chance de chegar nos 13,7 bilhões de anos desde o Big Bang (que seria 13,7 bilhões de anos-luz), o espaço-tempo além dessa distância pode ser considerado o seu próprio universo, separado do nosso. Deste modo, uma multiplicidade de universos deve existir, uns ao lado dos outros, em uma manta de retalhos gigante de universos.

2 – Inflação eterna

     

Além dos múltiplos universos criados por estender infinitamente o espaço-tempo, outros universos podem surgir a partir de uma teoria chamada “inflação eterna“. A inflação é a noção de que o universo se expandiu rapidamente após o Big Bang, inflando como um balão. Inflação eterna, proposta pela primeira vez pelo cosmólogo Alexander Vilenkin da Universidade Tufts, sugere que alguns bolsões no espaço pararam de inflar, enquanto outras regiões continuam a inflar, dando assim origem a muitos universos isolados em “bolhas”.

Assim, o nosso próprio universo, onde a inflação já acabou, permitindo que estrelas e galáxias se formassem, é uma pequena bolha em um vasto mar de bolhas no espaço, algumas das quais ainda estão inflando. E em alguns desses universos bolhas, as leis e constantes fundamentais da física podem ser totalmente diferentes do que são no nosso, tornando-os muito estranhos para nós.

3 – Universos paralelos

         

Outra ideia de multiverso que surge da teoria das cordas é a noção de universos paralelos que pairam fora do alcance do nosso, proposta por Paul Steinhardt da Universidade de Princeton (EUA) e Neil Turok do Instituto de Física Teórica em Ontário, Canadá. Vem da possibilidade de muito mais dimensões existirem em nosso mundo, além das três de espaço e uma de tempo que nós conhecemos. Ou seja, mais do que nosso próprio mundo tridimensional, outros espaços tridimensionais podem flutuar num espaço de dimensão superior.

O físico Brian Greene da Universidade de Columbia (EUA) descreve a ideia como a noção de que “o nosso universo é apenas um dos potencialmente numerosos mundos flutuantes em um espaço de dimensão mais elevada, bem como uma fatia de pão dentro de um grandioso pão cósmico”.

Uma variação desta teoria sugere que esses universos não são sempre paralelos e fora de alcance. Às vezes, eles podem bater um no outro, causando repetidos Big Bangs que redefinem os universos novamente.

4 – Universos filhos

      

A teoria da mecânica quântica, que reina sobre o pequeno mundo das partículas subatômicas, sugere uma outra maneira na qual múltiplos universos podem surgir. A mecânica quântica descreve o mundo em termos de probabilidades, em vez de resultados definitivos. E a matemática desta teoria sugere que todos os resultados possíveis de uma situação realmente ocorrem – em seus próprios universos separados.

Por exemplo, se você chegar a uma encruzilhada onde você pode ir para a direita ou para a esquerda, o universo atual dá origem a dois universos “filhos”: um em que você vai para a direita, e outro no qual você vai para a esquerda. “E, em cada universo, há uma cópia sua assistindo um ou outro resultado, pensando – incorretamente – que a sua realidade é a única realidade”, diz Greene.

5 – Universos matemáticos

          

Os cientistas têm debatido se a matemática é simplesmente uma ferramenta útil para descrever o universo, ou se a matemática em si é a realidade fundamental – nesse caso, nossas observações do universo são apenas percepções imperfeitas de sua verdadeira natureza matemática.

Se este for realmente o caso, então talvez a estrutura matemática específica que compõe o nosso universo não é sua única opção. De fato, todas as possíveis estruturas matemáticas existem como seus próprios universos separados.

“A estrutura matemática é algo que você pode descrever de uma maneira que é completamente independente da bagagem humana”, disse Max Tegmark, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (EUA), que propôs esta ideia. “Eu realmente acredito que existe um universo lá fora que pode existir independentemente de mim, e que iria continuar a existir mesmo se não houvesse seres humanos”.

Bônus: como provar que o multiverso existe

A presença de um “multiverso”, ou seja, vários universos desconectados pode ser possível para explicar a quantidade enorme de energia escura que o nosso universo tem – um assunto polêmico que intriga cientistas do mundo (ou mundos) todo há tempos.

Cerca de 74% do universo parece ser feito de energia escura. Outros 22% parecem ser matéria escura, uma misteriosa forma de matéria que só podemos detectar observando sua força gravitacional. No fim, apenas 4% do nosso universo é composto por coisas que podemos ver e tocar; a matéria comum. Por que essa desigualdade?

Nenhuma outra teoria existente sobre o nosso universo consegue explicar tal fenômeno. Com a teoria do multiverso, essa quantidade de energia não só se torna explicável, como é inevitável.

Outros fenômenos, como a radiação cósmica de fundo e a expansão do universo, também levam a crer na existência de vários universos.

O problema é que ainda não temos como provar que estamos em um multiverso. Se daqui é difícil até encontrar outros planetas, quem diria um inteiro outro universo!

Para calcular como encontrar esse multiverso e como medi-lo, precisamos investir em probabilidades, tentar “chutar” quais serão as características principais dele (como a quantidade de energia escura que ele teria). Para calcular essas probabilidades, é preciso uma medida – uma ferramenta matemática que ajuda na definição dessas probabilidades. Mas encontrar essa medida quando o assunto é o multiverso é muito difícil. Seria como comparar infinitos. “Qual infinito é maior?” parece uma pergunta sem noção.

Nosso universo surgiu do Big Bang, provavelmente um choque entre um universo e outro, e há uma variedade de universos que pode ser produzida dessa forma. Poderíamos usar essas medidas para calcular as probabilidades. Mas aplicar isso na prática é outra história. O problema é que, pra funcionar mesmo, esses cálculos precisariam da quantidade inicial de vácuo no universo – e isso ainda é um mistério.

Segundo o famoso físico Stephen Hawking, uma outra forma de verificar o multiverso seria buscar características na radiação de fundo de micro-ondas que indicassem a colisão de outro universo com o nosso num passado distante.
A radiação cósmica de fundo (CMB, na sigla em inglês) que aparece no universo na frequência mais alta possível de micro-ondas deixa marcas no espaço-tempo. Segundo a teoria dos vários universos, essas marcas foram deixadas após a colisão dos vários universos ao longo de suas existências. Nosso próprio universo, portanto, poderia já ter colidido com um ou mais “vizinhos”.

Para que se possa entender esse mecanismo, os cientistas britânicos fizeram uma comparação com bolhas de sabão. Imagine que cada bolha de sabão é um universo, com suas próprias leis físicas de espaço-tempo. Quando duas bolhas de sabão encostam uma na outra, a área em que elas se tocam torna-se circular. Da mesma maneira, quando dois universos colidem, a radiação CMB resultante do choque também toma forma circular. Essa radiação circular, dessa forma, seria um sinal claro de que dois universos colidiram naquele ponto.

De fato, já foi possível observar a incidência de CMB circulares em certas áreas do espaço, que foram marcadas como indicativos dessa teoria. Não se conseguiu, entretanto, definir um padrão para o aparecimento dessas CMB, que continuam parecendo aleatórias.

O que se buscará a partir de agora, portanto, é ordenar as observações para fortalecer essa teoria. Um satélite da Agência Europeia Espacial, chamado Planck, está no espaço desde 2009, e em 2013 deverá ter respostas mais detalhadas sobre a nova teoria.

Fonte: Hypescience

As imagens mais incríveis do universo

A primeira vista o Universo parece um lugar escuro e sem graça, mas quando olhamos ele com mais atenção, vemos que na verdade é um lugar cheio de cores e belezas, mesmo que nossos olhos as vezes não as vejam.

A misteriosa nuvem

Essa nuvem não é só bela, mas também misteriosa. Isso deve-se ao fato de que uma formação existente nela simplesmente não tem explicação.

Observando a imagem, pode-se notar uma espécie de flecha luminosa em seu topo e o problema é que ninguém faz mínima ideia do que aquilo seja, pois algo tão luminoso naquele formato só é visto ali. Muitos apostam que seja um estrela supermassiva se deslocando a grandes velocidades, contudo o mistério permanece:

NGC 602

NGC 602 é um pequeno aglomerado de estrelas que fica em nossa galáxia vizinha, a Pequena Nuvem de Magalhães. Essa gigantesca nuvem de detritos está formando diversas estrelas em seus pontos mais densos, porém essas formações só podem ser vistas por telescópios que captam imagens em infravermelho:

Centaurus A

Essa é uma das galáxias mais próximas da nossa e também uma das mais espetaculares, graças ao seu formato pouco comum. No céu da noite ela é um dos corpos mais brilhantes que podemos ver, mas só de perto ela revela sua verdadeira beleza:

The Edge-On Galaxy

Essa é uma das galáxias mais incríveis que podemos ver no céu, apesar de estar muito longe. Ela possui uma forma de disco, mas quando vista de lado parece ser torta, criando um belo efeito:

A nebulosa Aranha Vermelha

Essa nebulosa se encontra na constelação de Sagitário. Devido a uma grande estrela em seu núcleo que gera poderosos ventos, a nebulosa acabou ganhando essa forma incrível:

Galáxia do Sombreiro

A uma distância de 28 milhões de anos luz de onde estamos, podemos encontrar a Galáxia do Sombreiro, uma galáxia espiral cercado de poeira que gera uma bela vista:

Nebulosa da Formiga

A apenas 3 mil anos luz daqui, a Nebulosa da Formiga (reparem em seu formato) é um das seis belas visões que a humanidade tem do Universo:

Nebulosa de Hélix (O olho de Deus)

Como os humanos tem um grande tendência para encontrar formas humanas em outras coisas, era óbvio que logo encontraríamos algo no Universo que nos lembrasse de nós mesmo. E essa é a Nebulosa Hélix, que realmente parece um belo olho universal:

Galáxia do Rodamoinho

Com um bom binóculo e longe de uma grande cidade, você é capaz de ver a Galáxia do Rodamoinho com facilidade, pois ela é uma das mais brilhantes e belas formações a nossa volta. Além de ela nos possibilitar a visão clara de como é uma galáxia espiral, ela nos permite ver a interação entre suas galáxias:

Nebulosa do Caranguejo

Supernovas são alguns dos mais importantes fenômenos do Universo, pois são tais explosões de estrelas supermassivas que geram os elementos necessários para a vida. Então quando uma estrela morre, na verdade ela está gerando mais possibilidades de vida. Infelizmente são difíceis as ocasiões em que vemos tais coisas acontecendo, mas a Nebulosa do Caranguejo nos revela todo o esplendor de uma supernova em ação:

Fonte: Minilua.

Imagens do céu de outros planetas do sistema solar

Quando olhamos para o céu azul que cerca a Terra, vemos o Sol brilhando. A noite enxergamos a Lua passeando sobre nossas cabeças, com diversas estrelas lhe fazendo companhia. Essa é a visão que temos do Universo do lugar de onde moramos, mas como será que é a paisagem quando vista de outros planetas?

Lua

Essa é uma imagem clássica e também uma das mais belas que se tem registro. É a visão do Universo a partir da Lua:

Imagem criada por um artista para demonstrar como seria um eclipse do Sol visto da Lua:

Marte

Como nós já exploramos Marte algumas vezes, podemos ter uma boa ideia de como é o céu no planeta vermelho. E é assim que ele parece ao meio dia:

No pôr do sol:

Júpiter e suas luas

Júpiter é o grande senhor dos planetas no Sistema Solar e possui 66 luas em sua órbita. Uma das mais famosas é a Europa, um dos lugares onde os cientistas acreditam que possa haver vida em oceanos que ficam abaixo da superfície congelada. E caso houvessem criaturas vivas por lá, é assim que veriam o Universo:

Saturno

Saturno, com seus anéis, é uma das grandes belezas do Sistema Solar e seria dessa maneira que uma pessoa veria o Universo a partir desse planeta:

Plutão

Por estar muito longe do Sol, Plutão é uma planeta congelado que vive há milhões de quilômetros daqui, junto com seu pequeno satélite natural chamado Charon. E é assim que se enxerga o Universo de lá:

Fonte: Minilua.

O universo é infinito: mito ou realidade?

Durante o ano de 1917, Albert Einstein estava às voltas com o problema da inércia (formulada há 400 anos): porque os corpos oferecem resistência à mudança de seu estado atual, um corpo tende a permanecer em repouso ou movimento retilíneo uniforme a menos que alguma força seja aplicada a ele. Mas faltava explicar por que isto acontecia.

Segundo a ideia de outros físicos, a inércia é o resultado da interação com o campo gravitacional de outras estrelas. Mas quantas estrelas? Einstein tinha alguns problemas com a ideia de um universo infinito, com infinitas estrelas: a massa seria infinita, e a inércia também seria infinita – os corpos não se moveriam.

Mas a ideia de um universo limitado flutuando no meio do vazio também tinha seus problemas. Um deles era uma explicação para o motivo das estrelas não escaparem para fora deste universo, esvaziando-o.

A solução pareceu maluca até mesmo para Einstein: o universo poderia ser finito, mas sem bordas, sem limites. O campo gravitacional curvaria tanto o universo que ele fecharia sobre si mesmo. Um universo assim não teria limites, mas seria finito.

Einstein apresentou sua ideia em um trabalho chamado “Considerações Cosmológicas na Teoria Geral da Relatividade”, o mesmo trabalho em que apresentou a sua constante cosmológica, mais tarde chamada por ele de seu “maior erro”, que recentemente acabou sendo ressuscitada pelos físicos, para representar a energia escura.

Para ajudar as pessoas a entender sua ideia, Einstein criou uma metáfora que foi usada até por Carl Sagan para explicar a quarta dimensão. Essa metáfora pede para o leitor imaginar dois exploradores bidimensionais em um universo bidimensional. Estes “habitantes do plano” poderiam andar em qualquer direção na superfície achatada que seria o seu universo, mas os conceitos de “para cima” ou “para baixo” não teriam significado para eles.

Einstein propôs uma pequena mudança neste universo bidimensional, sugerindo um plano 
ligeiramente curvo. E se o universo destes exploradores fosse ainda bidimensional, mas não fosse plano, e sim, curvo como a superfície de um globo? Uma seta que estes exploradores disparassem viajaria em linha reta, mas eventualmente faria a curva em todo o globo, voltando ao ponto de início.

Desta forma, o tamanho total do universo destes exploradores bidimensionais seria finito, mas eles poderiam viajar em qualquer direção, e nunca encontrariam uma borda. E se viajassem em linha reta acabariam retornando ao ponto de início, sem precisar fazer curva alguma. E se este globo estivesse em expansão, este universo bidimensional também estaria em expansão, mas sem ter bordas.

Einstein então sugere que nosso universo 3D também seria curvo, ou seja, fechado sobre si mesmo, como aquela superfície plana sobre um globo. É complicado de imaginar um universo assim, mas por incrível que pareça, ele pode ser facilmente descrito usando a geometria não Euclidiana que foi criada por Gauss e Riemann. E isto continua valendo para um universo com quatro dimensões, o espaço-tempo.

Em um universo curvado, um raio de luz que viaja em uma direção percorreria o que a nós se pareceria com uma linha reta, e ainda assim faria uma curva e retornaria para o ponto de início. O físico Max Born afirmou que “a sugestão de um espaço finito, mas ilimitado é uma das maiores ideias sobre a natureza do mundo que já foi concebida”.

Mas o que haveria fora deste universo curvado? O que tem no outro lado da curvatura? Estas perguntas não têm resposta. Mais que isto, elas não têm sentido, da mesma forma que não faria sentido perguntar a um daqueles habitantes do mundo bidimensional o que há fora do mundo deles.

Em resumo, Einstein propôs que o universo poderia ser finito, curvado sobre si mesmo. O que determinaria esta curvatura seria a quantidade de massa-energia nele. As medições feitas mais recentemente com a sonda WMAP (“Wilkinson Microwave Anisotropy Probe” ou “Sonda de Anisotropia de Microondas Wilkinson”, que mediu a densidade da radiação cósmica de fundo) apontam para um universo visível plano, com uma margem de erro de 0,4%.

O problema é a expressão “universo visível”. O universo visível é apenas o que pode ser captado com nossos telescópios, e corresponde a uma esfera de alguns bilhões de anos-luz de raio em torno da Terra. Mas isto pode corresponder apenas a um pedaço pequeno do universo total, e este universo total poderia ser tão grande que a medição da curvatura local seria equivalente a zero.

Fonte: Hypescience.