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Pergunte a Ethan No. 10: Por que o Universo é o Mesmo em Todo Lugar

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Um dos traços humanos mais trágicos é a tendência de salvar vidas. Todos sonhamos com um jardim de rosas mágico além do horizonte, em vez de apreciar as rosas florescendo do lado de fora da nossa janela.

Dale Carnegie.

O leitor pergunta:
Eu realmente não entendi a inflação cósmica e o problema do horizonte. Acho que você já falou sobre isso, mas gostaria de ouvir mais detalhes.

Vamos voltar ao começo.

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Este é o seu universo. Ela se estende até onde os telescópios mais poderosos podem espiar em todas as direções. Eles vêem dezenas de milhares de galáxias espalhadas por distâncias de dezenas de bilhões de anos-luz em todas as direções, para onde quer que olhemos. Em grande escala, tudo é o mesmo - densidades, temperaturas, tipos de estrelas e galáxias, metalicidade das estrelas (a concentração relativa de elementos é mais pesada que o hélio), etc. Tudo o que vemos é quanto mais olhamos, mais jovens vemos e mais rapidamente eles se afastam de nós.

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Tudo isso está conectado com a expansão e evolução do universo. Nossas três principais provas no contexto da Teoria Geral da Relatividade: a

expansão Hubble do Universo - o desvio para o vermelho está relacionado à distância da galáxia, à
existência e às propriedades da radiação cósmica de fundo por microondas (KMFI) - um mar de radiação quase perfeitamente homogêneo de um corpo negro em todas as direções, com uma temperatura ligeiramente acima do zero absoluto
a abundância de elementos leves - hidrogênio, deutério, hélio (hélio 3 e 4) e lítio no universo jovem, antes da formação das estrelas,

nos diz que o Universo evoluiu e se expandiu de um estado mais quente e mais denso e que já está em seu estado atual aproximadamente 13,8 bilhões de anos. Longo, mas não infinito. Esse paradigma é conhecido como o Big Bang.

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Mas há um problema. 13,8 bilhões de anos, o Universo estava se expandindo de acordo com as leis da relatividade geral, ou seja, a velocidade de expansão do espaço era determinada por um conjunto de condições iniciais e pelo conteúdo energético do universo (matéria comum, matéria escura, radiação, neutrinos, energia escura, curvatura espacial, etc.). Tudo está bem com isso - o problema é que o Universo é homogêneo e tem aproximadamente as mesmas propriedades em todas as direções, para onde quer que olhemos.

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As densidades e propriedades dos aglomerados de galáxias de um lado do Universo são idênticas às do outro - não importa como você divide o Universo em partes. Isso deve ser estranho, não é?

De fato, desde o Big Bang, as informações não podiam ser transmitidas mais rapidamente que a velocidade da luz. Podemos ver um pedaço de 46 bilhões de anos-luz do Universo porque a luz percorreu essa distância no universo em expansão nos últimos 13,8 bilhões de anos. Portanto, se olharmos em uma direção para 23 bilhões de anos-luz e depois na outra direção, podemos esperar que essas duas seções não sejam conectadas uma à outra.

Ainda não está claro? Eu darei uma analogia.

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Imagine ferver água em uma panela. Você o aquece por baixo e a água ferve em todos os lugares ao mesmo tempo. Não há diferença de temperatura entre as partes superior e inferior da água. Por que é que?

Você aquece a panela por baixo, mas a água esquenta por toda parte. Isso ocorre porque suas moléculas se movem, colidem umas com as outras e compartilham sua energia. A água de baixo troca energia e informação com a água de cima, e o tempo necessário para essa troca é muito menor que o tempo necessário para ferver.

Mas nem sempre é o caso.

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Nesta foto, a lava flui de um vulcão ativo para o oceano. Quando uma lava aquecida acima de 1000 ° C entra em contato com a água, ela imediatamente ferve. Mas o oceano é grande e a velocidade de propagação de calor é finita. Não muito longe deste local, a temperatura da água praticamente não muda devido à lava. Do ponto de vista prático, essas regiões são divididas entre si e não trocam informações ou propriedades.

Seria estranho que regiões separadas umas das outras, que não entram em contato umas com as outras e não trocam informações, tenham a mesma temperatura. Mas no universo é exatamente isso que acontece.

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A radiação cósmica de fundo por micro-ondas (KMFI) foi emitida quando o Universo tinha apenas 380.000 anos e, naquele momento, a luz não podia viajar mais de um milhão de anos-luz em qualquer direção. Se você preenchesse o céu de microondas com círculos de um milhão de anos-luz, seria necessário mais de dez bilhões de regiões independentes para preencher tudo o que vemos. No entanto, nessas regiões não relacionadas entre si, a temperatura, o espectro e a densidade são os mesmos com uma precisão de 99,99%.

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Esse problema, quando regiões que não estão em contato, por algum motivo, têm propriedades idênticas, é chamado de problema do horizonte.

Isso pode ser resolvido da seguinte forma: talvez essas regiões não tivessem tempo para trocar informações, mas e se, depois do Big Bang, elas já tivessem as mesmas propriedades?

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Em geral, é uma extensão: o que aconteceu antes do Big Bang, que não apenas o preparou, mas também preparou as condições iniciais que o nosso Universo possui. Eles pegaram uma região minúscula (possivelmente infinitamente pequena), a expandiram exponencialmente e se estendeu a tamanhos maiores que o Universo observado, enquanto definiam as seguintes regras:

qualquer matéria, partículas, energia ou defeitos topológicos que existiam nesta região antes da expansão são tão reduzidos em densidade que não haverá mais do que uma dessas partículas em todo o Universo (o problema dos monopólos é resolvido),
independentemente do espaço de curvatura antes da expansão, sua expansão é tão ela se torna indistinguível de um espaço plano (o problema de um universo plano está sendo resolvido),
não importa que variações de temperatura e densidade em diferentes regiões do espaço existam antes da expansão, nosso Universo observável vem de uma região pequena. Portanto, a temperatura e a densidade do Universo são as mesmas em todos os lugares (o problema do horizonte está resolvido)
as flutuações quânticas que ocorreram durante a expansão levaram a um conjunto claro de previsões de flutuações de temperatura e densidade na parte visível do Universo.Se

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descartamos a teoria da inflação, temos que substituir os outros três problemas (monopólos, um universo plano e o horizonte) e uma previsão (sobre o espectro de flutuações de temperatura e densidade do Universo) sob o tapete e diga: “Essas são apenas as condições iniciais do Big Bang” para fazer seu modelo funcionar.

Ou você pode reconhecer o modelo inflacionário - como uma maneira simples, elegante e imediata de resolver todos esses problemas.

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É por isso que nosso Universo, tanto quanto sabemos, é o mesmo em todos os lugares e em todas as direções.

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