06/11/2015

Multiverso


Para se ter uma ideia do que é a Teoria M (não se sabe de onde vem o M) é preciso ter em conta que esta teoria engloba toda uma família inteira de teorias, que se definem por defenderem:
  • o universo observável não é o único;
  • um grande número de universos foi criado a partir do nada;
  • os múltiplos universos derivam das leis da física;
  • cada universo tem muitos estados possíveis.
O conceito de multiverso tem raízes na moderna Cosmologia e na Teoria Quântica e engloba várias ideias da Teoria da Relatividade, de modo que pode ser possível a existência de inúmeros Universos onde acontecem todas as probabilidades quânticas de eventos, isto é, trata-se da teoria que defende a possibilidade de haver múltiplos universos, incluindo o Universo Histórico em que vivemos, que juntamente com os outros, compreendem tudo o que existe e o que pode existir, todo o espaço, tempo, matéria e energia, assim como as leis da física e constantes que as descrevem.
O termo foi dado, em 1895, pelo psicólogo e filósofo americano William James.
Os diversos universos incluídos no multiverso são, às vezes, chamados de universos paralelos.
A estrutura do multiverso, a natureza de cada universo e a relação entre eles, depende da hipótese específica do multiverso .
Os multiversos têm sido teorizados na cosmologia, na física, na astronomia, na religião, na filosofia, na psicologia transpessoal e na ficção, em particular na ficção científica e fantasia.


Física Quântica

Mas o que é isto de Física Quântica?
Os princípios da física quântica foram desenvolvidos nas primeiras décadas do séc. XX, quando se percebeu que a teoria newtoniana não era adequada para descrever a Natureza aos níveis atómicos - ou subatómicos. As teorias fundamentais da física descrevem as forças da Natureza e a forma como os objectos reagem a elas:
  • Teorias Clássicas - teorias como as de Newton. São construídas a partir de um referencial que reflecte a experiência de todos os dias, na qual os objectos materiais têm uma existência individual, uma localização precisa, trajectórias definidas, etc;
  • Teoria Quântica - estabelece um esquema conceptual completamente diferente do da clássica, em que a posição, a trajectória e até o passado e o futuro de um objecto não são determinados com precisão.

Os comportamentos de todos os objectos obedecem às leis da física quântica e as leis newtonianas são uma boa aproximação para descrever a forma como se comportam os objectos macroscópicos compostos por esses componentes quânticos.


Outro preceito fundamental da física quântica é o princípio da incerteza, formulada por Werner Heinseberg em 1926:
  • este princípio diz-nos que há limites para a nossa capacidade de medir simultaneamente certos dados, tais como a posição e a velocidade de uma partícula. Se multiplicarmos, por exemplo, a incerteza da posição de uma partícula pela incerteza do seu momento (a sua massa vezes a sua velocidade), o resultado nunca poderá ser inferior a uma certa quantidade fixa, chamada a constante de Planck (isto é, quanto mais exactamente se mede a velocidade, menos exactamente se pode medir a posição e vice versa).
Segundo a física quântica, independentemente da quantidade de informação que possamos obter ou das nossas capacidades computacionais, os resultados dos processos físicos não podem ser previstos, porque não são determinados com certeza.
A Natureza determina o seu estado futuro, através de um processo que é fundamentalmente incerto: permite um certo número de diferentes eventualidades, cada uma das quais com uma certa probabilidade de ser realizada.

Para além deste princípio é preciso ter em mente outros fundamentos da física quântica: 
  1. Foi o físico norte-americano Richard Feynmann quem deu a conhecer o facto de a matemática e a física serem diferentes da formulação original da física quântica, mas as previsões serem as mesmas.
  2. A observação de um sistema altera a evolução desse sistema.
A Teoria de Tudo
A partir daqui, já podemos avançar um pouco. E sendo a Teoria M, uma candidata à Teoria de Tudo, precisamos de ter alguns conhecimentos acerca do universo primitivo e dos conceitos espaço tempo (ambos são desenvolvidos noutras páginas, mas farei uma breve apresentação de alguns factos):
  • A primeira força a ser descrita na linguagem matemática foi a gravidade por Newton, em 1687, que disse que qualquer objecto no universo atrai todos os outros com uma força proporcional à sua massa. Depois descobriu-se uma lei, ou modelo, para as forças eléctrica e magnética: Comportam-se como a gravidade, com a diferença de que duas cargas eléctricas ou dois ímanes do mesmo tipo se repelem, enquanto as cargas contrárias ou ímanes se atraem - são mais fortes que a gravidade.
  • Todas as forças são transmitidas através de campos. Os campos electromagnéticos podem propagar-se através do espaço como uma onda (a luz é uma onda electromagnética que se propaga a uma velocidade de 300.000 km/s)
  • A velocidade é igual à distância percorrida sobre o tempo que demorou a percorrer.
  • A medição do tempo, tal como a medição da distância percorrida, depende do observador que faz essa medição. Einstein mostrou que, à semelhança do conceito de repouso, o tempo não pode ser absoluto (as ideias de Einstein contrariam a intuição geral).
  • O espaço e o tempo estão interligados. É como acrescentar uma quarta direcção de futuro/passado às habituais esquerda/direita, frente/trás e acima/abaixo.  Trata-se da 4ª dimensão. No espaço-tempo, o tempo já não está separado das três dimensões do espaço e depende da orientação do observador. Também a direcção de tempo varia consoante a velocidade do observador.
  • O conceito de gravidade na relatividade geral nada tem de semelhante ao conceito de Newton, baseia-se na proposta de que o espaço-tempo não é plano, mas sim curvo e distorcido pela massa e energia que contém. Na Teoria de Einstein a gravidade é uma consequência do facto de a massa distorcer o espaço-tempo, criando curvatura.
  • A Teoria da relatividade geral prevê novos efeitos como as ondas gravitacionais e os buracos negros - A Relatividade Geral transformou a Física em Geometria.
Para compreender o universo primitivo, quando toda a matéria e energia do universo estavam condensados num pequeno volume, teremos de dispor de uma versão quântica da relatividade geral.
As teorias quânticas de campo são as versões quânticas de todas as Leis da Natureza:
  1. Gravidade - É a mais fraca de todas as forças, no entanto, é uma força de longo alcance que atua sobre todas as coisas no Universo como uma atracção;
  2. Electromagnetismo - Também é uma força de longo alcance e muito mais forte do que a gravidade, mas actua apenas em partículas com carga eléctrica, sendo repulsiva entre cargas do mesmo sinal e atractiva entre cargas de sinal contrário. Isto significa que as forças eléctricas entre grandes grupos se anulam entre si, mas actuam à escala dos átomos e das moléculas. As forças electromagnéticas são responsáveis por toda a química e biologia.
  3. Força nuclear Fraca - Está na origem da radioactividade e desempenha um papel fundamental na formação de elementos, nas estrelas e no Universo primitivo. No entanto, na vida quotidiana não entramos em contacto com esta força.
  4. Força nuclear forte - Esta força mantém unidos os protões e os neutrões no núcleo do átomo. Mantém igualmente a coesão dos próprios protões e neutrões, o que se torna necessário dado que estes são constituídos por partículas ainda mais pequenas, os quarks. A força forte é a fonte de energia do Sol e da energia nuclear mas, à semelhança da força fraca, não temos contacto directo com ela.
Conhecendo as forças, passamos às partículas
Começamos por explicar o que são os campos de forças - estes campos são constituídos por várias partículas elementares, os bosões, que são os mediadores de interacções, deslocando-se para trás e para a frente entre partículas de matéria, transmitindo as forças.
Como foi dito anteriormente, a Teoria M é a candidata principal, actualmente, à Teoria de Tudo. A Teoria de Tudo é uma teoria que tenta unificar as quatro classes numa única compatível com a teoria quântica.
Um exemplo de unificação de forças é a Força Electrofraca - trata-se da unificação do electromagnetismo com a teoria fraca. Resolve o problema das infinidades (que surgem, por exemplo na QED). Pode ser renormalizada e prevê a existência de três novas partículas, W+, W- e Z0.



Outra noção a ter em conta é a da Cromodinâmica quântica (QDC) - o protão, o neutrão e muitas outras partículas elementares da matéria são compostas por quarks, que têm uma propriedade notável a que os físicos acabaram por dar o nome de cor. Os quarks surgem em três pretensas cores: Vermelho, verde e azul. Cada quark tem também um parceiro antipartícula e as cores dessas partículas são designadas por antivermelho, antiverde e antiazul. A ideia é de que apenas as combinações sem qualquer final podem existir como partículas livres.
  1. A cor e a anticor anulam-se, de modo que um quark e um antiquark formam um par sem cor, uma partícula instável chamada mesão.
  2. As três cores (ou anticores) são misturadas, dando como resultado uma partícula sem cor, designados os bariões, que são a base de toda a matéria (por exemplo, os protões e os neutrões).
As flutuações no vácuo são devidas aos pares de partículas que surgem juntas num dado momento, se afastam, se juntam de novo e se aniquilam mutuamente. São as partículas virtuais.
Uma das implicações importantes da supersimetria é que as partículas mediadoras de forças ou interacções e as partículas de matéria, e por consequência, força e matéria, são apenas dois aspectos da mesma coisa.

Não me alongarei nesta página a descrever a Teoria das Cordas, importante para a Teoria M, pois já se encontra mais pormenorizadamente noutro local do site, no entanto farei referência ao facto de não serem consistentes se o espaço-tempo tiver dez dimensões. Estas dimensões adicionais às quatro referidas acima, estarão de tal forma dobradas sobre si num espaço tão pequeno que se torna impossível, pelos meios atuais, a sua detecção. Estão enroladas no espaço interno.  Nesta teoria as partículas não são pontos, mas padrões de vibração que têm comprimento, mas são desprovidas de altura ou largura - como pedaços de corda infinitamente finos.

A Teoria M prevê a existência de 11 dimensões, que podem conter não só cordas vibratórias, mas também partículas pontuais, membranas bidimensionais, gotas tridimensionais e outros objectos mais difíceis de visualizar e que ocupam até nove dimensões do espaço - as p - branas, em que p vai de 0 a 9). Esta teoria prevê a existência de 10500 universos diferentes.

O multiverso e a teoria da inflação
Há mais de 50 propostas que explicam o que provocou a inflação e o que, finalmente, lhe pôs termo, originando o Universo visível. Como ninguém sabe ao certo como começou a inflação, há sempre a possibilidade de o mecanismo voltar a acontecer - as explosões inflacionarias podem repetir-se. Esta é a ideia proposta pelo físico russo Andrei Linde da Universidade de Stanford - o mecanismo, qualquer que seja, que provocou a inflação súbita do Universo ainda está a funcionar, fazendo talvez com que outras regiões distantes do Universo também sofram inflação de forma aleatória.
De acordo com esta teoria, uma pequena porção do Universo pode inflacionar subitamente e "germinar", dando origem a um Universo "filho" ou Universo "bebé" que, por sua vez, pode gerar um outro Universo "bebé" e assim sucessivamente. Neste cenário os big bangs estão a acontecer constantemente.
Linde chama a esta teoria inflação eterna e auto reprodutora ou "inflação caótica", porque  prevê um processo infindável de inflação contínua de universos paralelos.

A classificação de Tegmark
O cosmologista Max Tegmark providenciou uma taxonomia de universos para além do universo observável.
Os níveis, de acordo com a classificação de Tegmark, estão de forma a que o próximo universo possa abarcar e expandir o universo anterior, como são brevemente descritos abaixo:

Nível I   
Para além do nosso horizonte cosmológico.
Uma predição geral da inflação caótica é a de um universo ergódico infinito, que, sendo infinito, tem de conter volumes Hubble a realizar todas as condições iniciais. Assim, um universo infinito irá conter um número infinito de volumes Hubble, todos com as mesmas leis e constantes físicas.
No que diz respeito à configuração e à distribuição da matéria, quase todos iriam diferir do nosso volume Hubble. No entanto, como há volumes infinitos, para além do horizonte cosmológico, eventualmente haverão volumes Hubble com configurações similares e até mesmo idênticas.
Tegmark estima que um volume idêntico ao nosso deve estar a cerca de 1010(115) metros de nós. Esta estimativa implica o uso do princípio cosmológico, onde o nosso volume Hubble não é especial nem único.
Por extensão da mesma razão, iria haver, de fato, um número infinito de objectos Hubble, idênticos ao nosso, no Universo.
Nível II
Universos com constantes físicas diferentes.
Na Teoria da Inflação Caótica, uma variante da Teoria da Inflação Cósmica, o multiverso, como um todo está a dilatar-se e continuará a fazê-lo eternamente, mas algumas regiões do universo param de dilatar-se e formam bolhas distintas. Essas bolhas são o embrião do multiverso no nível I.
Linde e Vanchurin calculam que o número destes universos estejam na escala de 1010(10000000).
Bolhas diferentes podem experimentar resultados de ruptura simétrica espontânea em propriedades diferentes, assim como em constantes físicas diferentes.
Este nível inclui os universos oscilatórios teóricos de John Archibald Wheeler e a Teoria do Universo Fecundo de Lee Smolin.
Nível III
A interpretação quântica de muitos mundos.
A interpretação de muitos mundos (MWI - many worlds interpretation) de Hugh Everett é uma das interpretações dominantes da mecanica quântica. Em resumo, um dos aspectos da mecanica quântica é que certas observações não são absolutas. Em vez disso, há um largo número de possíveis observações, cada uma com uma probabilidade diferente. de acordo com o MWI, cada uma destas observações corresponde a um universo diferente. Suponha que um dado, que contém 6 lados, é lançado e que cada resultado numérico corresponde a uma observação da mecânica quântica. As seis possibilidades numéricas que o dado pode fornecer, correspondem a seis universos.
Tegmark defende que um universo do nível III não contém mais possibilidades de volumes Hubble do que um multiverso do nível II. De facto, todos os "mundos" diferentes criados por uma divisão num multiverso do nível III com as mesmas constantes físicas podem ser encontradas em volumes Hubble do multiverso de nível I.
De forma idêntica, as bolhas do nível II, com constantes físicas diferentes podem ser encontradas como "mundos" criados por "separações" no momento da ruptura espontânea de simetria no multiverso de nível III.
Nível IV
A derradeira ligação
A derradeira ligação é a hipótese do próprio Tegmak. Este nível considera reais todos os universos que possam ser descritos matematicamente. Isto não inclui leis físicas de baixa energia que não sejam parte no nosso mundo observável. Tegmark diz que "a matemática abstrata é tão generalista que qualquer teoria de tudo (TOE), descrita em termos puramente formais é também uma estrutura matemática. Por exemplo, uma TOE que envolve diversos tipos de entidades e relações entre si não é mais do que aquilo a que os matemáticos chamam de um modelo de set-theory, onde se pode encontrar um sistema formal que é um modelo de algo". Continua, "isto implica que qualquer teoria de universos paralelos concebida pode ser descrita no nível IV" e "submete todas as outras ligações, o que traz uma hierarquia de multiversos e não pode existir um nível V".
Jürgen Shmidhuber, no entanto, diz que "a estrutura assente na matemática" ainda não está bem definida e, só admite representações de universos descritos pela matemática construtiva. 

Multiverso e a Teoria M
Um multiverso, de certa forma diferente, tem sido considerada como uma extensão multidimensional da Teoria das Cordas, conhecida como a Teoria M ou Teoria das Membranas.
Nesta teoria o nosso universo e outros são criados através da colisão de p-branas, num espaço com 11 e 26 dimensões. Cada universo tem a forma de uma D-brana, objectos em que cada universo está, essencialmente confinado, mas podendo interagir com outros universos através da gravidade, uma força que não está restrita às D-branas.
Apesar desta teoria não ser como a dos universos quânticos, os mesmos conceitos podem trabalhar ao mesmo tempo.


Notas
  • Universo Fine Tuning é uma proposição que diz que as condições que permitem a vida no Universo só podem ocorrer dentro de certas constantes fundamentais da física universais, as quais só têm um pequeno espaço de manobra. Então, se certas condições fossem só ligeiramente diferentes o universo não teria condições de estabelecer e desenvolver a matéria, estruturas astronómicas, diversidade elemental ou vida como a entendemos.
  • volume de Hubble, ou área de Hubble, é chamada, em Cosmologia, à região do universo em volta de um observador, para além do qual os objectos se movem para longe dele, a uma taxa mais rápida que a velocidade da luz, devido à expansão do universo. O raio da esfera Hubble é c/H0, onde c é a velocidade da luz e da constante de Hubble H0. Geralmente, o termo "volume Hubble" pode ser aplicado a qualquer região do espaço com um volume da ordem (c/H0)3. Muitas vezes o termo é usado como sinónimo de universo observável, mas os dois conceitos não são iguais, já que o universo visível é maior que o volume de Hubble.
  • História do Sistema: entre o estado inicial do sistema e a nossa medição posterior das suas propriedades, essas propriedades evoluem de alguma forma. Por exemplo, na experiência da dupla fenda, a história da partícula é simplesmente o seu caminho.
  • Processo de renormalização: Envolve a subtracção de quantidades que são definidas como infinitas e negativas de tal modo que, com uma explicação matemática cuidadosa, a soma dos valores infinitos negativos e dos valores infinitos positivos que surgem na teoria (QED) quase se anulam, deixando um pequeno resto, os valores finitos observados da massa e da carga.
  • Liberdade assimptótica - as forças fortes entre quarks são ténues quando eles se encontram perto uns dos outros, mas aumentam se eles estiverem mais afastados.



Fontes
Mundos Paralelos, Michio Kaku, Editorial Bizâncio, 2ª Edição 2010
O Grande Desígnio, Stephen W. Hawking e Leonard MLoDinow, Edições Gradiva, 1ª Edição Abril 2011
http://pt.wikipedia.org/wiki/Multiverso_(ci%C3%AAncia)
http://en.wikipedia.org/wiki/Multiverse



Desejo

«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...