O professor Thomas Hertog apresenta uma análise minuciosa da colaboração com o ilustre físico falecido, Stephen Hawking, na concepção da teoria final do cosmos.

O falecido físico Stephen Hawking primeiro me pediu para trabalhar com ele para desenvolver “uma nova teoria quântica do Big Bang” em 1998. O que começou como um projeto de doutorado evoluiu ao longo de cerca de 20 anos para uma intensa colaboração que terminou apenas com sua morte 14 de março de 2018.

O enigma no centro de nossa pesquisa ao longo desse período era como o Big Bang poderia ter criado condições tão perfeitamente favoráveis ​​à vida . Nossa resposta está sendo publicada em um novo livro , On the Origin of Time: Stephen Hawking’s Final Theory.

Perguntas sobre a origem final do cosmos, ou universo, tiram a física de sua zona de conforto. No entanto, era exatamente aqui que Hawking gostava de se aventurar. A perspectiva – ou esperança – de decifrar o enigma do design cósmico conduziu grande parte da pesquisa de Hawking em cosmologia. “Ir corajosamente onde Star Trek tem medo de pisar” era seu lema – e também seu protetor de tela.

Nossa busca científica compartilhada significava que inevitavelmente nos aproximamos. Estando perto dele, ninguém poderia deixar de ser influenciado por sua determinação e otimismo de que poderíamos enfrentar questões misteriosas. Ele me fez sentir como se estivéssemos escrevendo nossa própria história de criação, o que, de certa forma, foi o que fizemos.

Antigamente, pensava-se que o design aparente do cosmos significava que deveria haver um designer – um Deus. Hoje, os cientistas apontam para as leis da física. Essas leis têm várias propriedades impressionantes de geração de vida. Pegue a quantidade de matéria e energia no universo, as delicadas proporções das forças ou o número de dimensões espaciais.

Os físicos descobriram que, se você ajustar essas propriedades levemente, isso tornará o universo sem vida. Quase parece que o universo é uma correção – mesmo uma grande.

Mas de onde vêm as leis da física? De Albert Einstein a Hawking em seus trabalhos anteriores, a maioria dos físicos do século 20 considerava as relações matemáticas subjacentes às leis físicas como verdades eternas. Nesta visão, o design aparente do cosmos é uma questão de necessidade matemática. O universo é do jeito que é porque a natureza não teve escolha.

Por volta da virada do século 21, surgiu uma explicação diferente. Talvez vivamos em um multiverso, um espaço enorme que gera uma colcha de retalhos de universos, cada um com seu próprio tipo de Big Bang e física. Faria sentido, estatisticamente, que alguns desses universos fossem favoráveis ​​à vida.

No entanto, logo essas reflexões sobre o multiverso foram pegas em uma espiral de paradoxos e nenhuma previsão verificável.

Virando a cosmologia do avesso

Podemos fazer melhor? Sim, Hawking e eu descobrimos, mas apenas abandonando a ideia, inerente à cosmologia do multiverso, de que nossas teorias físicas podem ter uma visão do olho de Deus, como se estivessem fora de todo o cosmos.

É um ponto óbvio e aparentemente tautológico: a teoria cosmológica deve explicar o fato de que existimos dentro do universo. “Não somos anjos que veem o universo de fora”, Hawking me disse. “Nossas teorias nunca são dissociadas de nós.”

Nós nos propusemos a repensar a cosmologia do ponto de vista de um observador. Isso exigia a adoção das estranhas regras da mecânica quântica, que governa o micromundo de partículas e átomos.

De acordo com a mecânica quântica, as partículas podem estar em vários locais possíveis ao mesmo tempo – uma propriedade chamada superposição. É somente quando uma partícula é observada que ela (aleatoriamente) escolhe uma posição definida. A mecânica quântica também envolve saltos e flutuações aleatórias, como partículas saindo do espaço vazio e desaparecendo novamente.

Em um universo quântico, portanto, um passado e um futuro tangíveis emergem de uma névoa de possibilidades por meio de um processo contínuo de observação. Tais observações quânticas não precisam ser realizadas por humanos. O ambiente ou mesmo uma única partícula pode “observar”.

Incontáveis ​​atos quânticos de observação transformam constantemente o que poderia ser no que realmente acontece, trazendo assim o universo à existência com mais firmeza. E uma vez que algo foi observado, todas as outras possibilidades se tornam irrelevantes.

Descobrimos que, ao olhar para os primeiros estágios do universo através de uma lente quântica, há um nível mais profundo de evolução em que até mesmo as leis da física mudam e evoluem, em sincronia com o universo que está tomando forma. Além do mais, esta meta-evolução tem um sabor darwiniano.

A variação entra porque saltos quânticos aleatórios causam excursões frequentes do que é mais provável. A seleção entra porque algumas dessas excursões podem ser amplificadas e congeladas, graças à observação quântica. A interação entre essas duas forças concorrentes – variação e seleção – no universo primitivo produziu uma árvore ramificada de leis físicas.

O resultado é uma profunda revisão dos fundamentos da cosmologia. Os cosmólogos geralmente começam assumindo leis e condições iniciais que existiam no momento do Big Bang, então consideram como o universo de hoje evoluiu a partir delas. Mas sugerimos que essas próprias leis são o resultado da evolução.

Dimensões, forças e espécies de partículas se transmutam e se diversificam na fornalha do quente Big Bang – algo análogo a como as espécies biológicas emergem bilhões de anos depois – e adquirem sua forma efetiva ao longo do tempo.

Além disso, a aleatoriedade envolvida significa que o resultado dessa evolução – o conjunto específico de leis físicas que torna nosso universo o que é – só pode ser entendido em retrospecto.

Em certo sentido, o universo primitivo foi uma superposição de um número enorme de mundos possíveis. Mas estamos olhando para o universo hoje em uma época em que existem humanos, galáxias e planetas. Isso significa que vemos a história que levou à nossa evolução.

Observamos parâmetros com “valores da sorte”. Mas estamos errados ao supor que eles foram projetados de alguma forma ou sempre assim.

O problema com o tempo

O cerne da nossa hipótese é que, raciocinando para trás no tempo, a evolução em direção a mais simplicidade e menos estrutura continua por todo o caminho. Por fim, até mesmo o tempo e, com ele, as leis físicas desaparecem.

Essa visão é especialmente corroborada pela forma holográfica de nossa teoria. O “ princípio holográfico ” na física prevê que, assim como um holograma parece ter três dimensões quando na verdade está codificado em apenas duas dimensões, a evolução de todo o universo é codificada de forma semelhante em uma superfície abstrata e atemporal.

Hawking e eu vemos o tempo e a causalidade como “qualidades emergentes” , não tendo existência anterior, mas surgindo das interações entre inúmeras partículas quânticas. É um pouco como a temperatura emerge de muitos átomos se movendo coletivamente, mesmo que nenhum átomo tenha temperatura.

Uma pessoa se aventura de volta no tempo diminuindo o zoom e dando uma olhada mais confusa no holograma. Eventualmente, porém, perde-se toda a informação codificada no holograma. Esta seria a origem do tempo – o Big Bang.

Por quase um século, estudamos a origem do universo contra o pano de fundo estável das leis imutáveis ​​da natureza. Mas nossa teoria lê a história do universo de dentro e como uma história que inclui, em seus primeiros estágios, a genealogia das leis físicas. Não são as leis em si, mas a sua capacidade de transmutação que tem a palavra final.

Futuras observações cosmológicas podem encontrar evidências disso. Por exemplo, observações de precisão de ondas gravitacionais – ondulações no tecido do espaço-tempo – podem revelar assinaturas de alguns dos primeiros ramos do universo. Se detectado, o final cosmológico de Hawking pode muito bem ser seu maior legado científico.

Thomas Hertog , Professor de física, KU Leuven

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons.

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