PERGUNTA DO LEITOR: Meu entendimento é que nada vem do nada. Para que algo exista, deve haver material ou um componente disponível e, para que eles estejam disponíveis, deve haver outra coisa disponível. Agora minha pergunta: De onde veio o material que criou o Big Bang e o que aconteceu em primeiro lugar para criar esse material? Peter, 80 anos, Austrália.

“A última estrela esfriará lentamente e desaparecerá. Com sua passagem, o universo se tornará mais uma vez um vazio, sem luz, vida ou significado.” Foi o que advertiu o físico Brian Cox na recente série Universe, da BBC. O desaparecimento dessa última estrela será apenas o início de uma época escura e infinitamente longa.

Toda a matéria acabará sendo consumida por buracos negros monstruosos, que, por sua vez, se evaporarão nos mais tênues lampejos de luz. O espaço se expandirá cada vez mais para fora até que até mesmo essa luz fraca se torne muito dispersa para interagir. A atividade cessará.

Ou será que vai? Estranhamente, alguns cosmólogos acreditam que um universo anterior, frio e escuro e vazio, como o que está em nosso futuro distante, poderia ter sido a fonte do nosso próprio Big Bang.

A primeira questão

Mas antes de chegarmos a isso, vamos dar uma olhada em como o “material” – a matéria física – surgiu pela primeira vez. Se nosso objetivo é explicar as origens da matéria estável feita de átomos ou moléculas, certamente não havia nada disso no Big Bang, nem por centenas de milhares de anos depois.

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De fato, temos uma compreensão bastante detalhada de como os primeiros átomos se formaram a partir de partículas mais simples quando as condições esfriaram o suficiente para que a matéria complexa se tornasse estável, e como esses átomos foram posteriormente fundidos em elementos mais pesados dentro das estrelas. Mas essa compreensão não aborda a questão de saber se algo veio do nada.

Então, vamos pensar um pouco mais atrás. As primeiras partículas de matéria de vida longa de qualquer tipo foram os prótons e os nêutrons, que juntos formam o núcleo atômico. Eles surgiram cerca de um décimo de milésimo de segundo após o Big Bang.

Antes desse ponto, não havia realmente nenhum material em qualquer sentido familiar da palavra. Mas a física nos permite continuar a traçar a linha do tempo para trás – para processos físicos anteriores a qualquer matéria estável.

Isso nos leva à chamada “época do grande unificado”. A esta altura, estamos bem no domínio da física especulativa, pois não podemos produzir energia suficiente em nossos experimentos para sondar o tipo de processo que estava ocorrendo na época.

Mas uma hipótese plausível é que o mundo físico era composto de uma sopa de partículas elementares de vida curta, incluindo quarks, os blocos de construção de prótons e nêutrons.

Havia tanto matéria quanto “antimatéria” em quantidades aproximadamente iguais: cada tipo de partícula de matéria, como o quark, tem uma companheira antimatéria “imagem espelhada”, que é quase idêntica a si mesma, diferindo apenas em um aspecto.

No entanto, a matéria e a antimatéria se aniquilam em um flash de energia quando se encontram, o que significa que essas partículas foram constantemente criadas e destruídas.

Mas, em primeiro lugar, como essas partículas passaram a existir? A teoria quântica de campos nos diz que mesmo o vácuo, que supostamente corresponde a um espaço-tempo vazio, está repleto de atividade física na forma de flutuações de energia.

Essas flutuações podem dar origem ao surgimento de partículas, que desaparecem logo em seguida. Isso pode parecer uma peculiaridade matemática em vez de física real, mas essas partículas foram detectadas em inúmeros experimentos.

O estado de vácuo do espaço-tempo está fervilhando de partículas que são constantemente criadas e destruídas, aparentemente “do nada”. Mas talvez tudo o que isso realmente nos diga é que o vácuo quântico é (apesar de seu nome) algo e não nada. O filósofo David Albert criticou de forma memorável os relatos do Big Bang que prometem obter algo do nada dessa forma.

Suponhamos que perguntemos: de onde surgiu o próprio espaço-tempo? Então, podemos continuar voltando o relógio ainda mais para trás, para a verdadeiramente antiga “época de Planck” – um período tão precoce na história do universo que nossas melhores teorias da física não funcionam.

Essa era ocorreu apenas um décimo de milionésimo de trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo após o Big Bang. Nesse ponto, o espaço e o tempo tornaram-se sujeitos a flutuações quânticas.

Normalmente, os físicos trabalham separadamente com a mecânica quântica, que rege o micromundo das partículas, e com a relatividade geral, que se aplica a escalas cósmicas grandes. Mas, para entender de fato a época de Planck, precisamos de uma teoria completa da gravidade quântica, que combine as duas.

Ainda não temos uma teoria perfeita da gravidade quântica, mas há tentativas, como a teoria das cordas e a gravidade quântica em loop. Nessas tentativas, o espaço e o tempo comuns são normalmente vistos como emergentes, como as ondas na superfície de um oceano profundo.

O que experimentamos como espaço e tempo é o produto de processos quânticos que operam em um nível mais profundo e microscópico – processos que não fazem muito sentido para nós, criaturas enraizadas no mundo macroscópico.

Na época de Planck, nossa compreensão comum do espaço e do tempo se desfaz, de modo que também não podemos mais confiar em nossa compreensão comum de causa e efeito. Apesar disso, todas as teorias candidatas da gravidade quântica descrevem algo físico que estava acontecendo na época de Planck – algum precursor quântico do espaço e do tempo comuns. Mas de onde veio isso?

Mesmo que a causalidade não se aplique mais de nenhuma forma comum, ainda pode ser possível explicar um componente do universo da época de Planck em termos de outro. Infelizmente, até o momento, mesmo a nossa melhor física não consegue fornecer respostas completas.

Até que façamos mais progressos em direção a uma “teoria de tudo”, não poderemos dar nenhuma resposta definitiva. O máximo que podemos dizer com confiança neste estágio é que a física não encontrou até agora nenhum exemplo confirmado de algo surgindo do nada.

Ciclos a partir de quase nada

Para realmente responder à pergunta de como algo poderia surgir do nada, precisaríamos explicar o estado quântico de todo o universo no início da época de Planck. Todas as tentativas de fazer isso permanecem altamente especulativas. Algumas delas apelam para forças sobrenaturais, como um designer.

Mas outras explicações candidatas permanecem dentro do domínio da física – como um multiverso, que contém um número infinito de universos paralelos, ou modelos cíclicos do universo, que nascem e renascem novamente.

O físico Roger Penrose, ganhador do Prêmio Nobel de Física de 2020, propôs um modelo intrigante, mas controverso, para um universo cíclico, denominado “cosmologia cíclica conforme”. Penrose foi inspirado por uma interessante conexão matemática entre um estado muito quente, denso e pequeno do universo – como era no Big Bang – e um estado extremamente frio, vazio e expandido do universo – como será em um futuro distante.

Sua teoria radical para explicar essa correspondência é que esses estados se tornam matematicamente idênticos quando levados a seus limites. Por mais paradoxal que possa parecer, uma ausência total de matéria pode ter conseguido dar origem a toda a matéria que vemos ao nosso redor em nosso universo.

Nessa visão, o Big Bang surge de um quase nada. É o que sobra quando toda a matéria de um universo é consumida em buracos negros, que, por sua vez, se transformam em fótons – perdidos em um vazio. Assim, todo o universo surge de algo que – visto de outra perspectiva física – é o mais próximo que se pode chegar do nada. Mas esse nada ainda é uma espécie de algo. Ele ainda é um universo físico, embora vazio.

Como pode o mesmo estado ser um universo frio e vazio de uma perspectiva e um universo quente e denso de outra? A resposta está em um procedimento matemático complexo chamado “reescalonamento conforme”, uma transformação geométrica que, de fato, altera o tamanho de um objeto, mas deixa sua forma inalterada.

Penrose mostrou como o estado vazio frio e o estado denso quente podem ser relacionados por esse redimensionamento, de modo que coincidam em relação às formas de seus espaços-tempos, embora não em relação a seus tamanhos.

É difícil entender como dois objetos podem ser idênticos dessa forma quando têm tamanhos diferentes, mas Penrose argumenta que o tamanho como conceito deixa de fazer sentido em ambientes físicos tão extremos.

Na cosmologia cíclica conforme, a direção da explicação vai de velho e frio para jovem e quente: o estado quente e denso existe por causa do estado frio e vazio. Mas esse “porque” não é o familiar – de uma causa seguida no tempo por seu efeito.

Não é apenas o tamanho que deixa de ser relevante nesses estados extremos: o tempo também deixa. O estado vazio frio e o estado denso quente estão, de fato, localizados em linhas de tempo diferentes.

O estado vazio e frio continuaria para sempre da perspectiva de um observador em sua própria geometria temporal, mas o estado denso e quente que dá origem a ele habita efetivamente uma nova linha do tempo.

Pode ser útil entender o estado quente e denso como produzido a partir do estado frio e vazio de alguma forma não causal. Talvez devêssemos dizer que o estado quente e denso emerge do estado frio e vazio, ou é fundamentado nele, ou é realizado por ele.

Essas são ideias distintamente metafísicas que foram exploradas extensivamente pelos filósofos da ciência, especialmente no contexto da gravidade quântica, em que a causa e o efeito comuns parecem não funcionar. Nos limites de nosso conhecimento, a física e a filosofia tornam-se difíceis de separar.

Evidência experimental?

A cosmologia cíclica conformacional oferece algumas respostas detalhadas, embora especulativas, para a questão da origem do nosso Big Bang. Mas mesmo que a visão de Penrose seja justificada pelo progresso futuro da cosmologia, podemos pensar que ainda não teríamos respondido a uma questão filosófica mais profunda – uma questão sobre a origem da própria realidade física.

Como surgiu todo o sistema de ciclos? Então, finalmente, acabamos com a questão pura de por que existe algo em vez de nada – uma das maiores questões da metafísica.

Mas nosso foco aqui são as explicações que permanecem no âmbito da física. Há três opções amplas para a questão mais profunda de como os ciclos começaram. Pode não haver explicação física alguma.

Ou poderia haver ciclos que se repetem infinitamente, cada um deles um universo por si só, com o estado quântico inicial de cada universo explicado por alguma característica do universo anterior. Ou poderia haver um único ciclo e um único universo repetitivo, com o início desse ciclo explicado por alguma característica de seu próprio fim.

As duas últimas abordagens evitam a necessidade de quaisquer eventos sem causa, o que lhes confere um apelo distinto. Nada seria deixado sem explicação pela física.

Penrose prevê uma sequência de novos ciclos intermináveis por razões parcialmente ligadas à sua própria interpretação preferida da teoria quântica. Na mecânica quântica, um sistema físico existe em uma superposição de muitos estados diferentes ao mesmo tempo e apenas “escolhe um” aleatoriamente, quando o medimos.

Para Penrose, cada ciclo envolve eventos quânticos aleatórios que se transformam de uma maneira diferente, o que significa que cada ciclo será diferente dos anteriores e posteriores.

Essa é, na verdade, uma boa notícia para os físicos experimentais, pois pode nos permitir vislumbrar o universo antigo que deu origem ao nosso por meio de traços tênues, ou anomalias, na radiação remanescente do Big Bang vista pelo satélite Planck.

Penrose e seus colaboradores acreditam que já podem ter detectado esses traços, atribuindo padrões nos dados do Planck à radiação de buracos negros supermassivos no universo anterior. Entretanto, suas alegadas observações foram contestadas por outros físicos e o júri ainda não decidiu.

Novos ciclos sem fim são fundamentais para a visão de Penrose. Mas há uma maneira natural de converter a cosmologia cíclica conforme de um ciclo múltiplo para uma forma de ciclo único. Nesse caso, a realidade física consiste em um único ciclo, passando pelo Big Bang até um estado maximamente vazio no futuro distante e, em seguida, voltando ao mesmo Big Bang, dando origem ao mesmo universo novamente.

Essa última possibilidade é consistente com outra interpretação da mecânica quântica, chamada de interpretação de muitos mundos. A interpretação de muitos mundos nos diz que toda vez que medimos um sistema que está em superposição, essa medição não seleciona aleatoriamente um estado.

Em vez disso, o resultado da medição que vemos é apenas uma possibilidade – a que ocorre em nosso próprio universo. Todos os outros resultados de medição ocorrem em outros universos em um multiverso, efetivamente separados do nosso.

Portanto, não importa quão pequena seja a chance de algo ocorrer, se ela tiver uma chance diferente de zero, então ocorrerá em algum mundo quântico paralelo. Há pessoas como você em outros mundos que ganharam na loteria, ou foram arrastadas para as nuvens por um tufão estranho, ou se incendiaram espontaneamente, ou fizeram as três coisas ao mesmo tempo.

Algumas pessoas acreditam que esses universos paralelos também podem ser observados em dados cosmológicos, como impressões causadas pela colisão de outro universo com o nosso.

A teoria quântica de muitos mundos dá uma nova reviravolta na cosmologia cíclica conformacional, embora Penrose não concorde com ela. Nosso Big Bang pode ser o renascimento de um único multiverso quântico, contendo um número infinito de universos diferentes, todos ocorrendo juntos. Tudo o que é possível acontece – e depois acontece de novo e de novo e de novo.

Um mito antigo

Para um filósofo da ciência, a visão de Penrose é fascinante. Ela abre novas possibilidades para explicar o Big Bang, levando nossas explicações além da causa e do efeito comuns. Portanto, é um ótimo teste para explorar as diferentes maneiras pelas quais a física pode explicar nosso mundo. Ele merece mais atenção dos filósofos.

Para um amante de mitos, a visão de Penrose é linda. Na forma multiciclo preferida de Penrose, ela promete mundos novos e intermináveis nascidos das cinzas de seus ancestrais. Em sua forma de um ciclo, é uma reinvocação moderna impressionante da antiga ideia do ouroboros, ou serpente do mundo.

Na mitologia nórdica, a serpente Jörmungandr é filha de Loki, um esperto trapaceiro, e do gigante Angrboda. Jörmungandr consome sua própria cauda, e o círculo criado sustenta o equilíbrio do mundo. Mas o mito do ouroboros foi documentado em todo o mundo, inclusive no antigo Egito.

O ouroboros do universo cíclico único é, de fato, majestoso. Ele contém em seu bojo o nosso próprio universo, bem como cada um dos estranhos e maravilhosos universos alternativos possíveis permitidos pela física quântica – e no ponto em que a cabeça encontra a cauda, ele está completamente vazio, mas também está repleto de energia a temperaturas de cem mil milhões de bilhões de trilhões de graus Celsius. Até mesmo Loki, o metamorfo, ficaria impressionado.

Alastair Wilson, Professor de Filosofia, Universidade de Birmingham.

Este artigo foi republicado a partir de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.