A maior história já contada! [Volume 2] – A Teoria Inflacionária

Por Guilherme Franzmann

Dando continuidade a nossa série, vamos agora abordar a Teoria Inflacionária e explicar como ela foi capaz de resolver os problemas do antigo modelo cosmológico que levantamos no último texto.

Em resumo, a Teoria Inflacionária é a proposta mais aceita para o que teria ocorrido logo após o “início do universo” e propõe que o universo passou por uma expansão acelerada abrupta para explicar o porquê ele parece ser tão ‘plano’, isotrópico e homogêneo, bem como o aparecimento de estruturas de larga escala, tais como galáxias e seus aglomerados. A fim de entendermos melhor o tamanho sucesso desse modelo, vamos iniciar com uma analogia.

Uma breve analogia
Imagine a seguinte situação: apresento para você a fotografia de um material que não seja rígido e, portanto, não tenha uma forma específica (como argila) voando, tal como representado abaixo.

Uma foto peculiar de um material mole qualquer com uma forma bem particular!

Você, sendo uma pessoa curiosa e atenta, sabe que o material poderia ter qualquer formato, justamente por ser maleável. Logo, não deixa de notar que a foto é um tanto peculiar, uma vez que o objeto tem uma forma bem regular e plana, com apenas pequenas deformações (não-homogeneidades) em sua superfície. Então, não tardaria você se perguntar: por que este objeto é tão regular? Por que tão plano?

Nesse momento de dúvidas, é possível tomar duas posições diferentes: ou o objeto sempre foi assim e ponto, ou algo aconteceu tal que deixou o objeto como apresentado na figura. Nesse caso bem simples, se você escolheu a segunda alternativa pode imaginar que, na verdade, o objeto recebeu uma tremenda raquetada, só então adquirindo tal configuração. Logo, dentro desse modelo, algo como apresentado abaixo teria ocorrido:

(a) Objeto irregular; (b) Uma raquete batendo no material; (c) O material é deformado em uma forma bem regular.

Bom, o que tudo isso tem a ver com o universo? Na verdade, a intuição física é muito similar. Considere o objeto em seu estado bem irregular como algum estado inicial do universo primordial, o qual seria não-homogêneo. A fotografia que você segura em suas mãos representa a Radiação Cósmica de Fundo (RCF), a qual nos diz que o universo era extremamente homogêneo e isotrópico, ou seja, analogamente ao objeto logo após ser atingido.

Quanto às perguntas, elas poderiam ser traduzidas para: por que o universo era muito homogêneo e isotrópico? Por que era tão plano? E a resposta para as duas situações, tanto para a analogia quanto para a evolução do universo, pode ser considerar a existência de um período curto de aceleração. Isto é, para a analogia, uma raquetada causando uma aceleração de estiramento no objeto; para nosso universo primordial, um período breve de expansão acelerada, também conhecido como inflação.

Portanto, a teoria inflacionária, ou apenas inflação, é entendida como um período de expansão acelerada na evolução do universo primordial. Agora, com essa analogia em mente, vamos tentar entender melhor o porquê esse modelo foi introduzido e o que podemos aprender dele sobre o nosso universo.

A Teoria Inflacionária
A teoria inflacionária foi primeiramente proposta por Alan Guth¹H. Guth, “Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems”, Phys. Rev. D, 23 (1981) 347, em 1981, e, independentemente, por Katsuhiko Sato²Sato, “Cosmological Baryon-Number Domain Structure and the First Order Phase Transition of a Vacuum”, Phys. Lett. 99B, 66 (1981). Logo em seguida, os modelos inicias foram aprimorados por uma série de trabalhos, sendo os principais desenvolvidos por Andrei Linde³D. Linde, “A new inflationary universe scenario: A possible solution of the horizon, flatness, homogeneity, isotropy and primordial monopole problems”, Phys. Lett. 108B (1982) 389 e por Andreas Albrecht juntamente com Paul Steinhardt⁴Albrecht and P. J. Steinhardt, “Cosmology for Grand Unified Theories with Radiatively Induced Symmetry Breaking”, Phys. Rev. Lett. 48 (1982) 1220.

Como já não é mais surpresa, qualitativamente inflação cosmológica é essencialmente um período de aceleração exponencial na evolução do universo primordial.

Agora, resta entender como os problemas que citamos no último volume foram resolvidos ao acrescentar esse período de expansão acelerada na história do universo primordial.

• Problema da homogeneidade e isotropia: agora que temos a analogia em mãos, podemos entender como um período de aceleração pôde tornar o universo mais homogêneo e isotrópico. Enquanto o universo está se expandindo aceleradamente, é como se seu volume estivesse aumentando consideravelmente enquanto as não-homogeneidades continuam as mesmas, logo diluindo-as espacialmente. As observações atuais indicam que durante esse período, nosso universo dobrou de tamanho cerca de 90 vezes!

• Problema da planaridade: como após o período inflacionário o universo está muito maior, mesmo que inicialmente houvesse algum tipo de curvatura espacial, agora ela só pode ser perceptível considerando escalas muito grandes, talvez inacessíveis para as observações atuais. Em analogia, basta pensar que tanto a bola de futebol quanto o planeta são curvos, mas como o raio da Terra é muito maior que nós, os observadores, parece que estamos num plano. Então, como o período de inflação aumenta consideravelmente o tamanho do universo, caso ele tivesse uma curvatura inicial, assim como a bola de futebol, depois desse período essa curvatura seria muito mais difícil de ser percebida, como a curvatura da Terra [1].

• As flutuações iniciais e as estruturas de larga escala: um entendimento qualitativo pode ser obtido ao se imaginar que flutuações microscópcias na densidade de energia, apresentadas por variações de temperatura na RCF, foram criadas no universo primordial durante o período de inflação. De fato, essas flutuações são de origem quântica e podemos calcular que tipo de espectro elas têm e comparar entre diferentes modelos. Então, tais flutuações foram esticadas pelas expansão inflacionária até escalas macroscópicas, muito maiores que a escala de causalidade. Posteriormente, conforme o universo foi evoluindo, essas flutuações se tornam menores que a escala de causalidade, permitindo que criassem não-homogeneidades dentro do nosso universo observável daquela época. Essas são as não-homogeneidades que observamos na RCF atualmente e que ao longo da evolução do universo foram se colapsando através da gravidade para que estruturas de grande-escala fossem formadas, tais como galáxias e seus aglomerados.

Logo, percebemos que o modelo inflacionário pode ser responsável por explicar o nosso universo em escalas exorbitantes, tais como seu alto grau de homogeneidade e isotropia. Por outro lado, também descreve as pequenas flutuações que existiam no universo primordial e que foram as sementes para a formação das estruturas de grande-escala.

Finalmente, é importante dizer que o modelo inflacionário, ainda que o mais aceito atualmente, é um entre diferentes propostas que também resolvem alguns dos problemas mencionados acima, entre outros. Ainda não temos condições de diferenciar experimentalmente qual modelo melhor se adequa ao universo que observamos. Portanto, essa permanece uma área de pesquisa atualmente. Em textos futuros, falaremos mais a respeito de outras alternativas e a intuição por trás delas.

No próximo texto da série, iremos começar a desvendar como a matéria que nos compõe começou a surgir ainda quando o universo era récem-formado. Até lá!

Apêndice: Interlúdio Filosófico
Note que o problema de explicar dinamicamente as condições iniciais do universo, o que corresponderia tipicamente a sua cinemática, é essencialmente filosófico. Quando estamos contemplando outras áreas da física, desde mecânica clássica à física quântica, sabemos que a dinâmica está fundamentalmente voltada em prever a evolução futura de um sistema dado um certo conjunto de condições iniciais. Portanto, não é claro se cosmologia deveria diferir deste paradigma. Por outro lado, uma vez que tenhamos um teoria dinâmica a qual tais condições inicias são, na verdade, naturalmente geradas, nós podemos explorá-la e tentar inferir alguns resultados a fim de corrobar tal cenário.

Abordaremos outros pontos da pesquisa feita em cosmologia em face do nosso entendimento de epistemologia e filosofia da ciência em textos futuros.

NOTAS
[1] A Terra parece plana para nós, mas basta sairmos dela e irmos para o espaço para ver que esse não é o caso. Infelizmente, não é tão fácil assim para o universo, afinal, como podemos sair dele? Por isso, nossas medidas sempre deixarão margem para que seja possível que o universo não seja plano espacialmente. Veja que se já é difícil para nós cotidianamente percebermos a curvatura da Terra, imagine para uma formiga. No que diz respeito às escalas do universo, somos muito menores que formigas na Terra!

Volume anterior:
[Volume 1] – A crise ‘hippie’ do Modelo Cosmológico