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O universo pode ser um lugar muito viscoso, mas o quão viscoso ele é, é uma questão para se debater.
Isso acontece porque durante décadas, os cosmólogos têm tido problemas para conciliar a noção clássica de viscosidade, baseados nas leis da termodinâmica com a teoria da relatividade geral de Einstein. No entanto, uma equipe da Universidade de Vanderbilt veio com uma fundamentalmente nova formulação matemática do problema que aparece sanar esta lacuna de longa data.
A nova matemática tem algumas implicações significativas para o destino final do universo. Tende a favor de um dos cenários mais radicais que os cosmólogos conhecem como o "big rip" ou "grande rasgo". Ele também pode lançar luz sobre a natureza básica da energia escura.
A nova abordagem foi desenvolvida pelo Professor Assistente de matemática Marcelo Disconzi em colaboração com os professores de física Thomas Kephart e Robert Scherrer e é descrita em um artigo publicado no início deste ano no jornal Physical Review D.
"Marcelo surgiu com uma formulação mais simples e mais elegante que é matematicamente boa e obedece a todas as leis físicas aplicáveis," disse Scherrer.
O tipo de viscosidade que tem relevância cosmológica é diferente da forma familiar com viscosidade de "Ketchup", que é chamada de viscosidade de cisalhamento e é uma medida da resistência de um fluido que flui através de pequenos orifícios como o pescoço de uma garrafa de ketchup. A viscosidade cosmológica é uma forma de viscosidade em massa, que é a medida da resistência de um fluido de expansão ou contração. A razão pela qual que muitas vezes não lidarmos com viscosidade em massa na vida cotidiana é porque a maioria dos líquidos que nos deparamos não pode ser comprimido ou expandido bastante.
Disconzi começou por abordar o problema de fluidos relativísticos. Objetos astronômicos que produzem esse fenômeno incluem supernovas (explodindo estrelas) e estrelas de nêutrons (estrelas que foram esmagadas até o tamanho de 20 a 30 km de diâmetro).
Os cientistas tiveram sucesso considerável, o que acontece quando fluidos ideais - aqueles com nenhuma viscosidade - são impulsionados a velocidades perto da luz. Mas quase todos os fluidos são viscosos na natureza e, apesar de décadas de esforço, ninguém conseguiu vir com uma maneira geralmente aceita para lidar com fluidos viscosos, viajando a velocidades relativísticas. os modelos formulado para prever o que acontece quando esses fluidos mais realistas são acelerados até uma fracção da velocidade da luz têm sido afligido com inconsistências: o mais evidente deles tem sido prever certas condições em que estes fluidos podem viajar mais rápido do que o velocidade da luz.
"Isto é desastrosamente errado," disse Disconzi, "já que é bem comprovada experimentalmente que nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz."
Estes problemas inspiraram a re-formular matematicamente as equações relativísticas da dinâmica dos fluidos de uma forma que não apresentam a falha de permitir velocidades mais rápidas que a luz. Ele que foi avançado na década de 1950 pelo matemático francês André Lichnerowicz baseia sua abordagem.
Em seguida, Disconzi, Kephart e Scherrer aplicaram suas equações a teoria cosmológica mais ampla. Isto produziu uma série de resultados interessantes, incluindo alguns potenciais novos insights sobre a natureza misteriosa da energia escura.
Na década de 1990, a comunidade de física ficou chocada quando medições astronômicas mostraram que o universo está se expandindo a uma taxa acelerada. Para explicar essa aceleração imprevista, eles foram forçados a hipótese da existência de uma forma desconhecida de energia repulsiva que está espalhada por todo o universo. Como ele sabiam tão pouco sobre ela, eles a rotularam de "energia escura".
A maioria das teorias de energia escura até à data não tomaram a viscosidade cósmica em conta, apesar do fato de que tem um efeito repulsivo impressionantemente semelhante da energia escura. "É possível, mas não muito provável, que a viscosidade explicaria toda a aceleração que foi atribuída a energia escura," disse Disconzi. "É mais provável que uma fração significativa da aceleração pode ser devido a esta causa mais prosaica. Como resultado, viscosidade pode atuar como uma restrição importante sobre as propriedades da energia escura."
Outro resultado interessante envolve o destino final do universo.
Um cenário, apelidado do "Big Freeze," prevê que após 100 trilhões de anos o universo terá crescido tão vastamente que os suprimentos de gás se tornarão muito finos para formação de estrelas. Como resultado, estrelas existentes gradualmente vão queimar, deixando apenas os buracos negros que, por sua vez, lentamente evaporarão, a medida que o próprio espaço fica mais frio e mais frio.
Um cenário ainda mais radical é o "grande rasgo" ou "big rip". Baseia-se em um tipo de energia escura "fantasma"que fica mais forte ao longo do tempo. Neste caso, a taxa de expansão do universo torna-se tão grande que, em 22 bilhões de anos, mais ou menos, o material dos objetos começam a desmoronar e átomos individuais desmontarão-se em desacoplarão partículas elementares e radiação.
O valor da chave envolvido neste cenário é a relação entre a pressão e densidade, o que é chamado de equação do parâmetro de estado de energia escura. Se esse valor cair abaixo de -1 então o universo será eventualmente puxado separadamente. Os cosmólogos chamam isso de "fantasma". Nos modelos anteriores com viscosidade mostram que o universo não poderia evoluir para além deste limite.
Na formulação Desconzi-Kephart-Scherrer, no entanto, esta barreira não existe. Em vez disso, ele fornece um caminho natural para a equação do parâmetro de estado abaixo de -1.
"Nos modelos anteriores de viscosidade do Big Rip não foi possível," disse Scherrer. "Neste novo modelo, viscosidade na realidade, conduz o universo em direção a esse estado extremo."
De acordo com os cientistas, os resultados de suas análises de caneta e papel da nova formulação para viscosidade relativística são bastante promissoras, mas deve-se efetuar uma análise muito mais profunda para determinar sua viabilidade. A única maneira de fazer isso é usar computadores potentes para analisar as complexas equações numericamente. Desta forma os cientistas podem fazer previsões que podem ser comparadas com a experiência e observação.
Traduzido de Phys.org
Muitos conhecem a frase "the big bang theory" ou "a teoria do big bang". Há ainda uma série de comédia de televisão com isso como o seu título. Segundo os cientistas, o universo começou com o "big bang" e expandiu para o tamanho que é hoje. No entanto, a gravidade de toda esta matéria, estrelas, gás, galáxias e a misteriosa matéria escura, tenta recompor o universo, diminuindo a expansão.
Agora, dois físicos na Universidade de Mississippi do Sul, Mead Lawrence e Harry Ringermacher, descobriram que o universo pode não só ser expandindo, mas também oscilando ou "tocando" ao mesmo tempo. Seu livro sobre o tema foi publicado na edição de abril de 2015 do Astronomical Journal.
Em 1978, Arno Allan Penzias e Robert Woodrow Wilson receberam o prêmio Nobel por sua descoberta de 1964 da assinatura chave desta teoria, a radiação primordial do universo primordial, conhecido como "radiação cósmica de fundo" (CMB).
"Em seguida, em 1998 a conclusão de que o universo estaria não só expandindo, mas aumentando sua velocidade ou acelerando sua expansão foi um choque quando descoberto simultaneamente por equipes de astrônomos e física da costa leste e costa oeste", disse Mead. "Uma nova forma de matéria, energia escura, repulsiva na natureza, seria responsável pelo aumento de velocidade. As equipes lideradas por Saul Perlmutter, Adam Riess, e Brian Schmidt ganharam o prêmio de Nobel de física de 2011 por esta descoberta."
Segundo Mead e Ringermacher, esta mudança que abrandou a aceleração (do tempo de transição) ocorreu há cerca de 6 a 7 bilhões de anos. Desde então, Mead e Ringermacher dizem que uma vasta acumulação de dados de alta tecnologia verificou a teoria com uma precisão extraordinária.
A Figura 1 (no início deste artigo) é um diagrama da NASA que representam os eventos do Big Bang desde o início dos tempos até os dias atuais como descrito pelo modelo atual, conhecido como "Lambda-CDM" ou matéria escura fria Lambda, onde o Lambda (do grego) significa a "Constante cosmológica" de Einstein. Essa constante cosmológica é responsável para a aceleração do universo. O contorno do universo "em forma de sino" representa o seu tamanho em expansão. O tempo de transição é o ponto no tempo em que a forma de sino desloca do interior para o exterior da esquerda para a direita.
"A nova descoberta sugere que o universo tem abrandado e acelerou-se, não apenas uma vez, mas 7 vezes nos últimos 13,8 bilhões de anos, em média, emulando a matéria escura no processo," disse Mead. "O zumbido tem sido decomposto e agora está muito baixo – é como bater com uma colher em um copo de cristal e ouvi-lo tocar."
Ringermacher diz que a descoberta foi feita acidentalmente quando, através da sua colaboração na modelagem de matéria escura de galáxias, eles encontraram uma nova maneira de plotar um gráfico típico clássico, descrevendo a escala do universo contra sua idade (tempo decorrido) que não depende da escolha prévia dos modelos do universo – como era tradicionalmente feito.
"O gráfico padrão, o diagrama de Hubble, é construído pelos astrônomos, observando as distâncias de Supernovas tipo Ia, que servem como "velas padrão" para medir a expansão do universo", disse Ringermacher. "Analisando este novo enredo para localizar o tempo de transição do universo, descobrimos que havia mais do que uma dessas tempo -, De fato, várias oscilações com uma frequência de cerca de 7 ciclos durante a vida útil do universo e o próprio espaço que tem acelerado sua expansão seguido por 7 abrandamentos desde a criação ".
Mead e Ringermacher dizem que essa descoberta, finalmente, deve ser verificada por análises independentes, de preferência com novos dados de supernovas, para confirmar a sua realidade. Entretanto, continua seu trabalho para o "toque" do universo .
Traduzido e adaptado de Phys
Nosso universo é apenas um dos muitos universos "bolha"? Painelistas discutiram por que cientistas acham que isso pode ser uma possibilidade, no Festival de Ciência Mundial em 2015, em Nova York.
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| Universos bolha. Crédito: Flickr/Maciek Bielec, CC BY-NC-SA |
"Eu gostaria de falar sobre um constrangimento muito grave," disse Mario Livio, um cientista e autor de um painel no Festival de Ciência Mundial em Nova York no mês passado.
Com três outros astrofísicos proeminentes no painel, Livio investigou um dos problemas mais confusos (e vergonhosos) na astrofísica moderna, que levou a uma discussão sobre se o nosso universo pode ou não pode ser apenas um de um número infinito de multiversos — e se a teoria do Multiverso é boa ou ruim para a ciência.
Um espaço verdadeiramente vazio, sugado de qualquer ar ou partículas, ainda tem uma energia inerente a ele, de acordo com observações, disse Livio. Mas quando os cientistas usam teorias da mecânica quântica para tentar calcular esta energia do vácuo, seus resultados diferem dos resultados medidos por cerca de 120 ordens de magnitude, ou o número 1 seguido de 120 zeros.
"Este é um grande número mesmo em astronomia," disse Livio."Especialmente para uma discrepância".
"Com esse erro de matemática tão grande você sabe que você realmente tem que trabalhar duro. Não é fácil, "disse Frieman, que é um cientista da equipe sênior no Fermi National Accelerator Laboratory e o atual diretor de Pesquisa de Energia Escura.
Mesmo, incluindo certos ajustes, os físicos só foram capazes de reduzir o erro de cerca de 55 ordens de magnitude, Livio disse.
O painelista Adam Riess, professor de estudos espaciais da Universidade Johns Hopkins e o Space Telescope Science Institute, acrescentou que, se o valor calculado da energia do vácuo fosse verdade, "Então a aceleração seria tão forte, que teria rasgado as galáxias distantes, estrelas e planetas antes de qualquer coisa se formar," disse Riess. "Por isso nossa existência nos diz que esse cálculo é grosseiramente impreciso".
Mas de onde vem esse erro incrivelmente grande?
"Existem várias possibilidades", disse Lívio. "Uma possibilidade é que realmente não sabemos como calcular a energia do vácuo. Ou que talvez a energia do vácuo não é mesmo algo que você possa calcular a princípio."
"Então as pessoas vêm-se [...] com a possibilidade de que não há realmente apenas um universo, há um multiverso. Há um enorme conjunto de universos".
A razão pela qual um multiverso pode resolver este problema é que isso poderia sugerir que a energia do vácuo é "uma variável aleatória", disse Lívio. Ou seja, ele não é derivado de um princípio físico que cientistas possam descobrir, mas, em vez disso, foi determinado aleatoriamente. Se existem muitos, muitos outros universos em existência (talvez um número infinito), em seguida, com a criação de muitos universos, as variáveis poderiam mudar um pouco para cada Universo. (Existem diferentes teorias "multiverso", e algumas não necessariamente incluem um número infinito de outros universos).
Se alguma versão da teoria do Multiverso for verdadeira, então o fato de que nosso universo ser apropriado para a vida é apenas um produto das estatísticas: se suficientes universos são criados, pelo menos um deles é obrigado a ter a combinação certa de fatores para a vida.
"O fato é que você precisa de cerca de seis números para descrever todas as Propriedades do nosso universo — o passado, presente e futuro. E podemos medir [esses números] em diferentes graus de precisão. E se qualquer um destes números na verdade partiu mesmo muito ligeiramente de que podemos medi-los, então a vida não teria sido possível, "disse Maria José. "Então há um problema de afinação. […] As coisas tem que se ajustar só para ter o Universo que temos."
Então, por que nosso universo acaba com um arranjo perfeito de variável? Há uma causa física que os cientistas podem descobrir e descrever matematicamente?
Nosso universo é um multiverso possível, determinado por um arremesso de dados?
"Esta possibilidade aumenta a pressão arterial de muitos físicos", disse Lívio. "Outros acham que é a única saída."
A explicação do Multiverso para a discrepância de energia do vácuo é um exemplo de algo chamado princípio antrópico, disse Frieman. Este argumento filosófico é um pouco circular e essencialmente afirma que o aumento dos seres sencientes neste universo só parece notável porque os seres sencientes estão lá para observá-lo. Além disso, o princípio rejeita a busca de uma razão por que este universo hospedar vida.
"Meus colegas e eu, chamamos isso de palavra 'A'," disse Frieman. "E pode ser a explicação do por que a energia do vácuo é tão pequena. Na minha opinião, o problema com essa abordagem é que ela desvia você na procura de abordagens baseadas em física para problemas mais gerais."
Há exemplos na história da ciência, onde as pessoas têm assumido uma antrópica aproximação de um problema, mas encontram uma explicação física.
"Eu acho que mesmo [Stephen] Hawking chamaria isso de um" conselho de desesperado", disse Frieman.
No entanto, o princípio antrópico também foi mostrado para ser correto, em alguns casos.
Um exemplo corre paralelo à pergunta de por que o universo está apto para suportar a vida: por que a terra... está apta para sustentar a vida?
"Por que o sol está distante da Terra 93 milhões de milhas? É um número tão grande. Isso dá-nos água e torna mais fácil para a vida," disse Riess.
Há uma explicação física fundamental para o porquê da terra desembarcar neste lugar grande? Ou era apenas um roleta da morrer?
Graças à descoberta relativamente recente de milhares de exoplanetas, os cientistas sabem que - com tantas exoplanetas no Universo - alguns são susceptíveis de obter todas as condições para a direita para a vida.
Riess argumentou que, como não temos o mesmo entendimento do universo dos exoplanetas, seria prematuro dizer que a explicação do Multiverso está correta.
"Uma das razões do argumento do multiverso realmente que me atrai é que não há nenhum espaço para a agência ou divindades ou qualquer coisa semelhante," disse ela. "Devo dizer que pessoalmente não estou desconfortável com a ideia de um multiverso".
Natarajan ofereceu outra alternativa para o porque da energia do vácuo ser incalculável.
"Outra possibilidade também é uma abordagem um pouco mais humilde, que é, porque na verdade temos o aparato cognitivo para compreender tudo?" disse ela. "Isso é uma outra linha de raciocínio."
"Mas o ponto é que não paramos de trabalhar com a matéria escura ou energia escura ou descobrir a constante cosmológica por causa desta potencial explicação do multiverso", continuou Maria Vieira. "Então isso não vai nos impedir."
Frieman concordou e salientou que as " o problema das 120 ordens de magnitude é conhecido realmente desde os primórdios da mecânica quântica. Antecede a descoberta da matéria escura e energia escura", e os cientistas ainda estão buscando uma solução.
"Então eu acho que nós precisamos estar abertos a todo tipo de especulações, dado a situação constrangedora que nos encontramos.
Traduzido e adaptado de Phys
Em 2 de abril de 2015, o diretor do LSST, Steven Kahn, juntamente com a astrofísica Sarah Bridle e o físico teórico Hitoshi Murayama, falaram com a Fundação Kavli sobre como a pesquisa arrebatadora do LSST de matéria escura e energia escura vai responder a perguntas fundamentais sobre a composição do nosso universo. No processo, LSST vai ajudar a responder perguntas sobre a história do universo e, possivelmente, revelar seu destino final.
"Em termos de quantidade de luz que irá ser recolhida e seu campo de visão, o LSST é cerca de dez vezes maior do que qualquer outro telescópio de pesquisa planejado ou existente", disse Kahn, Professor de ciências naturais no Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology of Physics (KIPAC) na Universidade de Stanford.
O LSST contará com um espelho de 8,4 metros de diâmetro e uma câmera de 3.2 gigapixels, a maior câmera digital já construída. Todos os dias, o telescópio irá pesquisar o céu do hemisfério Sul inteiro, transportando 30 terabytes de dados todas as noites. Depois de primeiro mês de operações, as câmeras do LSST observarão mais do universo do que todas as pesquisas astronômicas anteriores juntas!
Essa capacidade de coletar dados, que se estenderá por um prazo de dez anos de observação, vai render uma quantidade impressionante de informações astronômicas. O telescópio deve observar cerca de 20 bilhões de galáxias e muitas dezenas de milhares de supernovas. Além disso, o LSST vai ajudar a mapear as estrelas que compõem a Via Láctea e de asteroides que passam perto da Terra.
As observações de galáxias e supernovas, juntamente com outros dados, irão oferecer alguns dos testes mais rigorosos de matéria escura e energia escura. Resolver o enigma da energia escura não só aprofundará nossa compreensão do passado do nosso universo, mas também esboçar seu futuro.
"A energia escura está acelerando a expansão do universo e destruí-lo,", disse Murayama, o diretor do Instituto de Kavli para a física e matemática do universo (Kavli IPMU) da Universidade de Tóquio e um professor no centro de física teórica na Universidade da Califórnia, Berkeley. "As perguntas que fizemos foram: para onde vai o universo? Qual é o seu destino? Ficará ele completamente dilacerado no futuro? O universo acabará? Ou irá evoluir para sempre?"
Murayama continua: "Entender estas questões, é como tentar compreender quão rapidamente a população de um determinado país está envelhecendo. Você não conseguirá entender a tendência para onde o país está indo só de olhar para um pequeno número de pessoas. Você tem que fazer um censo da população inteira. De forma semelhante, você precisa olhar para uma vasta quantidade de galáxias para que você possa entender a tendência para onde o universo vai. Iremos fazer um censo cósmico com LSST."
Para analisar este censo, os pesquisadores dependeráão principalmente uma técnica chamada de lente gravitacional. Galáxias de fundo e seu associados da matéria escura gravitacionalmente dobram a luz a partir de galáxias de fundo de uma forma mensurável, observável. A medição desta distorção de lente gravitacional da vasta coleção de imagens do LSST vai nos dizer sobre a força da energia escura, que está acelerando a expansão do Universo, em diferentes momentos da história cósmica.
"Com os dados, vamos ser capazes de fazer um mapa tridimensional da matéria escura do universo usando lente gravitacional," disse Bridle, professor de astrofísica no grupo de Pesquisa de Astronomia Extragaláctica e Cosmologia no centro de astrofísica Jodrell Bank na escola de física e astronomia da Universidade de Manchester. "Então nós vamos usar isso para nos dizer mais sobre como o universo está mudando com o tempo, o que também vai nos permitir entender e desvendar mais sobre a energia escura."
Existem muitas maneiras de abordar esta questão. Foi Edwin Hubble cujas observações telescópicas de galáxias em 1929 levaram à descoberta que o universo está se expandindo, e que a taxa de expansão é proporcional à distância as galáxias estão um do outro. São os mais distantes, mais rápido eles estão indo. Este resultado implica que houve um tempo a cerca de 13,75 bilhões anos atrás, quando o universo começou em um evento agora chamado de Big Bang.
Para entender isso, prepare-se para fazer uma viagem para um o início do tempo, narrado através dos olhos de um matemático e artista plástico:
Para entender isso, prepare-se para fazer uma viagem para um o início do tempo, narrado através dos olhos de um matemático e artista plástico:
O Big Bang
A evidência sugere que o Big Bang foi algo arrasador em sua escala, descrita na teoria da inflação, apresentada pela primeira vez por Alan Guth, em 1979 e elaborada em seu livro "O universo inflacionário" (livros de Perseus, 1997). Guth sugere que o universo inteiro essencialmente surgiu do nada, a uma taxa que é incompreensível: dentro de um trilionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de segundo, o Universo expandiu-se por um fator de 1078 em volume — é um 1 seguido de 78 zeros. Realmente não temos ideia de como isso aconteceu, o que naturalmente dá origem a muitas teorias.
Universos cíclicos
A teoria do universo cíclico é uma tentativa para tentar entender como aconteceu o Big Bang. Apresentada por Albert Einstein em 1931, a teoria sugere que, antes do Big Bang, houve outro universo que existia. Este universo expandido, foi contraído no que é chamado um "big crunch", e sua contração levou ao Big Bang que criou nosso universo.
De acordo com essa teoria, nosso universo poderia fazer a mesma coisa. Na verdade, pode ter havido uma sequência inteira de tais universos, expandindo e contraindo, talvez até para sempre.
Existem variações mais recentes desta ideia. Uma delas é o trabalho interessante de Paul Steinhardt da Universidade de Princeton e Neil Turok do Instituto de Perímetro. Eles têm uma nova teoria do universo cíclico, chamada teoria ecpirótica, onde o próprio Big Bang é modelado como a colisão de objetos dimensionais superiores chamados branas, derivados da teoria das cordas, elaborada no livro "Universo infinito" (Doubleday, 2007).
Outra teoria cíclica é chamada cosmologia quântica de loop, com base na gravidade quântica. Nesta teoria, o Big Bang é substituído por um salto quântico. Isto é, quando um universo desmorona e comprime, a compressão é limitada por estruturas de loop minúsculas no tecido do espaço e do tempo, chamados loops quânticos. No final da compressão, a expansão começa e é influenciada pelos efeitos quânticos dentro dos loops quânticos. Esta transição entre a compressão e expansão é chamada um salto quântico.
Como números ligam universo a universo?
Mas como é que um universo transita para outro? Nos últimos dois anos, pessoas tentam responder a essa questão do ponto de vista matemático. Técnicas matemáticas são aplicadas no campo da teoria de regularização dentro do campo da mecânica celeste e tentam ver se um universo cíclico é mesmo matematicamente possível.
Isso é feito, mostrando que as equações que definem o Big Bang podem são reescritas a fim de fazer sentido o momento do Big Bang. É necessário equações que definem a evolução do Universo depois do Big Bang, chamadas de equações de Friedmann.
A Teoria de Regularização fornece uma maneira para estas equações serem reescritas em uma nova forma, portanto, elas podem ser definidas no Big Bang. Se isso for feito corretamente, ela também fornecerá uma maneira de entender se a variação de parâmetros que definem que o universo pode ser descrito perto do Big Bang a medida que o tempo varia. Podemos então dizer que o Big Bang tem sido "regularizado." Quando isso for feito, poderá ser determinado se é matematicamente possível ocorrer uma transição de um big crunch para um Big Bang.
O caminho da regularização funciona da seguinte maneira: equações de Friedmann descrevem a evolução do universo desde o Big Bang, onde o tempo avança. Elas são obtidas usando a teoria da relatividade geral de Einstein e o rendimento de valores que descrevem a evolução de vários parâmetros diferentes, a medida que o tempo varia. As variáveis incluem a variável de Hubble, que descreve a taxa de variação da escala do Universo e a "equação de estado," que é a relação entre a pressão e a densidade do universo.
Existem vários outros, incluindo a curvatura do universo, que mede o grau com que o universo se curva no espaço e tempo, e a anisotropia, que é uma medida não-uniforme de como o universo segue em direções diferentes. Apesar de existirem vários parâmetros de interesse, as chaves para a análise são a variável de Hubble e a equação de estado. O mais importante é como o universo se comporta perto do Big Bang. A variável de Hubble é importante desde que ela esteja relacionada com a escala, o tamanho do universo e como ele varia. A equação de estado é importante uma vez que produz valores para regularização ser possível. Estas duas variáveis dão uma boa imagem do que está acontecendo.
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Este gráfico mostra uma linha do tempo do universo com base nos modelos da teoria e da inflação do Big Bang.
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Tempo de compreensão perto do Big Bang
Se usarmos o símbolo "t" para o tempo, então vamos supor que o Big Bang ocorreu em t = 0, de modo que, em relação a nós, o Big Bang ocorreu t = 13.75 bilhões de anos atrás. As equações de Friedmann são definidas para t maior que 0, ou t menor que zero, mas quando t = 0. Estas equações são importante devido a variável de Hubble ter o valor de infinito em t = 0. Isto ocorre na condição de que essa variável seja proporcional ao quão rápido o universo se expande, que se torna infinito em t = 0, significando que, matematicamente, a expansão não faz sentido e não seria sequer definida no Big Bang.
A maneira de fazer o Big Bang seja compreensível é primeiramente retardar o tempo perto do Big Bang, já que o universo se expandiu extremamente rápido em t maior do que zero. Isso é feito por meio de uma nova variável de tempo que é dimensionada para mudar muito mais lentamente logo após o Big Bang, quando a inflação está ocorrendo.
Nós vamos rotular essa nova variável tempo "N" para distingui-la da original tempo "t". Precisamos também substituir a variável Hubble por um novo parâmetro que não tem um valor infinito no Big Bang, e em vez disso, vamos ter um valor numérico real. Esse novo valor é chamado de "variável dimensionada de Hubble" e tem um valor de 0 no Big Bang. O Big Bang faz sentido em termos da variável escalar de Hubble e o novo tempo, N.
Para entender se o nosso universo pode ser resultado de um anterior, precisamos ver como os valores de tempo mudariam: se t for maior que 0, então nós estamos em nosso universo, e se t for menor que 0, então, estaríamos em um universo anterior.
Para justificar matematicamente uma transição de um universo para outro, precisamos usar um parâmetro de chave chamado o "fator de escala Hubble" que mede o quão longe todos os pontos do universo estão um do outro.
Ao voltarmos para o Big Bang, esta distância se aproxima de 0. Isto é visto ao escolher um ponto arbitrário no universo, e a partir daí, a distância de cada galáxia ou qualquer outro local pode ser escrita como uma distância relativa, dependendo da localização, multiplicado por um fator de escala, "a", o fator de escala de Hubble.
Supondo que o universo se expande ou contrai uniformemente em todas as direções, então o único parâmetro a controla isso. Portanto, a pode ser visto como uma escala uniforme para o Universo. Essa distância é 0 quando t = 0, já que é onde começa o Big Bang. Agora, no nosso espaço-tempo presente, astrofísicos dão ao fator de escala de Hubble um valor de 1.
Brincando com o fator de Hubble
Usando a teoria de regularização, tem-se tentado encontrar o fator de Hubble variando de uma forma bem definida quando "t" varia de menor que 0, a maior do que 0 — onde a se aproxima de 0, quando o Universo se consumiu (para t inferior a 0 e t aproximando-se de 0) e onde a= 0 para t = 0, a seria maior que 0 após o Big Bang para t maior que 0. Se for esse o caso, então isso seria uma forma matemática para justificar a transição do universo anterior ao nosso.
O que isso significa em um sentido mais realista e palpável? Se você estivesse no universo adjudicante, muito parecido com nosso próprio universo, com suas muitas galáxias, estrelas e outros objetos astronômicos. Como ele é contraído no Big Bang — com um fator de Hubble a na borda de 0 — todos os objetos se moverão mais perto um do outro, até que todos eles se unam em um estado singular a a=0. O Big Bang estaria ocorrendo e o novo universo iria começar a expandir rapidamente. 13,75 bilhões de anos mais tarde, nós estaríamos onde estamos hoje.
Claro, também seria preciso argumentar que, em uma medida de tempo suficientemente grande, o universo teria parado de se expandir e começado a contrair novamente a fim de forçar o fator de Hubble a ir para zero, iniciando outro Big Bang e justificando que universos cíclicos podem ocorrer várias vezes.
Esse processo cíclico é complicado pela existência da energia escura, que está causando a expansão acelerada do Universo. Uma possível explicação para essa aceleração pode ser devido ao fato de que um volume de espaço tem uma energia intrínseca a ele, representado na astrofísica por um valor chamado de constante cosmológica. Não se sabe se esta aceleração dimuniu o suficiente - talvez devido à existência de matéria escura - para se contrair. A natureza da matéria escura e energia escura é um das grandes incógnitas na cosmologia, juntas, eles representam 95,1% da matéria e energia do universo.
Números primos e o Big Bang
Em 2013, foi publicado o primeiro livro sobre o uso de regularização para mostrar que um universo pode transitar para outro, tendo obtido um resultado interessante e inesperado. O estudo mostrou um universo pode transitar para outro, desde que os valores que resultam de condições especiais de números primos da equação de estado sejam iguais.
Um número primo é um inteiro positivo que é divisível apenas por 1 e por si próprio, tais como 1, 3, 5, 7, 11, 13 e assim por diante. Nas condições descritas no artigo, especificou-se determinados pares de números inteiros que são "relativamente privilegiados" — ou seja, não há nenhum número inteiro maior que 1 que divide os dois. Relativamente números primos não precisam serem nobre: por exemplo, 7 e 8 são relativamente privilegiados e 8 não é um número primo.
Lembrando que a equação de estado, rotulada como "w", é a relação entre a pressão e a densidade do universo, então a densidade do universo significa, basicamente, a densidade de energia, que é composto da energia que está no universo e da sua matéria e radiação. A medida que o universo se expande, a densidade cai, já que ele precisa preencher um espaço maior. O valor de pressão é uma medida de uma força atuando em uma determinada área, como um empurrão. Por exemplo, a radiação pode causar tal pressão. Quando, por exemplo, w for menor que -1/3, significa que o universo tem uma expansão acelerada. O universo tem hoje um w perto de -1 a constante cosmológica. W = 0, corresponde a um universo com apenas de matéria, enquanto que, w = -1/3, corresponde a um universo com radiação e, w = 1, corresponde a um universo com anisotropia.
Nas condições descritas no artigo de 2013, w só pode assumir valores calculados a partir de números primos relativos especiais que forçam uma restrição enorme no valor de w. Essas condições são baseadas em números inteiros. Uma vez que esses números são relativamente inteiros primos, eles são, portanto, muito raros no continuum de todos os números, onde a maioria dos números não são realmente agradáveis, limpos, mas irracionais, como pi ou a raiz quadrada de 2. Os números inteiros também são discretos - isto é, eles não formam um contínuo suave.
No mundo real, tal condição não pode fazer sentido quando a fica muito perto do Big Bang. Isso é porque quando a está muito perto de 0, nas triturações do universo, a começa tão pequeno que ele chega a ser menor que o comprimento de Planck, onde as leis da física não são mais válidas.
Nessa região, as leis da mecânica quântica podem dominar, gerando flutuações quânticas. Estes produzem as variações de energia em um ponto do espaço, devido ao princípio da incerteza de Werner Heisenberg. Se isso ocorrer, então a relevância dos valores primos relativos a w pode ser perdida, uma vez que as incertezas da energia os "afogaria", algo que as teorias modernas não seriam capazes de explicar.
Este resultado obtido em 2013 deu origem a "únicas" transições de um universo para outro. Como o universo triturou-se, com a e t se aproximando de 0, quando a=0, t = 0, havia apenas uma única transição, dando um universo original um valor de t maior do que zero para cada um destes valores discretos especiais de w. Não poderia haver duas ou mais transições para cada w discreto. Apenas um universo poderia resultar. Essa singularidade pode ser perdida devido a flutuações quânticas, perto do Big Bang. Isso ocorre porque as incertezas na energia podem não ser capazes de distinguir entre Estados-Membros diferentes número relativo de prime para w.
No primeiro artigo que criou um modelo idealizado do Universo, a equação de estado não pôde variar a medida que o tempo variava. Os outros parâmetros foram mantidos fixos, como a anisotropia, curvatura, etc. A equação de estado, bem como todos os outros parâmetros também permitiram variar a medida que o tempo variava. Neste caso, nós restringimos a equação de estado para um valor maior que 1, que, por razões técnicas, implica que o componente de energia gera à variação da equação de estado que domina o Universo. Os mesmos resultados foram obtidos a partir de resultados anteriores: as transições, ou extensões, de um universo para outro são obtidas com exclusividade para as mesmas condições primas de w. Isso foi surpreendente, uma vez que este modelo era muito mais complexo do que no livro original.
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X3, Maio de 2015, 30 x 40 polegadas, acrílico sobre tela. Uma das peças maiores e mais envolvidas da série de artes de Ed Belbruno. Crédito: dward Belbruno
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Tempo alternativo
Quando w = 1, produz-se resultados que são muito diferentes do que os valores que resultam quando w é maior que 1. Isto é surpreendente no seguinte sentido: w = 1 pode ser alcançado a partir w maior que 1, como em um caso limite, em seguida, a medida que w fica mais perto de 1, esperava-se que w = 1 produzisse resultados semelhantes, como os de w maior que 1. Ou seja, uma única transição de um universo para outro, ou nenhum transição. Acontece que tal situação gera infinitamente muitas transições diferentes, onde cada uma é de um outro universo. Por outro lado, não foi surpreendente, pois Edward e BingKan não poderiam estudar o caso com os métodos que foram usados para w maior que 1, quando que um determinado termo-chave das equações de Friedmann desapareceu. Este termo dependia o valor de w e não era 0 quando w fosse maior que 1. Mas quando w = 1, este termo tornou-se 0 e depois desapareceu da equação.
Percebeu-se que era necessária uma outra metodologia matemática, que resultaria em extensões não-exclusivas, devido o desaparecimento deste termo. Um teorema matemático especial poderia ser aplicado, chamado o teorema manifold estável. Isso resultaria em extensões exclusivas. Quando w = 1 outro teorema matemático precisava ser considerado, chamado o teorema de colector de centro. Este teorema produz extensões não-exclusivas.
Como resultado, acreditava-se que a extensão de um universo para t inferior a zero deu origem a universos infinitos para t maior que zero. Parece não haver nenhuma maneira de distinguir um do outro. A singularidade se foi.
No entanto, um novo tempo variável foi descoberto no Big Bang em t = 0. Surgiu uma variável, t-primo. Em t = 0, o t-primo varia entre mais e menos infinito. A medida que t-primo está variando, o fator de Hubble e w também variam.
Quando t-primo começa a partir de menos infinito, então w =-1 e a é mais infinito. Este estado corresponde a um universo que é infinitamente grande onde a equação de estado corresponde à constante cosmológica que representa expansão pura pela energia escura.
Com a aproximação do t-primo para mais infinito, a tende a 0, e corresponde, por sua vez, ao local onde o universo contraí a uma singularidade no Big Bang, e w se aproxima de 1, o que corresponde a um universo com anisotropia, ou não uniformidade. Em seguida, quando iguais t-primos tendem a mais infinito, isto corresponde a T = 0 e A = 0 e, em seguida, o Big Bang ocorre em w = 1. Enquanto t-primo varia entre mais e menos infinito, a variável de Hubble terá o valor de mais infinito, o que significa que o universo tem densidade infinita, um estado estranho que Edward chama de Big Bang Estendido.
Acontece que quando ocorre o Big Bang em t maior que 0, então t-primo é também definido dessa forma. Isto significa que t-primo poderia ser usado como uma escala de tempo em vez do tempo normal, t. Existe uma relação matemática entre essas duas escalas de tempo. Em nossa época, elas são essencialmente a mesma, mas quando se fica perto do Big Bang, elas são muito diferentes. Este novo tempo escondido então torna-se um tempo alternativo.
A introdução dessa variável de tempo foi feita para fins matemáticos, conforme descrito anteriormente, para encontrar uma escala de tempo mais lenta perto do Big Bang. Sua interpretação como sendo outra escala de tempo é conveniente matematicamente, mas sua relevância física precisa ser mais estudada.
A arte de prever o tempo alternativo
Como em outras pesquisas onde a arte de Edward previu as descobertas científicas com uma nova rota para a Lua e uma teoria sobre a origem da vida na terra, então a arte inspirou o trabalho do cientista e artista do tempo alternativo.
Depois que ele terminou o livro, ele notou uma conexão surpreendente de uma pintura que ele mesmo tinha feito em 2009. A pintura é chamada de Tempo, e mostra uma cena consistente com os resultados deste trabalho. Dois relógios representam duas escalas de tempo diferentes, enquanto um objeto circular no centro, com linhas que emanam de um círculo interior, pode ser visto representando o Big Bang. O pequeno relógio à esquerda conectado a ele pode ser visto como o tempo prolongado Big Bang, t-primo. O grande relógio à direita pode ser visto como nossa hora do costume, t.
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| Tempo, 16 x 26 polegadas, 2009, acrílico sobre lona. Esta pintura marcou uma partida no trabalho anterior de Belbruno. Em 2014, um amigo notou que esta pintura representava duas escalas de tempo, uma ligação misteriosa com pesquisas cosmologia atuais de Belbruno. Crédito: Edward Belbruno. |
Ao contrário de outros dois casos que ele escreveu sobre, onde as pinturas foram feitas simultaneamente com o seu trabalho científico, esta peça foi feita cinco anos antes. esta parte foi feita cinco anos antes. Na verdade, quando ele fez esta tela, percebeu-se que ela era totalmente original do seu estilo de pintura.
Ele percebeu que seu inconsciente possivelmente estava trabalhando sobre essa teoria por oito anos, que foi também sugerida por Aggie Sung, um pesquisador em Princeton, Nova Jersey. Este quadro realmente previu este resultado! Isto mostra o poder da mente inconsciente, que aparentemente não respeita o mesmo sentido de tempo que usamos. A medida que ele olhava para alguns dos seus quadros novos, que são muito abstratos, ele se perguntava se eles estariam, talvez, prevendo o futuro da ciência.
Traduzido e adaptado de: Space.com
Traduzido e adaptado de: Space.com
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Como alter-ego do vilão do Superman, Bizzaro , as partículas que compõem a matéria normal também têm versões opostas de si mesmas. Um elétron, por exemplo, tem uma carga negativa, mas o seu equivalente em antimatéria, o pósitron, é positivo. Matéria e antimatéria aniquilam-se mutuamente quando elas colidem e sua massa é convertida em energia pura pela equação de Einstein E=mc². Alguns desenhos de naves espaciais futuristas incorporarm motores de anti-matéria.
09- Mini buracos negros
Se a nova teoria radical da gravidade (branas) estiver correta, então existem milhares de pequenos buracos negros espalhados por todo os sistema solar, cada um do tamanho de um núcleo atômico. Ao contrário de seus irmãos maiores, esses mini-buracos negros são sobras primordiais do Big Bang e afetam o espaço- tempo de forma diferente por causa de sua estreita associação com uma quinta dimensão .
08- Radiação Cósmica de Fundo
Também conhecida como a CMB, essa radiação é uma sobra primordial do Big Bang que deu origem ao Universo. Foi detectada pela primeira vez na década de 1960 como um ruído de rádio que parecia emanar de todos os lugares no espaço. A CMB é considerada como uma das melhores peças de evidência para o teórico Big Bang. Medições precisas do projeto WMAP aponta que a temperatura CMB é de -455 graus Fahrenheit (-270 Celsius).
07 - Matéria Escura
Os cientistas dizem que a maior parte da matéria no universo é composta de matéria escura, mas ela não pode ser vista nem detectada diretamente usando as tecnologias atuais. Os candidatos variam de neutrinos leves para os buracos negros invisíveis. Alguns cientistas questionam se a matéria escura é mesmo real, e sugerem que os mistérios que foram conjurados para resolver podem ser explicado por um melhor entendimento da gravidade.
06 - Exoplanetas
Até o início de 1990, os planetas conhecidos no universo se resumiam apenas aos familiares planetas de nosso Sistema Solar. Até o momento, os astrônomos já identificaram mais de 1000 planetas extra-solares. Eles variam de gigantescos mundos gasosos cuja massa não é suficiente para se tornar uma estrela pequena, até planetas rochosos que orbitam anãs vermelhas. A procura por uma segunda Terra, no entanto, ainda está em curso. Os astrônomos em geral acreditam que as futuras tecnologia irão revelar mundos semelhantes ao nosso.
05 - Ondas Gravitacionais
Ondas de gravidade são distorções no tecido do espaço-tempo previstas pela teoria da relatividade geral de Eistein. As ondas gravitacionais viajam à velocidade da luz, mas elas são tão fracas que os cientistas esperam detectar apenas aquelas criadas durante eventos cósmicos colossais, tais como fusões de buracos negros como esse mostrado acima. LIGO e LISA são dois detectores projetados para detectar as ondas indescritíveis.
04 - Canibalismo galáctico
Assim como os seres vivos na terra, as galáxias podem "comer"umas as outras e evoluir ao longo do tempo. A vizinha da Via Láctea, Andrômeda, atualmente está jantando um dos seus satélites. Mais de uma dúzia de aglomerados estelares que estão espalhados por toda a Andrômeda são restos cósmicos das suas últimas refeições. A imagem acima é de uma simulação de colisão entre Andrômeda e nossa galáxia, um evento que acontecerá em cerca de 3 bilhões de anos.
03 - Neutrinos
Neutrinos são partículas elementares eletricamente neutras e praticamente sem massa, que podem passar por milhas de chumbo sem nenhum impedimento. Alguns estão passando pelo seu corpo enquanto você lê isto. Estas partículas "fantasmas" são produzidas no fogo abrasador de estrelas normais, bem como em explosões de supernovas de estrelas moribundas. Detectores foram construídos no subterrâneo, debaixo do mar, ou em um grande pedaço de gelo, como o IceCube, um projeto de detecção de neutrinos.
Esses faróis luminosos brilham nas bordas do universo visível e são lembretes da infância caótica do nosso universo. Quasares liberam energia mais do que centenas de galáxias combinadas. O consenso geral é que eles são produtos de buracos negros supermassivos nos corações de galáxias distantes. Esta imagem acima é do quasar 3C 273, fotografado em 1979.
01 - Energia do vácuo
A física quântica nos diz que, contrariamente às aparências, o espaço vazio é uma cerveja borbulhante de partículas "virtuais" subatômicas que estão constantemente sendo criadas e destruídas. As partículas fugazes dotam cada centímetro cúbico do espaço com uma certa energia que, de acordo com a relatividade geral, produz uma força anti-gravitacional que empurra o espaço distante. Mas hoje os cientistas já sabem o que está causando a expansão acelerada do Universo: A energia escura.
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