A postagem do mês do Arquivo TalkOrigins: maio de 2001

Isso é verdade. Na proposta de tunelamento de Vilenkin — “criação quântica de universos a partir do ‘nada’” — o “nada” não se refere a um vácuo vazio, mas sim a um estado quântico do universo no qual “espaço” e “tempo” não têm significado bem definido (sendo apenas conceitos clássicos aproximados).

Caso você esteja interessado, aqui estão alguns resumos breves do que sei (de modo limitado e tendencioso) e das minhas opiniões sobre as principais propostas sobre as origens do universo, sem ordem específica. Desde o início, devo afirmar que virtualmente todas elas são, na melhor das hipóteses, aproximações semiclássicas para a gravidade quântica completa; algumas delas (como a inflação eterna) são da gravidade clássica. Também devo afirmar que provavelmente vou deturpar a maior parte disso (especialmente a cosmologia quântica). :) (Se alguns dos especialistas de verdade, como Steve Carlip, ainda leem este grupo, por favor entrem na discussão.)

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[1] COSMOLOGIA QUÂNTICA

Nessa abordagem, as pessoas tentam contornar a necessidade de construir uma teoria de gravidade quântica recorrendo a aproximações. Em uma delas, em vez de quantizar a gravidade e buscar soluções dessas equações, tomam algumas soluções clássicas muito simétricas — como as soluções FLRW homogêneas que os cosmólogos usam — e quantizam essas, já que têm um número finito de graus de liberdade que precisam ser quantizados (às vezes apenas um, como o raio do universo). Esta é a “aproximação de mini-superspaço”. Em seguida, fazem-se aproximações adicionais de ponto de sela semelhantes à aproximação WKB tradicional em mecânica quântica. Veja:

http://math.ucr.edu/home/baez/week6.html

Essas suposições são perigosas. Por um lado, você está fazendo a suposição bastante questionável de que pode ignorar os detalhes de como a gravidade é quantizada. Por outro lado, se ela for uma aproximação válida, pode nos permitir derivar conclusões sólidas sobre o universo inicial que devem ser verdadeiras independentemente dos detalhes de qualquer teoria de gravidade quântica que venha a ser desenvolvida.

Não sei muito sobre o estado atual da cosmologia quântica, mas encontrei esta revisão de Barvinsky (que se concentra mais nos problemas técnicos e conceituais do que em predições):

http://arXiv.org/abs/gr-qc/0101046

Uma introdução mais conceitual de Wiltshire é:

http://arXiv.org/abs/gr-qc/0101003

Um dos principais problemas para a ciência não é apenas determinar quais são as leis da física, mas também quais eram as condições iniciais do universo. Em um cenário do Big Bang, o espaço-tempo tem uma fronteira — a singularidade — e, como não há nada antes dela, temos de acrescentar dados iniciais na fronteira. Usando as leis da física, podemos prever a evolução do universo, mas, se não sabemos como ele começou, podemos evoluir a solução para frente no tempo. Existem várias condições iniciais que poderiam ter levado ao que vemos hoje?

A maioria das principais abordagens de cosmologia quântica surpreendentemente responde que essas questões não são independentes: as leis da física determinam as condições iniciais. Se for verdade, não precisamos nos preocupar com “por que o universo começou como começou” como uma questão separada de “por que as leis da física são como são”.

A cosmologia quântica envolve muito trabalho, mas duas de suas propostas mais conhecidas dentro da aproximação de mini-superspaço são a proposta sem limites de Hartle-Hawking e a proposta de tunelamento de Vilenkin. São duas tentativas muito diferentes de resolver aproximações para a “função de onda do universo” e compreender as origens do universo. Vou discuti-las separadamente.

Recentemente encontrei alguns trabalhos que me entusiasmaram; Bojowald aplicou essa aproximação a um dos atuais candidatos principais para uma teoria de gravidade quântica, a gravidade quântica em loop. A gravidade quântica em loop é mais nova e menos estabelecida que as abordagens tradicionais de integral de caminho utilizadas na cosmologia quântica padrão, mas, na minha opinião, é atualmente a abordagem mais promissora para a relatividade geral quântica completa. (A teoria das cordas é o outro principal candidato à gravidade quântica, mas ela modifica a relatividade geral no seu limite clássico.) Basicamente, acho que é mais concreta e menos vaga que vários cálculos mais antigos de cosmologia quântica (embora a teoria em que se baseia possa ainda estar defeituosa; o veredito ainda não saiu).

http://arXiv.org/abs/gr-qc/0102069 http://arXiv.org/abs/gr-qc/0104072 http://math.ucr.edu/home/baez/week167.html

O primeiro artigo prevê que não houve singularidade do Big Bang e que antes do Big Bang houve um Big Crunch de um universo precedente. O segundo artigo prevê que a solução também acaba por eliminar as condições iniciais (embora o faça de forma bastante diferente das propostas sem limites ou de tunelamento). O segundo artigo também tenta justificar por que esse cálculo deve ser mais confiável que as propostas NBP e de tunelamento. Conclui:

“Ao contrário de todas as demais propostas de condições de contorno em cosmologia quântica, nossas condições iniciais dinâmicas não são escolhidas para satisfazer uma intuição prévia sobre a ‘criação’ de um universo, mas derivadas da equação de evolução que, por sua vez, é derivada da geometria quântica, um candidato a teoria completa de gravidade quântica. Portanto, uma equação fornece tanto a lei dinâmica quanto as condições iniciais ... Assim, em contraste com a situação clássica em que uma singularidade leva à imprevisibilidade, na geometria quântica o regime da singularidade clássica fixa ambiguidades na função de onda de um universo.”

Mas tudo isso ainda é muito novo e provisório, e as pessoas ainda não sabem se a aproximação ou a teoria é válida.

[2] A PROPOSTA SEM FRONTEIRAS

A proposta sem limites de Hartle-Hawking (http://prola.aps.org/abstract/PRD/v28/i12/p2960_1) tenta contornar todo esse problema eliminando a fronteira. Ao passar do tempo real para tempo imaginário e, portanto, de espaço-tempo lorentziano para euclidiano — mais precisamente, trabalhando em uma aproximação que se assume ser dominada por espaços-tempos euclidianos — eles concluem que podem escrever uma função de onda que não tem fronteira no espaço-tempo euclidiano. A singularidade não existe na solução em tempo imaginário, apenas no tempo real. (Pelo menos, eu acho que ela ainda existe no tempo real. É provavelmente mais preciso dizer que, muito parecido com a proposta de Vilenkin, o espaço-tempo clássico simplesmente não faz sentido no Big Bang, de modo que não há uma “singularidade” no sentido de uma geometria de espaço-tempo singular na relatividade geral.)

O ponto é que não precisamos mais especificar dados iniciais; a solução euclidiana pode ser determinada sem eles, e então os “dados iniciais” no tempo real são determinados a partir disso — os dados iniciais em tempo real não são uma coisa separada que precisa ser inserida manualmente, fazem parte da solução. (Tudo tipo de coisas estranhas também acontece no tempo imaginário; de certo modo, o Big Bang e o Big Crunch são a mesma coisa.)

Recorrer ao tempo imaginário provavelmente parece bastante estranho, para dizer o mínimo, mas há precedentes — físicos o fazem o tempo todo em teoria quântica de campos; parece necessário para fazer as contas funcionarem. (Caso contrário as integrais não são bem definidas.) Por outro lado, é matematicamente legítimo fazer isso; o teorema de reconstrução de Osterwalder-Schrader diz que é possível fazer todos os seus cálculos em tempo imaginário, fazê-los ali, e depois trazer as respostas de volta ao tempo real de forma única. Mas a teoria quântica de campos baseia-se em espaços-tempos de fundo plano — não é o caso da gravidade.

Agora, esse teorema pode ser estendido para situações com espaços-tempos curvos e dinâmicos (como na relatividade geral) — veja http://arXiv.org/abs/quant-ph/9904094 — mas é bastante delicado. Hawking tem sido um dos principais defensores da gravidade quântica euclidiana. Mas essa abordagem foi gradualmente perdendo prestígio, pelo que se vê. Se minha memória não me falha, evidências numéricas sugeriam que a teoria teria uma transição de fase de primeira ordem em vez da necessária transição de segunda ordem, ou algo parecido.

Além disso, alguns modelos simplificados em duas dimensões sugerem que a gravidade quântica euclidiana e a lorentziana são fundamentalmente diferentes (http://arXiv.org/abs/hep-th/9912267). Curiosamente, a maneira como diferem é que a teoria euclidiana permite que “universos-bebê” se ramifiquem, enquanto a teoria lorentziana não.) Isso não significa que a teoria euclidiana esteja errada, apenas que não podemos fingir que a escolha entre lorentziano ou euclidiano não importa. Também é interessante notar que, nesses modelos, a presença desses “universos-bebê” parece levar a uma patologia na teoria euclidiana, fazendo com que ela seja dominada por geometrias de “polímero ramificado” degeneradas que estragam o limite clássico (acho que esse é essencialmente o problema de transição de fase que mencionei).

(De fato, houve uma quantidade razoável de trabalho sobre “universos-bebê”, “terceira quantização” e “mudança topológica espacial” provavelmente relevantes para esta lista de alternativas que estou fazendo, mas sei pouco sobre o assunto.)

De qualquer forma, por algum motivo, a gravidade quântica euclidiana não é levada tão sério quanto antes, o que lança a NBP numa luz diferente. Mas ela ainda pode ser útil no contexto semiclassico da cosmologia quântica. (Além disso, como disse acima, o trabalho de Bojowald em “Lorenztiano” também elimina a necessidade de dados iniciais, embora não de forma tão exótica.)

Mais sobre a função de onda de Hartle-Hawking:

http://math.ucr.edu/home/baez/week138.html

[3] A PROPOSTA DE TUNELAMENTO

A proposta de Vilenkin (http://prola.aps.org/abstract/PRD/v27/i12/p2848_1, http://prola.aps.org/abstract/PRD/v30/i2/p509_1) foi o que iniciou a ideia inteira de “criação quântica de universos a partir do nada”. (Bem, Tryon e Fomin e outros vieram antes dele, mas não obtiveram muita popularidade duradoura.) Ele tem o universo tunelando para fora do estado zero de maneira um tanto análoga ao tunelamento quântico ordinário por um potencial. Como a NBP e a cosmologia quântica em loop de Bojowald, a solução elimina a necessidade de condições iniciais, embora não faça isso eliminando a fronteira no tempo imaginário. (No entanto, não entendo como ela faz isso.) Ela também carece de uma singularidade do Big Bang; o “Big Bang” é um evento de tunelamento para o espaço-tempo clássico.

Não sei muito sobre ela ou seu estado atual, mas você pode ler a comparação (provavelmente tendenciosa) de Vilenkin com outras propostas (como NBP) em:

http://arXiv.org/abs/gr-qc/9812027

(Ele também menciona uma solução de Linde que parece ser semelhante à NBP de Hartle-Hawking em princípio, mas com a rotação de tempo euclidiano feita de modo oposto.)

Para ser justo, aqui vai um argumento de Bousso e Hawking: http://arXiv.org/abs/gr-qc/9608009, e a réplica de Garriga e Vilenkin, http://arXiv.org/abs/gr-qc/9609067. Hawking e Vilenkin andaram criticando as teorias um do outro (há mais exemplos disso do que citei). Não tenho mesmo fundamento para julgar quem está certo nesse tema.

Não entendo muito bem como o modelo de Vilenkin se relaciona com os problemas de gravidade quântica euclidiana que mencionei em relação à NBP. Vilenkin enfatiza que, ao contrário de sua própria proposta, a NBP possui uma soma de integrais de caminho sobre todos os (compactos) espaços-tempos euclidianos. Vilenkin diz: “… para achar a função de onda semiclassica abaixo da barreira, é preciso continuar analiticamente a integração sobre espaços-tempos euclidianos ... então a integral de caminho é dominada pela solução euclidiana das equações de campo clássicas.” Faça o que quiser com isso.

[4] INFLAÇÃO ETERNA

Esta segue uma abordagem bem diferente para descrever as origens do nosso universo. Acredito que a ideia originalmente se deve a Linde. Na teoria inflacionária, devido à “decadência do vácuo falso”, o universo pode se expandir rapidamente em ritmo exponencial. Isso ajuda a explicar alguns paradoxos na cosmologia padrão. No entanto, uma implicação disso é que esse processo de decadência pode e deve ocorrer de forma aleatória, contínua e eterna. Isso leva a uma imagem de um “mar” de “bolhas” de universos inflacionários de todos os tamanhos e idades; nós viveríamos em uma dessas bolhas.

Observe que isso é diferente da criação verdadeira de “universos-bebê” na gravidade quântica, onde o espaço realmente se separa e muda a topologia; ao invés disso, na inflação eterna, o que chamamos de “nosso universo” é realmente uma região “bolha” dentro do universo real maior, com características físicas diferentes das do “mar” circundante.

(Por outro lado, houve algumas conversas de que universos-bebê reais poderiam inflar dentro de nosso “universo bolha”, ocultos por trás de horizontes de eventos, mas essa é uma predição bem menos robusta — depende de se a gravidade quântica permite a criação de universos-bebê — e provavelmente não acontece espontaneamente, se for sequer possível. Mencionei isso de passagem; a discussão da inflação eterna é independente disso.)

Essa ideia de inflação eterna é um benefício ambivalente. Ela pode ser capaz de fornecer uma descrição das origens do nosso universo — o “Big Bang” não foi realmente uma singularidade, mas sim o evento no qual o vácuo falso decaiu aleatoriamente e produziu a inflação de uma nova bolha no espaço-tempo. Na verdade, se a inflação estiver correta, a inflação eterna parece ser uma consequência quase necessária e, por isso, precisamos levar esse cenário a sério.

Contudo, também tem um lado negativo: ela também não oferece explicação para as origens do universo real que contém todas essas bolhas. Pode-se argumentar que isso não é muito negativo se o objetivo é descrever o que observamos, porque o que ocorre no “mar” maior é bastante irrelevante para o que ocorre dentro da nossa bolha. Mas muitos acharão insatisfatório que ela não fornece a história completa. De fato, sugere que não podemos saber a história inteira: a inflação provavelmente apaga toda informação anterior à nucleação da bolha, então não podemos ter evidência observacional de como era o universo do “mar” antes do nosso evento de Big Bang.

Isso seria um golpe sério para quem se interessa pelo universo “mar” maior e por como ele veio a ser, mas não é uma perda total. A gravidade quântica pode ser capaz de prever o que aconteceria nessa circunstância. O problema é que nunca poderíamos ter evidência observacional apoiando essa predição. Na superfície, isso parece fatal para uma teoria científica, mas como Guth argumenta (em um artigo citado abaixo):

“As unidades de bolha além da nossa são consideradas completamente inobserváveis, então se pode questionar se faz sentido científico falar sobre elas. Eu argumentaria que isso ainda é ciência válida, porque estamos perseguindo as consequências de uma teoria para a qual já temos outras evidências. Claro que a teoria da inflação precisa repousar nas evidências que observamos, mas uma vez convencidos por essas observações, então acho que também devemos acreditar em outras implicações dela, mesmo se isso envolver afirmações que não podem ser testadas diretamente.”

Em resumo, se conseguíssemos obter outros testes de gravidade quântica que nos tornassem razoavelmente confiantes em uma teoria particular, deveríamos estar inclinados a acreditar no que ela diria sobre o que aconteceu no “mar”, mesmo se não pudermos observar o que aconteceu lá. Ainda assim, não é uma situação muito favorável para a ciência. Mas a ciência nunca afirmou que um dia teríamos evidência experimental de tudo o que aconteceu no nosso universo.

Também vale mencionar que muitos esperaram que a inflação eterna eliminasse a necessidade do começo de um universo (que é problemático de explicar se não se apelam para coisas como criação espontânea por tunelamento). O quadro é de um universo que sempre existiu, com novas bolhas sendo nucleadas por efeitos quânticos de vez em quando, e nós vivendo em uma delas.

No entanto, Borde e Vilenkin demonstraram que a inflação eterna talvez devesse ser chamada de “inflação eterna no futuro”, já que parece ainda haver necessidade de uma singularidade inicial — o “mar” teve uma verdadeira singularidade do Big Bang, embora nosso Big Bang não tenha sido uma verdadeira singularidade. Por outro lado, não acho que isso seja um resultado realmente forte, porque é um argumento clássico. (Acho que as pessoas esperavam que os campos inflacionários permitissem driblar alguns dos resultados de singularidade clássica da relatividade geral — provavelmente ao evitar as condições de energia — mas não conseguem.) Não sabemos se a gravidade quântica remove singularidades. Guth parece pensar que provavelmente não, mas acho que a questão está muito menos clara, particularmente à luz de trabalho preliminar como o de Bojowald.

Todas essas questões estão resumidas na excelente palestra de Guth:

http://arXiv.org/abs/astro-ph/0101507

A coisa importante aqui é notar que a inflação eterna poderia ter ocorrido em quase qualquer cenário, independentemente de qual teoria de gravidade quântica esteja correta, ou de se singularidades do Big Bang podem ocorrer, etc. Ela é largamente independente de todas as outras propostas que menciono (embora seja possível que algumas delas possam descartar esse tipo de inflação).

[5] COSMOLOGIA DA TEORIA DE CORDAS/M-TEORIA

A teoria das cordas (e seu “sucessor”, a teoria M) é o que muitos diriam ser o principal candidato a uma teoria verdadeira de gravidade quântica. Não acho que essa teoria tenha um quadro consensual das origens do nosso universo, embora tenha certeza de que há milhões de especulações em circulação. (A teoria das cordas é muito flexível — uma virtude porque pode explicar muitas coisas, uma maldição porque pode explicar coisas demais, a menos que dados e melhor compreensão da dinâmica consigam restringir as possibilidades.) Banks tem uma discussão (http://arXiv.org/abs/hep-th/9911067) de cosmologia quântica da teoria M, mas a teoria não parece suficientemente desenvolvida para fazer predições sobre a origem do universo. (Ninguém sequer sabe o que é exatamente a teoria M no momento.)

Algumas previsões antigas da teoria das cordas (de Brandenberger e Vafa) são que o universo começou com todas as suas dimensões enroladas, e depois três delas se desenrolaram e expandiram. No entanto, isso não explica de fato o Big Bang, apenas o que aconteceu depois.

Aqui está uma análise da cosmologia de cordas por Brandenberger:

http://arXiv.org/abs/hep-th/0103156

A proposta mais concreta (e talvez mais popular, embora intensamente debatida) de cosmologia de cordas que vi (embora dificilmente a posição oficial da comunidade de cordas, razão pela qual está listada separadamente) que tenta explicar o Big Bang é a cosmologia pré-Big Bang. Há também o recente universo ekpirótico, mas ele é tão novo e especulativo que ninguém sabe se é plausível ou se terá aceitação.

Brandenberger também menciona outras cosmologias alternativas de cordas, como a cosmologia de M-teoria heterótica (http://arXiv.org/abs/hep-th/0003256), abordagens de gás de branas e cenários de brane-mundo. Não direi nada sobre elas porque nunca li nada sobre elas.

[6] CENÁRIO DE PRE-BIG BANG

Esse cenário, devido a Veneziano e Gasperini, assume que o universo foi originalmente frio, simples e vazio e plano, e evoluiu naturalmente para um estado altamente curvo culminando em um “Big Bang” sem singularidade quente que levou ao nosso universo atual. (Isso é diferente da “criação quântica de universos”, onde universos surgem de “nada” ou do estado zero; ao invés disso, um estado de vácuo plano inicial começa a “dobrar-se” e produzir matéria devido a efeitos quânticos, criando um Big Bang.)

Acho que esse cenário tem um universo eterno que passa “para sempre” atingindo a transição do Big Bang, mas talvez eu esteja entendendo as coisas errado. Parece estranho para um universo passar uma quantidade infinita de tempo antes de, de repente, acontecer essa grande mudança (o Big Bang), mas não é realmente mais estranho — e não é menos possível — do que uma reversão temporal de um universo que passa por uma grande mudança (o Big Bang) e depois expande eternamente. Você tem um passado infinito, algo acontece em algum ponto, e você tem um futuro infinito (ou não?). Quanto mais você volta no passado, mais o universo parece vazio e plano; quanto mais vai para o futuro, mais o universo se parece com a predição clássica de qual seja o destino do nosso universo (expansão eterna, possivelmente, mas talvez colapso).

Acho que há alguns problemas fenomenológicos com o cenário PBB (ele consegue explicar corretamente as observações?); se esses problemas podem ser resolvidos está desconhecido no momento. Também, houve objeções à condição de “trivialidade assintótica do passado” (ou seja, o universo tornar-se mais plano e mais simples conforme se volta no tempo antes do Big Bang); é arguably a suposição mais simples, mas isso não significa que tenha ocorrido — ainda é uma suposição.

No entanto, o cenário PBB é provavelmente uma das abordagens mais conservadoras da cosmologia de cordas, com as suposições mais mínimas.

Algumas referências:

http://www.to.infn.it/~gasperin/ http://arXiv.org/abs/hep-th/0002094

(Por certo, ignore as alegações de autoelogio usuais na teoria das cordas de que “o único candidato a uma síntese consistente da relatividade geral (RG) e da mecânica quântica (MQ) é a superstring theory” — muitos, se não a maioria dos teóricos de cordas, têm uma visão parcial e antiquada do estado da gravidade quântica. Existem certamente outros candidatos que parecem promissores — como a gravidade quântica em loop — embora ainda não esteja claro qual é mais preciso.)

[7] DIVERSOS

Há muitas ideias por aí! Mencionei apenas algumas das mais conhecidas (ou pelo menos as que ouvi). Aqui vão mais algumas especulativas.

[7a] Seleção natural cosmológica.

Smolin propôs (http://arXiv.org/abs/gr-qc/9404011; The Life of the Cosmos) a “seleção natural cosmológica”, na qual Big Bangs são o resultado de universos formados a partir da criação de singularidades de buraco negro em universos anteriores.

Esta proposta atualmente não possui base teórica real — é quase pura especulação — mas é uma maneira interessante de evitar o princípio antrópico. Por que as constantes fundamentais do universo são como são? Smolin sugere que é porque elas evoluem com o tempo, e se os universos são produtos de buracos negros, eles deveriam evoluir de modo a produzir muitos buracos negros — e, portanto, talvez produzir estrelas e vida.

Mesmo que essa ideia específica esteja errada, a ideia de “auto-organização” dinâmica pode persistir em outras teorias — como a teoria das cordas — para explicar como o universo chegou a ser como é, mesmo que não saibamos muito sobre como (ou se) o universo começou.

Mudando de assunto: muito recentemente surgiu uma nova proposta, o “universo ekpirótico” (http://arXiv.org/abs/hep-th/0103239), inspirada pela imagem de “mundo de branas” de Randall-Sundrum (http://arXiv.org/abs/hep-th/9810155, http://arXiv.org/abs/hep-ph/9905221, http://arXiv.org/abs/hep-th/9906064) — ou melhor, sua incorporação posterior na teoria M heterótica por Horava e Witten (http://arXiv.org/abs/hep-th/9510209, http://arXiv.org/abs/hep-th/9603142, http://arXiv.org/abs/hep-th/9711197, http://arXiv.org/abs/hep-th/9803235) .

Na imagem R-S, nosso universo de 4 dimensões é uma “brana” (ou superfície) que vive num espaço-tempo de dimensão superior. (Mais precisamente, toda a matéria e os campos de gauge estão presos nessa brana; a única coisa que pode sair da brana é a gravidade. Isso é natural na física de D-branes da teoria das cordas.) Isso difere da teoria clássica de cordas, em que não estamos confinados a nenhuma superfície de dimensão inferior do espaço-tempo de dimensão superior — nosso universo parece 4D não porque estamos presos numa subsuperfície 4D, mas porque algumas dimensões espaciais são “enroladas” (compactificadas) em escala pequena. Não entrarei em detalhes do cenário Horava-Witten, no qual o cenário ekpirótico se baseia diretamente, já que não o compreendo.

Os mundos-brana são uma alternativa à compactificação para explicar por que vemos apenas quatro dimensões. Mas deve ser notado que os cenários de mundo-brana podem ser facilmente acomodados na teoria das cordas (onde a maior parte do trabalho sobre mundo-brana está ocorrendo); basta assumir que menos dimensões são compactificadas, e R-S/H-W é invocado para explicar por que não vemos as outras dimensões não compactificadas.

No universo ekpirótico, o espaço-tempo (desconsiderando as dimensões compactificadas) é de 5 dimensões e é limitado em dois lados por um par de branas 4-dimensionais planas. O que percebemos como nosso universo é uma dessas branas; a outra é “oculta” porque nada pode se deslocar entre as branas além de efeitos gravitacionais, portanto não a vemos diretamente. (Isso deu origem a algumas discussões de “universos-sombra” na mídia.) Essa brana oculta é padrão nos modelos R-S; ela é usada para resolver o problema da hierarquia e outras questões.

A teoria ekpirótica introduz uma terceira brana 4-dimensional — para simplificar, eu acho; poderia haver mais — entre as branas de fronteira, que pode se mover “no volume” (no espaço-tempo completo de “5 dimensões”). (Alternativamente, você talvez consiga evitá-la; é possível que uma brana de volume se desprenda da brana oculta.) Eventualmente ela colide com nossa brana, fundindo-se a ela e desencadeando (o que percebemos em nosso universo como) um “Big Bang”.

Para mim, o cenário ekpirótico parece meio artificial — não sabemos se nosso universo deve ser assim; nada na teoria das cordas sugere que essa condição inicial deva ser provável. (Embora se isso pareça acontecer, o cenário descrito pode ocorrer se a teoria das cordas estiver certa.) Neste ponto, é realmente apenas uma “prova de conceito”, tentando mostrar que outras alternativas são possíveis.

Além disso, um artigo que apareceu não muito tempo depois dessa proposta original (http://arXiv.org/abs/hep-th/0104073) afirma que o cenário ekpirótico tem graves problemas de ajuste fino. Assim, pode ser apenas mais uma das inúmeras ideias engenhosas de curta duração que parecem interessantes agora apenas porque ainda não houve tempo para serem completamente refutadas.

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Em resumo: a maioria das propostas sobre a origem do universo elimina a singularidade do Big Bang como “a origem do universo”, ou torna-a irrelevante. Geralmente, havia algo antes do universo e (por uma razão ou outra) os efeitos de gravidade quântica começaram a dominar e produziram um “Big Bang”, e/ou os efeitos quânticos no “Big Bang” fazem com que a frase “antes do Big Bang” não faça realmente sentido (ela pressupõe noções clássicas de espaço e tempo). Ou talvez tenha havido alguma coisa antes do Big Bang, e os efeitos de espaço-tempo da gravidade quântica pura não foram responsáveis pelo Big Bang; pode ter sido um evento de inflação ou colisão de branas ou algo do tipo, e o que ocorreu no universo antes disso pode não ter relevância para fazer predições sobre o universo observável.

As propostas variam no uso de conhecimento de gravidade quântica, da inflação (pouco ou nada) à cosmologia quântica padrão (um pouco) à cosmologia quântica em loop (muito) até a teoria das cordas (depende de onde você traça a linha entre “gravidade quântica” e “todo o resto” em uma teoria de campos unificada, mas eu diria “um pouco” a “muito”). Eu diria que não podemos dizer de forma definitiva qualquer coisa sobre as origens do “universo verdadeiro” — significando modelos em que nosso universo é apenas um subconjunto de algo maior, assim como aqueles em que é o todo — sem uma teoria sólida de gravidade quântica, embora não seja necessário para explicar o “universo observável” e o que percebemos como “o Big Bang”.

A maioria dessas propostas parece bem exótica, mas isso não é surpreendente; quando se misturam incerteza quântica com noções de espaço, tempo e causalidade, coisas altamente não intuitivas tendem a acontecer. Deve ser notado que a maior parte delas não foram “inventadas” de forma ad hoc para ter as propriedades que têm (como eliminar a necessidade de dados iniciais, ou eliminar a singularidade, ou qualquer coisa), mas são consequências de extensões naturais e frequentemente conservadoras da física conhecida (embora muitas vezes dentro de aproximações incertas).

Também deve ser notado, porém, que há boa chance de evidência observacional direta de que, se houve algo ou qualquer coisa, tenha acontecido antes do Big Bang ser muito difícil ou fundamentalmente impossível de se obter — ao menos no futuro próximo. (A evidência indireta pode aparecer, mas não estou apertando os dedos por evidência direta.)

Agora para um tema pouco relacionado à física pertinente ao talk.origins — estou certo de que isto é o que os teístas esperam para intervir, apontando para um “fracasso da ciência”, então direi apenas:

(1) Como Guth, não considero fracasso da ciência o fato de não observarmos algo, desde que consigamos prever que não devemos observar essa coisa, e desde que nossas teorias tenham outras predições testadas. Não há requisito na ciência ou na natureza de que os experimentos humanos precisem ser capazes de revelar tudo sobre o universo, ou de que as mentes humanas sejam mesmo capazes de compreender as leis da física, ou de descobri-las se forem compreensíveis. (Isso também não implica que a religião possa oferecer essas coisas.) Se podemos compreender o universo e obter evidência sobre suas origens, podemos simplesmente ter tido sorte por viver em um universo cuja leis permitam isso.

(2) É uma falsa dicotomia pensar que, se uma teoria científica dada não consegue explicar algo ou ser verificada, isso implica que uma explicação teística seja mais provável. A suposição padrão não é “se a ciência não consegue explicar, [insira religião aqui] explica”. A suposição padrão é “não sabemos como isso aconteceu”, e é preciso fornecer evidência *a favor* de algo (e, de preferência, mas não necessariamente, *contra* alternativas concorrentes) para que tenha mérito.

Exemplo: testemunhe a história repleta de coisas inexplicadas que as pessoas originalmente proporam soluções teístas, por exemplo o tempo atmosférico, as origens da vida, a formação da Terra, a natureza de objetos astronômicos e “os céus”, etc. Explicações teístas acabaram tendendo a não perdurar como explicações de fenômenos observados, mesmo quando não havia nenhuma explicação concorrente (científica ou não) durante centenas ou milhares de anos. A maioria foi substituída por explicações científicas, e mesmo que nem todas tenham sido substituídas, isso de forma alguma sugere que as explicações teístas remanescentes provavelmente estejam corretas.

Isso se relaciona a um equívoco comum teísta de que os “evolucionistas ateus” aderem às suas teorias por algum desejo de “fugir de Deus”. Além do fato de que a maioria dos “evolucionistas” (e possivelmente a maioria dos cosmólogos) provavelmente é cristã, penso que, se você perguntasse à maioria dos ateus, eles diriam que suas crenças científicas são independentes de suas crenças religiosas.

Ou seja, mesmo que toda teoria científica conhecida fosse repentinamente falsificada amanhã, isso não significaria que cientistas ateus se tornariam repentinamente religiosos, porque seu ateísmo tem a ver com a *ausência* de evidência específica para o teísmo em vez da *presença* de uma explicação científica concorrente; falsificar uma explicação científica não produz de repente nova evidência favorável a uma explicação teísta. Na ausência de evidência científica ou teísta, o ateu voltaria à suposição padrão de “não sei”, em vez de mudar para uma explicação teísta. Seria necessária nova evidência especificamente favorável a uma explicação teísta — e, em particular, uma explicação preditiva específica, não uma “os deuses criaram o universo” genérica — para que isso ocorresse.