Inside Science Minds apresenta uma série de colunistas convidados e perspectivas pessoais apresentadas por cientistas, engenheiros, matemáticos e outros membros da comunidade científica que expõem as ideias mais interessantes na ciência atual. 

Imagem em tamanho original Nikodem Poplawski exibe um “tornado em um tubo”. A garrafa de cima simboliza um buraco negro, os gargalos conectados representam um “buraco de verme” e a garrafa de baixo simboliza o universo em expansão no recém-formado outro lado do buraco de verme. Crédito: Cortesia da Universidade de Indiana.

(ISM) – Nosso universo pode existir dentro de um buraco negro. Isso pode soar estranho, mas pode ser realmente a melhor explicação de como o universo começou e daquilo que observamos hoje. É uma teoria que vem sendo explorada nas últimas décadas por um pequeno grupo de cientistas, inclusive eu.

Em que pese seu sucesso, existem questões importantes não solucionadas pela teoria-padrão do Big Bang, a qual implica que o universo começou em uma “singularidade” aparentemente impossível, um ponto infinitamente pequeno que continha uma concentração de matéria infinitamente grande, que se expandiu até o tamanho que observamos hoje. A teoria da inflação, uma expansão super-rápida do espaço que foi proposta nas recentes décadas, preenche várias lacunas importantes, tais como por que pequenas irregularidades na concentração da matéria do universo primordial coalesceram em grandes corpos celestes tais como galáxias e aglomerados de galáxias.

No entanto, essas teorias deixam algumas importantes perguntas sem respostas. Por exemplo: O que deu início ao Big Bang? O que fez a inflação terminar? Qual é a fonte da misteriosa energia escura que aparentemente está fazendo o universo acelerar sua expansão?

A ideia de que nosso universo está contido inteiramente em um buraco negro, fornece respostas para esses problemas e muitos outros. Ela elimina a noção de singularidades fisicamente impossíveis em nosso universo. E ela é compatível com as duas principais teorias na física.

A primeira é a Relatividade Geral, a moderna teoria da gravidade. Ela descreve o universo nas maiores escalas. Qualquer evento no universo acontece em um ponto do espaço e do tempo, ou espaço-tempo. Um objeto maciço como o Sol distorce ou “curva” o espaço-tempo, tal como uma bola de boliche em repouso sobre uma lona. A mossa gravitacional causada pelo Sol altera o movimento da Terra e dos outros planetas que o orbitam. Esse “puxão” do Sol é percebido por nós como a força da gravidade.

A segunda é a mecânica quântica, que descreve o universo nas menores escalas, tais como o nível dos átomos. No entanto, a mecânica quântica e a relatividade geral são, atualmente, duas teorias separadas. Os físicos se esforçam em tentar combinar as duas em uma única teoria de “gravidade quântica”, de forma a descrever adequadamente fenômenos importantes, inclusive o comportamento de partículas subatômicas dentro dos buracos negros.

Uma adaptação, da década de 1960, da relatividade geral, chamada a teoria da gravidade Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, leva em conta os efeitos da mecânica quântica. Ela não só representa um passo na direção da gravidade quântica, como também leva a um quadro alternativo do universo. Esta variante da relatividade geral incorpora uma importante propriedade quântica, conhecida como spin. As partículas tais como elétrons e átomos possuem spin, o momento angular interno que é análogo à rotação de um patinador que gira no gelo.

Neste quadro, os spins das partículas interagem com o espaço-tempo e o dotam de uma propriedade chamada “torção”. Para entender o que é “torção”, imagine o espaço-tempo não como uma lona bidimensional, mas como uma haste flexível unidimensional. Dobrar a haste corresponder a encurvar o espaço-tempo e torcer a haste corresponde a uma torção no espaço-tempo. Se haste for fina, você pode ver ela dobrada, mas é muito difícil saber se a haste está ou não torcida.

A torção no espaço-tempo só seria significativa no universo primordial, ou em buracos negros. Nesses ambientes extremos, a torção do espaço-tempo se manifestaria como uma força repulsiva que atuaria em sentido contrário à força gravitacional da curvatura do espaço. Tal como na versão padrão da relatividade geral, as estrelas muito maciças acabam colapsando em buracos negros: regiões do espaço de onde nada, nem mesmo a luz, pode escapar.

Então, aqui está como a torção funcionaria nos momentos inciais de nosso universo dentro de um buraco negro. Inicialmente, a atração gravitacional entre as partículas suplantaria as forças repulsivas da torção, fazendo com que a matéria colapsasse em uma região menor ainda do espaço. Mas eventualmente a torção se tornaria muito forte e impediria que a matéria se comprimisse até um ponto de densidade infinita. Não obstante, a matéria ainda estaria aglomerada em um estado de alta densidade. A enormemente alta energia gravitacional neste estado altamente aglomerado da matéria causaria uma intensa produção de partículas, uma vez que a energia pode ser convertida em matéria. Esse processo aumentaria ainda mais a massa no interior do buraco negro.

O número crescente de partículas com spin resultaria em níveis maiores de torção do espaço-tempo. A torção repulsiva frearia o colapso e criaria um big-bounce [nota do tradutor: não dá para traduzir… “bounce” é o “quique”, o movimento de volta de, por exemplo, uma bola que bate em uma parede], tal como uma bola de futebol que tenha sido espremida e escape. O rápido recuo depois de um tal big bounce poderia ser o que levou à nosso universo em expansão. O resultado desse recuo é compatível com as observações sobre o formato, a geometria e a distribuição de massas do universo.

Por sua vez, o mecanismo de torção sugere um espantoso cenário: cada buraco negro produziria um novo universo dentro dele. Se isso for verdade, então a primeira matéria de nosso universo veio de algum outro lugar. Então, nosso universo pode estar no interior de um buraco negro que existe em outro universo. Da mesma forma que não podemos ver o que acontece dentro de um buraco negro no cosmos, quaisquer observadores no universo original não poderiam observar o que acontece no nosso.

O movimento da matéria através da fronteira do buraco negro, chamada de “horizonte de eventos”, somente aconteceria em uma direção, o que forneceria uma direção para o tempo que nós percebemos como se movendo “para a frente”. A seta do tempo em nosso universo, portanto, seria herdada, através da torção, de nosso universo original.

A torção também pode explicar o desequilíbrio observado entre matéria e antimatéria no universo. Por causa da torção, a matéria sempre decairia nos familiares quarks e elétrons, e a antimatéria decairia em “matéria escura”, uma forma misteriosa e invisível de matéria que parece ser responsável pela maior parte da matéria do universo.

Imagem em tamnho original No centro da galáxia espiral M81 fica um buraco negro super maciço com cerca de 70 milhões de vezes a massa de nosso Sol. Crédito: X-ray: NASA / CXC / Wisconsin /D.Pooley & CfA / .Zezas; Optical: NASA/ESA/CfA/A.Zezas; UV: NASA/JPL-Caltech/CfA/J.Huchra et al.; IR: NASA/JPL-Caltech/CfA Credit: NASA et al.

Finalmente, a torção pode ser a fonte da “energia escura”, uma forma misteriosa de energia que permeia todo o espaço e aumenta a taxa de expansão de nosso universo. Uma geometria com torção produz naturalmente uma “constante cosmológica”, um tipo de força adicional que é a maneira mais simples de  explicar a energia escura. Dessa forma, a observada aceleração da expansão do universo pode acabar sendo o maior indício em favor da torção.

Portanto a torção propicia um fundamento teórico para um cenário onde o interior de cada buraco negro se torna um novo universo. Ela também parece um remédio para vários dos maiores problemas atuais da teoria da gravidade e da cosmologia. Os físicos ainda precisam combinar a teoria Einstein-Cartan-Sciama-Kibble inteiramente com a mecânica quântica, para formar uma teoria da gravidade quântica. E, embora resolva algumas questões importantes, ela levanta outras novas. Por exemplo, o que o que sabemos sobre o universo original e o buraco negro dentro do qual nosso universo reside? Quantas camadas de universos originais poderíamos ter? Como podemos verificar se nosso universo existe dentro de um buraco negro?

Essa última pergunta pode potencialmente ser investigada: uma vez que todas as estrelas e, por consequência, todos os buracos negros giram, nosso universo teria herdado a direção de rotação de nosso buraco negro como “direção preferencial”. Existem indícios recentemente revelados, a partir da observação de mais de 15.000 galáxias, que em um hemisfério do universo a maioria das galáxias espirais é “levógira” (gira para a esquerda), ou seja: gira no sentido dos ponteiros do relógio, enquanto que no outro hemisfério existem mais galáxias “destrógiras” – giram no sentido anti-horário. Seja qual for o caso, eu acredito que incluir a torção na geometria do espaço-tempo é um passo correto na direção de uma teoria cosmológica bem sucedida.

Nikodem Poplawski é um físico teórico da Universidade de Indiana.