Multiverso Nível I: Regiões Infinitas e Seu Gêmeo Cósmico

Vamos retornar ao seu gêmeo distante. Se o espaço é infinito e a distribuição de matéria é suficientemente uniforme em grandes escalas, então até os eventos mais improváveis devem ocorrer em algum lugar. Em particular, existem infinitos outros planetas habitados, incluindo não apenas um, mas infinitos com pessoas com a mesma aparência, nome e memórias que você. De fato, existem infinitas outras regiões do tamanho do nosso universo observável, onde cada história cósmica possível é representada. Este é o multiverso de Nível I.

Embora as implicações possam parecer loucas e contraintuitivas, este modelo cosmológico espacialmente infinito é, de fato, o mais simples e popular no mercado atualmente. Faz parte do modelo de concordância cosmológica, que concorda com todas as evidências observacionais atuais e é usado como base para a maioria dos cálculos e simulações apresentados em conferências de cosmologia. Em contraste, alternativas como um universo fractal, um universo fechado e um universo multiplamente conectado foram seriamente desafiadas por observações. No entanto, a ideia do multiverso de Nível I tem sido controversa (de fato, uma afirmação nesse sentido foi uma das heresias pelas quais o Vaticano queimou Giordano Bruno na fogueira em 1600†), então vamos revisar o status das duas premissas (espaço infinito e distribuição “suficientemente uniforme”).

Quão grande é o espaço? Observacionalmente, o limite inferior cresceu dramaticamente, sem qualquer indicação de um limite superior. Todos nós aceitamos a existência de coisas que não podemos ver, mas poderíamos ver se nos movêssemos ou esperássemos, como navios além do horizonte. Objetos além do horizonte cósmico têm status semelhante, já que o universo observável cresce um ano-luz a cada ano, à medida que a luz de mais longe tem tempo para nos alcançar‡. Como todos nós aprendemos sobre o espaço euclidiano simples na escola, pode ser difícil imaginar como o espaço não poderia ser infinito — pois o que estaria além da placa dizendo “O ESPAÇO TERMINA AQUI — CUIDADO COM O BURACO”? No entanto, a teoria da gravidade de Einstein permite que o espaço seja finito ao ser conectado de forma diferente do espaço euclidiano, digamos, com a topologia de uma esfera quadridimensional ou uma rosquinha, de modo que viajar longe em uma direção pode trazê-lo de volta da direção oposta. O fundo cósmico de micro-ondas permite testes sensíveis de tais modelos finitos, mas até agora não produziu suporte para eles — modelos planos infinitos se encaixam bem nos dados e limites fortes foram colocados tanto na curvatura espacial quanto nas topologias multiplamente conectadas. Além disso, um universo espacialmente infinito é uma previsão genérica da teoria cosmológica da inflação (Garriga & Vilenkin 2001b). Os sucessos marcantes da inflação listados abaixo, portanto, dão mais suporte à ideia de que o espaço é, afinal, simples e infinito, assim como aprendemos na escola.

Quão uniforme é a distribuição de matéria em grandes escalas? Em um modelo de “universo ilha”, onde o espaço é infinito, mas toda a matéria está confinada a uma região finita, quase todos os membros do multiverso de Nível I estariam mortos, consistindo em nada além de espaço vazio. Tais modelos têm sido populares historicamente, originalmente com a ilha sendo a Terra e os objetos celestes visíveis a olho nu, e no início do século 20 com a ilha sendo a parte conhecida da Via Láctea. Outra alternativa não uniforme é um universo fractal, onde a distribuição de matéria é auto-semelhante e todas as estruturas coerentes na distribuição cósmica de galáxias são meramente uma pequena parte de estruturas coerentes ainda maiores. Os modelos de ilha e universo fractal foram ambos demolidos por observações recentes, conforme revisado em Tegmark (2002). Mapas da distribuição tridimensional de galáxias mostraram que a espetacular estrutura em grande escala observada (grupos de galáxias, aglomerados, superaglomerados, etc.) dá lugar à uniformidade monótona em grandes escalas, sem estruturas coerentes maiores que cerca de 1024 m. Mais quantitativamente, imagine colocar uma esfera de raio R em vários locais aleatórios, medindo quanta massa M é encerrada cada vez e calculando a variação entre as medições, quantificada por seu desvio padrão ∆M. As flutuações relativas ∆M/M foram medidas como sendo da ordem da unidade na escala R ∼ 3 × 1023m, e caindo em escalas maiores. O Sloan Digital Sky Survey encontrou ∆M/M tão pequeno quanto 1% na escala R ∼ 1025 m e as medições do fundo cósmico de micro-ondas estabeleceram que a tendência à uniformidade continua até a borda do nosso universo observável (R ∼ 1027 m), onde ∆M/M ∼ 10−5. Excluindo teorias da conspiração onde o universo é projetado para nos enganar, as observações, portanto, falam alto e claro: o espaço como o conhecemos continua muito além da borda do nosso universo observável, repleto de galáxias, estrelas e planetas.

A descrição física do mundo é tradicionalmente dividida em duas partes: condições iniciais e leis da física que especificam como as condições iniciais evoluem. Observadores vivendo em universos paralelos no Nível I observam exatamente as mesmas leis da física que nós, mas com condições iniciais diferentes das do nosso volume de Hubble. A teoria atualmente favorecida é que as condições iniciais (as densidades e movimentos de diferentes tipos de matéria no início) foram criadas por flutuações quânticas durante a época da inflação (veja a seção 3). Este mecanismo quântico gera condições iniciais que são, para todos os efeitos práticos, aleatórias, produzindo flutuações de densidade descritas pelo que os matemáticos chamam de um campo aleatório ergódico.§ Ergódico significa que, se você imaginar gerar um conjunto de universos, cada um com suas próprias condições iniciais aleatórias, então a distribuição de probabilidade de resultados em um determinado volume é idêntica à distribuição que você obtém amostrando diferentes volumes em um único universo. Em outras palavras, significa que tudo o que em princípio poderia ter acontecido aqui, de fato, aconteceu em algum outro lugar.

A inflação, de fato, gera todas as condições iniciais possíveis com probabilidade não nula, sendo as mais prováveis quase uniformes com flutuações no nível de 10−5 que são amplificadas pelo agrupamento gravitacional para formar galáxias, estrelas, planetas e outras estruturas. Isso significa tanto que praticamente todas as configurações de matéria imagináveis ocorrem em algum volume de Hubble distante, quanto que devemos esperar que nosso próprio volume de Hubble seja razoavelmente típico — pelo menos típico entre aqueles que contêm observadores. Uma estimativa grosseira sugere que a cópia idêntica mais próxima 29 91 de você está a cerca de ∼ 1010 m de distância. A cerca de ∼ 1010 m de distância, deve haver uma esfera de raio de 100 anos-luz idêntica àquela centrada aqui, então todas as percepções que temos durante o próximo século serão idênticas às de nossos 115 homólogos lá. A cerca de ∼ 1010 m de distância, deve haver um volume de Hubble inteiro idêntico ao nosso.∗∗ Isso levanta um ponto filosófico interessante que voltará a nos assombrar na Seção V B: se houver realmente muitas cópias de “você” com vidas passadas e memórias idênticas, você não seria capaz de computar seu próprio futuro, mesmo que tivesse conhecimento completo de todo o estado do cosmos! A razão é que não há como você determinar qual dessas cópias é “você” (todas sentem que são). No entanto, suas vidas normalmente começarão a diferir eventualmente, então o melhor que você pode fazer é prever probabilidades para o que você experimentará a partir de agora. Isso mata a noção tradicional de determinismo.

Uma teoria do multiverso é uma questão de metafísica em vez de física? Como enfatizado por Karl Popper, a distinção entre os dois é se a teoria é empiricamente testável e falseável. Conter entidades não observáveis claramente não torna per se uma teoria não testável. Por exemplo, uma teoria que afirma que existem 666 universos paralelos, todos desprovidos de oxigênio, faz a previsão testável de que não devemos observar oxigênio aqui e, portanto, é descartada pela observação.

Como um exemplo mais sério, a estrutura do multiverso de Nível I é rotineiramente usada para descartar teorias na cosmologia moderna, embora isso raramente seja explicitado. Por exemplo, observações do fundo cósmico de micro-ondas (CMB) mostraram recentemente que o espaço quase não tem curvatura. Pontos quentes e frios em mapas do CMB têm um tamanho característico que depende da curvatura do espaço, e os pontos observados parecem muito grandes para serem consistentes com o modelo de “universo aberto” anteriormente popular. No entanto, o tamanho médio do ponto varia aleatoriamente ligeiramente de um volume de Hubble para outro, por isso é importante ser estatisticamente rigoroso. Quando os cosmólogos dizem que o modelo de universo aberto é descartado com 99,9% de confiança, eles realmente querem dizer que, se o modelo de universo aberto fosse verdadeiro, então menos de um em cada mil volumes de Hubble mostraria pontos do CMB tão grandes quanto os que observamos —, portanto, todo o modelo com todos os seus infinitos volumes de Hubble é descartado, mesmo que tenhamos, é claro, apenas mapeado o CMB em nosso próprio volume de Hubble particular.

A lição a aprender com este exemplo é que as teorias do multiverso podem ser testadas e falseadas, mas apenas se preverem o que é o conjunto de universos paralelos e especificarem uma distribuição de probabilidade (ou, mais geralmente, o que os matemáticos chamam de medida) sobre ele. Como veremos na Seção V B, este problema de medida pode ser bastante sério e ainda não foi resolvido para algumas teorias do multiverso.