O universo é infinito? A resposta fica estranha rapidamente.

Medições da luz ancestral da radiação cósmica de fundo sugerem que o universo é notavelmente plano. Mas isso não prova que ele seja infinito, porque o cosmos observável pode ser apenas uma pequena porção de um universo curvo muito maior.

Por Universe Today com informações de Science Daily.

A Terra tem uma superfície finita. Podemos medi-la e, se o próprio planeta estivesse em expansão, essa área superficial aumentaria com o tempo. Surpreendentemente, nosso planeta familiar também oferece uma maneira útil de pensar sobre algo muito mais difícil de compreender: como o universo poderia ser além da região que podemos observar.

A suposição mais simples é que, além do nosso horizonte cósmico, existe simplesmente mais universo. Mais estrelas. Mais galáxias. Mais vídeos de gatos gerados por IA. É semelhante a estar em algum lugar na Terra e presumir que, além do seu horizonte visível, ainda existe mais Terra.

Mas qual é a dimensão de todo o universo, incluindo tudo o que está além do que podemos ver?

A resposta frustrante é que talvez nunca saibamos.

Os Limites do Universo Observável

O limite do universo observável não é meramente a distância máxima que nossos telescópios conseguem alcançar atualmente. Ele representa um limite mais profundo sobre a quantidade de informação que pode chegar até nós. O universo contém uma quantidade finita de informação que pode se tornar acessível, mesmo que esperássemos por um tempo indefinidamente longo.

Além desse limite, ficamos apenas com a inferência e a especulação.

Uma possibilidade é simples: o universo é infinito. O espaço simplesmente continua para sempre, sem fim.

Mas outra possibilidade é que o universo seja finito.

Isso levanta imediatamente uma questão óbvia. Como algo pode ser finito sem ter uma borda?

A Terra oferece a resposta.

A superfície do nosso planeta tem uma área finita, contudo, alguém viajando por essa superfície jamais encontra um limite onde o solo termina abruptamente. Sim, a Terra tem uma borda se você deixar sua superfície na terceira dimensão e seguir para o espaço sideral, mas isso não vem ao caso. A própria superfície bidimensional é finita e não possui limites, pois se curva de volta ao seu contorno.

Como a geometria revela a curvatura

Não precisamos sair da Terra para provar que sua superfície é curva. A matemática nos oferece diversas maneiras de detectar a curvatura sem precisar sair da superfície.

Os triângulos são um exemplo. Em um plano perfeitamente plano, a soma dos três ângulos internos de um triângulo é igual a 180 graus. Obrigado, Euclides.

Mas imagine traçar linhas enormes entre três cidades muito distantes umas das outras na Terra. O triângulo resultante não se comportaria como um triângulo desenhado em uma folha de papel. Seus ângulos internos somariam mais de 180 graus porque a superfície abaixo dele é curva.

Linhas paralelas oferecem outra pista. Em um plano, linhas paralelas nunca se encontram. Em uma superfície curva, no entanto, linhas que começam paralelas podem eventualmente convergir.

Imagine que você e eu partimos de pontos diferentes ao longo da linha do Equador e viajamos diretamente para o norte. Eventualmente, nossos caminhos se encontram no Polo Norte. Nenhum de nós se virou para o outro. A superfície da Terra se curvou sob nossos pés.

Os astrônomos podem realizar testes geométricos semelhantes no próprio universo.

A luz ancestral testa a forma do espaço.

Uma das ferramentas mais poderosas vem da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou CMB.

Essa radiação ancestral foi liberada quando o universo primitivo esfriou o suficiente para que a luz pudesse viajar livremente através do que antes era um plasma quente e denso. Os cientistas compreendem grande parte da física de plasmas relevante (temos um bom entendimento de plasmas aqui na Terra), o que lhes permite prever quais padrões devem aparecer nesse brilho ancestral.

Essas previsões incluem pequenas variações de temperatura espalhadas por toda a CMB (Central Base Blanket).

E essas variações são exatamente o que os astrônomos observam.

Mais importante ainda, os cientistas podem calcular o tamanho aparente dessas manchas de temperatura. Se o espaço fosse fortemente curvado, a luz que viaja em nossa direção através de bilhões de anos-luz seguiria trajetórias alteradas. Essa distorção mudaria o tamanho aparente dos padrões.

Os astrônomos podem, portanto, comparar o tamanho observado das características da radiação cósmica de fundo com o tamanho previsto para diferentes geometrias cósmicas.

As características aparecem essencialmente na escala esperada para um espaço plano.

É por isso que os cientistas dizem que o universo parece ser geometricamente plano.

Então o mistério está resolvido? Um universo plano significa automaticamente um universo infinito?

Não exatamente.

Plano não significa necessariamente infinito.

Imagine tentar medir a curvatura da Terra estando confinado ao seu próprio bairro. A área pareceria quase plana. Pequenos triângulos se comportariam quase exatamente como Euclides previu, e pequenos caminhos paralelos não convergiriam de forma perceptível.

O problema não seria o fato de a Terra ser realmente plana. Sua área de medição seria simplesmente muito pequena em comparação com o tamanho do planeta.

Algo semelhante poderia ser verdade em relação ao universo.

Nossas medições se limitam ao cosmos observável. Dentro dessa enorme região, o espaço parece extremamente plano. Mas o universo além da nossa área observável pode ser vastamente maior.

É, portanto, possível que o universo tenha uma curvatura que se torna aparente apenas em escalas muito maiores do que aquelas às quais podemos ter acesso (eu sei que dezenas de bilhões de anos-luz não são exatamente insignificantes, mas são em comparação com o quão grande o universo PODERIA ser).

Se assim for, o espaço poderá eventualmente curvar-se de volta sobre si mesmo.

Em princípio, isso poderia significar que viajar continuamente em uma direção eventualmente o levaria de volta ao ponto de partida, assim como viajar ao redor da Terra pode trazê-lo de volta ao ponto inicial.

Na prática, a expansão do universo coloca regiões além do nosso horizonte cósmico permanentemente fora do nosso alcance, de modo que tal viagem permanece um experimento mental teórico.

Mas as coisas podem ficar ainda mais estranhas.

O Universo poderia ser plano e ainda assim se enrolar ao redor.

Um universo pode ser geometricamente plano sem ser infinito em todas as direções.

Para entender como, imagine uma folha de papel plana. Desenhe triângulos e linhas paralelas nela. Agora, dobre o papel formando um cilindro sem esticá-lo ou rasgá-lo.

Localmente, a geometria permanece plana. Os triângulos ainda se comportam como triângulos comuns, e as linhas paralelas ainda se comportam como linhas paralelas. No entanto, uma direção agora forma um laço.

Isso destaca a diferença entre geometria e topologia.

A geometria descreve propriedades como a curvatura. A topologia descreve a forma mais ampla como um espaço está conectado.

O universo observável parece geometricamente plano. Mas isso não nos diz automaticamente se uma ou mais dimensões podem se enrolar e se reconectar a si mesmas, permanecendo localmente planas.

A topologia permite algumas possibilidades muito estranhas.

Uma fita de Möbius pode ser criada conectando as extremidades de uma fita após introduzir uma torção. Uma garrafa de Klein pode ser considerada outra superfície conectada incomum. Cilindros, roscas, fitas de Möbius e garrafas de Klein podem ilustrar como espaços com geometria localmente plana podem ter estruturas gerais muito diferentes.

Em três dimensões, os matemáticos identificaram 17 topologias distintas que podem permanecer geometricamente planas. Um exemplo particularmente interessante é o espaço de Hantzsche-Wendt, que envolve estruturas repetidas relacionadas a padrões hexagonais.

Cientistas têm procurado por laços cósmicos

Os astrônomos têm buscado evidências de que o universo possui uma topologia fechada.

Uma estratégia é procurar padrões repetidos na radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Outra é buscar galáxias que possam aparecer em lugares diferentes em lados opostos do céu porque sua luz viajou através de um universo que se enrola sobre si mesmo.

Até o momento, os pesquisadores não encontraram evidências convincentes de que isso aconteça.

Com base em tudo o que podemos observar atualmente, o universo parece ser geometricamente plano e topologicamente simples. Em outras palavras, não há nenhum sinal detectado de que suas dimensões se sobreponham em um ciclo.

Mas, mais uma vez, nosso horizonte cósmico impõe uma limitação fundamental. Se a escala de qualquer movimento em forma de laço for maior que o universo observável, talvez nunca sejamos capazes de detectá-lo.

Isso significa que talvez nunca saibamos com certeza se o universo inteiro é infinito, finito, curvo ou conectado de alguma forma maior e mais estranha.

E depois há o multiverso.

Em algumas ideias cosmológicas, tudo o que chamamos de universo, incluindo regiões muito além do nosso horizonte observável, pode ser apenas uma bolha entre inúmeras outras. Essas bolhas poderiam se expandir umas em relação às outras, enquanto novas regiões passam por seus próprios começos semelhantes ao Big Bang.

Mas isso provavelmente já é geometria cósmica suficiente por hoje.

Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Universe Today . Texto original de Paul Sutter. Observação: o conteúdo pode ter sido editado para adequação ao estilo e tamanho.