O universo
é bem grande.
Vivemos em uma galáxia, a Via-Láctea.
Há cerca de cem bilhões de estrelas na Galáxia Via-Láctea.
E se você pegar uma câmera
e apontar para uma parte qualquer do céu,
e deixar o obturador aberto,
contanto que sua câmera esteja anexada ao Telescópio Espacial Hubble,
verá algo assim.
Cada um desses borrões
é uma galáxia mais ou menos do tamanho da Via-Láctea -
cem bilhões de estrelas em cada um desses borrões.
Há aproximadamente cem bilhões de galáxias
no universo observável.
Cem bilhões é o único número que você precisa saber.
A idade do universo, entre agora e o Big Bang,
é cem bilhões em anos de cachorro.
(Risos)
O que diz algo sobre o nosso lugar no universo.
Uma coisa que você pode fazer com uma foto dessas é simplesmente admirá-la.
É extremamente linda.
Eu sempre me perguntei qual é a pressão evolucionária
que fez nossos ancestrais nas savanas se adaptarem e evoluírem
para realmente gostar de fotos das galáxias
quando não tinham tais fotos.
Mas também gostaríamos de entender.
Sendo um cosmólogo, eu quero perguntar, por que o universo é assim?
Uma grande pista que temos é que o universo está mudando com o tempo.
Se você olhasse para uma das galáxias e medisse sua velocidade,
ela estaria se movendo para longe de você.
E se você olhar a para uma galáxia ainda mais distante,
estaria se movendo ainda mais rápido.
Então dizemos que o universo está expandindo.
Isso significa, é claro, que no passado,
as coisas estavam mais próximas.
No passado, o universo era mais denso,
e também era mais quente.
Se você comprime coisas, a temperatura aumenta.
Isso faz um certo sentido para nós.
O que não faz tanto sentido
é que o universo, no início dos tempos, perto do Big Bang,
era também muito homogêneo.
Talvez isso não seja uma surpresa.
O ar neste recinto é bem homogêneo.
Vocês podem pensar, "Talvez as coisas se homogenizem por conta própria."
Mas as condições perto do Big Bang eram muito diferentes
das condições do ar desta sala.
Em particular, as coisas eram muito mais densas.
A força gravitacional das coisas
era muito mais forte perto do Big Bang.
Vocês têm que pensar que
temos um universo com cem bilhões de galáxias,
cem bilhões de estrelas em cada.
No início, essas cem bilhões de galáxias
estavam comprimidas em uma região mais ou menos desse tamanho -
literalmente, no início.
E é preciso imaginar fazer essa compressão
sem quaisquer imperfeições,
sem quaisquer pontos
onde existiam mais átomos do que em outro lugar.
Pois se tivesse havido, eles entrariam em colapso por causa da força da gravidade
e se tornariam um enorme buraco negro.
Manter o universo tão homogêneo no início
não é fácil, é um arranjo delicado.
É uma pista
de que o começo do universo não é escolhido ao acaso.
Há algo que o fez dessa maneira.
Nós gostaríamos de saber o quê.
Parte do nosso entendimento nos foi dado por Ludwig Boltzmann,
um físico austríaco, no século 19.
E a contribuição de Boltzmann foi que ele ajudou a entendemos entropia.
Vocês já ouviram falar de entropia.
É o aleatório, a desordem, o caos de alguns sistemas.
Boltzmann nos deu uma fórmula -
gravada no seu túmulo agora -
que quantifica o que é entropia.
E basicamente diz
que entropia são as diferentes maneiras
em que podemos rearranjar os constituintes de um sistema para que não se note,
para que macroscopicamente pareça o mesmo.
Se considerarmos o ar desta sala,
não notamos cada um dos átomos.
Uma configuração de baixa entropia
é onde há somente poucos arranjos que se assemelhem.
Uma disposição de alta entropia
é onde há muitos arranjos que se assemelhem.
E este é um conceito de crucial importância,
porque ajuda a explicar
a segunda lei da termodinâmica -
a lei que diz que a entropia aumenta no universo,
ou em uma parte isolada do universo.
A razão por que a entropia aumenta
é simplesmente porque há muito mais maneiras
de se ter alta entropia do que baixa entropia.
Esta é uma noção maravilhosa,
mas deixa algo de fora.
Essa percepção de que a entropia aumenta, por sinal,
é o que está por trás do que chamamos de flecha do tempo,
a diferença entre o passado e o futuro.
Cada diferença que há
entre o passado e o futuro
é porque a entropia aumenta -
o fato de que você consegue lembrar do passado, mas não do futuro.
O fato que de você nasce, e vive, e morre,
sempre nessa ordem,
é porque a entropia está aumentando.
Boltzmann explicou que se você começar com baixa entropia,
é muito natural que ela aumente,
porque há mais maneiras de se ter alta entropia.
O que ele não explicou
foi porque a entropia era baixa em primeiro lugar.
O fato de que a entropia do universo era baixa
foi um reflexo do fato
de que o início do universo era muito homogêneo.
Gostaríamos de entender isso.
Este é nosso trabalho como cosmólogos.
Infelizmente, não é na verdade um problema
para o qual estamos dando atenção.
Não é uma das primeiras coisas que as pessoas diriam,
se perguntassem para um cosmólogo moderno,
"Quais são os problemas com que estamos tentando lidar?"
Uma das pessoas que entendeu que isso era um problema
foi Richard Feynman.
50 anos atrás, ele deu uma série de diferentes palestras.
Ele deu as palestras populares
que se tornaram "O Caráter da Lei da Física."
Ele deu palestras para alunos da Caltech
que se tornaram "As Palestras de Feynman sobre Física."
Ele deu palestras para alunos da graduação da Caltech
que se tornaram "As Palestras de Feynman sobre Gravitação."
Em todos esses livros, todas essas sérias de palestras,
ele enfatizou este enigma:
"Por que o início do universo teve uma entropia tão baixa?"
Ele diz - eu não vou fazer o sotaque -
ele diz, "Por alguma razão, o universo, em algum momento,
teve uma entropia muito baixa para seu conteúdo de energia,
e a partir daí a entropia aumentou.
A flecha do tempo não pode ser totalmente compreendida
até que o mistério do começo da história do universo
seja reduzido ainda mais
da especulação para entendimento."
Este é o nosso trabalho.
Queremos saber - isso foi há 50 anos, "Certo," vocês pensam,
"nós já entendemos agora."
Não é verdade que já entendemos agora.
A razão pela qual o problema piorou,
ao invés de melhorar,
é porque em 1998
aprendemos algo crucial sobre o universo que não sabíamos.
Aprendemos que ele está acelerando.
O universo não está só expandindo.
Se olharmos para a galáxia, está se afastando.
Se voltarmos um bilhão de anos mais tarde e olharmos de novo,
vai estar se afastando mais rápido.
Galáxias individuais estão se afastando de nós cada vez mais rápido.
Então dizemos que o universo está acelerando.
Diferente da baixa entropia do início do universo,
embora não saibamos a resposta para isso,
pelo menos temos uma boa teoria que a possa explicar,
se a teoria estiver certa,
e esta é a teoria da energia escura.
É a ideia de que o espaço vazio por si só tem energia.
Em cada centímetro cúbico de espaço,
com ou sem coisas,
com ou sem partículas, matéria, radiação ou o que seja,
ainda há energia, mesmo no espaço em si.
E essa energia, de acordo com Einstein,
exerce uma força no universo.
É um impulso perpétuo
que força as galáxias para longe umas das outras.
Porque a energia escura, diferente da matéria e da radiação,
não se dilui à medida que o universo expande.
A quantidade de energia em cada centímetro cúbico
permanece a mesma,
mesmo que o universo se torne cada vez maior.
Isso tem implicações cruciais
sobre o que o universo vai fazer no futuro.
Uma coisa é certa, o universo vai se expandir para sempre.
Quando eu era da idade de vocês,
não sabíamos o que o universo iria fazer.
Algumas pessoas achavam que iria entrar em colapso novamente no futuro.
Einstein gostava dessa ideia.
Mas há energia escura, e a energia escura não desaparece,
o universo vai continuar expandindo para todo o sempre.
14 bilhões de anos no passado,
100 bilhões de anos de cachorro,
mas um número infinito de anos no futuro.
Enquanto isso, para todas as intenções e propósitos,
o espaço parece finito.
O espaço pode ser finito ou infinito,
mas porque o universo está acelerando,
há partes que não podemos ver
e nunca veremos.
Há uma região finita de espaço à qual temos acesso,
cercada por um horizonte.
Então mesmo que o tempo continue para sempre,
espaço é limitado para nós.
Finalmente, espaço vazio tem uma temperatura.
Nos anos 70, Stephen Hawking nos disse
que um buraco negro, embora pensem que é negro,
na verdade emite radiação,
se levarmos em conta a mecânica quântica.
A curvatura do espaço-tempo em volta do buraco negro
traz à tona a flutuação da mecânica quântica,
e o buraco negro emite radiação.
Um cálculo precisamente similar por Hawking e Gary Gibbons
mostrou que, se você tiver energia escura em espaço vazio,
então todo o universo emite radiação.
A energia do espaço vazio
traz à tona flutuações quânticas.
Então mesmo que o universo dure para sempre,
e matéria comum e radiação vão se diluir,
sempre haverá radiação,
algumas flutuações térmicas,
mesmo em espaço vazio.
Isso significa que
o universo é como uma caixa de gás
que dura para sempre.
Qual é a implicação disso?
Essa implicação foi estudada por Boltzmann no século 19.
Ele disse, bem, a entropia aumenta
porque há muito mais maneiras
do universo ter alta entropia ao invés de baixa entropia.
Mas esta é uma afirmação probabilística.
Provavelmente vai aumentar,
e a probabilidade é extremamente alta.
Não é algo para se preocupar -
o ar nesta sala se acumulando em um canto e sufocando a todos.
É muito improvável.
Exceto se trancarem as portas
e nos manterem aqui literalmente para sempre,
isso aconteceria.
Tudo que é permitido,
cada configuração que é permitida ser obtida pelas moléculas neste recinto,
será em algum ponto obtida.
Então Boltzmann diz, veja, podemos começar com o universo
que estava em equilíbrio térmico.
Ele não sabia sobre o Big Bang. Ele não sabia sobre a expansão do universo.
Ele achava que o espaço e o tempo foram explicados por Isaac Newton -
eles eram absolutos; estavam lá para sempre.
Então sua ideia de um universo natural
era que as moléculas do ar estavam espalhadas uniformemente por toda a parte -
as moléculas de tudo.
Mas se você é Boltzmann, você sabe que, se esperar o tempo certo,
as flutuações aleatórias dessas moléculas
vão ocasionalmente levá-las
a configurações de baixa entropia.
E então, claro, no curso natural das coisas,
elas vão tornar a se expandir.
Então não é que entropia deva sempre aumentar -
pode haver flutuações para baixa entropia,
situações mais organizadas.
Bem, se isso for verdade,
Boltzmann então inventa
duas ideias que soam bem modernas -
o multiverso e o princípio antrópico.
Ele diz que o problema com equilíbrio térmico
é que nós não podemos viver ali.
Lembrem, a vida em si depende da flecha do tempo.
Não seríamos capazes de processar informações,
metabolizar, andar e falar,
se vivêssemos em equilíbrio térmico.
Então se imaginarem um universo muito grande,
infinitamente grande,
com partículas batendo umas nas outras aleatoriamente,
haverá ocasionalmente pequenas flutuações em estados de baixa entropia,
e então elas relaxam de volta.
Mas também haverá grandes flutuações.
Ocasionalmente, se fará um planeta
ou uma estrela ou uma galáxia
ou cem bilhões de galáxias.
Então Boltzmann diz que
nós só viveremos na parte do multiverso,
na parte deste grupo infinitamente grande de partículas de flutuação,
onde a vida é possível.
Nessa região a entopia é baixa.
Talvez nosso universo seja uma dessas coisas
que acontecem de tempos em tempos.
Agora, o dever de casa de vocês
é realmente pensar sobre isso, contemplar o que isso significa.
Carl Sagan disse uma vez que
"para se fazer uma torta de maçã,
é preciso primeiro inventar o universo."
Mas ele não estava certo.
No cenário de Boltzmann, se você quer fazer uma torta de maçã,
você só espera pelo movimento aleatório dos átomos
para fazer a torta de maçã.
Isso vai acontecer com muito mais frequência
do que movimentos aleatórios de átomos
fazendo um pomar
e açúcar e um forno,
e então fazer uma torta de maçã.
Então esse cenário faz previsões.
E as previsões são que
as flutuações que nos fazem são mínimas.
Mesmo que vocês imaginem que esta sala em que estamos
exista e seja real e aqui estamos,
e que temos, não somente lembranças,
mas nossa impressão de que há algo lá fora
chamado Caltech e Estados Unidos e a Via Láctea,
é muito mais fácil que todas essas impressões flutuem aleatoriamente no seu cérebro
do que na verdade aleatoriamente flutuarem
em uma Caltech, em um Estados Unidos e em uma galáxia.
A boa notícia é que
portanto esse cenário não funciona; não é correto.
Esse cenário prevê que devemos ser uma flutuação mínima.
Mesmo que deixássemos nossa galáxia de fora,
não teríamos cem bilhões de outras galáxias.
E Feynman também entendeu isso.
Feynman diz, "Da hipótese de que o mundo é uma flutuação,
todas as previsões são que,
se olhássemos para uma parte do mundo que nunca vimos antes,
encontraríamos mistura, e não como o pedaço que recém olhamos -
alta entropia.
Se nossa ordem fosse propensa a uma flutuação,
não esperaríamos ordem em qualquer outro lugar além de onde recém notamos.
Então concluímos que o universo não é uma flutuação."
Então isso é bom. A pergunta é 'qual é a resposta certa?'
Se universo não é uma flutuação,
porque o início do universo tinha baixa entropia?
E eu adoraria lhes dizer a resposta, mas o tempo está acabando.
(Risos)
Aqui está o universo sobre o qual é falado,
versus o universo que realmente existe.
Eu já mostrei essa foto.
O universo está se expandindo há cerca de 10 bilhões de anos.
Está esfriando.
Mas sabemos o suficiente sobre o futuro do universo
para dizer muito mais.
Se a energia escura permanecer,
as estrelas ao nosso redor vão usar todo seu combustível nuclear, vão parar de queimar.
Vão cair em buracos negros.
Vamos viver em um universo
sem nada dentro, além de buracos negros.
Esse universo vai durar 10 elevado a 100 anos -
muito mais do que o nosso pequeno universo.
O futuro é muito mais longo do que o passado.
Mas mesmo buracos negros não duram para sempre.
Eles vão evaporar,
e eles ficarão sem nada além de espaços vazios.
O espaço vazio essencialmente dura para sempre.
No entanto, você pensa, já que o espaço vazio emite radiação,
há na verdade flutuações térmicas,
e passa por um ciclo
de diferentes combinações possíveis
de graus de liberdade que existem em espaço vazio.
Então mesmo que o universo dure para sempre,
há somente um número finito de coisas
que podem acontecer com o universo.
Elas acontecem por um período de tempo
igual a 10 elevado a 10 elevado a 120 anos.
Então aqui vai duas perguntas para vocês.
Primeira: Se o universo dura por 10 elevado a 10 elevado a 120 anos,
por que nascemos
nos primeiros 14 bilhões de anos dele,
no quente e confortável resultado do Big Bang?
Por que não estamos em um espaço vazio?
Talvez digam, "Bem, não há nada lá para viver,"
mas isso não está certo.
Você pode ser uma flutuação aleatória do nada.
Por que não é?
Mais dever de casa para vocês.
Como eu disse, eu não sei a resposta.
Eu vou dar o meu cenário favorito.
Pode ser simplesmente isso, não há explicação.
É um fato bruto sobre o universo
que você deva aprender a aceitar e parar de fazer perguntas.
Ou talvez o Big Bang
não seja o começo do universo.
Um ovo, um ovo intacto, é uma configuração de baixa entropia,
mas quando abrimos nosso refrigerador,
não falamos, "Ah, que surpresa encontrar
essa configuração de baixa entropia no refrigerador."
Isso porque um ovo não é um sistema fechado;
vem de uma galinha.
Talvez o universo venha de uma galinha universal.
Talvez haja algo que naturalmente,
através do crescimento das leis da física,
dê origem a um universo como o nosso
em configurações de baixa entropia.
Se fosse verdade, aconteceria mais de uma vez;
seríamos parte de um multiverso muito maior.
Este é o meu cenário favorito.
Os organizadores me pediram para terminar com uma especulação ousada.
Minha especulação ousada
é que serei absolutamente inocentado pela história.
E daqui a 50 anos,
todas as minhas ideias loucas serão aceitas como verdades
pelas comunidades científicas e externas.
Vamos todos acreditar que nosso pequeno universo
é só uma pequena parte de um multiverso muito maior.
E muito melhor, vamos entender o que aconteceu no Big Bang
em termos de teoria
que seremos capazes de comparar as observações.
Isto é uma previsão. Eu posso estar errado.
Mas temos pensado como uma raça humana
sobre o como era o universo,
por que ele veio a ser da maneira que foi por muitos anos.
É empolgante pensar que talvez possamos saber a resposta algum dia.
Obrigado.
(Aplausos)