Quando olhamos para o céu noturno através de vastas distâncias cósmicas usando nossos telescópios mais sensíveis e avançados, olhamos para trás no tempo. Einstein nos ensinou que a luz tem uma velocidade finita; portanto, leva levemente mais tempo para viajar até nós quanto mais longe se olha.
Graças a isso, os cosmólogos foram capazes de ver a luz que remonta a cerca de 14 bilhões de anos atrás. Essa luz revela algo espetacular e misterioso – o Universo é preenchido com um mar de energia, ondas de elétrons e fótons emaranhados na forma de um fluido quente, conhecido como plasma. Chamamos esse plasma de Fundo Cósmico de Micro-ondas (CMB).
Nós, cosmólogos, temos evidências teóricas e observacionais precisas de que esse plasma sofreu colapso gravitacional com a ajuda de uma forma invisível de matéria, chamada matéria escura, formando as primeiras estrelas e, eventualmente, formando a superestrutura organizada que habita o Universo atual.
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No entanto, um mistério ainda espreitava: as propriedades desse mar de energia parecem se originar do que Einstein chamou de "ação assustadora à distância" - objetos que se comunicam uns com os outros a velocidades instantâneas através de distâncias ridiculamente grandes. Isso é conhecido como o problema do horizonte.
Em 1981, meu colega, Alan Guth, do MIT, propôs uma solução elegante para esse problema. A ideia era introduzir um novo jogador chamado campo de inflação que preenchia o Universo, e cuja energia fazia com que o espaço se expandisse extremamente rapidamente. A repulsão que surge devido aos efeitos gravitacionais causados pela inflação resolve perfeitamente o problema do horizonte – faz com que as regiões que pensávamos estar interagindo assustadoramente sujeitas às estranhas, mas bem confirmadas, leis da física quântica.
A teoria da inflação cósmica também nos forneceu um mecanismo físico que responde a uma pergunta que há muito incomodava os cosmólogos: como as sementes da estrutura se originaram em um Universo primordial aparentemente sem características há mais de 14 bilhões de anos?
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De acordo com a teoria, foram as minúsculas vibrações quânticas do campo de inflação que agiram como as sementes das vibrações que vemos na CMB hoje. Pense nisso. Isso significa que a vasta distribuição de galáxias que se estende por trilhões de quilômetros de espaço emergiu de flutuações quânticas subatômicas microscópicas que ocorreram nos estágios iniciais do Universo.
Quando eu era um cientista mais jovem, me interessei pelo campo da física de partículas e da cosmologia pelo que parecia ser uma pergunta absurda: qual é a conexão entre as maiores e menores coisas do Universo?
A inflação cósmica nos dá uma pista para isso, mas dois mistérios não resolvidos e aparentemente não relacionados permanecem. Primeiro, não sabemos a origem e a identidade desse campo de inflação. Tudo o que sabemos é que ele se comporta como um tipo particular de campo conhecido como campo escalar e que permeia as maiores distâncias imagináveis.
Outro problema sério para a inflação é que as próprias flutuações quânticas que nos dão origem podem crescer sem estarem ligadas ao infinito. E isso coloca um problema: alguns teóricos gostariam de se livrar da água do banho infinita e manter o bebê da estrutura cósmica. Essas contradições, chamadas de "instabilidades", provaram ser difíceis de conciliar nas últimas duas décadas.
Um outro mistério, que reina no domínio microscópico, dizia respeito à origem da massa encontrada em cada elétron e núcleos do nosso planeta. Nos anos 60, Peter Higgs, Tom Kibble, François Englert, Robert Brout, Carl Richard Hagen e meu professor Gerry Guralnik, previram que uma partícula misteriosa, agora apelidada de bóson de Higgs, e seu correspondente campo de energia que permeia o Universo, poderia interagir com a matéria sem massa e dar-lhe seu peso.
Esta partícula foi mais tarde detectada no Grande Colisor de Hádrons do CERN em 2012, e um Prêmio Nobel concedido a Peter Higgs e François Englert um ano depois.
Mas, apesar desses sucessos, há um problema com o Higgs - ele compartilha uma instabilidade semelhante com a inflação, desta vez nas flutuações quânticas do Higgs que nos dão nossa massa.
Nos últimos anos, os físicos Mikhail Shaphnikov postularam que talvez o bóson microscópico de Higgs pudesse estar por trás da inflação onisciente e primordial. Mas como conciliar esse quadro de micro e macro?
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A chave é perceber que o Higgs é fundamentalmente um campo e uma partícula que, como um fluido, pode permear todo o espaço. São as vibrações ondulatórias dos campos de Higgs organizando-se em flutuações quânticas microscópicas e localizadas que são identificadas como a partícula de Higgs.
Então, poderia o campo de Higgs ter permeado o Universo primitivo e dado origem ao fenômeno da inflação cósmica? Se essa ideia de Higgs-Inflação estiver correta, ela representaria uma unificação cósmico-microscópica de tirar o fôlego.
No entanto, há um elefante sério na sala que continua a atormentar ambas as ideias. Eles dependem de flutuações quânticas para criar estrutura cósmica e dotar massa, respectivamente. O problema é que esses mesmos efeitos quânticos acabam tornando as teorias problemáticas, gerando infinitos em quantidades que medimos como finitas.
Por enquanto, a solução permanece indescritível. No entanto, nós, físicos, devemos corajosamente e humildemente continuar na toca do coelho de potenciais enigmas que se escondem em qualquer teoria.