George Smoot sobre o design do universo

Eu achei que iria pensar em mudar sua perspectiva do mundo um pouco, e mostrar a vocês alguns dos designs que temos na natureza. Assim, tenho meu primeiro slide para falar sobre a aurora do universo e o que eu chamo a investigação da cena cósmica, ou seja, examinar as relíquias da criação e inferir o que aconteceu no início, e então seguir a trilha e tentar entendê-lo.

Portanto uma das questões que eu perguntei a vocês é, quando olham à sua volta, o que vêem? Bem, vêem este espaço que é criado por designers e pelo trabalho de pessoas, mas o que realmente vêem é um monte de material que já estava aqui, sendo remoldado de alguma forma. Portanto a questão é: como aquele material chegou aqui? Como ele chegou à forma que ele tinha antes de ser remoldado, e assim por diante? É a questão de o que é a continuidade? Então uma das coisas que tento descobrir é, como o universo começou e se formou? Qual foi o processo geral na criação e evolução do universo para chegar ao ponto em que temos estes tipos de materiais?

Esta é uma parte, e deixem-me prosseguir e lhes mostrar o Hubble de Campo Ultra Profundo. Se observarem esta imagem, o que verão é um monte de escuridão com alguns objetos luminosos nela. Quatro destes objetos são estrelas, e vocês podem vê-las ali -- pequenas cruzes. Esta é uma estrela, esta é uma estrela, todo o resto é uma galáxia, OK? Portanto há alguns milhares de galáxias vocês podem ver facilmente aqui. E quando eu olho em particular para esta galáxia, que parece muito com a nossa, imagino se existe uma conferência de uma escola de arte acontecendo, e seres inteligentes lá pensando sobre, sabem, que designs devem fazer, e podem existir alguns cosmólogos, tentando entender de onde o próprio universo veio, e podem mesmo existir alguns naquela galáxia olhando para a nossa tentando imaginar o que está acontecendo aqui.

Mas existem muitas outras galáxias, e algumas estão próximas, e elas têm uma cor similar à do Sol, e algumas estão mais distantes e elas são um pouco mais azuis, e etc. Mas uma das questões é -- deveria ser, para vocês -- como existem tantas galáxias? Porque isto representa uma fração bem clara do céu. Aqui estão só 1000 galáxias. Acreditamos que existem da ordem -- visíveis ao telescópio Hubble, se vocês tiverem tempo de percorrê-las -- em torno de 100 bilhões de galáxias. Certo? É um número muito grande de galáxias. E isto é aproximadamente o número de estrelas que existem em nossa galáxia.

Mas quando vocês olham para algumas destas regiões como esta, verão mais galáxias que estrelas, o que é uma espécie de contrasenso. Então a questão que deveria vir à cabeça é, que tipo de design, sabe, que tipo de processo criativo e que tipo de design produziu o mundo assim? E então vou mostrar a vocês que é na verdade bem mais complicado. Vamos tentar seguir essa linha. Temos uma ferramenta que realmente nos ajuda neste estudo, e é o fato de que o universo é tão incrivelmente grande que é uma máquina do tempo, de certo modo. Desenhamos este conjunto de esferas aninhadas recortadas para vocês verem. Coloquem a Terra no centro destas esferas, apenas porque é onde estamos fazendo as observações. E a lua está apenas dois segundos distante, então se você fotografa a lua usando luz comum, é a lua de dois segundos atrás, e não importa. Dois segundos é como o presente. O Sol está oito minutos atrás. Não é muita coisa, certo, exceto se há explosões solares chegando então você quer sair do caminho. Você gostaria de ter uma aviso com antecedência.

Mas você chega a Jupiter está 40 minutos distante. É um problema. Você ouviu falar de Marte, é um problema se comunicar com Marte. porque demora à luz tanto tempo para chegar lá. Mas se você procura a constelação mais próxima, as 40 ou 50 estrelas mais próximas, é em torno de 10 anos. Então se você tira uma foto do que acontece, é de 10 anos atrás. Mas você olha para o centro da galáxia, é mil anos atrás. Se você olha para Andromeda, que é a grande galáxia mais próxima, são dois milhões de anos atrás. E se você tirasse uma foto da Terra dois milhões de anos atrás, não haveria nenhum sinal de humanos, porque não acho que existissem humanos então. Isto dá a vocês a escala. Com o telescópio espacial Hubble, estamos olhando para centenas de milhões de anos a um bilhão de anos.

mas se fôssemos capazes de ter uma idéia de como olhar mais longe -- existem algumas coisas ainda mais distantes, e é isso que fiz em muito do meu trabalho, desenvolver as técnicas -- podemos olhar para ainda antes épocas antes de existirem estrelas e antes de existirem galáxias, no tempo em que o universo era quente e denso e muito diferente. Então este é o tipo de sequência, e eu tenho uma impressão mais artística disto. Existe a galáxia no meio, que é a Via Láctea, e por ali está o Hubble -- próximo, sabe, como galáxias, e existe uma esfera que marca cada diferente tempo. E atrás daquilo estão algumas galáxias mais modernas.

Conseguem ter uma visão geral? O começo do tempo é engraçado -- está do lado de fora, certo? E então existe a parte do universo que não podemos ver porque é tão denso e tão quente, que a luz não consegue sair. É como você não conseguir ver o centro do Sol, você tem de usar outras técnicas para saber o que acontece dentro do Sol. Mas você consegue ver a superfície do Sol, E o universo é do mesmo jeito, você pode ver isso. Então você vê como que um modelo da área em torno do exterior, e esta é a radiação vindo do Big Bang, que é mesmo incrivelmente uniforme. O universo é praticamente uma esfera perfeita, mas existem estas variações muito pequenas que nós mostramos aqui bastante exageradas. E delas na sequência de tempo vamos chegar destas minúsculas variações a estas galáxias irregulares e primeiras estrelas para estas galáxias mais avançadas, e eventualmente o sistema solar, e etc.

Portanto é um grande trabalho de design, mas veremos como as coisas estão acontecendo. Assim a forma como estas medições foram feitas, existe um conjunto de satélites, e isto é onde você consegue ver. Havia o satélite COBE, que foi lançado em 1989, e nós descobrimos estas variações. Então em 2000, o satélite MAP foi lançado -- o WMAP -- e ele produziu imagens razoavelmente melhores. E mais tarde este ano -- esta é a versão legal, a que tem realmente algumas belas características de design, e vocês devem ver -- o satélite Planck será lançado, e ele vai produzir mapas de altíssima resolução. E isso vai ser a sequência de compreensão do início absoluto do universo.

E o que vimos era, vimos estas variações, e nos disseram os segredos, tanto sobre a estrutura do espaço-tempo, e sobre o conteúdo do universo, e sobre como o universo começou em seus movimentos originais. Assim temos esta imagem, que é bem espetacular, e voltarei ao início, onde iremos ter alguns processos misteriosos que impulsionaram o universo no início. E nós vamos atravessar um período de expansão acelerada, e o universo expande e esfria até chegar ao ponto onde ele fica transparente, então para as eras escuras, e então as primeiras estrelas acendem, e elas evoluem em galáxias, e então mais tarde elas alcançam galáxias maiores. E em algum ponto nesse período é quando nosso sistema solar começou a se formar. E está amadurecendo até o momento atual. E existem algumas coisas espetaculares. E esta parte do cesto, é para representar o que a estrutura do espaço-tempo em si está fazendo durante este período. Portanto é um modelo bem estranho, certo? Que tipo de prova temos para isso?

Deixem-me lhes mostrar alguns dos padrões da natureza que são o resultado disto. Eu sempre penso no espaço-tempo como sendo a substância real do espaço, e as galáxias e as estrelas são como a espuma no oceano. É um marcador de onde as ondas interessantes estão e o que aconteceu. Então aqui está o Sloan Digital Sky Survey mostrando a localização de um milhão de galáxias. Existe um ponto aqui para cada galáxia. Eles apontam o telescópio para o céu, tiram uma foto, identificam quais são as estrelas e as tiram fora, procuram pelas galáxias, estimam quão longe elas estão, e plotam elas. e apenas exibindo radialmente elas ficam daquele jeito. E vocês vêem estas estruturas, esta coisa nós chamamos a Grande Muralha, mas existem vazios e estas coisas, e elas como que desvanecem porque o telescópio não é sensível o suficiente para elas.

Agora vou lhes mostrar isto em 3D. O que acontece é, você tira fotos enquanto a Terra gira, você obtém uma fatia ao longo do céu. Existem alguns lugares que vocês não podem ver por causa da nossa própria galáxia, ou porque não existem telescópios disponíveis para fazê-lo. Então a próxima imagem mostra a vocês versões tridimensionais desta rotação. Vocês vêem as varreduras em cone feitas ao longo do céu? Lembrem-se, cada ponto aqui é uma galáxia, e vocês vêem as galáxias, sabem, como que nossa vizinhança, e dá para ver a estrutura. E vocês vêem que esta coisa que chamamos Grande Muralha, E vocês vêem a complicada estrutura, e estes vazios. Existem lugares onde não existem galáxias e existem lugares em que há milhares de galáxias amontoadas, certo. Então há um padrão interessante, mas nós não temos dados suficientes aqui para realmente ver o padrão. Temos apenas um milhão de galáxias, certo? Então estamos mantendo como um milhão de bolas no ar mas, o que está acontecendo? Existe outra pesquisa que é bem similar a esta, chamada Two-degree Field of View Galaxy Redshift Survey.

Agora vamos voar através dela em velocidade warp de um milhão. E sempre que existir uma galáxia -- nesta posição há uma galáxia -- e se sabemos algo sobre a galáxia, o que é fato, porque existe um desvio para vermelho na medição e tudo, você coloca o tipo da galáxia e a cor, então esta é uma representação real. E quando você está no meio das galáxias é difícil ver o padrão; é como estar no meio da vida. É difícil ver o padrão no meio da audiência, é difícl ver o padrão disto. Então vamos sair e dar a volta e olhar para isto. E vocês verão, primeiro, a estrutura da pesquisa, e então vocês começarão a ver a estrutura das galáxias que vemos ali. E de novo, vocês podem ver a extensão desta Grande Muralha de galáxias aparecendo aqui.

Mas vocês podem ver os vazios, vocês podem ver a estrutura complicada, e dirão, bem, como isto aconteceu? Suponha que você é o designer cósmico. Como você vai por as galáxias lá em um padrão como aquele? Não é só atirar elas aleatoriamente. Existe um processo mais complicado acontecendo aqui. Como você vai acabar fazendo aquilo? E então agora estamos prontos para o jogo sério. Que é, temos de seriamente brincar de Deus, não apenas mudar a vida das pessoas, mas fazer o universo, certo? Então se esta é sua responsabilidade, como você vai fazer aquilo? Que tipo de técnica vai usar? Que tipo de coisa você está para fazer?

Então vou mostrar a vocês os resultados de uma simulação de grande escala do que como pensamos que o universo é, usando essencialmente, alguns dos princípios de jogo e alguns dos princípios de design que, sabem, humanos trabalharam tão duro para obter, mas aparentemente a natureza sabia como fazer desde o começo. E isto é, você começa com ingredientes muito simples e algumas regras simples, mas você tem de ter ingredientes suficientes para tornar complicado. E então coloca alguma aleatoriedade, algumas flutuações e alguma aleatoriedade, e descobre um enorme conjunto de diferentes representações.

Portanto o que vou fazer é mostrar a vocês a distribuição da matéria em função das escalas. Vamos ampliar, mas este é um desenho do que é. E tivemos de adicionar uma coisa mais para fazer o universo sair certo. É chamada matéria escura. Que é matéria que não interage com a luz do modo típico como a matéria normal faz, do modo como a luz está brilhando sobre mim no palco. é transparente à luz, mas para que vocês vejam ela, vamos torná-la branca, OK? Então a coisa que nesta imagem é branca, isso é matéria escura. Deveria ser chamada matéria invisível, mas a matéria escura nós tornamos visível. E as coisas que estão na cor amarela, essas são o tipo de matéria normal que está transformada em estrelas e galáxias.

Então vou mostrar a vocês no próximo filme. Então é isto -- vamos ampliar. Notem este padrão e prestem atenção a este padrão. Vamos ampliar e ampliar. E vocês verão que existem todos estes filamentos e estruturas e vazios. E quando um número de filamentos se encontram em um nó, isso produz um super aglomerado de galáxias. É nisso que estamos aproximando é algo entre 100.000 e um milhão de galáxias naquela pequena região. Então vivemos no subúrbio. Não vivemos no centro do sistema solar, não vivemos no centro da galáxia e nossa galáxia não está no centro do aglomerado.

Então vamos ampliar. Esta é uma região que provavelmente tem mais de 100.000, da ordem de um milhão de galáxias naquela região. Vamos continuar ampliando. OK. E eu esqueci de lhes contar a escala. Um parsec é 3.26 anos-luz. Portanto um gigaparsec é três bilhões de anos-luz -- esta é a escala. significa que demora três bilhões de anos para a luz viajar essa distância. Agora estamos em uma distância como entre aqui e aqui. Essa é a distância entre nós e Andrômeda, certo? Estes pequenos grãos que vocês vêem aqui, eles são galáxias.

Agora vamos afastar novamente, E vocês podem ver esta estrutura que, quando chegamos bem longe, parece muito regular, mas é feita de muitas variações irregulares. Elas são peças de construção simples. Existe um fluido muito simples para começar. Ele tem matéria escura, ele tem matéria normal, ele tem fótons e ele tem neutrinos, que não têm muita influência mais tarde no universo. E isto é apenas um fluido simples e isto, com o tempo desenvolve nesta estrutura complicada. E assim vocês sabem quando vocês viram esta imagem na primeira vez não significava muito para vocês. Aqui vocês estão olhando através de um por cento do volume do universo visível e vocês estão vendo bilhões de galáxias, certo, e nós, mas vocês percebem que elas não são nem a estrutura principal. Existe um chassi, que é a matéria escura, a matéria invisível, que está ali e que realmente une tudo.

Então vamos voar através dela, e vocês podem ver quão mais difícil é quando você está no meio de algo para perceber isto. Então aqui está o mesmo resultado final. Vocês vêem um filamento, Vocês vêem o claro, é a matéria invisível, e o amarelo são as estrelas ou as galáxias aparecendo. E vamos voar em torno, e voar em torno, e vocês verão ocasionalmente um par de filamentos entrelaçar, e você tem um grande aglomerado de galáxias. E então vamos voar dentro para onde o grande aglomerado está, E vocês podem ver como se parece. Então de dentro, parece bem complicado, certo? É apenas quando você olha para ele em uma escala muito grande, e explora ele e etc., percebe que é muito intrincado, um tipo complicado de design, certo? E ele está amadurecido de alguma forma.

Então a questão é, Quão difícil seria montar isto, certo? De que tamanho a equipe do seu empreiteiro precisaria ser para construir o universo, certo? Esta é a questão, certo? Então aqui estamos. Vocês vêem como o filamento -- vêem como vários filamentos estão se unindo, portanto produzindo um super aglomerado de galáxias. E vocês têm de entender, isto não é como realmente pareceria Se vocês -- primeiro, não dá para viajar tão rápido, tudo seria distorcido, mas isto é usando coisas como artes gráficas. Isto é como, se vocês levassem bilhões de anos para percorrer, ele pareceria para vocês, certo? E se vocês pudessem ver a matéria invisível, também.

Então a idéia é, sabem, como você construiria o universo de uma forma bem simples? Vamos começar e perceber que o universo visível inteiro, tudo que podemos ver em todas as direções com o Telescópio Espacial Hubble mais nossos outros instrumentos, estava antes em uma região que era menor que um átomo. Começou com minúsculas flutuações quânticas, mas expandindo a uma taxa tremenda. E essas flutuações foram esticadas para tamanhos astronômicos, e essas flutuações eventualmente são as coisas que vemos no fundo cósmico de microondas. E então nós precisávamos de algum modo tornar estas flutuações em galáxias e aglomerados de galáxias e fazer esses tipos de estruturas prosseguirem.

Então vou mostrar a vocês uma simulação menor. Esta simulação foi executada em 1000 processadores por um mês. Para fazer apenas este simples visual. Então vou lhes mostrar um que pode ser executado em um desktop em dois dias na próxima imagem. Então você começa com minúsculas flutuações quando o universo era a este ponto, agora quatro vezes menor, e assim por diante. E vocês começam a ver estas redes, esta teia cósmica de estrutura formando. E esta é uma simples, porque não tem a matéria normal e tem apenas matéria escura nela. E vocês vêem como a matéria escura embola, e a matéria normal só segue atrás. E é isto. No começo é muito uniforme. As flutuações são uma parte em 100.000. Existem uns poucos picos que são uma parte em 10.000, e então depois de bilhões de anos, a gravidade simplesmente puxa de volta.

Isto é leveza contra densidade, puxa o material em torno dela. Que puxa mais material e mais material. Mas as distâncias no universo são tão grandes e as escalas de tempo são tão grandes que demora um longo tempo para isto formar. E continua formando até que o universo é aproximadamente metade do tamanho que é hoje, em termos de expansão. E a esse ponto, o universo misteriosamente começa a acelerar sua expansão e interrompe a formação de estruturas de maior escala. Então estamos vendo uma estrutura de escala tão grande quanto podemos, e então apenas coisas que já haviam começado a se formar vão se formar, e então daí por diante vão continuar.

Conseguimos fazer esta simulação, mas isto é dois dias em um desktop. Precisamos, sabem, 30 dias em 1000 processadores para o tipo de simulação que eu lhes mostrei antes. Então temos uma idéia de como jogar sério, criando o universo começando com essencialmente menos que uma gota de material, e criamos tudo que podemos ver em qualquer direção, certo, de praticamente nada -- isto é, algo extremamente minúsculo, extremamente pequeno -- e isto é quase perfeito, exceto tem estas mínimas flutuações de uma parte em 100.000, que acabam por produzir os interessantes padrões e designs que vemos, isto é, galáxias e estrelas e tudo mais.

Então temos um modelo, e podemos calculá-lo, e podemos usá-lo para criar designs do que achamos que o universo realmente parece. E esse design é como algo além do que nossa imaginação original dele era. Então isto é como começamos 15 anos atrás, com o Cosmic Background Explorer -- fizemos o mapa superior direito, que basicamente mostrou a nós que existiam flutuações de bem grande escala, e na verdade flutuações em diversas escalas. Vocês podem ver isso. Desde que tivemos o WMAP, Que apenas nos dá resolução angular maior. Vemos a mesma estrutura de grande escala, mas vemos estruturas adicionais de escala menor. E o inferior direito é se o satélite estivesse de cabeça para baixo e mapeasse a Terra, que tipo de mapa teríamos da Terra. Vocês podem ver, bem, podem ter uma idéia todos os principais continentes, mas isto é tudo.

Mas o que esperamos quando tivermos o Planck, é ter resolução quase equivalente à resolução que vemos a terra ali, onde você pode realmente ver o complicado padrão que existe na Terra. E pode também dizer, por causa das bordas definidas e da forma como as coisas se encaixam, que existem alguns processos não-lineares. Geologia tem estes efeitos, Que é mover as placas por aí e tudo. Vocês podem ver isso só pelo mapa. Queremos chegar ao ponto em nossos mapas do universo primordial de podermos ver se existem quaisquer efeitos não-lineares que estão começando a se mover, a modificar, e estão nos dando uma dica sobre como o próprio espaço-tempo realmente foi criado nos momentos iniciais. Então é onde estamos hoje, e é do que eu queria lhes dar uma amostra. Dar a vocês uma visão diferente sobre como o design e como todo o resto se parece. Obrigado. (Aplausos)