O que aconteceu antes do Big Bang? A Física Computacional pode responder essa pergunta

É impossível falar sobre o que aconteceu antes do Big Bang porque o conceito de espaço e tempo surge junto com o Big Bang. Se não houve tempo, não faz sentido aplicar a noção de antes a esse momento. É como se tivéssemos que considerar um tempo negativo para falar de momentos anteriores ao surgimento do Universo. Assim, as perguntas sobre o que existia previamente acabam esbarrando em um limite da própria Física.

Para entender a evolução do Universo desde sua origem até hoje, é necessário usar as equações da relatividade geral de Einstein. Essas equações conseguem descrever como o espaço-tempo se comporta na presença de massa ou energia. Além disso, essas equações descrevem como o espaço-tempo está se expandindo. No entanto, elas falham em ambientes de densidade e energia extremas como as singularidades.

Para contornar essa limitação, astrônomos de universidades britânicas vêm propondo o uso de métodos numéricos para lidar com as equações nessas condições extremas. A ideia é empregar técnicas computacionais para simular o comportamento do espaço-tempo próximo à singularidade. Com isso, seria possível explorar diferentes cenários dos momentos iniciais do Universo e formular hipóteses sobre o que poderia ter antecedido o Big Bang.

Física Computacional

A Física Computacional é uma área que combina métodos da Física, Matemática e Ciência da Computação para investigar fenômenos que não podem ser resolvidos apenas com teoria ou experimentos. Por meio de simulações e modelos computacionais, ela permite explorar sistemas que envolvem grande quantidade de variáveis, equações diferenciais não lineares e ambientes extremos onde soluções analíticas se tornam inviáveis.

Uma área que necessita de Física Computacional por causa da complexidade e quantidade de dados é a Astrofísica. Quando aplicada ao estudo do Universo, a Física Computacional permite testar hipóteses sobre o Universo, explorar a dinâmica da matéria escura e da energia escura, e até modelar condições próximas à singularidade do Big Bang. Essas simulações ajudam a moldar a teoria com observações astronômicas.

Simulações cosmológicas

As simulações cosmológicas recriam computacionalmente como ocorreu a evolução do Universo desde seus instantes iniciais até as estruturas observadas hoje. Essas simulações resolvem numericamente equações como as da relatividade e dinâmica de fluidos. Elas possibilitam estudar a influência de componentes como matéria escura e energia escura na evolução do Universo e permitem testar diferentes cenários e hipóteses. .

Essas simulações envolvem a discretização do espaço em bilhões de partículas ou elementos de malha. Essas partículas podem representar matéria bariônica, radiação ou matéria escura e a evolução delas é então calculada numericamente. Ao comparar os resultados com observações de telescópios, como a distribuição de galáxias e o fundo cósmico de micro-ondas, é possível testar diferentes modelos teóricos.

Como explicar o Big Bang computacionalmente?

Uma das áreas dentro da Física Computacional se refere à relatividade numérica que se baseia nas equações de Einstein aplicadas em cenários astrofísicos. Geralmente, os sistemas são complexos e não existe uma solução analítica. O desenvolvimento da relatividade numérica ganhou força nos anos 1980 com a proposta do experimento LIGO. Um dos grandes mistérios que pode ser explorado com essa abordagem é a inflação cósmica.

A inflação aconteceu quando, momentos após o Big Bang, o Universo se expandiu de forma rápida. Esse período é importante para entender porque o Universo hoje é homogêneo e isotrópico em grandes escalas. Ainda não se sabe como ou por que essa fase começou e o problema é que se parte da suposição de que o Universo já era homogêneo antes, sendo que a inflação deveria explicar isso. A relatividade numérica pode contornar essa limitação, permitindo simular condições iniciais muito mais variadas.

Saberemos o que aconteceu antes do Big Bang?

A ideia dos pesquisadores no artigo publicado no Living Reviews in Relativity é usar relatividade numérica para simular esses primeiros momentos do Universo. Eles defendem que esse método deve ser cada vez mais aplicado à Cosmologia para conseguir entender a origem e evolução do Universo. Com ela seria possível testar condições iniciais mais gerais e menos restritas.

Uma das ideias seria até mesmo obter informações sobre o que teria acontecido antes, se vivemos em um multiverso ou se nosso Universo veio de um Big Bounce. No entanto, falar sobre os momentos antes do Big Bang é algo que escapa aos limites da Física tradicional, pois o próprio conceito de antes perde sentido. Em outras palavras, as leis da Física conhecidas não conseguem descrever o estado do universo em densidades e energias tão extremas, o que torna especulativo explicar o que aconteceu antes do Big Bang.

Referência da notícia

Aurrekoetxea et al. 2025 Cosmology using numerical relativity Living Reviews in Relativity