Onde está a borda do Universo?

Esta imagem de campo profundo extrema Hubble mostra muitas galáxias fora da Via Láctea. Crédito: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, e P. Oesch, Universidade da Califórnia, Santa Cruz; R. Bouwens, da Universidade de Leiden; ea Equipe HUDF09
Nós todos sabemos que o Universo está se expandindo, certo? Bem, se você não estava ciente, agora você está. Vivemos em um universo em expansão: cada galáxia distante está se afastando em relação à outras. Isto naturalmente leva a uma pergunta comum: Se o Universo está em expansão, ele está expandindo dentro de alguma outra coisa maior?  De outro universo? Do nada? Algo semelhante a  nevoeiro indefinido? Onde está a borda da nossa bolha de sabão cósmica?  Bem, o nosso universo não têm uma borda - ou seja, quando dizemos "nosso universo," estamos nos referindo ao universo observável. A velocidade da luz é apenas isso - uma velocidade - e o Universo só tem existindo em torno de tão longa (cerca de 13.77 bilhões de anos), o que significa que somente uma parte do universo foi revelada a nós através da luz que tem viajado através destas vastas distâncias cósmicas.

E o que está fora do nosso limite observável?

Esta é fácil: Existem apenas mais coisas, como galáxias e buracos negros e novas variedades fantásticas de queijo. Há sempre algo inalcançável por nós, com certeza - mas esse algo ainda está lá. e nossa perspectiva, parece que estamos no centro de tudo, e cada galáxia está voando para longe de nós. De modo que, naturalmente, nos leva a pensar que "realmente existe uma borda". Mas digamos que você pule para Andrômeda, a nossa vizinha galáctica mais próxima. A partir desse novo ponto de vista,  ainda parece que você está no centro do universo e tudo está voando para longe de você. Agora vamos loucamente fingir que podemos nos teleportar para a galáxia mais distante observável, na extremidade mais distante do nosso alcance observacional. Adivinha? Sim, a partir de sua posição, parece que você está no centro do universo, e cada galáxia - incluindo a Via Láctea distante - está correndo para longe de você.

Isso é o que queremos dizer quando dizemos "O universo está se expandindo." Cada galáxia está se afastando de todas as outras galáxias (com algumas pequenas exceções de fusões locais, mas isso é assunto para outro artigo). 

Mas tem que haver um limite, certo? Não é como se o universo fosse infinito, certo? Certo?

Bem, provavelmente não. Embora seja muito, muito, muito grande, o universo  provavelmente não é infinitamente grande.

Mas ele ainda não precisa de uma borda.

Imagine novamente você pulando de galáxia para galáxia. A partir da Via Láctea, o universo parece com uma bolha de sabão enorme crescendo em tamanho, com a gente no centro. Mas de outra galáxia, esta bolha universal parece diferente, porque não há uma galáxia diferente no "centro" da bolha. O que nós tentamos chamar de "dentro" ou uma "borda" do nosso universo não tem sentido a partir de uma nova perspectiva. E isso é verdade para cada galáxia. 

Eu vou dizer outra vez: "Universo em expansão" significa apenas que cada galáxia está se movendo mais distantes de qualquer outra galáxia. É isso aí! Sem borda. Nenhuma bolha. Nada está se expandindo para nada. A matemática é simples: o universo se torna maior com o tempo. Ponto.

Vamos dar um passo para trás. Todo mundo já ouviu falar nessas analogias comuns usadas ​​para descrever um universo em expansão: Galáxias são como formigas rastejando em torno de uma bola de praia. Somos todos passas em um pedaço de pão. E - oh! - A bola de praia está inflando! Sim! O pão está crescendo no forno! O espaço está se expandindo e as galáxias são indo junto com ele! Veja? Fácil, não?!

Essas analogias certamente atravessam um ponto importante: As galáxias não estão voando ou correndo ou dançando umas com as outras. É o espaço que as galáxias estão que faz todo o trabalho de expansão; as galáxias estão apenas em passeio no tapete cósmico.

Mas essas analogias também carregam uma falha fatal. Todos nós podemos facilmente imaginar uma bola de praia inflar ou pão crescendo com fermento, e nós imediatamente pensamos neles como expandindo em uma coisa: o ar vazio. A bola de praia tem uma pele. O pão tem um deliciosa crosta crocante. Eles têm bordas, e eles estão se movendo para algo.

Nossas mentes têm desempenhado um truque conosco, e isso está nos enganando e nos deixando totalmente boquiaberto com o que está acontecendo.

Quando usamos a analogia das formigas-na-bola-de-praia, a primeira coisa que as pessoas dizem é: "Por que formigas?" Eu não sei; aceite que dói menos. Lide com isso. E a segunda coisa que as pessoas dizem é: "Oh, o centro do universo está bem ali, no meio da bola." Nesse ponto, eu tenho que saltar com as limitações da analogia: Todo o nosso universo é a superfície da bola de praia. E a superfície da bola não tem centro. Assim como a superfície da Terra não tem centro. Nós poderíamos ter feito os pólos em qualquer lugar que quisesse. 

No modelo bola de praia, todo o nosso universo é uma superfície bidimensional, cheio de formigas idiotas que tentam rastrear umas as outras, mas falham porque algum idiota está inflando a bola.. OK, tudo bem, que seja. Esse é um modelo de universo bidimensional, mas com os olhos da nossa mente, nós imediatamente pensamos que ele está expandindo em uma terceira dimensão - uma dimensão que as formigas não podem acessar, pois elas não podem saltar. Mas essa dimensão extra fornece um "local" para a superfície da bola se expandir.

Mas o nosso verdadeiro universo é tridimensional. Enquanto a teoria das cordas sugere que pode haver dimensões extras, eles são todas super finas, então elas não contam. Então, há uma quarta dimensão extra que fornece o "material" para o nosso universo se expandir? 

Talvez não. Aqui está a coisa: A matemática poderia apoiar uma quarta dimensão para o nosso universo 3D se expandir sobre ela. E nós definitivamente teríamos uma "borda" nesta dimensão extra, da mesma forma que você pode apontar para a "borda" de uma superfície 2D da bola de praia.

Mas não precisa. 

Nós não precisamos de uma quarta dimensão para embrulhar nosso universo como um papel de pão. Nós temos uma descrição matemática completa e consistente da expansão do universo usando apenas as três dimensões normais, cotidianas que nós conhecemos e amamos. Então isso significa que nós podemos ter um universo em expansão sem a necessidade de uma borda ou uma coisa para ele se expandir.

Nós todos temos problemas para assimilar geometrias acima de nossa compreensão. Mas essa é a beleza de usar a matemática para entender o universo: Nós podemos criar e manipular conceitos que nossos cérebros simplesmente não conseguem lidar por conta própria.