O que são singularidades na física e por que elas desafiam as leis conhecidas?

Em certos pontos do universo, as leis da física que conhecemos parecem se render a algo maior, mais denso e misterioso. Esses pontos são chamados de singularidades, onde a física, como a entendemos, basicamente entra em colapso. Mas o que isso realmente significa? Onde e por que essas singularidades aparecem? O que os cientistas sabem sobre elas?

O termo singularidade vem da matemática e se refere a pontos onde uma função se torna indefinida, como a divisão por zero. Na física, especialmente na relatividade geral, o termo descreve áreas do espaço-tempo onde certas grandezas físicas, como densidade ou curvatura do espaço, tendem ao infinito.

O exemplo mais comum de uma singularidade é o centro de um buraco negro. Quando muita massa é comprimida em um espaço pequeno, a gravidade supera todas as outras forças, levando a um colapso em um ponto de densidade infinita: uma singularidade gravitacional. Ali, o tempo e o espaço se distorcem tanto que perdem o sentido.

A teoria da relatividade geral, criada por Einstein em 1915, foi a primeira a prever matematicamente a existência desses corpos. No início, essa ideia parecia estranha até para os físicos. Em 1939, Robert Oppenheimer e seus colegas mostraram que, se uma estrela massiva colapsasse sob seu próprio peso após gastar todo o seu combustível, nada impediria a formação de um buraco negro com uma singularidade no centro.

A estrutura dos buracos negros e as Singularidades do universo

Um buraco negro tem três partes principais: o horizonte de eventos (a fronteira de onde nada escapa, nem a luz), o espaço-tempo muito curvo e a singularidade central, onde a densidade tende ao infinito.

Na relatividade geral, essa singularidade não é um objeto físico no espaço, mas uma previsão matemática de que a curvatura do espaço-tempo se torna infinita. No entanto, muitos físicos acham que essa “infinitude” não é real, mas um sinal de que a teoria está incompleta, pois ignora os efeitos da mecânica quântica, que são importantes em escalas muito pequenas. As singularidades não estão apenas nos buracos negros. Se você está explorando opções para configurar um novo celular, pode encontrar dicas valiosas sobre como configurar um novo smartphone de forma eficiente.

A teoria do Big Bang, que é a explicação mais aceita para a origem do Universo, também sugere que toda a matéria e energia do cosmos estava concentrada em um ponto com densidade e temperatura infinitas – uma singularidade cosmológica.

Essa ideia surgiu das equações de Friedman e Lemaître, nos anos 1920, ao aplicar a relatividade geral à cosmologia. A descoberta da expansão do Universo, confirmada pelas observações de Edwin Hubble, reforçou essa ideia. A lógica da expansão atual leva a um ponto inicial onde o volume do Universo era zero e sua densidade infinita.

O que os físicos pensam sobre as singularidades?

Mais uma vez, os físicos suspeitam que essa singularidade inicial mostre que a relatividade geral não consegue lidar com as condições extremas do nascimento do Universo. A esperança está em uma teoria quântica da gravidade, que possa unir a relatividade com a mecânica quântica. Se você busca mais informações sobre sustentabilidade, pode se interessar em entender os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável e a Agenda 2030.

Na década de 1960, o matemático e físico Roger Penrose, junto com Stephen Hawking, criou os famosos teoremas da singularidade. Eles mostraram, com base em princípios gerais da relatividade, que as singularidades são inevitáveis em certas condições, como dentro de buracos negros e no início do Universo. Esse trabalho foi tão importante que rendeu a Penrose o Prêmio Nobel de Física em 2020.

Mas o que acontece dentro de uma singularidade? Nenhuma observação direta é possível. Em buracos negros, o horizonte de eventos impede que qualquer informação escape. No Big Bang, estamos limitados ao que podemos inferir a partir da radiação cósmica de fundo e da estrutura atual do Universo.

As teorias para solucionar as singularidades

Para entender o que acontece nessas áreas, a ciência busca uma nova teoria fundamental. Algumas das opções são:

• Gravidade quântica: tenta quantizar o campo gravitacional, assim como o eletromagnetismo foi quantizado com a mecânica quântica.
• Teoria das cordas: sugere que partículas são vibrações de “cordas” unidimensionais, que podem suavizar as singularidades.
• Gravidade quântica em loop: propõe que o espaço-tempo é formado por unidades discretas, evitando os infinitos.

Essas abordagens tentam responder se as singularidades realmente existem ou se são apenas resultados de teorias que não estão completas. Se você está pensando em mudar de serviço de e-mail, pode querer saber porque o Fastmail substituiu meu Gmail e não pretendo voltar.

Alguns físicos dizem que o termo “singularidade” é apenas uma forma de admitir que a física não sabe o que está acontecendo ali. A presença de infinitos sugere que os modelos atuais estão extrapolando demais. Assim, mais do que realidades físicas, as singularidades seriam pontos de ruptura teórica, onde é preciso buscar novas ideias.

No entanto, em vez de serem problemas, as singularidades são como guias. Elas mostram os limites do que sabemos e indicam para onde devemos olhar. Ao estudar as áreas onde as leis atuais falham, a física encontra as pistas mais importantes sobre o que falta para a próxima grande mudança científica.

Se o Universo começou com uma singularidade e esconde outras em seus buracos negros, entender esses pontos extremos pode revelar a origem e o destino de tudo o que existe. Para quem busca opções de mobilidade urbana, vale a pena conferir como a Uber planeja oferecer descontos em corridas com exibição de anúncios.

Primeira: Este conteúdo foi auxiliado por Inteligência Artificiado, mas escrito e revisado por um humano.

Segunda: Via TecMundo