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A ANALOGIA DE EXOPLANETAS PARA
O MULTIVERSO
Osame Kinouchi
Seminários FAMB
11/novembro/2015
TRÊS MOTIVOS PARA SE PENSAR UM MULTIVERSO:
1. TEORIA DE INFLAÇÃO
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3. PROBLEMAS DE AJUSTE FINO
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Life at the interface of particle physics and
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A. N. Schellekens
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 NOVA - O Tecido do Cosmos - O que
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 Putting The Multiverse To The Test -
Perimeter Institute for Theoretical Physics
SUGESTÕES BIBLIOGRÁFICAS
Bousso R., The Cosmological Constant Problem, Dark Energy, and the Landscape of
String Theory, in Proceedings of Subnuclear Physics: Past, Present and Future,
(Pontificial Academy of Sciences, Vatican, 2011).
Guth A. H., Kaiser D. I., Nomura Y., Inflationary paradigm after Planck 2013, Phys.
Lett. B 733: 112-119 (2014).
Schellekens A. N., Life at the interface of particle physics and string theory, Rev. Mod.
Phys. 85, 1491 (2013).
Weinberg S., Living in the Multiverse, in Universe or Multiverse?, ed. B. Carr
(Cambridge University Press, Cambridge, 2009).
Wilczek F., Multiversality, Class. Quantum Grav. 30: 193001 (2013).
BIBLIOGRAFIA DESTE COLÓQUIO
The exoplanets analogy to the Multiverse arXiv:1506.08060
Osame Kinouchi (Submitted on 16 Jun 2015)
Teísmo, ateísmo e cenários de evolução no multiverso
Osame Kinouchi
http://www.abhr.org.br/wp-content/uploads/2013/09/Anais-
simp%C3%B3sio-da-ABHR-Sudeste.pdf
Cenários de seleção natural em cosmologia
Osame Kinouchi
organizadores: Rodrigo Petronio | Clarissa de Franco
editora: UNISINOS (2014)
CRÍTICAS À IDEIA DE MULTIVERSO
 Outros universos não são observáveis
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 Tudo o que pode ocorrer ocorre: a
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 Problema da medida: até agora não
se definiu uma distribuição de
probabilidades no espaço de
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 Desestimula a busca de explicações
físicas para o ajuste fino
Desestimula a busca de TOE (Theory of
Everything) sem parâmetros livres
POSSÍVEIS RESPOSTAS
 Teste experimental: Colisões entre
universos pode deixar cicatrizes na
radiação cósmica de fundo.
 Inflação está ganhando forte
suporte empírico e a teoria prediz
um multiverso.
 Problema da medida está sendo
ativamente estudado.
Teoria de supercordas prediz um
Multiverso.
 Uma TOE sem parâmetros livres
não parece ser viável.
INFLAÇÃO PREDIZ EFEITO DE ONDAS GRAVITACIONAIS
NA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO
CHOQUE ENTRE UNIVERSOS NO INÍCIO DO BIG BANG PODE
PRODUZIR ANOMALIAS NA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO
FLUXO DE BARIONS ENTRE UNIVERSOS NO BIG BANG
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Light given off by hydrogen shortly after the big bang has left some
unexplained bright patches in space. Are they evidence of bumping into
another universe?
A ANALOGIA DE EXOPLANETAS PARA O MULTIVERSO:
AJUSTE FINO PLANETÁRIO
 Existem parâmetros astronômicos
puramente acidentais que não podem ser
previstos pelas leis da Física
 Exemplos: raio R da órbita da Terra,
excentricidade ε da órbita, massa MS do
Sol, massa MT da Terra, raio RT da Terra,
volume de água A, etc.
 Todos esses parâmetros constituem um
ajuste fino que permite a vida na Terra
 Querer que uma teoria determine esses
parâmetros é uma ilusão (sonho de Kepler)
A SOLUÇÃO NATURAL É POSTULAR A EXISTÊNCIA DE
INÚMEROS EXOPLANETAS (MULTIPLANETAVERSO)
 Essa solução era razoável
mesmo quando se pensava que
exoplanetas seriam
indetectáveis (= metafísica)
 Experimento de pensamento:
o que se pode saber sobre o
mundo estando trancado dentro
de um quarto fechado?
 O que podemos saber sobre
os exoplanetas sem olhar para
as estrelas?
ANALOGIA: EXOPLANETA = UNIVERSO
 Problema do ajuste fino da Terra:
PT = (R, ε, MS, MT, RT, A, etc.)
 PT está dentro da região Uh de
parâmetros de planetas habitáveis
 O volume U total de parâmetros para
planetas é muito grande: Uh << U .
 Problema do ajuste fino do Universo:
PU = (Λ, G, α, mn/mp, etc.)
 PU está dentro da região Uh de
parâmetros de universos habitáveis
 O volume U total de parâmetros para
universos é muito grande: Uh << U .
POSSÍVEIS SOLUÇÕES PARA O AJUSTE FINO DA TERRA
1. Existe um criador que fez o ajuste
fino dos parâmetros da Terra
(exoplanetas não necessários)
2. O ajuste fino ocorreu por puro
acaso.
3. O ajuste fino ocorre por causa física
bem determinada (TOE planetária).
4. Existem inúmeros exoplanetas
(Multiplanetaverso) e dentre eles uns
poucos caem na região de
parâmetros Uh. A Terra é um desses
planetas.
POSSÍVEIS SOLUÇÕES PARA O AJUSTE FINO DO
UNIVERSO
1. Existe um criador que fez o ajuste fino
dos parâmetros do universo (outros
universos não necessários)
2. O ajuste fino do Universo ocorreu por
puro acaso.
3. O ajuste fino do Universo ocorre por
causa física bem determinada (TOE sem
parâmetros livres).
4. Existem inúmeros Universos (Multiverso) e
dentre eles uns poucos caem na região
de parâmetros com ajuste fino. Nosso
Universo é um deles. (Giordano Bruno?)
O QUE PODEMOS SABER SOBRE OS EXOPLANETAS
OLHANDO APENAS PARA A TERRA (E O SOL)?
 Teorema de Bayes:
𝑃 𝑥 𝑃 𝑇 =
𝑃 𝑃 𝑇 𝑥 𝑃(𝑥)
𝑃(𝑃 𝑇)
 x = parâmetro planetário
 PT = (R, ε, MS, MT, RT, A)
EXEMPLO TRIVIAL: O AJUSTE FINO DE PT SUGERE
QUE DEVEM EXISTIR MUITOS EXOPLANETAS
N = número de exoplanetas na galáxia
𝑃 𝑁 𝑃 𝑇 =
𝑃(𝑃 𝑇
|𝑁) 𝑃(𝑁)
𝑃(𝑃 𝑇
)
Devido ao ajuste fino, P(PT|N) é de ordem
O(1) apenas quando N >>1. Mesmo com
uma função pessimista decrescente P(N) =
exp(-cN) , temos P(N|PT) grande apenas
para N >>1.
Provavelmente, P(N) deve ser gaussiana
com média N0 grande:
𝑃 𝑁 = ∝ 𝑒− 𝑁−𝑁0
2/𝜎2
TAMANHOS E MASSAS
EXEMPLO 1: NÚMERO DE PLANETAS ROCHOSOS
NO SISTEMA SOLAR
 n = # planetas rochosos
 P(n) = função decrescente com n
 P(PT|n) = função crescente com n
 P(PT) = probabilidade a priori de
obter planeta com PT = constante
 Procurar n que maximiza:
𝑃 𝑛 𝑃 𝑇 =
𝑃 𝑃 𝑇 𝑛 𝑃(𝑛)
𝑃(𝑃 𝑇)
 Solução: n > 1, existem outros
planetas rochosos no sistema solar
OUTRAS POSSIBILIDADES DE HABITABILIDADE:
ESTRELAS VERMELHAS E EXOLUAS
EXEMPLO 2: PORQUE O SOL É UMA ESTRELA G
(AMARELA)?
𝑃 𝐴 𝑃 𝑇 =
𝑃 𝑃 𝑇 𝐴 𝑃(𝐴)
𝑃(𝑃 𝑇)
𝑃 𝑉 𝑃 𝑇 =
𝑃 𝑃 𝑇 𝑉 𝑃(𝑉)
𝑃(𝑃 𝑇)
 Mas P(A) = 1/10 P(V)
Assumindo tipicalidade devemos ter P(PT|A) > 10
P(PT|V)
Razão: Ventos solares destroem atmosferas em
planetas na zona habitável de estrelas M (vermelhas)
(Cohen et al., 2014)
PORQUE NÃO VIVEMOS EM UMA LUA DE PLANETA
GIGANTE?
𝑃 𝐿 𝑃 𝑇 =
𝑃 𝑃 𝑇 𝐿 𝑃(𝐿)
𝑃(𝑃 𝑇)
𝑃 𝑇 𝑃 𝑇 =
𝑃 𝑃 𝑇 𝑇 𝑃(𝑇)
𝑃(𝑃 𝑇)
O fato de habitarmos um planeta em
vez de luas (muito mais numerosas)
sugere que deve existir algum motivo
para que P(T|PT) > P(L|PT)
Razão: fluxo de energia e
estabilidade orbital (Heller, 2012)
OUTRAS PREDIÇÕES PODEM SER FEITAS SEM
OLHAR PARA AS ESTRELAS!
Para que P(PT|x) seja maximizado devemos
ter:
• Muitas estrelas como o Sol
• Muitos exoplanetas dentro de zona
habitável
•Muitos exoplanetas com pouca
excentricidade orbital
• Muitos exoplanetas com raio similar à Terra
• Muitos exoplanetas com massa similar à
Terra
• Água abundante nos exoplanetas
O que torna a Terra rara não são esses
fatores individuais, mas a probabilidade
conjunta P(R, ε, MS, MT, RT, A, etc.) = PT
Exemplo: se cada probabilidade para a
faixa antrópica desses parâmetros fosse P(x)
= 1/10 (pequeno ajuste fino), o ajuste fino
total seria PT = 10-6
CONCLUSÃO: O AJUSTE FINO É INFORMATIVO!
 O ajuste fino da Terra para a Vida (e
não apenas o ajuste evolucionário da
Vida para a Terra) fornece informação
sobre a existência e natureza de muitos
outros planetas.
Se a analogia de Steven Weinberg for
válida, o ajuste fino do Universo para a
Vida deverá fornecer informação sobre
outros universos (Multiverso): no mínimo,
que eles devem existir e devem ter
parâmetros físicos muito variados.
 Isto independe da Teoria de Inflação e
da Teoria de Supercordas
 Resta pensar que tipo de variação nos
parâmetros dos universos é possível, e
qual a densidade de probabilidade
desses parâmetros (problema da
medida).
 É bem possível que, antes disso,
observações na radiação cósmica de
fundo forneçam evidências mais fortes
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A scientific truth does not triumph by
convincing its opponents and making
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The exoplanets analogy to the Multiverse

  • 1. A ANALOGIA DE EXOPLANETAS PARA O MULTIVERSO Osame Kinouchi Seminários FAMB 11/novembro/2015
  • 2. TRÊS MOTIVOS PARA SE PENSAR UM MULTIVERSO: 1. TEORIA DE INFLAÇÃO
  • 3. TRÊS MOTIVOS PARA SE PENSAR UM MULTIVERSO: 2. RELEVO DE SOLUÇÕES EM SUPERCORDAS ~ 10500 TIPOS DE UNIVERSOS
  • 4. TRÊS MOTIVOS PARA SE PENSAR UM MULTIVERSO: 3. PROBLEMAS DE AJUSTE FINO  Constante cosmológica Λ O(10-120)  Parâmetros de inflação  G, α, mn/mp, mp/me Outros parâmetros do modelo-padrão  Etc. Life at the interface of particle physics and string theory A. N. Schellekens Rev. Mod. Phys. 85, 1491 2 October 2013
  • 5. TRABALHOS TEÓRICOS SOBRE O MULTIVERSO NO ARXIV.ORG 24 papes até 10/11/2015
  • 7. DOCUMENTÁRIOS YOUTUBE  Além do Cosmos: O Multiverso (Dublado) Documentário National Geographic  TED - Brian Greene - O Multiverso e a Teoria de Cordas  Teoria das Super Cordas - BBC - Multiverso - Universos Paralelos  NOVA - O Tecido do Cosmos - O que é o Espaço ?  Putting The Multiverse To The Test - Perimeter Institute for Theoretical Physics
  • 8. SUGESTÕES BIBLIOGRÁFICAS Bousso R., The Cosmological Constant Problem, Dark Energy, and the Landscape of String Theory, in Proceedings of Subnuclear Physics: Past, Present and Future, (Pontificial Academy of Sciences, Vatican, 2011). Guth A. H., Kaiser D. I., Nomura Y., Inflationary paradigm after Planck 2013, Phys. Lett. B 733: 112-119 (2014). Schellekens A. N., Life at the interface of particle physics and string theory, Rev. Mod. Phys. 85, 1491 (2013). Weinberg S., Living in the Multiverse, in Universe or Multiverse?, ed. B. Carr (Cambridge University Press, Cambridge, 2009). Wilczek F., Multiversality, Class. Quantum Grav. 30: 193001 (2013).
  • 9. BIBLIOGRAFIA DESTE COLÓQUIO The exoplanets analogy to the Multiverse arXiv:1506.08060 Osame Kinouchi (Submitted on 16 Jun 2015) Teísmo, ateísmo e cenários de evolução no multiverso Osame Kinouchi http://www.abhr.org.br/wp-content/uploads/2013/09/Anais- simp%C3%B3sio-da-ABHR-Sudeste.pdf Cenários de seleção natural em cosmologia Osame Kinouchi organizadores: Rodrigo Petronio | Clarissa de Franco editora: UNISINOS (2014)
  • 10. CRÍTICAS À IDEIA DE MULTIVERSO  Outros universos não são observáveis (Multiverso = Metafísica)  Tudo o que pode ocorrer ocorre: a ideia não é preditiva  Problema da medida: até agora não se definiu uma distribuição de probabilidades no espaço de parâmetros do Multiverso  Desestimula a busca de explicações físicas para o ajuste fino Desestimula a busca de TOE (Theory of Everything) sem parâmetros livres
  • 11. POSSÍVEIS RESPOSTAS  Teste experimental: Colisões entre universos pode deixar cicatrizes na radiação cósmica de fundo.  Inflação está ganhando forte suporte empírico e a teoria prediz um multiverso.  Problema da medida está sendo ativamente estudado. Teoria de supercordas prediz um Multiverso.  Uma TOE sem parâmetros livres não parece ser viável.
  • 12. INFLAÇÃO PREDIZ EFEITO DE ONDAS GRAVITACIONAIS NA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO
  • 13. CHOQUE ENTRE UNIVERSOS NO INÍCIO DO BIG BANG PODE PRODUZIR ANOMALIAS NA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO
  • 14. FLUXO DE BARIONS ENTRE UNIVERSOS NO BIG BANG New Scientist, 28/outubro/2015 Mystery bright spots could be first glimpse of another universe Light given off by hydrogen shortly after the big bang has left some unexplained bright patches in space. Are they evidence of bumping into another universe?
  • 15. A ANALOGIA DE EXOPLANETAS PARA O MULTIVERSO: AJUSTE FINO PLANETÁRIO  Existem parâmetros astronômicos puramente acidentais que não podem ser previstos pelas leis da Física  Exemplos: raio R da órbita da Terra, excentricidade ε da órbita, massa MS do Sol, massa MT da Terra, raio RT da Terra, volume de água A, etc.  Todos esses parâmetros constituem um ajuste fino que permite a vida na Terra  Querer que uma teoria determine esses parâmetros é uma ilusão (sonho de Kepler)
  • 16. A SOLUÇÃO NATURAL É POSTULAR A EXISTÊNCIA DE INÚMEROS EXOPLANETAS (MULTIPLANETAVERSO)  Essa solução era razoável mesmo quando se pensava que exoplanetas seriam indetectáveis (= metafísica)  Experimento de pensamento: o que se pode saber sobre o mundo estando trancado dentro de um quarto fechado?  O que podemos saber sobre os exoplanetas sem olhar para as estrelas?
  • 17. ANALOGIA: EXOPLANETA = UNIVERSO  Problema do ajuste fino da Terra: PT = (R, ε, MS, MT, RT, A, etc.)  PT está dentro da região Uh de parâmetros de planetas habitáveis  O volume U total de parâmetros para planetas é muito grande: Uh << U .  Problema do ajuste fino do Universo: PU = (Λ, G, α, mn/mp, etc.)  PU está dentro da região Uh de parâmetros de universos habitáveis  O volume U total de parâmetros para universos é muito grande: Uh << U .
  • 18. POSSÍVEIS SOLUÇÕES PARA O AJUSTE FINO DA TERRA 1. Existe um criador que fez o ajuste fino dos parâmetros da Terra (exoplanetas não necessários) 2. O ajuste fino ocorreu por puro acaso. 3. O ajuste fino ocorre por causa física bem determinada (TOE planetária). 4. Existem inúmeros exoplanetas (Multiplanetaverso) e dentre eles uns poucos caem na região de parâmetros Uh. A Terra é um desses planetas.
  • 19. POSSÍVEIS SOLUÇÕES PARA O AJUSTE FINO DO UNIVERSO 1. Existe um criador que fez o ajuste fino dos parâmetros do universo (outros universos não necessários) 2. O ajuste fino do Universo ocorreu por puro acaso. 3. O ajuste fino do Universo ocorre por causa física bem determinada (TOE sem parâmetros livres). 4. Existem inúmeros Universos (Multiverso) e dentre eles uns poucos caem na região de parâmetros com ajuste fino. Nosso Universo é um deles. (Giordano Bruno?)
  • 20. O QUE PODEMOS SABER SOBRE OS EXOPLANETAS OLHANDO APENAS PARA A TERRA (E O SOL)?  Teorema de Bayes: 𝑃 𝑥 𝑃 𝑇 = 𝑃 𝑃 𝑇 𝑥 𝑃(𝑥) 𝑃(𝑃 𝑇)  x = parâmetro planetário  PT = (R, ε, MS, MT, RT, A)
  • 21. EXEMPLO TRIVIAL: O AJUSTE FINO DE PT SUGERE QUE DEVEM EXISTIR MUITOS EXOPLANETAS N = número de exoplanetas na galáxia 𝑃 𝑁 𝑃 𝑇 = 𝑃(𝑃 𝑇 |𝑁) 𝑃(𝑁) 𝑃(𝑃 𝑇 ) Devido ao ajuste fino, P(PT|N) é de ordem O(1) apenas quando N >>1. Mesmo com uma função pessimista decrescente P(N) = exp(-cN) , temos P(N|PT) grande apenas para N >>1. Provavelmente, P(N) deve ser gaussiana com média N0 grande: 𝑃 𝑁 = ∝ 𝑒− 𝑁−𝑁0 2/𝜎2
  • 23. EXEMPLO 1: NÚMERO DE PLANETAS ROCHOSOS NO SISTEMA SOLAR  n = # planetas rochosos  P(n) = função decrescente com n  P(PT|n) = função crescente com n  P(PT) = probabilidade a priori de obter planeta com PT = constante  Procurar n que maximiza: 𝑃 𝑛 𝑃 𝑇 = 𝑃 𝑃 𝑇 𝑛 𝑃(𝑛) 𝑃(𝑃 𝑇)  Solução: n > 1, existem outros planetas rochosos no sistema solar
  • 24. OUTRAS POSSIBILIDADES DE HABITABILIDADE: ESTRELAS VERMELHAS E EXOLUAS
  • 25. EXEMPLO 2: PORQUE O SOL É UMA ESTRELA G (AMARELA)? 𝑃 𝐴 𝑃 𝑇 = 𝑃 𝑃 𝑇 𝐴 𝑃(𝐴) 𝑃(𝑃 𝑇) 𝑃 𝑉 𝑃 𝑇 = 𝑃 𝑃 𝑇 𝑉 𝑃(𝑉) 𝑃(𝑃 𝑇)  Mas P(A) = 1/10 P(V) Assumindo tipicalidade devemos ter P(PT|A) > 10 P(PT|V) Razão: Ventos solares destroem atmosferas em planetas na zona habitável de estrelas M (vermelhas) (Cohen et al., 2014)
  • 26. PORQUE NÃO VIVEMOS EM UMA LUA DE PLANETA GIGANTE? 𝑃 𝐿 𝑃 𝑇 = 𝑃 𝑃 𝑇 𝐿 𝑃(𝐿) 𝑃(𝑃 𝑇) 𝑃 𝑇 𝑃 𝑇 = 𝑃 𝑃 𝑇 𝑇 𝑃(𝑇) 𝑃(𝑃 𝑇) O fato de habitarmos um planeta em vez de luas (muito mais numerosas) sugere que deve existir algum motivo para que P(T|PT) > P(L|PT) Razão: fluxo de energia e estabilidade orbital (Heller, 2012)
  • 27. OUTRAS PREDIÇÕES PODEM SER FEITAS SEM OLHAR PARA AS ESTRELAS! Para que P(PT|x) seja maximizado devemos ter: • Muitas estrelas como o Sol • Muitos exoplanetas dentro de zona habitável •Muitos exoplanetas com pouca excentricidade orbital • Muitos exoplanetas com raio similar à Terra • Muitos exoplanetas com massa similar à Terra • Água abundante nos exoplanetas O que torna a Terra rara não são esses fatores individuais, mas a probabilidade conjunta P(R, ε, MS, MT, RT, A, etc.) = PT Exemplo: se cada probabilidade para a faixa antrópica desses parâmetros fosse P(x) = 1/10 (pequeno ajuste fino), o ajuste fino total seria PT = 10-6
  • 28. CONCLUSÃO: O AJUSTE FINO É INFORMATIVO!  O ajuste fino da Terra para a Vida (e não apenas o ajuste evolucionário da Vida para a Terra) fornece informação sobre a existência e natureza de muitos outros planetas. Se a analogia de Steven Weinberg for válida, o ajuste fino do Universo para a Vida deverá fornecer informação sobre outros universos (Multiverso): no mínimo, que eles devem existir e devem ter parâmetros físicos muito variados.  Isto independe da Teoria de Inflação e da Teoria de Supercordas  Resta pensar que tipo de variação nos parâmetros dos universos é possível, e qual a densidade de probabilidade desses parâmetros (problema da medida).  É bem possível que, antes disso, observações na radiação cósmica de fundo forneçam evidências mais fortes de Inflação e do Multiverso.
  • 29. A scientific truth does not triumph by convincing its opponents and making them see the light, but rather because its opponents eventually die and a new generation grows up that is familiar with it. Max Planck. Science advances one funeral at a time. Paráfrase.