Qual é a relação entre a física de partículas e a cosmologia?
Existe uma relação íntima entre os campos da física de partículas e da cosmologia, exemplificada por uma longa fila de físicos trabalhando em ambos simultaneamente: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne e muitos outros. A cosmologia é o estudo do universo e de sua estrutura, enquanto a física de partículas é o estudo de partículas fundamentais, como quarks e fótons, os menores objetos conhecidos. Embora a princípio possam parecer tão desconectados quanto qualquer coisa, a cosmologia e a física de partículas estão de fato intimamente ligadas.
Diferentemente dos sistemas complexos da Terra, que muito podem ser descritos usando explicações de nível superior, em vez de propriedades emergentes dos níveis mais baixos, os fenômenos intergaláticos e cosmológicos são comparativamente mais simples. Por exemplo, nas vastas distâncias do espaço, apenas uma das quatro forças da natureza tem alguma influência real: a gravidade. Embora estrelas e galáxias estejam muito distantes e muitas vezes maiores do que nós, temos uma imagem notavelmente precisa de como elas funcionam, derivada de leis físicas fundamentais que direcionam suas partículas constituintes.
O domínio da cosmologia mais intimamente ligado à física de partículas é o estudo do Big Bang, a gigantesca explosão que criou toda a matéria no universo e o espaço-tempo em que o próprio universo é composto. O Big Bang começou como um ponto de densidade quase infinita e volume zero: uma singularidade. Em seguida, expandiu-se rapidamente para o tamanho de um núcleo atômico, que é onde a física de partículas entra em cena. Para entender como os primeiros momentos do Big Bang influenciaram o universo como é hoje, precisamos usar o que sabemos sobre a física de partículas para criar modelos cosmológicos plausíveis.
Uma das motivações para criar aceleradores de partículas cada vez mais poderosos é realizar experimentos que simulem as circunstâncias físicas o mais cedo possível na história do universo, quando tudo era muito compacto e quente. Os cosmologistas devem ser versados em física de partículas para fazer contribuições significativas para o campo.
Outra chave para entender a relação entre a física de partículas e a cosmologia é examinar o estudo dos buracos negros. As propriedades físicas dos buracos negros são relevantes para o futuro a longo prazo do cosmos. Buracos negros são estrelas em colapso com uma gravidade tão imensa que nem mesmo a luz pode escapar de seu alcance. Por um tempo, pensou-se que os buracos negros não emitissem radiação e teriam sido eternos, um paradoxo para os físicos. Mas Stephen Hawking teorizou, com base em informações da física de partículas, que os buracos negros de fato emitem radiação, que foi posteriormente denominada radiação de Hawking.
A física de partículas também é altamente relevante nas investigações da matéria escura, matéria invisível cuja existência é conhecida devido à sua influência gravitacional na matéria visível e energia escura, uma força misteriosa que permeia o universo e faz com que sua expansão acelere. Essas são questões centrais na cosmologia moderna.