O que havia antes do Big Bang

Teoria do Big Bang

A teoria do Big Bang é um modelo que explica o fato observável das galáxias estarem afastando-se mutuamente. Sua formulação parte de uma solução das equações de Einstein para a gravitação, em que se considera o Universo como um todo como se fosse um fluido homogêneo e isotrópico. A obtenção de soluções para este modelo foi feita por Alexander Friedmann a partir das quais Georges Lemaître propôs o modelo do Big Bang, complementado pelo trabalho de George Gamow e Ralph Alpher. O nome da teoria foi dado por seu opositor Fred Hoyle.
Este artigo esclarece a maior parte dos pontos sobre a teoria:
http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_Theory
Infelizmente a versão em português não é tão completa.
É preciso entender bem que o Big Bang não foi, como se pensa, uma explosão de um conteúdo para um espaço vazio, mas sim um súbito e acelerado "inchamento" do próprio espaço, pois não há vazio fora do Universo. Não há nada e vazio não é nada e sim um espaço sem conteúdo (no nada não tem nem espaço). Todo o espaço do Universo sempre foi ocupado. Quando não é por matéria, tem-se o vácuo, que é ocupado só por campos e radiação. Não existe vazio no Universo (nem fora dele).
Para uma compreensão melhor, sugiro os livros:
"Big Bang", de Simon Sigh (Record) e "Os três Primeiros Minutos", de Steven Weinberg (Gradiva).

Origem do conteúdo primevo

A questão da origem do conteúdo primevo, que começou a se expandir, não é considerada na teoria do Big Bang, pois ela não se aplica às condições de alta densidade e temperatura de então. De fato a teoria só se aplica a partir do instante 10^(-43)s (tempo de Planck). Vejam este artigo:
http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_the_Big_Bang
Uma hipótese é que tal conteúdo (um campo denso e indiferenciado) já existia mas imperturbável, de tal forma que não havia passagem de tempo, que começou quando uma perturbação fortuita (não causada) deu início à expansão e ao transcurso do tempo. Outra hipótese é que tal conteúdo surgiu sem ser procedente de coisa alguma, de modo também fortuito e já começou a se expadir. Outra ainda é que ele seja o resultado de uma contração de um prévio Universo que terminou sua existência (incluindo seu espaço e seu tempo). Há mais possibilidades, como a conjectura dos muitos mundos (multiversos) e esta do "Universo Fecundo" de Smolin. Todavia tal hipótese encontra oposição de muitos físicos de bom calibre, como Leonard Susskind, Joe Silk, Joseph Polchinski e outros, como os proponentes da teoria das cordas e seus desdobramentos (p-branas e teoria M).
Concordo com Smolin em sua rejeição ao princípio antrópico, mas não vejo com simpatia a proposta de que a singularidade de um buraco-negro seja outro Universo. Para mim esta singularidade nada mais é do que um hiper-hiperon com a massa de toda a estrela em uma única partícula de densidade imensa (mas não infinita) em um volume não nulo, mas possivelmente da ordem do "volume de Planck", 10^(-105)m³, que seria o "quantum" de volume na teoria do loop gravitacional de Smolin.

Inexistência do tempo

Antes que o Universo começasse a se expandir, ou houve o surgimento do conteúdo a expandir ou ele estava presente, mas inteiramente estático. Em ambos os casos não havia decurso de tempo. O tempo não é algo que existe por conta própria. O tempo advém das mudanças de estado do conteúdo do Universo que caracterizam momentos, sendo sua ordem ditada pelo aumento de entropia. Assim, se nada se alterar, não há fluxo de tempo. É o que pode acontecer se houver a morte térmica do Universo, situação em que tudo estará em seu nível mínimo de energia e máximo de entropia, impossibilitando qualquer alteração de estado.

Matéria e antimatéria

Matéria e antimatéria não existiam antes do Big Bang. Suas partículas surgiram após a inflação, cerca de 10^(-36)s após o início. Antes disso devia ter surgido, do campo primordial, apenas os bósons de Higgs.

Assimetria bariogênica

A radiação de fundo provém do desacoplamento entre a matéria e a radiação, quando o Universo tornou-se transparente, 379.000 anos após o Big Bang. Até então o Universo era todo opaco (como o interior de uma única estrela) preenchido por um plasma de prótons, nêutrons, elétrons e fótons, que eram absorvidos e re-emitidos. Quando a tempertura tornou-se menor do que 3.000 K o plasma transformou-se em átomos neutros de hidorgênio e hélio (nucleosíntese primordial) e os fótons não foram mais absorvidos, passando a vagar pelo espaço. Com a expansão houve o resfiramento e a redução da frequência desses fótons, que hoje estão com 160GHz, correspondentes a microonda de 2,0mm de comprimento de onda, o que dá uma temperatura de 2,7K. Sua distribuição é altamente isotrópica (variação de 1 parte em 100.000).
Esse plasma anterior ao desacoplamento, por sua vez, originou-se da capitulação da antimatéria perante a matéria pela "violação da simetria CP (carga e paridade)", nas interações fracas (decaimento radioativo), uma vez que, o resfriamento do plasma inicial produziu igual número de partículas e antiparticulas. Esta é uma proposta de explicação. Isto significa que o decaimento radioativo de partículas e suas antipartículas não possuem a mesma taxa (meia vida). Se náo houvesse essa assimetria, todas as partículas se aniquilariam com suas antipartículas e o Universo só teria fótons (que não possuem antifótons). As partículas primordiais formadas eram híperons não estáveis, que decaem até prótons e nêutrons. Normalmente cada uma de um par formado é lançada em direções opostas (pela conservação do momentum), de modo que se aniquila com a oposta de outro par. Quem decair mais rapidamente terá mais chance de chegar até a final estável sem encontrar outra para aniquilar. Do total de partículas de matéria e antimatéria formados, a sobra de matéria é apenas um trilhonésimo do inicial (pois há um trilhão de fótons para cada próton, nêutron ou elétrona).

Outra explicação

Até onde alcança a observação do Universo (Universo Observável), não existe sinal de antimatéria no Universo. Todavia há muito mais Universo além do observável. O que pode também ter acontecido é que, durante a fase de inflação, houve um espalhamento de matéria de tal forma que alguns lugares houve predominância de antimatéria, outro de matéria, como é o caso de onde estamos. Mas os lugares em que a antimatéria predomina (e que é, de fato, a matéria de lá), estariam fora do alcance de nossa observação, isto é, fora do nosso cone de luz do passado (alhures).

Observações

Quando o campo indiferenciado primordial começou a expandir-se (e isto é o que se chama de Big Bang), logo apareceram as primeiras quantizações na forma de bósons de Higgs, que, logo, por sua vez, deram origem a quarks, antiquarks, leptons e antileptons (partículas fermiônicas). Os primeiros formaram hiperons e antihiperons que se aniquilavam ou decaiam e seus produtos de decaimento também se aniquilavam e decaiam naquela grande densidade, até pararem nos prótons e nêutrons. Isto fazia surgir fótons, mas estes não eram os da radiação de fundo, pois logo se transformavam em novas partículas, restando, após esta fase, apenas partículas (férmions) e fótons e não antipartículas, a não ser que tenham sido levadas pela inflação a regiões não observáveis do Universo. Este plasma de partículas permaneceu quase 400 mil anos interagindo enquanto o Universo se expandia, não mais inflacionariamente, até que a matéria (os férmions) se desacoplou da radiação, formando os átomos de Hidrogênio e Hélio e o Universo ficou transparente. Os fótons então existentes é que passaram a ser a radiação de fundo.
Quanto ao princípio cosmológico de homogeneidade e isotropia, ele é verificado em todo o Universo Observável e extendido, por hipótese, à região não observável. A presença de antimatéria não feriria tal princípio, já que ele se refere, especialmente, à densidade de massa-energia, à carga elétrica líquida, ao momento angular e ao momento linear, estes três últimos tendo valores médios nulos no Universo. A antimatéria não muda nenhum desses parâmetros.

A aniquilação da matéria com a antimatéria não é a causadora do Big Bang. Ela é posterior ao Big Bang. No Big Bang, não havia matéria nem antimatéria, nem radiação (fótons) mas apenas um campo indiferenciado (não era elétrico nem magnético, nem bosônico, nem fermiônico, nem gluônico, nem gravitacional, mas tudo isso ao mesmo tempo). A temperatura era a densidade de energia desse campo, que não possuia massa, pois massa é uma propriedade de partículas (quantizações de campo). Toda a massa e energia do atual Universo estava nele. O interessante é que, se o Universo é infinito, ele sempro o foi, mesmo no momento do Big Bang. Só que, então, sua densidade seria altíssima, mas extender-se-ia indefinidamente. Se o conteúdo primordial fosse limitado, entao o Universo é finito. Há controvérsias sobre isto. A expansão que se deu foi (e continua sendo) uma expansão do espaço, isto é, as coisas vão ficando mais longe umas das outras sem se afastarem, mas porque o espaço entre elas aumenta em si mesmo. Isto vale não só para galáxias, mas para qualquer distância, mesmo dentro do átomo. Nós estamos aumentando de tamanho junto com o Universo, mas isto é imperceptível no nosso tamanho.

Surgimento do conteúdo primevo

Não há necessidade de se considerar um processo cíclico para explicar a origem do conteúdo primordial que iniciou sua expansão no Big Bang. Tanto pode ser que seja proveniente de uma contração de um ciclo de tempo anterior (nesse caso haveria uma terminalidade do tempo anterior e um recomeço no novo Big Bang), mas não necessariamente. Inclusive os modelos cosmológicos de Universo fechado não implicam em ciclos. Pode ser que seja um único ciclo, que tenha um começo, um fim e pronto: acabou! Ao que parece, as medidas observacionais indicam um Universo em expansão indefinida, isto é, infinito e sem ciclos para o futuro. O erro experimental da medida da densidade de massa-energia do Universo faz com que os valores limites situem-se acima e abaixo do valor crítico de um espaço plano, que parece ser o real. Possivelmente o total de massa-energia seja nulo, como o são a carga e o momento linear e angular totais. Assim, mesmo que não haja necessidade de haver obediência a leis de conservação no surgimento do conteúdo primevo, pode ser que elas não tenham sido desobedecidas, isto é, o conteúdo total de tudo no Universo continua sendo nulo, como seria se não houvesse nada (nem conteúdo, nem espaço, nem tempo). Mas isto não é observacionalmente confirmando quanto à massa-energia (note que não falei matéria-energia, pois matéria, radiação e campo pertencem à categoria de entidades, enquanto massa e energia pertencem à categoria de atributos de entidades). Esse conteúdo primordial (com o espaço que lhe abriga) pode muito bem ter surgido sem ser proveniente de algo anterior ("do nada") e logo começado a expandir (originando o tempo).

A seta do tempo

A questão da seta do tempo pode ser melhor entendida quando se verifica que, fenomenologicamente, o tempo não é algo que existe por si mesmo, mas decorre do fato do estado do Universo sofrer alteração. Estados diferentes são associados a momentos diferentes e o ordenamento deles é dado pela ligação causal. A ligação causal só existe em sistemas complexos. Em sistemas simples os eventos são fortuitos e reversíveis, mas uma ocorrência que seja resultante de um grande número de eventos elementares terá uma relação de dependência com um outro estado que fica sendo a sua causa e cria um direcionamento temporal. Uma grandeza capaz de medir este sentido é a Entropia, pois as ocorrências macroscópicas são probabilísticas, sendo a entropia uma medida logarítimica da probabilidade de um macroestado, pela contagem do número de microestados acessíveis. Isto é, um efeito é um estado mais provável que sua causa, em termos do Universo como um todo.