A TEORIA DO “BIG BANG” (PARTE 1 de 2)

INTRODUÇÃO

O que me motivou a escrever sobre este assunto, mais complexo do que a maioria dos assuntos sobre os quais já escrevi foi, de uma certa forma, a singeleza e a facilidade com que vejo a maioria das pessoas discutir e aceitar esta teoria sem provas, como um ato de fé, principalmente por aquelas pessoas que dizem não acreditar na existência de um Deus onipotente, onipresente e onisciente, exatamente porque não possuem provas concretas de que tal Deus exista.

Vejam bem os leitores que eu não tenho a mínima intenção de provar a existência de Deus (ufa! Tarefa árdua, já tentada por gente muito importante, assim como provar que Ele não existe, sem o menor sucesso!) nem de validar tal teoria, mas apenas expô-la e colocar algumas questões sobre ela, para que os próprios leitores possam julgar se ela pode ser totalmente aceita como verdade indiscutível, a não ser como ato de fé, sem prova, da mesma maneira que exigiria, para ser aceito, o conceito de um Deus responsável pela criação de tão formidável Universo.

Em outras palavras, eu não aceito que pessoas possam admitir tal teoria, que nunca foi provada, mas apenas exposta, como verdadeira, e não possam aceitar o conceito de Deus, da mesma forma nunca aprovado, mas que deve ser aceito como um ato de fé. Ou seja, que substituam um conceito teórico por outro, sem a menos cerimônia ou pudor. E assim vivam felizes para sempre, como pessoas “inteligentes” que não creem ou não precisam de Deus.

Aliás, acho muito importante, até mesmo como introdução, que todos saibam que a Teoria do “Big Bang”, da origem do Universo, foi originalmente proposta por um belga, astrônomo e professor de física da Universidade Católica de Louvain, chamado Georges Henry Joseph Édouard Lemaître que era, pasmem(!), um PADRE JESUÍTA, alguém que, acreditando em Deus como acreditou, até morrer, nunca teve medo de estudar tais assuntos. Monsenhor Lemaître, como era conhecido, foi a primeira pessoa a propor a teoria da expansão do Universo, ampla e erradamente atribuída a Edwin Hubble, tendo sido também o primeiro a derivar o que é hoje conhecido como “lei de Hubble”, além de realizar a primeira estimativa do que é agora chamada de “Constante de Hubble”, publicada por ele em 1927, dois anos antes do artigo de Hubble. Monsenhor Lemaître nasceu em Charleroi, Bélgica, em 17 de julho de 1894, e morreu em 20 de junho de 1966, em Leuven, Bélgica, à idade de 71 anos.

Monsenhor George Lemaître

Com o objetivo de tornar o assunto que vai ser abordado, o mais claro possível, toda vez que mencionar alguma palavra que, a meu critério, possa ser menos conhecida da maioria, procurarei dar uma breve explicação sobre ela. Mas será sempre uma explicação muito breve, que esclareça o seu significado, sem desviar a atenção do leitor do assunto principal da matéria.

APRESENTAÇÃO

Em 1959 uma pesquisa foi realizada entre cientistas de toda a América, com relação ao seu entendimento das ciências físicas. Uma questão particular foi colocada: “Qual o seu conceito da idade do Universo?”. Mais de dois terços dos cientistas questionados responderam que não havia origem do Universo, que o Universo era eterno. Cinco anos após, em 1964, os radioastrônomos Arno Penzias e Roberto Wilson descobriram um sinal de micro-onda sepultado entre seus dados. Tentaram filtrar o sinal, supondo que tratava-se, meramente, de um ruído indesejado. Contudo, logo verificaram que o sinal de fato existia: eles tinham, inadvertidamente descoberto a Micro-onda Cósmica de Fundo (Cosmic Microwave Background – CMB). A CMB havia sido predita por uma teoria em que poucos acreditavam àquele tempo, chamada “Big Bang”. Essa descoberta foi a primeira evidência de que o Universo tinha um início.

Entendido que o Universo tinha um início, os cientistas começaram a perguntar: “como ele iniciou?” e “o que existia antes dele?”.

A maioria dos cientistas agora acredita que a resposta à primeira pergunta é que o Universo surgiu de uma singularidade – um termo que os físicos usam para descrever regiões do espaço que desafiam as leis da física.

Quanto à segunda parte da questão, os cientistas ficaram frustrados. Por definição, nada existia antes do início, mas este fato cria mais perguntas que respostas. Por exemplo, se nada existia antes do “Big Bang”, o que fez a singularidade aparecer em primeiro lugar?

Uma vez que a singularidade foi criada (de fato, ela aconteceu), começou a expandir-se através de um processo chamado inchação. O Universo passou de muito pequeno, muito denso e muito quente, à fria expansão que vemos hoje. Esta teoria é hoje conhecida como “Big Bang”, termo inicialmente cunhado por Sir Fred Hoyle, durante uma transmissão de rádio da BBC, em 1950 que, por ironia, opunha-se a ela. Curiosamente, na verdade, nenhuma espécie de explosão ocorreu, como sugere o nome; apenas a rápida expansão do espaço e tempo, da mesma forma como soprando ar dentro de um balão, ele se expande externamente.

HISTÓRIA

A teoria do “Big Bang” apresenta o principal modelo cosmológico a descrever o desenvolvimento inicial do Universo(1).

A Cosmologia física estuda as estruturas e dinâmica de maior escala do Universo e trata das questões fundamentais sobre sua formação, evolução e destino final. Pela maior parte da história humana, ela foi um ramo da metafísica(2) e da religião. A Cosmologia, como uma ciência, originou-se com o princípio de Copérnico - corpos celestiais obedecem a leis físicas(3) idênticas às da Terra -, e com a mecânica Newtoniana(4) , a primeira a nos permitir entender aquelas leis.

Einstein e Lemaître, dois físicos de respeito

A cosmologia física, como é agora entendida, começou com o desenvolvimento, no século XX, da Teoria Geral da Relatividade, de Einstein, e as observações astronômicas mais apuradas de objetos extremamente distantes. Esses avanços fizeram possível especular sobre a origem do Universo e permitiram o estabelecimento da “Teoria do Big Bang”, por Lemaître, como o principal modelo cosmológico. Alguns pesquisadores ainda advogam um punhado de cosmologias alternativas; contudo, a maioria dos cosmologistas concorda que a Teoria do “Big Bang” é a que melhor explica as observações.

A teoria do “Big Bang” originou-se de observações da estrutura do Universo e de considerações teóricas. Em 1912, Vesto Slipher mediu o primeiro deslocamento Doppler(5) de uma “nebulosa espiral” (nome obsoleto para “galáxia espiral”) e logo descobriu que tais nebulosas se afastavam da Terra. Ele não captou as implicações cosmológicas do evento e, de fato, naquele tempo era controverso se essas nebulosas eram ou não “universos ilhas” fora da nossa Via Láctea. Dez anos mais tarde, Alexander Friedmann, um cosmólogo e matemático, derivou as equações de Friedmann, a partir das equações da teoria da relatividade de Einstein, mostrando que o Universo poderia estar se expandindo, em contraste com o modelo estático do Universo estático proposto por Einstein à época.

Iniciando em 1924, Hubbler desenvolveu uma série de indicadores de distância, o precursor da escada de distância cósmica (método para medição da distância a corpos celestiais a distâncias maiores que 3.000 anos-luz), usando o telescópio de Hooker de 100 polegadas, no Observatório de Monte Wilson. Isso lhe permitiu estimar distâncias a galáxias cujos redshifts(6) já haviam sido medidos, principalmente por Slipher. A medida da distância à mais próxima nebulosa espiral, por Edwin Hubble, mostrou que esses sistemas eram de fato outras galáxias.

Independentemente derivando as equações de Friedmann, em 1927, George Lemaître propôs que o afastamento inferido das nebulosas era devido à expansão do Universo, propondo, originalmente, o que se tornou conhecido como a teoria do “Big Bang” e que ele chamou de “hipótese do átomo original”. Com o passar do tempo, os cientistas desenvolveram suas ideias iniciais para formar a síntese moderna.

As equações que governam a teoria foram inicialmente formuladas por Alexander Friedmann e soluções similares foram trabalhadas por Willem de Sitter. Em 1929, Edwin Hubble descobriu que as distâncias a galáxias distantes eram fortemente correlacionadas a seus redshifts – uma ideia originalmente sugerida por Lemaître em 1927.

Em 1931 Lemaître foi mais além e sugeriu que a evidente expansão do Universo, se projetada para o passado, no tempo, significava que quanto mais longe no passado, menor seria o Universo, até que em algum tempo finito no passado, todo a massa do Universo seria concentrada num só ponto, um “átomo primitivo”, onde e quando a estrutura do tempo e espaço iniciou sua existência.

De acordo com a teoria, o “Big Bang” ocorreu há, aproximadamente, 13,798 ± 0,037 bilhões de anos atrás, considerada a idade do Universo. Naquele tempo, o Universo estaria num estado de extremo calor e densidade e começou a expandir-se rapidamente. Após a expansão inicial, o Universo resfriou-se suficientemente para permitir que a energia fosse convertida em várias partículas subatômicas, incluindo prótons, nêutrons e elétrons. Embora apenas núcleos de átomos simples tenham se formado nos primeiros três minutos após o “Big Bang”, milhares de anos se passaram antes que os primeiros átomos eletricamente neutros se formassem. A maioria dos átomos produzidos pelo “Big Bang” era formada por hidrogênio, junto com hélio e traços de lítio. Nuvens gigantes desses elementos primordiais mais tarde coalesceram através da gravidade(7)  para formar as estrelas e as galáxias; os elementos mais pesados foram combinados ou dentro das estrelas ou durante as supernovas(8).

O arcabouço do modelo “Big Bang” repousa na Teoria Geral da Relatividade, de Albert Einstein, e hipóteses simplificadas tais como a homogeneidade (no espaço, implica na conservação da quantidade de movimento [massa x velocidade]; no tempo, implica na conservação da energia) e isotropia (uniformidade de uma característica em todas as direções) espaciais. Essas ideias foram, inicialmente, tomadas como postulados, mas hoje há esforços para testar cada uma delas, tendo sido ambas praticamente confirmadas.

Para nós, brasileiros, a complexidade do modelo é, desde o início, ainda majorada pelo próprio título da teoria, que tem o seu original em inglês. O “big”, como a maioria sabe, significa “grande”, não no sentido de importância – que seria “great” -, mas apenas no sentido do tamanho; o “bang” está muito associado a ruído ou barulho de uma explosão, que tão bem conhecemos desde os filmes do velho oeste, que víamos quando crianças e aos quais nos referíamos como filmes de “bang-bang”. Isso é importante porque o “Big Bang” não é uma explosão de matéria para fora, a encher um Universo vazio. Ao invés disso, é o próprio espaço que se expande com o tempo em todas as direções, aumentando a distância entre dois pontos do espaço. Dadas essas explicações iniciais, a tradução deixa de parecer tão importante, pelo que proponho que, ao longo de todo o assunto, mantenhamos a nomenclatura original, até para evitar outras complicações que poderiam surgir.

Durante as décadas de 1920 e 1930, todos os principais cosmólogos preferiam um Universo eterno, em estado constante e muitos se queixaram de que o início do tempo implicado pelo “Big Bang” trazia conceitos religiosos para a física; essa objeção foi, mais tarde, repetida pelos defensores da teoria do Estado Constante(9). Essa percepção foi realçada pelo fato de que o criador da teoria do “Big Bang”, Lemaître, era um padre Católico Romano.

Na década de 1930 outras ideias foram propostas como cosmologias não padronizadas para explicar as observações de Hubble – “modelo de Milne”, “Universo oscilatório” e a “hipótese da luz cansada de Fritz Zwickl”. Entretanto, após a Segunda Guerra Mundial apenas duas possibilidades distintas emergiram: uma foi a teoria do “Estado Constante”, de Fred Hoyle, e a outra foi a teoria do ““Big Bang””, de Lemaître. Por um período, o apoio geral foi dividido entre essas duas teorias. Ao final, a evidência experimental começou a favorecer a teoria do “Big Bang” sobre a do Estado Constante e a descoberta e confirmação do CMB, em 1964, já prevista por seus adeptos, considerou a “Big Bang” como a melhor teoria da origem e evolução do cosmos. Uma boa parte do trabalho atual em cosmologia inclui o entendimento de como as galáxias se formam no contexto do “Big Bang”, entendendo a física do Universo em tempos cada vez mais remotos e reconciliando as observações com a teoria básica. Um progresso significativo na cosmologia do “Big Bang” tem sido feito desde o final da década de 1990 como resultado dos avanços na tecnologia do telescópio e na análise de dados de satélites, como o COBE (Cosmic Background Explorer), o Telescópio Espacial Hubble e o WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Os cosmólogos têm agora medições razoavelmente precisas de muitos dos parâmetros do modelo “Big Bang” além de, inesperadamente, descobrir que a expansão do Universo parece estar se acelerando.

O “Big Bang” é a teoria científica mais consistente com as observações dos estados passado e presente do Universo, amplamente aceita na comunidade científica. Ela fornece uma explicação compreensiva de uma ampla gama de fenômenos observados, incluindo a abundância de elementos leves, o Cosmic Microwave Background (CMB), estruturas de grande escala e o diagrama de Hubble (representação visual da Lei de Hubble, acima mencionada). As ideias centrais do “Big Bang” – a expansão, o estado quente inicial, a formação dos elementos leves e a formação das galáxias – são derivadas destas e outras observações. As galáxias, que no passado estavam todas muito próximas, hoje encontram-se cada vez mais afastadas. Uma consequência disso é que as características do Universo podem ser calculadas com detalhe, de volta no tempo, a temperaturas e densidades extremas, enquanto grandes aceleradores de partículas(10) replicam tais condições que resultam na confirmação e refinamento dos detalhes do modelo “Big Bang”.

(1) O Universo é comumente definido como a totalidade da existência, incluindo os planetas, estrelas, galáxias, os conteúdos do espaço intergaláctico, as menores partículas subatômicas e toda a matéria e energia. Termos similares incluem o Cosmos, o Mundo, a Realidade e a Natureza.

(2) A Metafísica é o ramo tradicional da Filosofia, que se ocupa da explicação da natureza fundamental do “ser” e do “mundo” que o envolve, embora o termo não seja facilmente definido. Tradicionalmente, a metafísica tenta responder a duas questões básicas, nos termos mais amplos possíveis:

1. O que está ao final de tudo?

2. Como ele é?

(3) Uma lei física ou lei científica, de acordo com a o dicionário inglês de Oxford, é “um princípio teórico deduzido de fatos particulares, aplicável a um grupo ou classe definida de fenômenos e expresso pela declaração de que um fenômeno particular sempre ocorrerá se certas condições estiverem presentes”. Leis físicas são tipicamente conclusões baseadas em experimentos e observações científicas repetidas por muitos anos e que foram aceitas universalmente pela comunidade científica. A produção de uma descrição sumária do nosso ambiente na forma de tais leis, é um objetivo fundamental da ciência.

(4) Em física, a mecânica clássica e a mecânica quântica são os dois maiores subcampos da mecânica. A mecânica clássica trata de um conjunto de leis físicas que descrevem o movimento dos corpos sob a ação de um sistema de forças. O estudo do movimento dos corpos é tão antigo que faz a mecânica clássica, também chamada de mecânica Newtoniana, um dos assuntos mais velhos e amplos na ciência, engenharia e tecnologia.

(5) O “efeito Doppler” (ou deslocamento Doppler), do físico austríaco Christian Doppler, proposto em 1842, em Praga, é a alteração na frequência de uma onda (ou outro evento periódico), para um observador móvel com relação à sua fonte. Pode ser percebido quando um veículo soando uma sirene ou buzina se aproxima, passa e se afasta de um observador. Comparada à frequência emitida, a frequência recebida é maior durante a aproximação, idêntica no instante da ultrapassagem e menor durante o seu afastamento.

(6) Em física, um redshift (deslocamento para o vermelho) acontece quando a luz, ou outra radiação eletromagnética, de um objeto, tem seu comprimento de onda aumentado ou movido para a extremidade vermelha do espectro. Em geral, esteja ou não a radiação dentro do espectro visível, mais vermelho (redder) significa um aumento no comprimento de onda – equivalente a uma menor frequência e menor foto-energia, de acordo com, respectivamente, as teorias da onda e quantum da luz.

(7) Gravidade ou gravitação é o fenômeno natural pelo qual todos os corpos físicos se atraem mutuamente. Ela é mais comumente reconhecida e experimentada como o agente que dá peso aos objetos físicos e faz com que esses objetos caiam para o chão quando tombados de alguma altura.

(8) Quando uma estrela gigante, com massa pelo menos 10 vezes à do Sol, chega ao fim de sua vida, produz-se uma explosão a que se dá o nome de Supernova. Seu brilho pode ser milhões de vezes maior que o brilho da estrela antes da explosão, comparável ao brilho de uma galáxia inteira, por semanas ou meses, antes de desaparecer.

(9) Em cosmologia, a teoria do “Estado Constante”, alternativa à teoria do “Big Bang” de origem do Universo e agora obsoleta, admite que nova matéria está sendo continuamente formada com a expansão do Universo, assim aderindo ao princípio cosmológico perfeito.

(10) Um acelerador de partículas é um dispositivo que usa campos eletromagnéticos para impulsionar partículas carregadas a altas velocidades, confinando-as em bem definidos feixes de luz. Um campo eletromagnético é um campo físico produzido por objetos eletricamente carregados; ele afeta o comportamento de objetos carregados na vizinhança do campo.

Conclui na próxima postagem.