Introdução sobre a Teoria do Big Bang
Por séculos, os seres humanos contemplaram as estrelas e imaginaram de que maneira o universo se tornou aquilo que é hoje. O assunto foi tema de debates religiosos, filosóficos e científicos. Entre as pessoas que tentaram revelar os mistérios do universo há famosos cientistas como Albert Einstein, Edwin Hubble e Stephen Hawking. Um dos mais famosos e aceitos modelos quanto ao desenvolvimento do universo é a Teoria do Big Bang.
Apesar de a teoria do Big Bang ser famosa, ela é também muito incompreendida. Um dos equívocos mais comuns sobre a teoria é a de que ela descreve a origem do universo. Isso não é 100% correto. A teoria é uma tentativa de explicar como o universo se desenvolveu de um estado minúsculo e muito denso para aquilo que é hoje. Ela não tenta explicar o que iniciou a criação do universo, o que existia antes do Big Bang ou até o que existe fora do universo.
Outro equívoco é afirmar que o big bang tenha sido uma espécie de explosão. A teoria descreve a expansão do universo. Embora algumas versões da teoria se refiram a uma expansão incrivelmente rápida (possivelmente mais rápida que a velocidade da luz), isso ainda assim não representaria uma explosão no sentido clássico do termo.
A culpa é do nomeA confusão quanto ao Big Bang se deve, em parte, ao nome que lhe foi atribuído - ele indica que teria havido uma explosão. O responsável por isso é Sir Fred Hoyle, um crítico da teoria, que usou o termo "big bang" como expressão de desdém por esse modelo. O comentário foi divulgado e o nome acabou se firmando.
Resumir a teoria do Big Bang é um desafio. Ela envolve conceitos que contradizem a maneira pela qual percebemos o mundo. Os estágios iniciais do Big Bang se concentram em um momento no qual todas as forças separadas do universo eram parte de uma força unificada. As leis da ciência começam a se dissolver, à medida que recuamos no tempo. Consequentemente chega-se a um estágio em que não se pode mais construir teorias científicas sobre o que está acontecendo porque a ciência mesma já não se aplica.
Estado estacionário VS Big Bang: a vitória de um padre
As grandes descobertas cientificas da humanidade sempre foram fruto da genialidade e, principalmente, da curiosidade insaciável de seus criadores. Com o Big Bang não poderia ser diferente. A teoria científica para o início do universo tem sua origem alguns anos após a publicação da relatividade geral. Um grupo de equações conhecidas como equações de campo de Einstein implicavam claramente na inexistência de um universo infinito e estático. Isso quer dizer que em algum momento o universo teve um início e se expandia desde então. O universo não era tão estático como se imaginava. Essa ideia, hoje bem aceita pela maioria das pessoas, foi negada a princípio por muitos cientistas. O próprio Einstein abominava essa ideia, e se recusava a aceitar um universo que não fosse estático.
Ironicamente, o primeiro a defender uma teoria científica para a origem do universo foi um padre católico. Georges Lemaître propôs baseado em seus estudos sobre a relatividade geral de Einstein, uma teoria onde o universo havia sido criado em algum momento. Ele percebeu que se o universo estava em expansão como afirmava a teoria da relatividade um dia ele deve ter sido realmente minúsculo. Esse ponto minúsculo do qual o universo teria se expandido foi chamado por Lemaître de teoria do átomo primordial, uma espécie de ponto infinitamente denso e quente que, ao explodir, originou o universo. Essa ideia, que é a base para a cosmologia moderna, foi a princípio recusada pelo próprio Einstein.
Einstein e Lemaître.
O astrônomo Edwin Hubble descobriu que as galáxias estão se afastando uma das outras destruindo por vez o sonho de Einstein de um universo estático. Hubble, utilizando um método chamado vela padrão, pôde determinar a distância de estrelas extremamente longe de nós. Com isso ele foi capaz de calcular a velocidade de expansão do universo e sua idade.
O que é uma teoriaNa ciência, uma teoria é uma tentativa de explicar um aspecto específico do universo. Teorias não podem ser provadas, mas podem ser negadas. Caso observações e testes sustentem uma teoria, ela se torna mais forte e mais cientistas tendem a acatá-la. Caso as provas contrariem uma teoria, os cientistas precisam descartá-la ou revisá-la à luz de novos indícios.
No meio acadêmico a teoria do átomo primordial encontrou resistências, principalmente pelo fato de seu criador ser um padre, fato que fez com que muitos cientistas a recusassem automaticamente. Outra teoria defendida por aqueles que se recusavam a aceitar o átomo primordial era conhecida como estado estacionário. Essa teoria, que começava a se tornar cada vez mais influente no meio acadêmico, afirmava que o universo foi e sempre será estático. Tal teoria foi proposta pelo astrônomo Fred Hoyle após seus estudos sobre a teoria de criação dos elementos da tabela periódica, a chamada nucleossíntese, ou seja, formação dos núcleos atômicos. Sua teoria do universo estacionário, em síntese, dizia que o universo sempre existiu, que as características do universo como densidade e temperatura sempre foram as mesmas. Mas havia um enorme problema em sua teoria. Já se sabia que o universo estava se expandindo e se a quantidade de matéria sempre foi a mesma, como afirmava a teoria de Hoyle, a densidade deveria diminuir com o tempo pois a mesma quantidade de matéria estaria diluída em espaços cada vez maiores. Hoyle “concertou” este problema introduzindo em sua teoria a ideia de que em algum lugar no universo a matéria estava sendo criada constantemente. Contudo essa nova atualização da teoria de Hoyle não foi bem aceita.
O físico russo George Gamow estudou o átomo para defender a teoria do átomo primordial. Gamow imaginou que os elementos mais leves como hidrogênio e hélio haviam sido criados no extremamente quente e denso começo do universo. Ralph Alpher, um dos alunos de Gamow, calculou que se hidrogênio e hélio tivessem sido criados no big bang deveria existir aproximadamente dez vezes mais hidrogênio do que hélio. Essa previsão foi confirmada pouco depois por observações. Assim a teoria do átomo primordial seguia ganhando seguidores.
Embora muitas pessoas acreditem que a teoria do Big Bang se refere a uma explosão,
ela na verdade trata da expansão do universo
Lemaître propôs também a teoria do calor residual. Esse calor seria resultado da explosão do big bang que poderíamos ser capazes de observar hoje. Gamow e seus alunos aprimoraram essa teoria pensando que se o universo havia sido tão quente que sua temperatura chegaria a ser trilhões e trilhões de vezes mais quente que o Sol então o universo não poderia ter esfriado totalmente ainda. Devia haver algum resquício desse calor em algum lugar.
Wilson e Penzias e ao fundo seu radiômetro.
Somente em 1965 os cientistas seriam capazes de provar de uma vez por todas a teoria de Gamow e seus alunos. Wilson e Penzias, que trabalhavam com comunicação via satélite, tentaram medir essa radiação em um radiômetro há 12km de Nova Iorque mas tudo que ouviram era um chiado. Eles não sabiam o que era esse chiado mas o que sabiam é que estavam captando mais radiação do que o esperado. Juntos eles tentaram resolver esse problema, imaginaram que tal chiado fosse proveniente de Nova Iorque, de aviões ou até dos pombos que costumavam usar o radiômetro como casa mas nada disso era a resposta. Foi então que perceberam que a radiação não vinha de um lugar específico, ela vinha de todos os lugares. E foi essa radiação que trouxe a prova definitiva, a prova de que o universo não era eterno, a prova do big bang. O que Wilson e Penzias descobriram foi o que conhecemos hoje como radiação cósmica de fundo, um eco do big bang que está em todos os lugares, a radiação proveniente do início do universo.
No começo do Big Bang, essas forças eram todas unificadas. Foi apenas pouco de seu início que elas se separaram para a forma que hoje se apresentam. Mas o que ainda representa um mistério para os cientistas é saber de que maneira essas forças estiveram unidas. Muitos físicos e cosmólogos continuam trabalhando para desenvolver a Teoria da Grande Unificação, que explicaria como isso aconteceu e de que maneira essas forças se relacionam umas com as outras.
A teoria do Big Bang
Assim como ocorre em muitas teorias complexas, o big bang possui alguns modelos para facilitar seu estudo. Apresentarei aqui dois destes modelos. O primeiro chama-se Modelo Padrão da Cosmologia e o segundo, seu sucessor, é chamado de Modelo Cosmológico Inflacionário ou apenas Modelo Inflacionário.
O Modelo Padrão da Cosmologia é fundado em três idéias principais: o universo se expande (como vimos anteriormente essa expansão foi confirmada por Hubble), a radiação cósmica de fundo (o resquício de energia ainda presente hoje em dia resultante do big bang) e a nucleossíntese primordial (momento onde a temperatura permitiu a formação de núcleos atômicos).
Um dia desses...Os cientistas utilizam as observações de Hubble para estimar a idade do universo. As estimativas atuais, com base na constante de Hubble, sugerem que o universo tem 13,7 bilhões de anos, com uma margem de erro de 200 milhões de anos para mais ou para menos. Outros métodos de estimativa da idade dependem de se determinar as idades das estrelas e dos elementos. Esses métodos nos oferecem uma gama de possibilidades cujo limite superior é o de 15 bilhões de anos.
Os problemas da Teoria do Big Bang
Desde que os cientistas propuseram a Teoria do Big Bang, muita gente questiona e critica o modelo.
- Ela viola a primeira lei da termodinâmica, segundo a qual matéria e energia não podem ser criadas ou destruídas. Os críticos alegam que a Teoria do Big Bang sugere que o universo começou do nada. Os defensores da teoria dizem que essa crítica não se justifica por dois motivos. O primeiro é que o big bang não trata da criação do universo, mas sim de sua evolução. O segundo é que, já que as leis da ciência perdem a validade quando nos aproximamos do momento de criação do universo, não existe motivo para supor que a primeira lei da termodinâmica se aplicaria.
- Alguns críticos dizem que a formação de estrelas e galáxias viola a lei da entropia, que sugere que os sistemas em mudança se tornam progressivamente menos organizados. Mas, se você considerar o universo primeiramente como completamente homogêneo e isotrópico, então o universo atual demonstra sinais de obediência à lei da entropia.
- Alguns astrofísicos e cosmólogos argumentam que os cientistas interpretaram erroneamente dados como o desvio para o vermelho dos corpos celestes e a radiação cósmica de fundo. Alguns citam a ausência de corpos cósmicos exóticos que deveriam ter surgido com o big bang, como propõe a teoria.
- O período inicial de inflação do big bang parece violar a norma de que nada pode viajar em velocidade superior à da luz. Os defensores da teoria têm diversas respostas diferentes a essa crítica. Uma é a de que, no começo do big bang, a teoria da relatividade ainda não se aplicava. Como resultado, viajar em velocidade superior à da luz não seria um problema. Outra resposta correlata é a de que o próprio espaço pode se expandir em velocidade superior à da luz porque ele não está sob o domínio da Teoria da Gravidade.
Existem diversos modelos alternativos para explicar o desenvolvimento do universo, ainda que nenhum deles tenha sido aceito de forma tão ampla quanto a Teoria do Big Bang.
- O modelo do estado estacionário para o universo sugere que o universo sempre teve e sempre terá a mesma densidade. A teoria concilia as aparentes provas de que o universo está se expandindo pela sugestão de que o universo gera material em ritmo proporcional à sua taxa de expansão.
- O modelo ecpirótico sugere que o universo é o resultado da colisão de dois mundos tridimensionais em uma quarta dimensão que está oculta. O modelo não está em conflito completo com a Teoria do Big Bang, já que, depois de algum tempo, ele se alinha aos eventos descritos pela Teoria do Big Bang.
- A Teoria do Grande Salto sugere que nosso universo é um de uma série de universos que primeiro se expandem e depois se contraem. O ciclo se repete em intervalos de muitos bilhões de anos.
- A cosmologia de plasma tenta definir o universo em termos de suas propriedades eletrodinâmicas. O plasma é um gás ionizado, o que significa que é um gás com elétrons livres em movimento, capazes de conduzir eletricidade.
Existem diversos outros modelos. Algumas dessas teorias (ou ainda outras, sobre as quais nem mesmo pensamos) poderão substituir a Teoria do Big Bang como modelo mais aceito para o universo, no futuro? É bastante possível. À medida que o tempo passa e nossa capacidade de estudar o universo evolui, poderemos criar modelos mais precisos sobre como o universo se desenvolveu.
O big bang e a teoria das supercordas
Quando os cientistas aplicaram as equações de Einstein no período entre o big bang e a tempo de Planck descobriram algo que lhes tirou o sono. Conforme regressamos o universo fica menor, mais quente e mais denso. Quando o tempo é zero o tamanho do universo desaparece e a temperatura e a densidade chegam ao infinito, algo que não deveria acontecer. Os cientistas perceberam então que era necessário mudar de abordagem pois só relatividade não bastava, precisavam também de mecânica quântica e assim se viram forçados a usar a teoria das cordas.
A teoria das supercordas altera o Modelo Padrão da Cosmologia de duas formas principais. Primeiro, as pesquisas recentes indicam que o universo possui um valor mínimo para seu tamanho (não é infinitamente pequeno). Segundo, a teoria das supercordas considera 11 dimensões das quais quatro são espaço-temporais. Isso altera os cálculos necessários já que somos obrigados a considerar a evolução de todas as dimensões.
Representação gráfica das supercordas.
Importantes passos foram dados por Robert Branderberger e Cumrun Vafa durante a década de 80. Eles descobriram através de cálculos pormenorizados que o universo possuiu uma temperatura máxima. Seus estudos levaram a criação do seguinte quadro. O universo quando estava em seu tamanho mínimo e com temperatura máxima estava com todas as dimensões recurvadas e perfeitamente simétricas. Então, no tempo de Planck três das dimensões se expandiram (as três dimensões espaciais) enquanto as outras continuaram recurvadas. Devido à forma como as supercordas se envolvem, apenas três das dimensões puderam se expandir já que as outras dimensões estariam “presas” pela própria estrutura das supercordas.
As equações das supercordas são extremamente complicadas e, infelizmente, são apenas aproximações das reais equações. Sem a posse das equações exatas da teoria das cordas, os cientistas são obrigados a recorrer a aproximações. Sobre o assunto Vafa disse: “O nosso trabalho põe em destaque a nova maneira pela qual a teoria das cordas permite reestudar problemas persistentes do modelo-padrão da cosmologia. Vemos, por exemplo, que a própria noção de uma singularidade inicial pode ser totalmente evitada pela teoria das cordas. Mas devido às dificuldade que impedem a execução de cálculos inteiramente confiáveis nessas condições extremas, como o nosso nível atual de conhecimento sobre a teoria das cordas o nosso trabalho só pode proporcionar um vislumbre inicial da cosmologia das cordas e ainda é muito longe de dar a palavra final.”
Apesar das dificuldades parece que os cientistas encontraram uma forma mais precisa de responder os problemas da teoria das supercordas. A resposta aparentemente pode ser a Teoria M, criada por Witten durante a segunda revolução das supercordas. Witten conseguiu demonstrar que alguns dos antigos problemas podem ser evitados ao utilizar a teoria M. Algumas das mais interessantes possibilidades da teoria M acontecem em mundos que não podemos enxergar. Os físicos sabem que o tecido quântico é um lugar um tanto quanto frenético. Flutuações quânticas de energia ocorrem a todo instante. Por conta disso um vácuo perfeito não pode existir já que, mesmo com a ausência de moléculas e átomos, o tecido quântico “cria” partículas. As flutuações de energia fazem com que pares de partícula e anti-partícula sejam criados se aniquilando o tempo todo. Acontece que essas flutuações, de acordo com alguns cientistas, podem ter sido responsável pela criação do universo. É possível que algum tipo de flutuação quântica anômala tenha criado o universo e devido ao seu estado instável, ele se expandiu como vimos.
Contudo, estamos ainda dando os primeiros passos na busca de uma teoria definitiva para o surgimento do universo. Os cientistas continuam incansáveis na busca por respostas utilizando os mais avançados recursos matemáticos da teoria das supercordas e da teoria M para, quem sabe um dia, descobrir como foi o início do universo.
Referências:
Brian Greene (2001). O universe elegante
Kepler de Souza e Maria de Fátima (2004). Astronomia e Astrofísica
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