O ponto zero

A teoria inflacionária diz que o universo surgiu do nada há 15 bilhões de anos, como uma partícula 1 bilhão de vezes menor que um próton. E sugere também que o cosmo pode se tornar outra vez um espaço solitário e gélido

por Jomar Moraes / Adriano Sambugaro

O universo é surpreendente. Até onde alcançam as lentes do telescópio mais poderoso – o Hubble, que opera em órbita a 300 quilômetros da Terra – as novidades não param de aparecer. Galáxias incontáveis e seus bilhões de astros (só a Via Láctea tem 100 bilhões de estrelas). Buracos negros misteriosos, cuja força gravitacional devora até a luz. Corpos celestes situados a distâncias colossais, só vencidas pela luz, em sua viagem a 300000 quilômetros por segundo, após 11 bilhões de anos de existência. Nuvens de gases, asteróides flutuando a esmo. O universo visível é enorme, mas as equações dos físicos e cosmologistas não deixam dúvidas: o que vemos é só uma amostra do cosmo, cerca de 5% de sua massa. A vastidão dos céus está preenchida fundamentalmente pela chamada matéria escura, espécie de fluido invisível que se esparrama pelo espaço, e pela energia escura, por enquanto só atestada pela matemática dos astrofísicos, com base em certos fenômenos no espaço intergalático.

“O universo é fantástico”, diz o astrônomo inglês Martin Rees. “E talvez inexplicável”, acrescenta. Diante de cenário tão eloqüente, no entanto, é impossível calar a velha pergunta. De onde veio tudo isso? Em que útero ancestral todas as coisas foram geradas? Se você pensou em responder “do Big Bang”, então está na hora de atualizar seus conhecimentos.

A teoria de que o universo teve início numa grande explosão (big bang, em inglês) foi formulada no início do século XX e arrefeceu a discussão milenar sobre se o cosmo teve um começo ou se existe desde sempre. Graças à descoberta de que as galáxias estão se afastando umas das outras, feita pelo americano Edwin Hubble em 1922, não foi difícil rodar o filme ao contrário e deduzir que em algum instante do passado elas estiveram juntas, concentradas em um ponto de extrema densidade e altíssima temperatura, cuja explosão, até hoje, impulsiona os fragmentos em direção ao infinito. Mas esse modelo, aceito por quase 100% dos cientistas, é reconhecidamente restrito e imperfeito. “O Big Bang se refere apenas à expansão a partir de um estado inicialmente denso e quente”, afirma o físico Alan Guth, do Instituto de Tecnologia de Massachussets, o MIT, nos Estados Unidos. “A teoria não diz o que explodiu, por que explodiu e o que acontecia antes dessa explosão.”

O Big Bang é, na verdade, um raciocínio sobre o resultado da explosão. O modelo pressupõe que toda a matéria existente no universo já estava lá, apenas muito comprimida e numa forma diferente do estado atual. Mas como e de onde surgiu essa substância primordial? Foi nessa lacuna que o próprio Guth, cientista premiado no ano passado com a medalha Benjamin Franklin em física – honraria que costuma preceder a concessão do Prêmio Nobel –, encontrou terreno para uma teoria que pretende esclarecer a origem do que explodiu no bang.

De onde veio o universo? A resposta de Alan Guth é rápida: do nada, do zero. As primeiras partículas teriam surgido de uma simples flutuação de vácuo, processo de alteração de um campo elétrico que a física clássica desconhecia, mas que a mecânica quântica, nascida no século passado, acabou por revelar aos estudiosos da intimidade subatômica. Segundo essa conjetura – conhecida como teoria do universo inflacionário –, as partículas primordiais emergiram do vazio e expandiram-se a uma velocidade espantosa em bilionésimos de segundo, formando assim a aglomeração que seria em seguida fragmentada na grande explosão. A teoria não contradiz nem substitui a já tradicional explicação do Big Bang. Completa-a. Na prática, fornece o início a partir do qual os partidários do modelo do bang assumem e podem continuar, uma das razões de sua larga aceitação entre físicos e cosmologistas.

Do vazio para o espaço-tempo

“A teoria de Guth resolve, de um só golpe, o mecanismo da criação e o balanço de energia no universo”, diz o astrofísico Francisco Jablonski, do Instituto Nacional de Pesquisas Especiais, o Inpe, em São José dos Campos, SP. “Ela abre espaço para reflexões científicas e filosóficas.” Entre as hipóteses sobre o passado e o futuro do cosmo em consideração no meio científico esta é a que melhor explicaria os dados colhidos por telescópios e sondas espaciais nas últimas décadas.

Quando afirma que o universo nasceu do nada, Guth não quer dizer que a matéria tomou forma a partir de algo que não existia. Para um físico quântico, o vazio é sempre alguma coisa. Trata-se de uma situação onde não há espaço nem matéria, apenas energia de alta freqüência. Pelas leis da relatividade e da mecânica quântica, essa energia pode ser convertida em matéria sob condições incertas e incontroláveis, como é o caso da súbita variação de um campo elétrico ou flutuação de vácuo. É exatamente isso o que teria ocorrido na circunstância que antecedeu o surgimento do universo, há cerca de 15 bilhões de anos. Em um mar de energia repleto de partículas virtuais, que precedeu o espaço e o tempo, as primeiras partículas se materializaram provavelmente por meio de um tunelamento quântico, processo no qual o colapso da onda energética suscita a formação de partículas, de matéria.

Em tese, qualquer coisa poderia emergir de uma flutuação de vácuo. Cálculos e experimentos em aceleradores de partículas sugerem, no entanto, que apenas unidades subatômicas muito pequenas podem ser geradas dessa forma e por um tempo de vida infinitesimal, em torno de 10-21 segundo (um ponto decimal seguido por 20 zeros e depois o 1). A situação é outra quando a matéria gerada é de um tipo especial de flutuação de vácuo dotada de gravidade negativa, uma força prevista na maioria das teorias da física moderna que, ao contrário da gravitação normal, expulsa em vez de atrair as partículas presentes em seu campo. Nesse caso, bastaria que se formasse uma parte de apenas um bilionésimo do tamanho de um próton (uma das partículas nucleares do átomo), para que a expansão da matéria tivesse início por conta da repulsão gravitacional interna.

Na gênese do universo, isso teria acontecido no período entre 10-37 segundo e 10-34 segundo, tempo suficiente apenas para que o pedaço inicial alcançasse o tamanho de uma bola de gude. A partir daí, teria acontecido o Big Bang e a expansão teria prosseguido em outro ritmo.

Esse é o ponto zero detectável com os atuais recursos de dedução e experimentação científica, o que não significa, segundo Guth, a palavra final sobre o alfa da criação ou sequer o descarte da hipótese de que o universo não teve começo, sustentada, entre outros, por Albert Einstein. A idéia da inflação e o conceito de gravidade negativa têm um impacto irrevogável sobre todas as demais hipóteses cosmológicas.

A fábrica de matéria

“A teoria do Big Bang é limitada para justificar a massa estimada do universo e seu equilíbrio térmico”, diz Hugo Carneiro Reis, doutor em física de partículas da Universidade de Campinas, SP, e autor de um estudo sobre a produção de matéria no universo primordial. “Seria necessário um ajuste fino nas equações que demonstram a teoria, para conciliá-la com o que é observado hoje no cosmo.” Essa discordância é superada quando se leva em conta o modelo inflacionário que, segundo Reis, explica a criação de matéria sem contrariar as leis da física.

A teoria de Guth afirma que, no universo primitivo, o material de gravidade repulsiva se expandiu sem perder densidade, gerando durante a inflação uma massa colossal de quarks, partículas ínfimas de carga elétrica inferior à de um elétron. À primeira vista parece que o fenômeno esbarra no princípio de conservação da energia, que pressupõe o equilíbrio da energia total em todas as transformações no mundo físico, mas não foi isso o que aconteceu. No processo inflacionário, a energia positiva da matéria foi equilibrada pela energia negativa do campo gravitacional, de modo que a energia total foi sempre zero. Quando o material de gravidade negativa começou a decair, detendo o ritmo da inflação, formou-se então a sopa primordial (gás a altíssima temperatura) tida como condição inicial do Big Bang.

Nesse momento, a 10-6 segundo da concepção do cosmo, ainda não existiam átomos e moléculas, apenas um plasma fervente constituído de elétrons, prótons, pósitrons, neutrinos e toda uma gama de partículas subatômicas polarizadas. A matéria ordinária só apareceria cerca de 300000 anos mais tarde, quando o universo já tinha esfriado o suficiente para permitir que elétrons livres se combinassem com núcleos atômicos e formassem o hidrogênio e o hélio que queimam no interior das estrelas. Foi então que círculos de matéria escura teriam ajudado a comprimir enormes volumes dos dois gases, promovendo a formação dos astros. Mas as estrelas e galáxias que vemos hoje não são as mesmas daquele período remoto, diz o cosmologista Volker Bromm, do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian em Cam-bridge (EUA). Os primeiros astros possuíam enorme massa, brilhavam intensamente, mas explodiram antes de completar 3 milhões de anos, o que acabou sendo fundamental para a continuidade da criação.

Ao explodirem, essas estrelas impulsionaram no espaço o gás condensado no seu entorno, além de espalhar átomos mais pesados que os de hidrogênio e hélio, possibilitando o nascimento da segunda geração estelar. As primeiras galáxias acabaram colidindo e se fundindo em grandes aglomerados de estrelas.

Martin Rees acha que sem essa interrupção na cadeia da criação o cosmo não teria se consolidado da forma atual nem haveria as condições necessárias à vida. Se todo o gás inicial tivesse permanecido no interior das primeiras estrelas, a matéria-prima dos corpos celestes teria sido consumida e hoje o universo exibiria um conjunto de estrelas vermelhas, reunidas em galáxias-anãs. Aglomerações como a Via Láctea, ricas em gás, seriam exceções à regra.

Nas entranhas da natureza, afirma Rees, essa diferença em favor da vida aconteceu com uma surpreendente precisão. Por exemplo: no processo de combustão das estrelas, quando o hidrogênio e o hélio se fundem, apenas 0,007 da massa do hélio é transformada em energia – e é exatamente esse número, segundo Rees, que garante a química da vida. Se ele fosse um pouquinho menor – 0,006 – os dois prótons e dois neutrons que constituem o núcleo do átomo de hélio não se uniriam e o universo teria apenas hidrogênio. Se o número fosse maior (0,008), a fusão seria tão rápida que nenhum átomo de hidrogênio teria sobrevivido a um evento como o Big Bang. Logo, a existência de sistemas solares e de seres vivos seria inviabilizada pela ausência de um ou outro elemento.

Criação permanente

O modelo inflacionário suscitou ilações que extrapolam o conceito tradicional de cosmo e reforçam teorias nada convencionais elaboradas a partir dos anos 30. Uma delas é a dos universos paralelos ou universos-bolsões, que operariam em outras dimensões de espaço e tempo, sendo, portanto, invisíveis aos nossos olhos e aos atuais sensores eletrônicos. “Tais universos paralelos seriam o resultado de defeitos topológicos devido à diversidade das variações de campo elétrico e níveis de inflação nos primeiros instantes do cosmo”, diz Reis. Seu número seria enorme, mas se torna ainda maior quando se considera a possibilidade de inflação eterna da matéria. Nesse caso, segundo Guth, o material de gravidade repulsiva continuaria a crescer sem limite e sem fim, produzindo mais matéria, numa sucessão infinita de universos.

A história do cosmo neste cenário comportaria inúmeras versões, como propõe o físico Richard Feynman, e pode não ter começado com o nosso próprio universo. Há quem admita, inclusive, que o Big Bang pode ter sido provocado pela colisão de dois universos.

A expansão acelerada projeta um quadro sombrio para o futuro remoto, quando as galáxias se perderem num espaço empoeirado e gélido, com temperatura bem mais baixa que os atuais 273 graus negativos do espaço. Dos bilhões de galáxias observáveis atualmente, apenas duas continuarão sendo visíveis da Terra: a nossa Via Láctea e Andrômeda, a única que se move em nossa direção.

Uma teoria de tudo

São dezenas as teorias destinadas a explicar a origem e a dinâmica do cosmo, e a cada descoberta dos observatórios astronômicos muitas ganham nova versão. O próprio modelo inflacionário de Guth deriva de deduções anteriores, como as do físico russo-americano Andrei Linde, da Universidade de Stanford, que na década de 80 concebeu a existência de diferentes campos quânticos no universo anterior ao Big Bang. A segunda metade do século XX, no entanto, foi marcada pelo esforço de físicos e cosmologistas para chegarem a uma teoria unificada que reunisse elementos válidos dos modelos diversos e esclarecesse os enigmas do universo.

Um dos modelos mais conhecidos é o de Albert Einstein. O físico que elaborou a Teoria da Relatividade achava que o tempo deveria ser infinito em ambas as direções e, por isso, defendeu a hipótese de que o universo existe desde sempre. Segundo o matemático e doutor em cosmologia Stephen Hawking, da Universidade de Cambridge, na

Inglaterra, Einstein agiu assim para evitar questões embaraçosas sobre a criação do universo fora do domínio da ciência, mas os cálculos de Hawking e seu colega Roger Penrose, com base no conceito de relatividade geral do próprio Einstein (que pressupõe a curvatura do espaço-tempo), levaram a outra conclusão. “O tempo precisaria ter um início no Big Bang”, diz Hawking. “E um fim quando estrelas ou galáxias desmoronassem sob suas próprias gravidades para formar buracos negros.”

O modelo de Einstein, ainda não descartado, conduz a um cenário de universo oscilante, que alternaria períodos de expansão, a partir de bangs, e de contração até a singularidade dos buracos negros – pontos em que a matéria retorna à condição de concentração, energia e temperatura infinitas, como antes do início de tudo. É algo que lembra a assertiva dos filósofos estóicos, na Grécia antiga, de que o mundo está destinado a ser destruído e reconstruído infinitamente. E também a noção de ciclos de destruição e construção das doutrinas místicas do Oriente, como o taoísmo e o hinduísmo.

A questão é que a avaliação atual das radiações das estrelas, que sinalizam o afastamento acelerado das galáxias, sugere um universo plano, em processo de expansão eterna, o que fortalece outras hipóteses cosmológicas.

Quando a chamada teoria das supercordas foi elaborada, nos anos 80, imaginou-se que se alcançara, finalmente, uma Teoria de Tudo. O modelo propõe a existência de 11 dimensões (cordas), que envolveriam a existência de universos semelhantes e outros totalmente diversos do nosso, onde poderia haver inclusive mais de uma dimensão de tempo ou nenhuma estrela ou galáxia. A teoria não descarta eventos como o Big Bang, apenas não os considera episódio de uma história única para o cosmo.

Hoje em dia, a esperança de se obter uma teoria única está representada, para Hawking, na Teoria M (de “matriz”), que conecta cinco versões da teoria das cordas. “O que convenceu muita gente de que se deve levar a sério os modelos com dimensões extras é a rede de relações inesperadas entre eles”, diz Hawking. “Isso mostra que todos os modelos são aspectos diferentes da mesma teoria básica.”

No limite da ciência

A cosmologia não é uma ciência estática e constantemente tem superado idéias que pareciam inabaláveis no passado, fato que se justifica, em parte, pelo próprio objeto de seu estudo – a imensidão do universo – e a limitação para testar em laboratório suas teorias. É na matemática dos cientistas que os modelos se afirmam, permanecendo à espera de futuras confirmações por novas descobertas astronômicas ou provas experimentais em aceleradores de partículas. No momento, o limite da cosmologia é a flutuação de vácuo, citada nesta reportagem. Para entender o que existia antes dessa etapa, lembra Francisco Jablonski, seria preciso avançar mais no conhecimento da gravidade quântica. “A partir desse ponto só se pode especular fora do domínio da ciência”, diz Hugo Reis.

No entanto, físicos teóricos e matemáticos vêm tentando, nas últimas quatro décadas, romper essa barreira com hipóteses audaciosas que aproximam a física e a cosmologia das ilações filosóficas e até religiosas (o conceito de formação de matéria por flutuação de vácuo, aliás, lembra o vazio dos budistas, o útero transcendental onde tudo é gerado e para onde tudo retorna). É o caso do físico americano John Archibald Wheeler, colega de Einstein e Niels Bohr e mentor de vários expoentes da moderna física, que cunhou a expressão “buraco negro”. Aos 90 anos, Wheeler esforça-se para demonstrar que o universo é real, em parte, porque nós o observamos. Talvez o cosmo não exista quando não olhamos para ele. Assim como esta revista só existiria porque você está olhando para ela.

Seus argumentos se baseiam nas leis (e em experiências de laboratório) da física quântica, as quais demonstram, por exemplo, que o comportamento e a trajetória de um elétron são sempre influenciados pelo observador. Num experimento, o elétron pode comportar-se como partícula ou como uma onda e seguir esse ou aquele caminho em sua viagem de um ponto a outro: o fator decisivo em qualquer das possibilidades será sempre o olho do experimentador. Na mecânica quântica o universo parece emergir como um lugar extremamente interativo, pelo menos em seus níveis fundamentais.

Wheeler supõe um cosmo onde não apenas o futuro está indeterminado, mas também o passado. Quando mergulhamos no tempo em busca de nossa origem – no Big Bang ou na flutuação primordial –, nossas observações atuais é que selecionariam uma entre as muitas histórias quânticas possíveis para o universo. Wheeler não está só. Físicos renomados, como Andrei Linde, chegam a considerar que uma Teoria de Tudo jamais será estabelecida com sucesso sem levar em conta a interação entre a realidade e o observador e mesmo a presença de uma consciência como fator de construção do universo.

A aventura de decifrar o cosmo está longe de acabar e talvez nunca tenha fim. O consolo é que ela é uma das mais fascinantes da ciência – a investigação encanta mesmo quando as respostas estão distantes.

 

Universo inflacionário

Como a gravidade quântica nos salvou do zero absoluto

Zero

A gravidade quântica: energia que contém partículas virtuais

10-37 segundo

Após a flutuação de vácuo, súbita variação de campo elétrico, fótons se transformam em partícula mínimas. A repulsão gravitacional inicia o processo de inflação, expandindo a área e criando matéria

10-6 segundo

Surgem os primeiros prótons e neutrons. As partículas colidem entre si. O gás esquenta, a sopa de partículas explode no Big Bang

300 000 anos

O resfriamento permite o surgimento dos primeiros átomos e nascem as primeiras estrelas

1 bilhÃo de anos

As primeiras galáxias com poucos astros colidiram entre si, dando origem aos aglomerados que conhecemos hoje

10-34 segundo

Fim da inflação acelerada. O universo tem o tamanho de uma bola de gude

15 bilhões de anos

Hoje, as galáxias continuam se expandindo

150 bilhões de anos

Num cosmo ainda mais frio que o atual, as galáxias estarão tão distanciadas que da terra só veremos a Via Láctea e Andrômeda

 

Para saber mais

NA LIVRARIA

O Universo numa Casca de Noz, Stephen Hawking, ARX, São Paulo, 2002

O Universo Inflacionário, Alan Guth, Campus, São Paulo, 1998

God in the Equation, Corey S. Powell, Free Press, Nova York, EUA, 2002

Instabitity Rules, Charles Flowers, John Wiley & Sons, Nove York, 2002

The Big Questions Richard Morris, Times Books, Nova York, 2002

 

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