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Um Universo sem Big Bang

Para Mário Novello, um dos maiores físicos do Brasil, o Universo não teve começo e nem fim: ele sempre existiu, e pulsa em ciclos.

Texto: Bruno Vaiano | Design: Carlos Eduardo Hara | Ilustrações: Felipe del Rio | Edição: Alexandre Versignassi

No Budismo, o Universo é eterno, sem começo ou fim. Existem apenas ciclos de criação e destruição, chamados mahākalpa. Cada mahākalpa tem quatro subdivisões temporais, os kalpas. No primeiro kalpa, o mundo nasce, e semideuses reluzentes com 80 mil anos de vida cruzam os céus. O segundo kalpa, em que nós vivemos, é imperfeito, com decadência, guerra e miséria. O terceiro estágio é a dissolução do cosmos em fogo. E o quarto é o vazio absoluto – um interlúdio. É então que o vento primordial planta a semente do próximo mahākalpa.

Trata-se de uma cosmologia cíclica, típica das religiões do subcontinente indiano. Ela é bem diferente da criação na concepção judaico-cristã, em que Deus faz o mundo, vê que ele é bom e deixa o reality show rolar – sem data de validade. Todas as etnias têm uma cosmologia, que se apresenta em um desses dois tipos: ou o Universo é eterno e cíclico, ou emergiu em um instante único.

Essa dicotomia básica se mantém viva entre os cosmólogos – físicos que investigam a estrutura e a história do cosmos. A maioria deles advoga que o Universo teve um início definido, num estado denso e quente, e vem se expandindo desde então (o Modelo Cosmológico Padrão, popularmente chamado de Big Bang). Mas um grupo divergente propõe que o Universo infla e esvazia como um balão – e que a fase de expansão atual, em que as galáxias estão se afastando umas das outras, foi precedida por uma fase de contração. Um mahākalpa anterior ao nosso.

Um dos maiores estudiosos de universos cíclicos trabalha em um escritório no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no bairro carioca da Urca. Mário Novello nasceu no Rio de Janeiro em 1942, filho de imigrantes italianos da província da Calábria. Aos 12 anos, ganhou do pai o livro O Universo e o Sr. Einstein, de Lincoln Barnett. E decidiu que dedicaria a vida à cosmologia – ainda que a palavra sequer existisse na época. “Meu pai riu e falou: bom, compete a você fazer isso. Acabou que aconteceu mesmo.”

Novello cursou física na Faculdade Nacional de Filosofia (hoje Universidade Federal do Rio de Janeiro, a UFRJ) com alguns professores lendários – como José Leite Lopes, especialista em partículas que se doutorou em Princeton orientado por Wolfgang Pauli. Leite, diga-se, foi um dos fundadores do CBPF, onde Mário começou a estagiar durante a graduação. Era um lugar bem frequentado: às vezes, César Lattes, um dos descobridores da partícula subatômica méson pi, fazia uma visita.

Em 1968, com o decreto do AI-5, Leite Lopes foi cassado pela Ditadura Militar. Preocupado com os rumos da ciência nacional sob a opressão do regime, ele recomendou a seu pupilo que fosse fazer doutorado na Universidade de Genebra, na Suíça, com Josef-Maria Jauch. Foi então que Novello saiu do mundo das partículas subatômicas – área de especialização de seu mentor brasileiro – e começou a se envolver com o estudo do cosmos, seu objetivo desde a adolescência.

Em 1979, já com uma carreira sólida, Novello publica um modelo pioneiro de Universo com boucing, isto é: um Universo como o proposto pelo Budismo – que de tempos em tempos entra em colapso, atinge um tamanho minúsculo e volta a se expandir, reciclando seu conteúdo de matéria e energia. Nessa visão, não há Big Bang: o Universo não precisa ser criado, porque ele sempre existiu. É um debate esotérico, que deve ser explicado com calma. Se o Universo se expande, como pode ele se contrair? O que exatamente é o Big Bang? Houve algo antes dele? Para entender a obra de Novello, é preciso mergulhar na física do século 20. Vamos nessa.

A origem

Imagine que a Terra e todos os astros desapareceram. Só resta você, flutuando no vácuo escuro. Mas ainda é possível ir para cima e para baixo, para frente e para trás. Percorrer as três dimensões. Esse é o espaço em sua forma bruta, e na visão de Newton ele era algo estático: um mero cenário em que a realidade se desenrola. Foi só quando Einstein publicou a Relatividade Geral, em 1915, que isso mudou. As novas equações abriram espaço para uma percepção bizarra: a de que o espaço em si – o tecido do Universo – pode se contrair ou se expandir. Albert, conservador, se negou a acreditar nesse enche-e-esvazia. Por isso, em 1917, ele bolou a constante cosmológica: um número que força as equações a descrever um Universo estático, condizente com o preconceito vigente.

Outros físicos tiveram a mente mais aberta. Em 1922, o russo Alexander Friedmann sacou que a constante cosmológica era um adendo desnecessário, e resolveu as equações de Einstein de maneira a gerar um Universo em expansão. Cinco anos depois, em 1927, o padre belga Georges Lemaître (que, apesar da carreira eclesiástica, tinha doutorado no MIT) refez o trabalho sem saber da obra do colega russo. Einstein odiou. “Seus cálculos estão corretos, mas sua física é abominável”, disse. Ou seja: não é porque uma conta deu certo que ela descreve o mundo como ele é.

Einstein estava certíssimo. O problema é que a conta errada, neste caso, era a dele. A prova cabal veio em 1929, quando Edwin Hubble observou que a maioria das galáxias visíveis estão se afastando de nós. Aquelas que estão duas vezes mais longe se afastam duas vezes mais rápido, as que estão três vezes mais longe se afastam três vezes mais rápido. Isso ocorre porque – adivinhe só – o Universo em si está mesmo se expandindo, o que aumenta a distância de qualquer ponto em relação a qualquer outro ponto. É como colar moedas na superfície de um balão murcho e então enchê-lo. Da perspectiva de qualquer uma das moedas, as demais moedas vão se afastar. Afinal, é a borracha embaixo delas que estica.

Uma consequência peculiar de um Universo em expansão é que, se ele fica cada vez maior no futuro, é porque ele foi menor no passado. E menor significa mais apertado, quente e denso. Usando um número chamado constante de Hubble – a taxa de separação das galáxias –, dá para fazer engenharia reversa com as equações da Relatividade e concluir que houve um momento em que todas as galáxias coexistiam em um “ponto” só. Esse “ponto” é tão pequeno que não possui dimensão alguma. É uma singularidade, que Lemaître chamou de “átomo primordial”.

O astrônomo Fred Hoyle zombou da ideia na TV, chamando-a de “teoria do Big Bang”. O tiro saiu pela culatra, e o nome ficou. Depois, nos anos 1960, teoremas dos britânicos Stephen Hawking e Roger Penrose confirmaram que, dadas certas condições, as singularidades não são uma aberração: elas podem existir no arcabouço de Einstein. Na mesma época, em 1965, Arno Penzias e Robert Wilson descobriram uma interferência misteriosa em uma antena de rádio causada por resquícios de radiação que, depois descobriu-se, eram uma relíquia dessa época primordial, quente e densa. As evidências favoráveis ao Big Bang se acumularam. Mas ele precisava de ajustes.

Os balões aqui atrás são o Universo. Na cosmologia hegemônica do Big Bang, eles nunca vão parar de inflar: o destino do cosmos é se expandir para sempre.

Os balões aqui atrás são o Universo. Na cosmologia hegemônica do Big Bang, eles nunca vão parar de inflar: o destino do cosmos é se expandir para sempre. (Felipe Del Rio/Superinteressante)

Inflados e quicantes

Olhar para o céu é olhar para o passado. Quando alguém diz que uma estrela está a 500 anos-luz de nós, a ideia é que a luz dessa estrela demora 500 anos para alcançar nossos olhos. A coisa mais antiga que podemos ver no céu foi emitida 300 mil anos após o Big Bang e acaba de ser mencionada no parágrafo anterior: é a tal radiação captada pela antena de Penzias e Wilson, chamada radiação cósmica de fundo. E ela tem uma característica crucial: é extremamente homogênea. Áreas muito distantes entre si, que os cálculos do Big Bang indicavam jamais terem entrado em contato no passado, exibiam propriedades idênticas.

O problema nisso é o seguinte: se você está com a mão fria e pega na mão quente de outra pessoa, logo as duas mãos atingem o equilíbrio térmico. Mas duas áreas do Universo separadas por distâncias descomunais não poderiam estar em equilíbrio. E essa dúvida o Big Bang de Lemaître não responde.

Para resolver este e outros problemas, em 1979, os astrônomos Alexei Starobinsky na URSS e Alan Guth nos EUA tiveram a ideia da inflação. Um pequeno ajuste ao modelo clássico. A hipótese afirma que, originalmente, todas as áreas do Universo primordial estavam próximas o suficiente umas das outras e, por isso, tornaram-se homogêneas. Então, houve um período brevíssimo de expansão acelerada em que diferentes regiões do Universo simplesmente saíram do campo de visão uma da outra. Agora, a expansão desacelerou, e essas áreas estão retomando contato [veja o gráfico abaixo].

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Na explicação mais aceita, o Universo começou em um estado quente e denso há 13,8 bilhões de anos, e vem se expandindo desde então. Entenda a visão da origem do cosmos predominante na Física:

1. Singularidade?
Só uma teoria quântica da gravidade, que ainda não existe, pode explicar o momento inicial – onde a Relatividade de Einstein “dá defeito” e prevê a existência um ponto de dimensões infinitamente pequenas chamado singularidade. A natureza da singularidade é insondável para a física disponível hoje, e muitos teóricos que trabalham com a hipótese da inflação preferem não abordar essa questão.

2. Inflação
Um período de estiramento acelerado em um passado profundo garante a uniformidade na distribuição de matéria e energia no Universo.

3. Energia Escura
Hoje, uma força misteriosa que se manifesta matematicamente na forma da já mencionada constante cosmológica de Einstein acelera novamente a expansão do cosmos – impedindo que ele volte a se contrair um dia.

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Outro mistério do Big Bang é a singularidade em si. Quando um infinito (nesse caso, um “ponto infinitamente denso”) aparece em uma conta, em geral é sinal de que a teoria não é capaz de explicar o que ocorre ali, e não de que o infinito existe mesmo. Alguns defensores da inflação cósmica afirmam que ela elimina a necessidade da singularidade, mas o próprio Alan Guth, em 2003, afirmou que o passado de seu modelo é incompleto: mesmo que tenha ocorrido uma inflação, isso não diz nada sobre se houve uma singularidade antes dela, no início de tudo. “No cenário convencional, a inflação não descarta a singularidade, mas a esconde”, diz Novello. Ou seja: é interessante construir modelos que não exigem uma singularidade.

A hipótese cíclica de Novello resolve essas duas questões. Por um lado, explica a uniformidade na temperatura e em outros parâmetros: diz que todas as áreas do Universo já entraram em contato antigamente, na fase de contração que veio antes do Big Bang. Isso elimina a necessidade de incluir um período de inflação. Além disso, Novello elimina a singularidade que existiria entre o colapso do ciclo anterior e o início do novo ciclo. Antes de colapsar completamente, o tecido do espaço volta a se expandir [veja o gráfico abaixo], sem passar pela singularidade. “Nos anos 1970, Novello foi um pioneiro em testar universos eternos sem a singularidade inicial”, explica Juliano Neves, pós-doutorando pela UFABC.

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1.Fase de contração
O Universo anterior entra em colapso e se compacta. Suas irregularidades são eliminadas e ele é uniformizado.

2. O Big Bounce
Em vez de um Big Bang, em que o Universo surge do na-da, aqui ele só volta a crescer após a fase de contração.

3. Não há período…
…de inflação. A distribuição uniforme de matéria e energia é explicada pela compactação do cosmos anterior.

4. O novo ciclo
O Universo volta a se contrair, para passar pelo próximo Big Bounce e reiniciar o ciclo.

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Antes de abraçar a hipótese cíclica, é importante voltar à frase de Einstein: os cálculos podem até estar certos, mas isso não significa que sejam verdade. “O modelo com inflação de 1979 é o mais simples e elegante”, diz Raul Abramo, professor do Instituto de Física (IF) da USP. “Eu não consigo enxergar essa vantagem nos modelos cíclicos. Há uma dificuldade na implementação prática, eles não concordam com as observações. A física não se dá bem com modelos que exigem modificações em várias constantes para funcionar.”

De fato, é uma época difícil para defender a hipótese de Novello. Desde 1998, sabemos que a expansão do Universo é acelerada por algo de natureza misteriosa apelidado de energia escura. A descoberta rendeu o Nobel de 2011. Nesse ritmo de expansão, é difícil imaginar um cenário convincente em que o espaço volte a se contrair no futuro, para reiniciar um próximo ciclo. Mas há muito debate em torno da interpretação dos dados associados à energia escura (bem como em torno de muitos outros dados), de maneira que é impossível descartar de vez qualquer modelo. A mesma energia que hoje acelera o Universo pode ser responsável por fazê-lo se contrair posteriormente – e por evitar o colapso em uma singularidade.

Porém, seja a hipótese do Universo eterno plausível ou não, ela tem uma virtude inegável: fazer com que mais físicos tenham ideias do zero – e busquem conversar com áreas como a filosofia – em vez de seguir caminhos já trilhados. “Hoje, nós estamos partindo das equações e esquecendo dos princípios”, diz José Helayël-Neto, físico de partículas e colega de Novello no CBPF. “É muito mais fácil partir de um modelo que já existe, que foi feito por um Prêmio Nobel. Você tem acesso imediato a publicar seu trabalho em periódicos científicos respeitados.”

Ao longo da carreira, Novello orientou dezenas de mestres e doutores, escreveu livros de divulgação científica para o público leigo e realizou eventos que promovem o diálogo entre exatas e humanas. Sempre com a intenção de tornar a física uma ciência acessível e pensante – que construa em cima das velhas ideias em vez de apenas repeti-las. Eis uma teoria de sucesso irrefutável.

O Universo de Novello não infla para sempre. Ele alterna momentos de expansão e contração, como os balões que enchem e esvaziam.

O Universo de Novello não infla para sempre. Ele alterna momentos de expansão e contração, como os balões que enchem e esvaziam. (Felipe Del Rio/Superinteressante)