Big Bang

José Tadeu Arantes

Parece incrível, mas num passado remotíssimo toda a matéria que observamos hoje no Universo – distribuída em 100 bilhões de galáxias, cada uma com mais de 100 bilhões de estrelas, dentre as quais o nosso modesto Sol – pode ter estado tão extraordinariamente concentrada que caberia até com folga na ponta de uma agulha.

Nesse mundo, além de toda imaginação, a densidade da matéria atingiria o valor de 1090 quilos por centímtro cúbico – um número que se escreve com o algarismo 1 seguido de noventa zeros. A densidade das rochas comuns existentes hoje na terra é de apenas alguns gramas por centímetro cúbico. O Universo, então, seria não apenas superdenso, mas também superquente: a temperatura atingiria o fantástico patamar de 1031 graus Kelvin – mais de um bilhão de bilhão de bilhão de vezes a temperatura média do Sol.Por mais inacreditáveis que estas cifras possam parecer, elas correspondem a uma teoria sobre a origem do Universo aceita em quase todos os meios científicos do mundo – a Teoria do Big Bang (Grande Explosão). De acordo com ela, o Universo teria se originado numa explosão apocalíptica entre 15 e 20 bilhões de anos atrás. A situação que descrevemos refere-se a um instante apenas 10 – 43 segundos após o Big Bang – o algarismo 1 precedido de 42 zeros depois da virgula, – chamado Tempo de Planck.

Embora separado do instante inicial por uma fração ínfima de segundo, o Tempo de Planck não se confunde com o momento do Big Bang, porque a matéria energia passou por mudanças dramáticas naqueles pedaços infinitesimais de tempo que se sucedera à origem. O Tempo de Plack constitui o limite até onde chegam atualmente nossos conhecimentos teóricos numa viagem regressiva rumo ao marco zero. A partir daí, ou melhor, antes disso é impossível de ser descrita nos termos dos conhecimentos atuais da Física. Podemos especular que, à medida que nos aproximamos ainda mais desse instante inicial, chamado de estado de singularidade pelos cientistas, o volume do Universo tende a zero enquanto a densidade e a temperatura tendem ao infinito.

A Teoria do Big Bang é uma das mais belas realizações intelectuais do século. Para o seu desenvolvimento contribuíram dois ramos do conhecimento que, há apenas algumas décadas pareciam muito distantes: a ciência do macrocosmo, o infinitamente grande, e a ciência do microcosmo, o infinitamente pequeno. A Cosmologia e a Astrofísica, por uma lado, e a Física das partículas elementares ou Física subatômica, por outro. Curiosamente, os pais fundadores do Big Bang não eram nem astrônomos nem físicos de partículas. Um deles, Alexander Friedmann (1888-1925), era um meteorologista e matemático russo; o outro, o abade Georges Lemaitre (1894-1966), era um padre e matemático belga.

Trabalhando cada qual por seu lado, como tantas vezes acontece na ciência, Friedmann e Lemaitre chegaram a conclusões muito semelhantes a partir de um desenvolvimento puramente matemático da Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein (leia artigo na página 58). Einstein acreditava que a atração gravitacional entre os corpos decorria de uma curvatura do espaço-tempo provocada pela presença da matéria. Friedmann e Lemaitre partiram das complicadas equações de campo gravitacional de Einstein e, como ele, adotaram a hipótese de um Universo, homogêneo no espaço.Mas, ousadamente, descartaram a idéia de Eisntein de um Universo imutável no tempo. Isso lhes permitiu chegar, entre 1922 e 1927, a um conjunto de soluções simples para as equações. O Universo que essas soluções descreviam estava em expansão em todas as direções com as galáxias se afastando umas das outras. Essa expansão teria se originado a partir da singularidade , um ponto matemático de densidade infinita.

Em 1929, o astrônomo norte-americano Edwin Hubble (1189- 1953) fez uma descoberta sensacional que trouxe a primeira prova a favor da tese da Grande Explosão. Com o gigantesco telescópio do observatório do monte Wilson, na Califórnia, Hubble descobriu que o espectro da luz proveniente das galáxias distantes apresentava um red-shift – desvio para o vermelho – e que esse desvio era tanto maior quanto mais distante estivesse a galáxia, observada em relação à nossa própria galáxia, a Via Láctea.A explicação de Hubble era de que este fenômeno se devia ao efeito Dopler, bastante conhecido pelos físicos desde o século passado.

A conclusão ficava evidente. Se a luz desviava para o vermelho era porque essas galáxias estavam se afastando de nós, e se esse desvio era tanto maior quanto mais longe estivesse a galáxia, isso significava que a velocidade de afastamento crescia com a distância. Para um astrônomo situado numa galáxia distante, também a luz emitida pela Via Láctea apresentaria um desvio para o vermelho. Pois é o Universo como um todo que está em expansão.Ora, se tudo está se afastando no Universo, é possível imaginar uma época remotíssima em que tudo estivesse extremamente próximo. Essa seria a época do Big Bang. Quando isso pode ter ocorrido? O termo que relaciona a velocidade de afastamento ou recessão das galáxias com a distância é conhecido como constante de Hubble. O tempo desde o início da expansão, calculado a partir da constante, dá algo entre 15 e 20 bilhões de anos.

A descoberta de Hubble trouxe um poderoso argumento a favor do Big Bang. Não foi, porém, um argumento conclusivo. Tanto assim que, no final dos anos 40, quem propusesse um modelo alternativo, a Teoria do Estado Estacionário (veja quadro na página 42): Em 1964, porém uma descoberta puramente acidental iria representar um golpe demolidor nesse modelo rival.

Dois radiastrônomos, o germano-americano Arno Penzias e o norte-americano Robert Wilson. trabalhando com uma gigantesca antena de sete metros da Bell Telephone dos Estados Unidos descobriram um fraquíssimo ruido de rádio que vinha de todas as direções do céu ao mesmo tempo. Ao longo dos meses. embora 05 movimentos de rotação e translaçao da Terra voltassem a antena para todas as regiões do firmamento. o sinal mantinha sua intrigante regularidade.

Finalmente. Penzias e Wilson tomaram conhecimento de que na prestigiosa Universidade de Princeton um grupo de físicos liderados por Robert Dicke havia deduzido teoricamente a existência de uma fraquíssima radiação de fundo. que deveria preencher uniformemente o espaço. Seria uma espécie de resíduo fossil da superesc aldante sopa cósmica de matéria e energia que. pela Teoria do Big Bang. constituía o Universo pouco tempo depois da Grande Explosão. Com a expansão do Universo. a densidade da energia teria diminuído progressivamente. o que provocou um resfriamento – pelo mesmo motivo que um gás. ao se expandir. resfria —. até chegar a uma temperatura de aproximadamente três graus Kelvin. poupo acima do zero absoluto.

Em condições normais, o átomo é formado por três partículas elementares: próton, elétron e nêutron. Delas porém, talvez apenas o elétron possa ser considerado realmente elementar; o próton e o nêutron seriam constituídos de partículas ainda menores – os quarks.Se fosse possível empreender uma viagem de volta à origem do Universo, quando se chegasse a cerca de 300 mil anos depois do Big Bang, as temperaturas já seriam tão altas que romperiam as estruturas dos átomos, arrancando os elétrons de suas nuvens em torno dos núcleos atômicos. Ao se ultrapassar, nessa contagem regressiva, o terceiro minuto depois do Big Bang, os próprios núcleos começariam a se desintegrar, liderando os prótons e os nêutrons neles aprisionados. Na marca de um milionésimo de segundo depois do Big Bang, até os prótons e nêutrons seriam fragmentados nos quarks que os constituem.

Essa viagem de volta à origem termina por enquanto no Tempo de Planck, localizado, como vimos, apenas dez milionésimos de bilionésimo de bilionésimo de bilionésimo de bilionésimo de segundo depois do Big Bang. Os físicos especulam, porém, que, quando seu arsenal teórico permitir ultrapassar a barreira do Tempo de Planck, talvez se encontre um Universo de insuperável simplicidade. Toda a matéria se apresentaria sob a forma de um único tipo de partícula e as quatro forças existentes no mundo atual – a gravitacional, a eletromagnética, a nuclear forte e a nuclear fraca – estariam unificadas num mesmo tipo de força. A própria distinção entre partícula e força provavelmente não teria qualquer significado.Isso por ora é uma simples suposição. Mas a ciência tem dado passos concretos para verificar sua validade.

A unificação entre a força eletromagnética e nuclear fraca, proposta teoricamente nos anos 60 pelos norte-americanos Steven Weinberg e Sheldon Lee Glashow e pelo paquistanês Abdus Salam – os três ganhadores do prêmio Nobel de Física de 1979 – foi confirmada em 1983, com a descoberta das partículas que transportam a forca nuclear fraca, previstas pela teoria da unificação.

Essa descoberta, que deu ao italiano Carlo Rubbia 0 Nobel de Física de 1984, foi obtida no gigantesco acelerador de partículas da Organização Européia de Pesquisas Nucleares (CERN). localizada em Genebra. Suíça, e envolveu um nível de energia igual ao que poderia ser encontrado na Universo primitivo dez bilionésimos de segundo depois do Big Bang. Assim, a teoria e a experimentação vão nos aproximando cada vez mais da origem do Universo. Nessa escalada do conhecimento, o zero é o limite.

Para saber mais:

Viagem ao início do tempo

(SUPER número 9, ano 5)

Estado Estacionário contra a Grande Explosão

Em 1948 três jovens cientistas da Universidade de Cambridge. Inglaterra o inglês Fred Hoyle e os judeus austriacos Hermann Bondi e Thomas Gold – iniciaram uma atrevida cruzada contra a Teoria do Big Bang. Sua arma era outra teoria, a do Estado Estacionário, que procurava a justar a evidência indiscutível do afastamento das galáxias, descoberto por Hubble. ao chamado Principio Cosmológico Perfeito. Este supõe um Universo infinito e homogêneo no espaço. eterno e imutável no tempo.

A idéia é a seguinte: se o Universo estava em expansão e entretanto se mantinha imutável. era porque nova matéria estava sendo continuamente criada para ocupar o espaço deixado vazio pela matéria que se afastava. Dessa forma a densidade média do Universo se manteria constante. Para isso, bastaria que fosse produzido um próton de massa para cada mil centímetros cúbicos de espaço a cada biIhão de anos – uma quantidade tão fantasticamente pequena que deveria escapar à mais acurada observação. No entanto. consideradas as dimensões do universo observável. essa mesma quantidade produziria a cada segundo nada menos de 10″ toneladas de matéria ou I seguido de ” zeros.

De onde viria essa matéria? “Do nada”, responderam os cientistas A idéia soa absurda, não há dúvida Mas também a Teoria do Big Bang não diz de onde veio a matéria que deu origem ao Universo. Por isso, perguntava o físico Thomas Gold: “Será mais fácil admitir um único grande milagre do que vários pequenos milagres?” A Teoria do Estado Estacionário, para seus defensores, tinha pelo menos a vantagem de evitar a desconcertante singularidade de que fala o modelo do Big Bang.Segundo Fred Hoyle, que além de físico e astrônomo é renomado escritor de ficção científica, a própria criação continua de matéria provocaria a ininterrupta expansão do Universo, porque a matéria nova, ao surgir, produziria uma espécie de pressão para fora, capaz de empurrar a matéria já existente. Ademais, a hipótese da criação contínua conseguia explicar por que, num Universo supostamente eterno, o hidrogênio continuava a ser de longe o elemento mais comum.Como Hoyle estava convencido de que os elementos mais pesados decorriam da fusão do hidrogênio no interior das estrelas – no que a ciência posteriormente lhe daria razão—, era preciso que hidrogênio novo fosse criado continuamente para substituir o hidrogênio consumido nas fornalhas estelares. A década de 50 assistiu a um debate até hostil entre os partidários do Big Bang e os do Universo estacionário.

Os primeiros acabaram ganhando a parada com a descoberta de Penzias e Wilson da radiação de fundo das microondas cósmicas. Os outros foram vencidos, mas não ficaram convencidos.Pois as microondas descobertas por Penzias e Wilson correspondiam exatamente a um tipo de emissão de uma fonte a três graus Kelvin. O fato de a radiação ser recebida da mesma forma de todas as direções do espaço significava que ela provinha do Universo como um todo – era uma característica dele. Era a mais espetacular prova material a favor do Big Bang desde a recessão das galáxias de Hubble.A partir de então, a Teoria do Big Bang foi alimentada principalmente pela Física das partículas elementares que investiga as diminutas regiões do interior do átomo.

Esse fato parece paradoxal, mas é que, nas altíssimas temperaturas do Universo primitivo, a matéria estava desintegrada nas partículas elementares que a constituem. Pode-se ter uma idéia de como essa matéria se comportava utilizando os grandes aceleradores de partículas existentes nos principais centros de pesquisa do mundo. Neles. as partículas subatômicas são aceleradas até alcançar altíssimas velocidades e levadas a colidir umas com as outras; a partir dos resultados da colisão, é possível investigar sua natureza. Pouco depois do Big Bang, o Universo era um fantástico acelerador de partículas.

Efeitos de som e luz

Você talvez não saiba, mas, se alguma vez ficou esperando um trem na-plataforma de uma estação, já deve ter entrado em contato com o efeito Doppler. Ele se manifesta assim: o apito do trem parece mais agudo quando a locomotiva se aproxima do observador na estação e mais grave quando o trem dele se afasta; para o maquinista, porém o som parece sempre igual. O motivo é que, quando o trem se aproxima, o comprimento das ondas sonoras diminui em relação ao observador, o que faz com que o som se torne mais agudo; quando o trem se afasta, o comprimento das ondas sonoras aumenta e o som fica mais grave.O mesmo efeito ocorre com a luz. Quando uma fonte de luz se aproxima suficientemente depressa de um observador, este a receberá com menor comprimento de onda; o contrário acontece quando a fonte se afasta. No primeiro caso, o espectro da luz apresenta um desvio para o azul; no segundo, para o vermelho.