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Quando os gênios se encaram no fim do mundo

No mais importante duelo teórico dos últimos dez anos, os dois cérebros mais criativos da Física atual, os ingleses Stephen Hawking e Roger Penrose, discutem como nasceu e como vai acabar o Universo.

Flávio Dieguez

Stephen Hawking

É professor de Matemática da Universidade de Cambridge, Inglaterra. Aos 54 anos, é uma das maiores promessas da ciência. Suas idéias podem ajudar a criar uma teoria nova, capaz de explicar esse enígma insolúvel que são os buracos negros.

Roger Penrose

Com 65 anos, é professor de Matemática da Universidade de Oxford, Inglaterra. Ele não tem a fama de Hawking, mas é igualmente brilhante. E até mais radical, pois quer mudar todas as leis da Física para criar novas regras a partir do zero. Coisa que Hawking não ousa.

Os buracos negros não são apenas corpos ultrapesados, criados pela implosão de uma estrela gigante. Eles são como o fim do mundo, um lugar dentro do qual já não faz sentido falar em tempo ou espaço, e deixam de valer todas as leis conhecidas da Física. Para todos os efeitos, essas obscuras esferas estão fora da realidade, pois ninguém pode ver, ou mesmo analisar, o que existe no seu interior. Mas os físicos acreditam que, escondida nessas regiões proibidas, chamadas de “singularidades”, está a chave para entender toda a evolução do Universo, desde o seu primeiro momento de existência até os seus últimos dias.

Não foi à toa, portanto, que as singularidades dominaram por completo o mais importante “pega” teórico dos últimos dez anos, em que trocaram chumbo os dois cérebros mais criativos da Física contemporânea, os ingleses Stephen Hawking, da Universidade de Cambridge, e Roger Penrose, da Universidade de Oxford. Hawking deu um show de inteligência e de bom humor durante toda a discussão. Mostrou, como vem fazendo há anos, que sua mente continua imune ao mal terrível que paralisa gradualmente cada músculo de seu corpo, a esclerose lateral amiotrófica.

O criador da pesquisa

Penrose rebateu com facilidade todas as provocações do oponente, entre outras coisas porque é o grande mestre da investigação sobre os buracos negros. Foi o criador da pesquisa teórica nesse campo, nos anos 60. Não é exagero dizer que ensinou a Hawking boa parte do que este sabe sobre o assunto. Penrose agora faz brincadeira, dizendo que ele mesmo não entende alguns dos conceitos de Hawking. Em um fax escrito a mão, endereçado à SUPER, afirmou: “Tenho dificuldades – e dúvidas – em acompanhar o seu raciocínio”.

Claro que não passa de uma provocação. Apesar das divergências, que eles discutem e rediscutem até a exaustão, os dois são bons amigos e têm grande admiração um pelo outro. Aqui você vai conhecer as idéias mais importantes que os dois físicos apresentaram no Instituto Isaac Newton de Ciências Matemáticas, em Cambridge, em 1994, e este ano, finalmente, foram condensadas no livro The Nature of Space and Time (a natureza do espaço e do tempo, ainda não editado em português). Prepare-se para um mergulho no abismo mais radical já vislumbrado – ao menos em teoria – pela ciência.

Tudo o que existe saiu de um só ponto

No debate que travou em 1994 com o teórico Roger Penrose, na Universidade de Cambridge, Inglaterra, Stephen Hawking tinha em mente dois grandes enigmas. Primeiro: exatamente como nasceu o Universo? Segundo: o que vai acontecer no final dos tempos?

Eram dúvidas para gênio nenhum botar defeito. E, como Hawking sabe muito bem, elas só serão respondidas se a Física esclarecer o que se passa dentro dos buracos negros. O motivo é que no centro desses astros a matéria atinge concentração infinita, ficando na mesma situação em que estava o Universo no instante do seu nascimento, 15 bilhões de anos atrás. Nesse momento, tudo o que existe estava dentro de um único ponto. Assim, ao decifrar o núcleo dos buracos negros – que é um ponto chamado singularidade –, teremos uma idéia mais clara sobre o início de tudo.

O nó da questão, segundo Hawking, é que as fórmulas conhecidas fracassam quando são usadas para elucidar as enigmáticas singularidades. Até agora elas foram estudadas por meio da Teoria da Relatividade, mas essa teoria não está completa, acredita o cientista. Basta ver que, lá dentro da esfera negra, as medidas dos relógios e das réguas dão números infinitos. E é impossível fazer cálculos com quantidades infinitas.

Para Hawking, as singularidades podem sumir se a Relatividade for corrigida pela outra grande teoria atual, a Mecânica Quântica, que explica o mundo das partículas subatômicas. Ou seja, ele quer usar as leis das coisas muito pequenas para entender o Universo, uma coisa muito grande.

Nosso destino é cair no poço sem fundo

Hawking conquistou a fama, em 1973, usando a Mecânica Quântica para demonstrar uma novidade sobre os buracos negros: que eles podiam emitir energia e partículas subatômicas. Foi um achado impressionante pois a tremenda gravidade desses astros, gerada por sua densidade altíssima, parecia impedir que qualquer coisa, mesmo a luz, escapasse para o espaço vizinho. E impede mesmo, diz Hawking. Mas a partir de certo ponto, como se quisesse aliviar a tensão da matéria em seu interior, o buraco negro começa a emitir uma pequena quantidade de energia. O êxito nesse caso leva Hawking a pensar que, hoje, a quântica ajudará também a resolver os problemas da singularidade cósmica.

Penrose não discorda de que a quântica pode ser útil, mas acha que não vai ser suficiente. Mais atrevido que Hawking, ele quer montar uma teoria inteiramente nova, inspirada nas idéias aprendidas nos últimos anos. Uma delas é que o Cosmo teve um início tranqüilo, pelo menos em comparação com o que pode vir a ser no futuro, quando o espaço deve virar peneira devido a uma vasta proliferação de buracos negros.

Explicando melhor, embora o Universo tenha começado como uma singularidade, a matéria lá dentro estava bem distribuída. Em nenhum lugar se viam mais átomos que em outro. Mas, com o tempo, surgiram grandes vazios enquanto a matéria se agrupava em certos pontos, formando estrelas, galáxias e conjuntos de galáxias. Assim começou o ajuntamento de átomos que no futuro promete jogar tudo dentro dos astros negros, autênticos poços sem fundo.

Atitude radical contra a “democracia”

A força da gravidade controla a evolução do Universo de um modo muito especial porque cria atração entre os astros. E o efeito final da atração é agregar a matéria em blocos cada vez maiores, num “encaroçamento” radical. Esse fato, para Penrose, revela um aspecto decisivo do Cosmo: ele tem duas caras, uma em cada ponta do tempo. É que no princípio ele era bem uniforme. Nenhum lugar continha mais matéria que outros. E no final, devido ao encaroçamento, os átomos vão ficar fortemente concentrados em certos locais, os buracos negros.

É uma situação delicada, nota Penrose. A estrutura do Universo não deveria mudar porque as equações em vigor não aceitam discriminação, nem entre começos e fins, nem entre idas e voltas. Imagine uma bola: não importa se ela está voando na direção de uma parede ou se já bateu no anteparo e está viajando de volta para quem chutou. Tanto o movimento para a frente (do pé para a parede) como o movimento inverso (da parede para o pé) devem ser calculados pela mesma fórmula. Com o Universo é a mesma coisa: ele deve ter um fim igual ao começo. Essa igualdade é o que Hawking chama de “democracia” das leis físicas.

Mas Penrose propõe esquecer a noção de igualdade e tentar desenvolver uma nova teoria sem ela. Para Hawking, não é por aí. No debate, nem esperou sua vez de falar. Da platéia mesmo, cortou Penrose no meio da explicação dizendo que não admitia violar um princípio básico. Preferia gastar neurônios em busca de um outro meio para resolver a desigualdade entre o início e o fim do Universo.

Como vai ser depois que tudo se acabar?

Até uns anos atrás, Hawking achava que tinha resolvido o dilema do fim do Universo, que tende a um estado caótico, pontilhado de buracos negros. A pergunta é: por que o começo foi suave, harmônico, e o fim será confuso? A resposta, dizia Hawking, é que a expansão iria continuar por alguns bilhões de anos, mas depois mudaria de rumo. O Universo, em vez de acabar, passaria a encolher. E aí voltaria atrás na desarrumação.

Então, não é certo que as coisas vão da harmonia para o caos. O que existe é um eterno ciclo, da baderna para a ordem e vice-versa. A sacada de Hawking, se fosse verdadeira, seria sensacional. Ele diz que na etapa de encolhimento tudo aconteceria ao contrário. “Pensem numa xícara de café caindo da mesa e se espatifando no chão”, comparou ele durante o debate. “Na fase de contração, os cacos é que iam subir do assoalho para a mesa enquanto se colavam uns aos outros durante o trajeto.”

Hawking abandonou sua idéia ao perceber que a contração não elimina obrigatoriamente a desordem. Basta ver que os buracos negros nascem de uma estrela em contração e ficam mais caóticos do que ela. Conclusão: ainda não sabemos se o Universo vai ou não encolher. Mas não adianta. De um jeito ou de outro, ele caminha para o caos que acompanha as singularidades. E estas continuam sendo um enigma, como a esfinge da mitologia grega. Obscura, ela encara os gênios como quem desafia: “Decifra-me ou te devoro”.

PARA SABER MAIS:

Einstein Estava Certo?, Clifford Will, Editora Universidade de Brasília, Brasília, 1996.

The Nature of Space and Time, Stephen Hawking e Roger Penrose, Princeton University Press, Princeton, 1996.

O monstro pelo avesso

Quando uma estrela vira buraco negro, surge no centro uma singularidade, ou seja, um ponto em que a matéria se torna infinitamente densa e as leis da Física atual não valem mais.

Raio de luz 1

Aqui a energia ainda viaja normalmente para fora da estrela.

Estrela muito pesada

Depois que deixa de gerar energia, ela cai para dentro de si mesma.

Estrela implodindo

Se ela for quatro vezes mais pesada que o Sol, a implosão não tem fim.

Horizonte de eventos

É a nova superfície da estrela, já transformada em buraco negro.

Raio de luz 2

Nesse ponto ele voa para fora, mas é fortemente desviado pela gravidade.

Raio de luz 3

Passa tão perto que fica preso ao horizonte, que é a superfície do buraco.

Singularidade

É só um ponto no centro, mas concentra toda a massa.

Fora da realidade

Tudo o que caiu aqui não sai mais, está para sempre desligado do resto do mundo.

Contra a gravidade

A força dominante do Cosmo define o que acontece no coração dos diversos tipos de astros.

Todos os astros têm um dilema na vida. Eles tendem a cair para dentro de si mesmos, esmagados pela força da gravidade. Os astros mais comuns, do tipo do Sol 1 , são rarefeitos e ficam inteiros porque geram luz. Esta sai do centro e empurra a massa para fora, garantindo o equilíbrio. A estrelas anãs 2 , muito mais densas que o Sol, seguram a gravidade com a energia eletrônica. Significa que os elétrons que têm no núcleo não se deixam esmagar. Ainda mais densas são as estrelas de nêutrons 3 . Elas reagem à pressão com força nuclear. Nos buracos negros 4 , enfim, a densidade fica tão alta que nenhuma força conhecida pode com a gravidade. Ninguém sabe o que acontece lá dentro.

A força da curva

Dizer que o espaço é curvo é uma maneira prática de indicar o valor da gravidade em cada ponto.

Perto do Sol, a gravidade não é muito grande e a curvatura do espaço é suave.

Em volta da anã branca o desnível é um pouco maior.

Junto à estrela de nêutron, o espaço fica ainda mais fundo.

No buraco negro a profundidade é infinita.

Se a gravidade é forte numa certa área do Universo, os físicos afirmam que, ali, o espaço é muito curvo. Não tem mistério nenhum. São só duas maneiras de falar e querem dizer exatamente a mesma coisa. Veja na ilustração: como o Sol atrai a Terra, dá para representar sua força gravitacional como uma região mais “funda” do espaço. Com isso, em vez de afirmar que a força do Sol puxa a Terra, se diz que esta tende a rolar para o “buraco” que a estrela cria no espaço. Essa analogia é cientificamente perfeita e facilita muito as coisas. É que, ao estudar as forças gravitacionais distribuídas pelo Universo, já se tem, de imediato, uma noção da sua forma geral, assim como dos movimentos que os planetas, estrelas e galáxias podem fazer.

Futuro esburacado

O Cosmo pode continuar se expandindo para sempre ou pode começar a encolher, dentro de muitos bilhões de anos. De um jeito ou de outro, estrelas e galáxias tendem a ser engolidas por buracos negros no fim dos tempos.

Singularidade

Antes do início do tempo, só havia um ponto de matéria infinitamente comprimida.

Galáxias

Um milhão de anos após o Big Bang, a gravidade começa a vencer a expansão, juntando matéria em “caroços” de tamanho variado, de estrelas a galáxias.

O fim

Buracos negros enchem o Cosmo de pontos onde já não faz sentido falar de espaço ou tempo.

Big Bang

Nos primeiros 3 minutos a expansão foi violentíssima.

Estamos aqui

Numa fase madura do tempo, 15 bilhões de anos após o Big Bang

Expansão máxima

Deste ponto em diante, o Universo pode começar a encolher.

Crescendo sem parar

As galáxias estão se afastando entre si, mas no futuro podem voltar a se reunir, numa grande implosão geral.

Nas primeiras frações de segundo depois do Big Bang, o aumento de tamanho do Cosmo foi brutal, como se vê no gráfico acima. De um volume menor que um núcleo atômico, ele se ampliou bilhões de vezes até ficar com 1 metro de raio. Depois, o ritmo caiu até chegar ao raio atual, de mais ou menos 15 bilhões de anos-luz (1 ano-luz mede 9,5 trilhões de quilômetros). O passo daqui para a frente vai depender da quantidade de matéria existente. Se houver muita matéria, dez vezes mais do que vemos na forma de estrelas, galáxias e nuvens interestelares, o Universo deve chegar a um volume máximo, daqui a muitos bilhões de anos, e depois vai encolher.

Rumo ao zero absoluto

De uma bola de fogo, ao nascer, a matéria ficou imersa numa esfera gelada e pode acabar sem nenhum calor.

Além do tamanho, outra forma de avaliar a evolução do Universo é por meio das mudanças de temperatura. Ele era incandescente, nos primeiros tempos (para escrever o número que mede sua temperatura inicial em graus Celsius é preciso colocar 34 zeros depois do 1). A partir daí, o ambiente ficou mais ameno e é por isso que a gravidade conseguiu reunir os átomos na forma de estrelas e galáxias. Antes, o excesso de calor tendia a desagregar qualquer ajuntamento de matéria. Agora, a temperatura média do Cosmo está bem próxima do zero absoluto, e no futuro o frio vai se tornar cada vez maior. Ele só não será absoluto, no fim, se a expansão virar encolhimento. Aí inverte tudo e o calor volta a crescer.