O universo começou com um evento que pode ser comparado a uma explosão e que ocorreu num determinado ponto. A explosão (nem sempre a ideia de uma explosão agrada aos físicos, mas por falta de uma descrição melhor, usaremos esse termo aqui) e a matéria que foi criada logo em seguida foram chamadas de uma singularidade. Isso porque não há ainda uma explicação física muito convincente para a criação de matéria a partir do nada. Toda a energia que existe ou que existirá no Universo inteiro foi liberada nesse instante. [Esse parágrafo pode conter algumas pérolas físicas]
No momento em que o Universo foi formado, a temperatura era tão alta que nem mesmo os átomos poderiam existir. Somente partículas subatômicas, como elétrons, prontos e nêutrons. Quando a temperatura abaixou o bastante, o que provavelmente ocorreu três minutos após a grande explosão, houve então a nucleossíntese, isto é, a associação entre prótons e nêutrons, formando os núcleos atômicos. A partir desse evento, o Universo se expandiu até atingir as dimensões que percebemos hoje em dia. Sabe-se que o Universo continua a se expandir em virtude dessa explosão inicial.
Quando isso aconteceu? Estima-se que há aproximadamente 15 bilhões de anos, com base em medidas físicas. É importante notar que no início do Universo, o próprio tempo e o espaço foram também criados. Assim, não há sentido em dividir a história do Universo em antes e depois de sua origem. Embora tenhamos a impressão de que as noções de tempo e de espaço estejam bem solidificadas em nossa mente, é preciso considerar que estas dimensões apenas têm significado num mundo material e dinâmico como o nosso. Mesmo assim, a própria definição de tempo não é trivial. Como exercício, tente explicar o que é o tempo sem recorrer à expressão “tempo”.
Em resumo, é possível imaginar que se não havia nada antes do início do Universo, o tempo e o espaço não possuíam significado algum. Em outras palavras, nessa singularidade (aquela exceção da física já mencionada) que representa o momento longo antes da criação, o espaço euclidiano conforme concebemos não pode ser representado, o mesmo valendo para o tempo. Se nada havia ocorrido, a noção de tempo perde seu valor paramétrico. Em consequência, não cabe a pergunta típica sobre a origem do Universo: “O que havia antes do Universo existir?” Se o tempo e o espaço não existiam, essa pergunte não tem significado óbvio. Indagações sobre a suposta eternidade do Universo também não são fáceis de responder pelas mesmas razões.
De onde surgiu essa ideia do Universo inflacionário? Antes de entrarmos nesse tópico, é preciso explicar o que se entende por “desvio para o vermelho”, pois esse conhecimento foi fundamental para a elaboração da hipótese do Universo em expansão. Assim, abriremos um breve parêntese com a finalidade de explicar melhor esse conceito e aproveitar para ilustrar também como uma hipótese é elaborada a partir de dados experimentais.
O desvio para o vermelho se apóia no efeito Doppler, o mesmo que é usado na construção dos aparelhos que nas ruas medem as velocidades dos automóveis (os pardais). Em essência, o efeito Doppler é causado por ondas, sejam elas ondas na água, ondas sonoras ou ondas de luz. Para ilustrar o efeito Doppler, imagine que você esteja imóvel num local e que uma ambulância esteja parada na sua frente com a sirene ligada. O som que você ouvirá será constante. No entanto, se a ambulância se mover em sua direção, você perceberá que o som da sirene se tornará cada vez mais agudo (e alto também). Se, ao contrário, a ambulância se afastar de você, o som adquirirá um tom mais grave. Percebemos a mesma coisa numa corrida de carros. Quando os carros se aproximam, o som fica mais agudo, e quando passam, o som fica mais grave. Aviões se comportam do mesmo jeito. Em todos os casos, o som é comunicado aos seus ouvidos por meio de ondas. É importante não confundir som agudo ou grave com som alto e baixo, isto é, com um som que varia somente em sua amplitude.
Outro exemplo: se você estiver num barco que se move em direção à fonte das ondas, ele balançará mais frequentemente enquanto estiver nesse sentido, indo de encontro às ondas. Se o barco se afasta da fonte das ondas, os balanços do barco serão menos freqüentes, causados pelo aumento da distância entre as cristas das ondas.
A mesma situação acontece com a luz, a faixa visível do espectro eletromagnético. Só que, nesse caso, a variação no comprimento de onda reflete-se na cor da luz que é percebida pelo observador. Imagine que você esteja imóvel e que um objeto que emite luz esteja se aproximando. De forma análoga ao som, a luz percebida por você desvia-se para a parte do espectro visível que possui um comprimento de onda mais curto (a distância entre os picos das ondas). Como o comprimento de onda da luz visível é mais curto na região da cor azul, você observará nesse objeto que se aproxima um desvio para a região do espectro azul. No caso do objeto estar se afastando, o comprimento de onda aumentará e você perceberá um desvio para a parte do espectro luminoso que apresenta comprimentos de onda maiores, ou seja, a região do vermelho.
É claro que você só perceberá o desvio, tanto para o azul como para o vermelho, se estiver munido de um telescópio acoplado a um espectrômetro, ou espectrógrafo. Esse espectrógrafo, longe de ser um aparelho complicado, pode ser qualquer dispositivo que produza a difração, ou a decomposição da luz. Por exemplo, um prisma, ou qualquer dispositivo que tenha raias muito próximas umas das outras, como um disco compacto (CD), ou um orifício num anteparo que provoque uma interferência das frentes de onda de luz, criando, assim, regiões de maior ou menor intensidade.
Para situarmos melhor nosso problema, imagine que os espectros de luz emitidos por uma mesma estrela foram observados em dois momentos diferentes, com um intervalo de seis meses entre cada um. As linhas que compõem os vários comprimentos de onda da luz emitida pela estrela após 6 meses estarão ligeiramente desviadas para a “região do vermelho” do espectro, ou seja, as linhas do espectro apresentam um comprimento maior que na primeira medida. Desse modo, usando o mesmo raciocínio acima, podemos concluir que essa estrela está se afastando do observador. Um resultado semelhante é observado quando se compara espectros obtidos de estrelas que se encontram progressivamente mais afastadas da Terra. Isso significa que uma estrela mais distante da Terra exibirá um desvio para o vermelho mais acentuado do que quando seu espectro for comparado com aquele de uma estrela mais próxima. Tal resultado é mostrado na figura a seguir.
As linhas espectrais das galáxias mais distantes se desviam para a “região do vermelho” do espectro visível em comparação com o espectro solar.Entre 1910 e 1920, o astrônomo Vesto Slipher conseguiu obter o espectro de muitas nebulosas extragalácticas – situadas além da Via Láctea, a nossa galáxia. Os resultados mostraram que a maioria desses objetos exibia o desvio para o vermelho, sendo que uma exceção notável era a galáxia Andrômeda. Slipher chegou à surpreendente conclusão de que não importava para onde se apontasse um telescópio, o resultado era o mesmo. Aparentemente, a maioria das estrelas e galáxias estava se afastando da Terra. Em 1922, o meteorologista e matemático russo Alexander Friedmann descobriu que, devido a uma opção de Albert Einstein de usar uma determinada constante física, o que foi interpretado por muitos como um erro de matemática elementar, o Universo poderia se encontrar, ao invés de estático, em expansão. O suposto erro de Einstein talvez tenha refletido sua crença de que o Universo era imutável. Na sua equação, a constante cosmológica assumia o valor de 1, o que, segundo ele, mantinha tudo parado. Mias tarde, Einstein admitiu que seu cálculo estava equivocado, o que abriu as portas para outras interpretações, incluindo a validação daquela de Friedmann, que propunha uma constante cosmológica maior que 1, compatível, portanto, com a expansão do Universo.
Independentemente, em 1927, o cosmólogo belga Georges Lemaître chegou à mesma conclusão que Friedmann sobre a expansão do Universo. Porém, a ambos, Friedmann e Lemaître, faltava uma medida mais precisa. Foi então que Edwin Powell Hubble (1889 – 1953), astrônomo e cosmólogo norte-americano, entrou em cena. Curiosamente, antes de aderir à astronomia, Hubble considerou seguir a carreira de desportista, como pugilista. Depois se voltou para o Direito. Após um breve período como advogado, Hubble finalmente encontrou sua verdadeira vocação. Conseguiu medir as distâncias entre a Terra e as estrelas e galáxias. Juntamente com os dados obtidos por Slipher, Hubble derivou então uma equação agora conhecida como a Lei de Hubble. Essa equação permitiu o cálculo das distâncias e da velocidade de recessão (afastamento) dos objetos observados. Hubble demonstrou empiricamente que havia uma correlação direta entre a velocidade dos objetos observados e sua distância. Em outras palavras, Hubble propunha com sua equação que, quanto mais distantes as galáxias, maiores eram as suas velocidades. Curiosamente, Hubble nunca aceitou inteiramente que esse aumento linear de velocidade fosse uma evidência de que o Universo estivesse sofrendo um processo de expansão. Antes dos anos 1920, quase todos, incluindo Einstein, acreditavam que o Universo era estático e que tinha como centro a Via Láctea. A partir da publicação dos resultados de Hubble, nos anos 1930, assumiu-se que suas observações podiam ser generalizadas para qualquer ponto de observação do Universo, o chamado princípio isotrópico. De acordo com o princípio isotópico, a Terra ou qualquer outro corpo no Cosmos pode ser considerado o centro do Universo. Um experimento simples explica melhor o princípio isotrópico; tome uma transparência e desenhe nela vários pontos para representar as galáxias. Em seguida, faça uma cópia da transparência, só que com 25% ou mais de aumento. Essa cópia representaria a expansão. Ao sobrepor qualquer ponto da transparência original àquela de transparência aumentada, veremos que a expansão poderá ser apreciada em igual magnitude de qualquer ponto da transparência, ou, por extrapolação, do “Universo”.
Com essas observações iniciais, havia uma forte sugestão de que verdadeiramente o Universo inteiro estava se expandindo. Ademais, ainda de acordo com as medições de Hubble, as galáxias mais distantes eram as que exibiam as maiores velocidades. Os dados de Hubble permitiam também uma análise de regressão, na qual ao percorrermos o caminho inverso da expansão, chegaríamos a um ponto infinitesimal de enorme densidade que teria sido o ponto inicial da formação do Universo.
Sabe-se hoje, entretanto, que a constante calculada por Hubble estava subestimada, principalmente porque as medidas que podiam ser realizadas então deveram-se, sobretudo, às limitações experimentais. Atualmente, com poderosos instrumentos de medida, como o telescópio orbital Hubble, determinou-se as distâncias de galáxias bem mais afastadas do que aqueles que serviram para os cálculos iniciais de Hubble, de maneira que a própria curva que relaciona as distâncias às velocidades de recessão é hoje em dia muito mais precisa.
Em 1950, o astrônomo Fred Hoyle, um ardente defensor do Universo estacionário, comentou jocosamente a ideia do Universo em expansão num programa de rádio, mencionando que ela teria resultado do Big Bang, isto é, da grande explosão inicial. A expressão pejorativa de Hoyle pegou e daí em diante o Big Bang passou a fazer parte das discussões sobre a expansão do Universo.
A ideia do Big Bang, mesmo antes da ironia de Fred Hoyle, já havia arrebanhado um adepto. George Gamow, um físico russo naturalizado norte-americano que abordou o problema do Universo de outra forma. Ele imaginou que se o Universo tivesse sido criado com uma liberação de energia inicial muito grande, mesmo nos dias atuais, ainda seria possível detectar resíduos, ou seja, mesmo depois de 15 bilhões de anos, o Universo ainda não estaria completamente frio. Segundo os cálculos de Gamow, essa temperatura do Universo deveria estar ao redor de 5° Kelvin (equivalente a -268° C). Um valor aproximado, ou seja, de 3° Kelvin (na verdade, 2,7° K) foi encontrado por meio da medida de ondas de rádio, feitas pelos radioastrônomos Arno Penzias e Robert Wilson. Em 1963, esses dois pesquisadores realizavam observações usando um radiotelescópio e notaram que havia sempre um ruído de fundo que atrapalhava as medidas. Na tentativa de descobrir qual era a fonte desse ruído de fundo (ondas de rádio), eles chegaram à conclusão de que não importava para onde eles apontassem o radiotelescópio, lá estava a interferência. Tendo eliminado todas as possibilidades de fontes dessa radiação, incluindo excrementos de pássaros, Penzias e Wilson propuseram, tal e qual Gamow, que esta radiação de fundo encontrada no Universo seria o que restou do grande evento primordial, o Big Bang. Assim, com duas estratégias diferentes, os dados apontavam para um turbulento início do Universo. Mesmo que venha a se desenvolver um telescópio mais poderoso que o Hubble, teoricamente não será possível jamais registrar a luz gerada no momento da criação do Universo. Isso porque os cosmólogos acreditam que, logo após o Big Bang, a alta temperatura daquele momento criou o estado físico de plasma opaco à luz. Esse plasma estabeleceria então um horizonte invisível para os instrumentos que dependem de luz para suas observações.
A ideia de que o Universo se encontra em expansão não elimina a possibilidade de que esse processo possa vir a ser revertido algum dia. Mesmo com as galáxias afastando-se umas das outras com velocidades próximas à da luz, a força gravitacional entre elas ainda se faz sentir, mesmo que de maneira tênue. Em consequência, quando algum dia [se] prevalecer a força da gravidade, as galáxias passarão a aproximar-se umas das outras e, num dado momento, em vez do Big Bang, teremos o “Big Crunch”, ou seja, o grande amálgama. Há cosmólogos que propõem que a história do Universo é composta de ciclos infinitos de expansão e de contração, isto é, “Big Crunches” seguidos de Big Bangs. No entanto, é importante enfatizar que não há unanimidade entre os cosmólogos a respeito do “Big Crunch”.
Independentemente, em 1927, o cosmólogo belga Georges Lemaître chegou à mesma conclusão que Friedmann sobre a expansão do Universo. Porém, a ambos, Friedmann e Lemaître, faltava uma medida mais precisa. Foi então que Edwin Powell Hubble (1889 – 1953), astrônomo e cosmólogo norte-americano, entrou em cena. Curiosamente, antes de aderir à astronomia, Hubble considerou seguir a carreira de desportista, como pugilista. Depois se voltou para o Direito. Após um breve período como advogado, Hubble finalmente encontrou sua verdadeira vocação. Conseguiu medir as distâncias entre a Terra e as estrelas e galáxias. Juntamente com os dados obtidos por Slipher, Hubble derivou então uma equação agora conhecida como a Lei de Hubble. Essa equação permitiu o cálculo das distâncias e da velocidade de recessão (afastamento) dos objetos observados. Hubble demonstrou empiricamente que havia uma correlação direta entre a velocidade dos objetos observados e sua distância. Em outras palavras, Hubble propunha com sua equação que, quanto mais distantes as galáxias, maiores eram as suas velocidades. Curiosamente, Hubble nunca aceitou inteiramente que esse aumento linear de velocidade fosse uma evidência de que o Universo estivesse sofrendo um processo de expansão. Antes dos anos 1920, quase todos, incluindo Einstein, acreditavam que o Universo era estático e que tinha como centro a Via Láctea. A partir da publicação dos resultados de Hubble, nos anos 1930, assumiu-se que suas observações podiam ser generalizadas para qualquer ponto de observação do Universo, o chamado princípio isotrópico. De acordo com o princípio isotópico, a Terra ou qualquer outro corpo no Cosmos pode ser considerado o centro do Universo. Um experimento simples explica melhor o princípio isotrópico; tome uma transparência e desenhe nela vários pontos para representar as galáxias. Em seguida, faça uma cópia da transparência, só que com 25% ou mais de aumento. Essa cópia representaria a expansão. Ao sobrepor qualquer ponto da transparência original àquela de transparência aumentada, veremos que a expansão poderá ser apreciada em igual magnitude de qualquer ponto da transparência, ou, por extrapolação, do “Universo”.
Com essas observações iniciais, havia uma forte sugestão de que verdadeiramente o Universo inteiro estava se expandindo. Ademais, ainda de acordo com as medições de Hubble, as galáxias mais distantes eram as que exibiam as maiores velocidades. Os dados de Hubble permitiam também uma análise de regressão, na qual ao percorrermos o caminho inverso da expansão, chegaríamos a um ponto infinitesimal de enorme densidade que teria sido o ponto inicial da formação do Universo.
Sabe-se hoje, entretanto, que a constante calculada por Hubble estava subestimada, principalmente porque as medidas que podiam ser realizadas então deveram-se, sobretudo, às limitações experimentais. Atualmente, com poderosos instrumentos de medida, como o telescópio orbital Hubble, determinou-se as distâncias de galáxias bem mais afastadas do que aqueles que serviram para os cálculos iniciais de Hubble, de maneira que a própria curva que relaciona as distâncias às velocidades de recessão é hoje em dia muito mais precisa.
Em 1950, o astrônomo Fred Hoyle, um ardente defensor do Universo estacionário, comentou jocosamente a ideia do Universo em expansão num programa de rádio, mencionando que ela teria resultado do Big Bang, isto é, da grande explosão inicial. A expressão pejorativa de Hoyle pegou e daí em diante o Big Bang passou a fazer parte das discussões sobre a expansão do Universo.
A ideia do Big Bang, mesmo antes da ironia de Fred Hoyle, já havia arrebanhado um adepto. George Gamow, um físico russo naturalizado norte-americano que abordou o problema do Universo de outra forma. Ele imaginou que se o Universo tivesse sido criado com uma liberação de energia inicial muito grande, mesmo nos dias atuais, ainda seria possível detectar resíduos, ou seja, mesmo depois de 15 bilhões de anos, o Universo ainda não estaria completamente frio. Segundo os cálculos de Gamow, essa temperatura do Universo deveria estar ao redor de 5° Kelvin (equivalente a -268° C). Um valor aproximado, ou seja, de 3° Kelvin (na verdade, 2,7° K) foi encontrado por meio da medida de ondas de rádio, feitas pelos radioastrônomos Arno Penzias e Robert Wilson. Em 1963, esses dois pesquisadores realizavam observações usando um radiotelescópio e notaram que havia sempre um ruído de fundo que atrapalhava as medidas. Na tentativa de descobrir qual era a fonte desse ruído de fundo (ondas de rádio), eles chegaram à conclusão de que não importava para onde eles apontassem o radiotelescópio, lá estava a interferência. Tendo eliminado todas as possibilidades de fontes dessa radiação, incluindo excrementos de pássaros, Penzias e Wilson propuseram, tal e qual Gamow, que esta radiação de fundo encontrada no Universo seria o que restou do grande evento primordial, o Big Bang. Assim, com duas estratégias diferentes, os dados apontavam para um turbulento início do Universo. Mesmo que venha a se desenvolver um telescópio mais poderoso que o Hubble, teoricamente não será possível jamais registrar a luz gerada no momento da criação do Universo. Isso porque os cosmólogos acreditam que, logo após o Big Bang, a alta temperatura daquele momento criou o estado físico de plasma opaco à luz. Esse plasma estabeleceria então um horizonte invisível para os instrumentos que dependem de luz para suas observações.
A ideia de que o Universo se encontra em expansão não elimina a possibilidade de que esse processo possa vir a ser revertido algum dia. Mesmo com as galáxias afastando-se umas das outras com velocidades próximas à da luz, a força gravitacional entre elas ainda se faz sentir, mesmo que de maneira tênue. Em consequência, quando algum dia [se] prevalecer a força da gravidade, as galáxias passarão a aproximar-se umas das outras e, num dado momento, em vez do Big Bang, teremos o “Big Crunch”, ou seja, o grande amálgama. Há cosmólogos que propõem que a história do Universo é composta de ciclos infinitos de expansão e de contração, isto é, “Big Crunches” seguidos de Big Bangs. No entanto, é importante enfatizar que não há unanimidade entre os cosmólogos a respeito do “Big Crunch”.
1. Introdução
1.1 Como a Vida Surgiu e Como Evoluiu
2. A Origem da Vida
2.1 Monismo e Dualismo
2.2 O Universo
Fonte: Readaptação de AB INITIO de Franklin David Rumjanek
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