Cosmologia: cosmovisões na teoria do Big Bang

E disse Deus: Haja luz; e houve luz.

Gênesis 1;3

Na coluna anterior comecei o assunto, um pouco mais histórico, sobre a teoria do Big Bang. Em poucas palavras, recapitulando de forma histórica, a teoria do Big Bang tem seus primórdios com Einstein em 1916 e a famosa Teoria da Relatividade Geral (RG). No ano seguinte, ele a modifica acrescentando um termo, a constante cosmológica, para que o universo seja estático, finito e eterno. Estou enfatizando este termo que, além de ser muito importante historicamente, terá um papel fundamental, até este momento que escrevo, obscuro e desconhecido, para entendimento do universo (comentarei futuramente): expansão atual do universo de forma acelerada. Só para te deixar um pouquinho curioso: o universo nasce de forma expansiva, como falarei a frente, mas, depois de alguns bilhões de anos, ao invés de continuar sua expansão normal, ele pisa no acelerador: o universo, hoje, está se expandindo de forma acelerada e, o melhor: nós, físicos, não sabemos o motivo.

Entre 1922 e 1937, vários cientistas contribuem de forma fundamental para a construção da teoria do Big Bang. Friedman começa mostrando, teoricamente, que o universo tem dinâmica, ou seja, ele pode crescer ou diminuir de tamanho dado o seu conteúdo (relação entre massa, volume e densidade). Com os trabalhos observações de Hubble, ainda iniciantes, Lemaître avança nas questões teóricas sobre o universo e demonstra, baseado em evidências, que ele pode ter nascido em um estado de tamanho minúsculo e quente (ovo cósmico). Início dos anos 1930 até 1937, Robertson e Walker concluem o nascimento da teoria do Big Bang (chamarei, a partir de agora, apenas de Big Bang) naquilo que chamamos, tecnicamente, de métrica de FLRW.

Antes de avançarmos um pouco mais, dois detalhes desse período. O primeiro deles tem relação com a constante cosmológica. Mencionei que Einstein publicou um trabalho onde coloca, à mão, essa constante nas equações. À mão, significa, dentro da física, uma forma de inclusão que não quebra as regras matemáticas (unidades etc), mas que não tem nenhuma correspondência física, ou seja, não há motivação observacional para inclusão dessa constante. Claro que posso (e devo) modificar as equações, teorias e modelos com embasamento experimental ou observacional; se conseguirei explicar tal inserção é outra história e um problema puramente meu e de minha capacidade de entendimento: a natureza não tem que dar satisfação às minhas contas ou ao meu trabalho teórico. Agora, incluir uma constante nas equações (matematicamente, tudo certo) por motivos de crença ou cosmovisão, é problemático: e foi isso que aconteceu com Einstein e a constante cosmológica. Aliás, uma interpretação histórica da motivação é difícil e, para tentar ser o mais imparcial possível, reproduzo, na íntegra, as suas palavras:

That term is necessary only for the purpose of making possible a quasi-static distribution of matter, as required by the fact of the small velocities of the stars.

Pág 432 do livro The collecte papers of Albert Einstein, volume 6: The Berlin years: writing, 1914 – 1917 (english translation supplement), texto Cosmological considerations in the General Theory of Relativity, 1917, tradução do alemão para inglês por W. Perrett e G. B Jeffery

Em tradução livre: O termo é necessário somente com o propósito de se fazer possível uma distribuição quase-estática de matéria, como é exigido o fato das pequenas velocidades das estrelas.

Observe que o termo foi colocado somente com o de modelar, matematicamente, a distribuição de matéria. Até aqui, a conclusão que tiramos é que Einstein colocou isso, à mão, devido às observações das baixas velocidades das estrelas. Só que, nesses anos (ao redor de 1917) ainda estava uma grande disputa sobre o tamanho, formato ou distribuição de matéria do universo (o resultado da controvérsia teve muitos desdobramentos para nosso entendimento do cosmo). Qual era a distribuição de matéria no universo? Aliás, qual era o tamanho do universo? Ele era infinito, finito, eterno, teve um começo, estava crescendo, diminuindo …? Nenhuma dessas perguntas foram respondidas até 1917. Mais do que isso: não havia nenhuma indicação de qualquer caminho para entendimento de qualquer questão desse tipo. Então, de forma deliberada e acreditando que o universo deveria ser estático (nunca cresceu ou diminuiu de tamanho) e eterno, Einstein coloca a constante cosmológica de forma que as equações de campo da RG façam sentido para tal interpretação. Parece que é forte a palavra crença para um físico, mas é isso que ocorreu.

O outro detalhe, que também está relacionado com a constante cosmológica é que, quando Lemaître apresentou seu trabalho ao grande físico (meados de 1927), mostrando que o universo poderia ter tido um começo, uma dinâmica de crescimento (ou seja, o universo não seria estático e nem eterno), Einstein disse, de forma resumida e em outras palavras, que as contas estavam corretas, matematicamente. Mas a física da teoria, a interpretação matemática e aplicada ao universo, era abominável. Em outra ocasião com Lemaître, Einstein “finalizou” a conversa: “Não, isso não! Isso sugere criação [do universo]”. Logo de cara vemos que há uma divergência em uma cosmovisão (forma de ver o mundo) e um resultado teórico científico. Só que a natureza vai acabar vencendo a cosmovisão do grande físico e, diante das observações e publicações dos trabalhos de Hubble em 1929, Einstein volta atrás e diz que a inclusão da constante cosmológica foi “o maior erro da minha vida”. Futuramente, veremos que ele não estava tão errado assim: em 1998 foi descoberto que o universo está se expandindo de forma acelerada e, a forma matemática dessa aceleração, é justamente a constante cosmológica!

Edwin Powell Hubble é um dos maiores astrônomos de todos os tempos, em minha visão. Ele se formou em direito (graduação), fez literatura e língua espanhola no mestrado e, no doutorado, trabalhou com o que podemos chamar de astrofotografia (fotografar galáxias utilizando telescópio). A tecnologia que ele trabalhou é a que tinha disponível na época da Primeira Guerra Mundial (nada de máquinas fotográficas digitais ou simples celulares!). Como citei na coluna sobre a grande controvérsia do tamanho do universo, Hubble foi o definidor, com suas observações: muitas nebulosas, na realidade, são universos-ilha; essas nebulosas estão muito longes para estarem dentro do “nosso universo” (galáxia Via Láctea). Uma outra conclusão, publicada em 1929, é que o universo se expande.

Hubble no Observatório Monte Wilson
Fonte: https://www.space.com/15665-edwin-powell-hubble.html

Isso foi um choque para quem tinha o mesmo pensamento ao de Einstein: universo estático, estacionário e eterno. Observe o gráfico abaixo para entender melhor esse contexto:

Dados publicados por Hubble em 1929.
Fonte: https://www.pnas.org/content/15/3/168

Cada ponto, que é uma galáxia, marca a velocidade (km/s) em função da distância (1 parsec = 3,26 anos-luz). Veja que a distribuição forma uma espécie de linha reta (há margem de erro, mas a correção é linear, como chamamos tecnicamente). Linha reta é a função de primeiro grau, que aprendemos no ensino fundamental (y = a.x + b). Então, o que temos aqui é uma equação de primeiro grau:

v = H.r

onde:

  • v = velocidade da galáxia (y, da equação de primeiro grau);
  • H = constante de Hubble (a, da equação de primeiro grau);
  • r = distância (x, da equação de primeiro grau;

O valor de b, comparando com a equação de primeiro grau, é zero. Fazendo uma análise simples, de ensino médio, descobrimos que a reta tem uma inclinação: é o valor de H (na função de primeiro grau, é o valor de a). Como não há valor de b, o que podemos inferir é que, projetando a reta para o início (perto da origem das 2 retas de X e Y; distância e velocidade), vemos que as galáxias estariam mais pertos. Dito de outra forma: como as galáxias tem velocidade e estão a r distância, isso significa que, no passado, elas estariam em uma distância menor (velocidade e tempo se relacionam com distância).

Agora perceba o motivo que Einstein voltou atrás na questão da constante cosmológica que, anos antes, tinha colocado à mão. É claro que nem todos se voltaram para essas questões observacionais: Fred Hoyle, Thomas Gold e Hermann Bondi elaboram a Teoria do Estado Estacionário em 1948, um modelo cosmológico que vai contra a teoria do Big Bang. A ideia é muito semelhante à de Einstein: universo é eterno e estacionário. Para explicar as evidências observadas por Hubble, o mecanismo proposto é que o universo se expande e nova matéria é “criada do nada”, mantendo a densidade (relação de massa e volume), criando novas galáxias e conservando a sua idade de forma eterna.

Gold (esquerda), Bondi (centro) e Hoyle (direita) em alguma conferencia nos anos 1960.
Fonte: https://www.joh.cam.ac.uk/library/special_collections/hoyle/exhibition/bondi_and_gold

Uma curiosidade: por que o nome Big Bang? Obviamente, não havia um nome para a teoria proposta por Lemaître & cia (FLRW). Depois da repercussão de seus trabalhos, inclusive de um artigo publicado na Nature em 1931 (The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory) onde ele diz que o universo pode ter começado como um quantum ou, em outras palavras, do tamanho (e menor) que um átomo, muitos acabaram taxando Lemaître (inclusive Einstein) de ser um criacionista. Ou seja, como Lemaître era um oficial da igreja católica e estava propondo que o universo tem um começo, a conclusão é que ele estaria colocando uma leitura particular e literal do texto bíblico a cosmologia.

Alguns anos depois, em uma entrevista à rádio BBC de Londres, Fred Hoyle estava explicando alguns aspectos cosmológicos e, dentro do contexto, falou sobre o trabalho de Lemaître. Hoyle, como sendo um ateu e caçoando do modelo proposto por Lemaître, mencionou que a ideia era de o universo nascer de um big boom (de forma sonora). Como a expressão, em inglês, é falada, fica fácil de perceber o que se quer dizer. Para anotar essa fala, escreveu-se como Big Bang: um termo de brincadeira, para zoar um outro modelo, mas que acabou ficando.

Obviamente, Big Bang não tem relação alguma com universo explodir, isso nem faz sentido. A ideia da teoria do Big Bang é que o universo começou em um volume muito pequeno (na realidade, zero; o nome disso é singularidade. Falarei posteriormente sobre esse assunto), de forma quente e densa. Depois de um certo período, ele começa a crescer de forma muito rápida ou, já adiantando algumas palavras, de forma inflacionária.

Uma analogia com nosso dia a dia. Quando os preços da gasolina crescem demais, nós dizemos que a inflação cresceu ou, em outras palavras, os preços da gasolina explodiram. É claro que ninguém explode preços, solta uma dinamite ou uma granada na economia; isso não faz sentido. É exatamente isso que nos referimos com a teoria do Big Bang: o universo se expandiu de uma forma muito rápida, violenta e explosiva, mas não é explosão no mesmo sentido de explodir uma granada.

Acho que temos muitas informações para refletir até agora. De forma resumida, a teoria do Big Bang é um modelo teórico que, até este momento histórico que estamos (1948), é o que mais se adapta aos dados observacionais de galáxias. As implicações, até o momento, nos dizem que o universo tem um começo no sentido material, ou seja, tudo tem um instante zero de nascimento e antes desse momento, simplesmente não faz sentido falarmos de universo (já que não existia coisa alguma), espaço (tudo estava confinado em um volume zero) e tempo (em relação a quê ou a quem?).

Outro detalhe que observamos, até agora, é que ser cristão já é motivo de suspeita ao se trabalhar com ciência (“você é cristão, então quer colocar criacionismo na física!”). Mas, o ateísmo também tem cosmovisão (forma de ver o mundo): elaboração de modelo cosmológico que não tem evidência (sim, a teoria do estado estacionário de Gold, Hoyle e Bondi não há qualquer evidencia; falarei um pouco mais sobre isso futuramente). Óbvio, ninguém é isento na ciência e todos têm cosmovisão. Só que a parte experimental e observacional ainda tem prevalência sobre modelos teóricos criados com base em cosmovisão. Em outras palavras, se uma cosmovisão cria modelos contrários a realidade, então deve-se modificar os modelos e rever algum ponto da cosmovisão.

Novamente, fecharei com o salmista:

Grandes são as obras do Senhor, procuradas por todos os que nelas tomam prazer.

Salmos 111:2

Ficou em dúvida, quer perguntar algo ou fazer alguma crítica / sugestão? Deixe nos comentários abaixo e terei o prazer em te responder aqui ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

  • Um outro bom texto, escrito pelo prof. Covolan, com mais reflexões é do site da Associação Brasileira de Cristãos na Ciência: https://www.cristaosnaciencia.org.br/a-teoria-do-big-bang-e-os-100-anos-da-relatividade-geral/;
  • Livro Astronomia e astrofísica, por S. O. Kepler e Maria de Fátima Saraiva. Este livro é disponibilizado no próprio site dos autores, que são professores da UFRGS. É um excelente material de consulta: http://astro.if.ufrgs.br/livro.pdf;
  • Livro Alfa e Ômega: a busca pelo início e fim do universo, por Charles Seife, editora Roccomn. É um livro de 2007, está um pouquinho desatualizado com relação a dados (como bóson de Higgs e ondas gravitacionais), mas ainda é muito proveitoso e com uma didática muito boa;
  • Livro Cosmologia física: do micro ao macro cosmos e vice-versa, por Jorge Horvath, German Lugones, Marcelo porto, Sergio Scarano e Ramachrisna Teixeira, editora Livraria da Física. Outro livro muito bom, um pouquinho técnico, mas nada que não possa ser resolvido por si mesmo. Está um pouquinho desatualizado com relação a dados por ser de 2011, porém, altamente recomendado;
  • Prof. Alexandre Zabot, da UFSC, tem um curso gratuito de astrofísica geral excelente. Recomendo fortemente. Você assiste as aulas no YouTube, tem acesso ao material (slides, sites e alguns textos). Para todas as informações, links das aulas e materiais: https://astrofisica.ufsc.br/astrofisica-geral/;
  • O melhor material, em português, no assunto entre ciência e fé cristã é o Dicionário de cristianismo e ciência, editora Thomas Nelson Brasil em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
  • Caso queira conhecer todos os trabalhos que Einstein publicou em vida, este site disponibiliza todos os artigos e cartas, relacionados com física, em inglês (Einstein era da Alemanha e quase tudo o que escreveu foi em alemão): https://einsteinpapers.press.princeton.edu/.
Nebulosa popularmente conhecida como Olho de Deus: nebulosa Helix. No centro há uma estrela que morreu: as cores externas são as camadas que foram expelidas em sua morte. Este será o provável fim do Sol daqui a 5 bilhões de anos.
Fonte: https://apod.nasa.gov/apod/ap200823.html
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

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