Excerto do livro do físico Jorge Dias de Deus (Gradiva), que acaba de ser publicado e que foi lançado na Feira do Livro de Lisboa na passada sexta-feira:
Todas as sociedades parecem ter criado as suas próprias histórias baseadas em memórias e mitos com
fundamentação mais ou menos religiosa. Essas histó‑
rias surgem hoje como bases para modelos científicos
que envolvem um conjunto amplo de cientistas (astro‑
físicos, biólogos, antropólogos, etc.). «De facto, explicações científicas e míticas das origens não são nem
complementares nem contraditórias; têm simplesmente
objectivos diferentes e estão sujeitas a diferentes constrangimentos. Histórias míticas são uma maneira de
preservar memórias colectivas que não podem ser verificadas nem pelo ouvinte, nem pelo contador de histórias» (Luminet 2004). A sua função não é explicar o
que aconteceu, por exemplo, no início do Universo: tal
cabe à ciência com as suas teorias e modelos apoiados
na observação na experiência.
Tomemos o caso da Cosmologia Relativista, que inclui a estrutura do Universo e a dinâmica da sua evolução no quadro da Teoria da Relatividade Geral de
Einstein (de 1915). De facto, Einstein elaborou uma
teoria correspondendo a um Universo estático e eterno,
estruturalmente estável. Mas, para isso, teve de introduzir na sua teoria uma constante: a chamada constante
cosmológica. Surgiu, porém, a descoberta feita pelo astrónomo norte‑americano Edwin Hubble (1899‑1953),
nos anos 20 do século passado, de que o Universo estava em expansão, sendo o afastamento entre galáxias
proporcional às suas velocidades relativas. O Universo
«inchava» como um balão e, deste modo, o modelo estático de Einstein tinha que ser abandonado!
Em 1931, o físico belga Georges Lemaître (1894 ‑1966) apresentou o seu modelo para o nascimento do
espaço e do tempo e para o crescimento do Universo
à custa de um «átomo» inicial. Nascia assim a teoria
do Big Bang.
Nos anos 50, o conceito de «criação contínua» tinha alguma aceitação entre a comunidade científica. O
austro‑inglês Hermann Bondi (1919‑2005) e o austríaco
Thomas Gold (1920‑2004) avançaram então com uma
teoria de «estado estacionário» — um estado que se
sustentava — tendo como referência de peso o filósofo grego Aristóteles! Este tinha sempre defendido que
o mundo era eterno, sem princípio nem fim. Já Platão
tinha defendido a ideia oposta: o mundo tivera um co‑meço e teria um fim na altura própria. Para compensar
pela gradual diluição da matéria resultante da expansão
do Universo, os teóricos do estado estacionário tiveram
que recorrer à criação contínua de matéria.
Em 1948, o astrónomo britânico Fred Hoyle (1915‑2001) demonstrou que o modelo de estado estacioná‑
rio era viável, bastando para isso introduzir um novo campo que assegurasse para sempre energia negativa
e uma situação global estacionária. Mas já era tarde
para modelos de «estado estacionário» e, em 1965, os
físicos norte‑americanos Arno Penzias (n. 1933) e Robert Wilson (n. 1936) descobriram uma radiação elec‑
tromagnética universal (Cosmic Background Radiation,
CBR), abrindo o caminho à afirmação da teoria do Big
Bang. Segundo esta, o Universo teria tido uma densi‑
dade infinita há 10‑20 mil milhões de anos. Todo o
espaço se encontra cheio com radiação térmica a uma
temperatura de 2,73 kelvins. Estes factos são coerentes
com a ideia de que o Universo começa com uma súbi‑
ta descompressão, um grande Big Bang (Phillips 1996).
De facto, foi‑se mais longe: havia não só um constan‑
te afastamento das galáxias distantes como esse afas‑
tamento era, sabemos hoje, acelerado.
Cabe aqui lembrar o conflito entre Einstein e Hoy‑
le, de um lado, e Friedmann e Lemaître, do outro. Os
primeiros defendendo um Universo estacionário, eternamente estacionário, os segundos defendendo um Uni‑
verso em evolução. Enquanto Hoyle parodiava as ideias
de Lemaître, inventando a «marca» Big Bang, o russo
George Gamow (1904‑1968) e os seus colaboradores
iniciavam a recuperação das ideias de Lemaître, no‑
meadamente a formação de núcleos leves a altas tem‑
peraturas e a emissão da radiação de corpo negro (a
temperatura encontrada seria de 3,5 kelvins, não subs‑
tancialmente diferente do valor observado 2,73 kelvins).
Como já escrevi noutro lado: «As leis gerais que se
supõe governarem o Universo em seu conjunto são as
da Relatividade Geral e as da Termodinâmica. A feno‑
menologia da Ciência do Universo parte da evidência
experimental, multiplamente confirmada, do afastamento generalizado das galáxias e da presença da radiação
térmica de fundo preenchendo uniformemente todo o
espaço que nos rodeia» ( Dias de Deus, 1985). Faltou
dizer na altura que a expansão era acelerada!
O modelo‑padrão cosmológico baseia‑se na hipótese
de que o Universo é homogéneo e isotrópico para es‑
calas suficientemente amplas. A inflação pode dar uma
explicação para a homogeneidade a grandes escalas em
resultado de uma expansão exponencial do Universo.
Também estão presentes perturbações da métrica que
concordam com a anisotropia da radiação de fundo.
Tal pode provocar perturbações do valor da constante
cosmológica (da ordem de um por cento).
De acordo com o modelo‑padrão para o Big Bang,
o Universo desenvolveu‑se aproximadamente segundo
as linhas gerais seguintes:
1) Nanossegundos após o Big Bang:
O Universo está cheio de um gás de partículas e
antipartículas (quark‑antiquark, leptão‑antileptão,
neutrino‑antineutrino, gluões, fotões). Quando a
temperatura vai abaixo de 109 kelvins, os quarks,
antiquarks e gluões desaparecem por aniquilação,
mas, como os quarks estão em excesso (quebra
de simetria matéria‑antimatéria), dá‑se a transição
para partículas mais pesadas, como os neutrões
e os protões do Universo actual.
2) Um segundo após o Big Bang:
O Universo consiste num gás de neutrões e protões, electrões e positrões, neutrinos e antineu‑
trinos e fotões. Com o decréscimo da temperatura, diminui a densidade do Universo, que fica demasiado baixa para haver interacção de neutrinos com a matéria. O desacoplamento a T = 2
kelvins dos neutrinos corresponde a um espectro
universal, semelhante ao electromagnético, que
ainda não foi detectado experimentalmente.
3) 100 segundos após o Big Bang:
Os quarks que restaram (os antiquarks tinham
desaparecido) produziram neutrões que se com‑
binaram com protões dando origem a núcleos
leves. Surge então um universo onde, aproximadamente, 75% da massa é hidrogénio e 25% é
hélio.
4) 300 000 anos após o Big Bang:
A temperatura desce até valores da ordem de
4000 kelvins, suficientemente baixa para a for‑
mação de átomos estáveis. Núcleos de hidrogénio e hélio combinam‑se com electrões para criar
átomos estáveis desses elementos.
Até agora, o Big Bang levou‑nos a um Universo
composto de hidrogénio e hélio com vestígios de elementos leves. Esta matéria primordial foi enriquecida
em elementos pesados, com um ciclo de formação e
evolução, em que a matéria foi transferida, entre estrelas
e matéria interestelar (Phillips 1996). Um dos objectivos
principais da astrofísica consiste em utilizar este ciclo
para explicar as abundâncias de elementos químicos
que integram actualmente o Universo.
Os elementos químicos observados, por exemplo,
no sistema solar, são em grande parte um produto da
nucleossíntese durante o Big Bang e da nucleossíntese durante a evolução estelar. A fusão termonuclear
numa estrela é determinada pela sua massa. O hidrogénio será queimado se a massa for superior a 0,8 vezes a massa do Sol. No caso da queima do hélio tem‑
‑se para o limite de massa 0,5 massa do Sol. A massa
de uma estrela determina em geral a sua evolução e
o seu destino. Estrelas como o Sol evoluem devagar e
terminam a vida como anãs brancas. Estrelas maciças
evoluem rapidamente e terminam a vida por colapso
catastrófico (quando a massa do núcleo central de fer‑
ro excede o chamado limite de Chandrasekhar, 1,4 vezes a massa do Sol).
As várias fases no desenvolvimento da Cosmologia
Relativista:
1915‑1927: Os primeiros modelos (Einstein) para
universos relativistas foram obtidos na ausência
de observações cosmológicas.
1927‑1945: Desvios cosmológicos para o vermelho
compatíveis com soluções de Friedmann‑Lemaître
para Universo em expansão.
1945‑1965: Produção por nucleossíntese de elementos leves e previsão da existência da radiação elec‑
tromagnética de fundo.
1965‑1980: Triunfo da teoria do Big Bang.
1980‑1998: Física das altas energias e efeitos quân‑
ticos na descrição do Universo inicial.
1998‑ : Cosmologia experimental de alta precisão
com os parâmetros fundamentais sendo actual‑
mente medidos com a precisão de poucos pontos
percentuais e com a emergência de novos proble‑
mas (natureza da energia escura, topologia do
Universo, novas cosmologias em teorias de gra‑
vitação quântica, etc.).
Escreveu o astrofísico francês Jean‑Pierre Luminet:
«Em 1915, Einstein, e também Hilbert, apresentaram
as equações correctas de campo para uma teoria re‑
lativista da gravitação. Esta teoria, designada como
Relatividade Geral, propõe um novo referencial para
uma compreensão do Universo. Einstein argumentava
que a gravidade não era uma força, mas um efeito
resultante da curvatura do espaço‑tempo causado pela
distribuição de massa e energia. O Universo, até então
um conceito relativamente vago, ganha uma consistência nova e transforma‑se numa entidade física definida
pela sua estrutura de espaço‑tempo e a sua composição
de matéria, luz, radiação, de facto todas as formas de
energia. O espaço‑tempo ganha uma estrutura rica,
expressa geometricamente em termos de curvatura e
topologia, e fisicamente em termos do conteúdo em
matéria e energia» (Luminet, 2004).
