A Origem Do Universo

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Origem do universo e do homem

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origem das coisas sempre foi uma preocupao central da humanidade; a origem das pedras, dos animais, das plantas, dos planetas, das estrelas e de ns mesmos. Mas a origem mais fundamental de todas parece ser a

origem do universo como um todo tudo o que existe. Sem esse, nenhum dos seres e objetos citados nem ns mesmos poderamos existir.

Talvez por essa razo, a existncia do universo como um todo, sua na-tureza e origem foram assuntos de explicao em quase todas as civilizaes e culturas. De fato, cada civilizao conhecida da antropologia teve uma cosmo-gonia uma histria de como o mundo comeou e continua, de como os homens surgiram e do que os deuses esperam de ns. O entendimento do universo foi, para essas civilizaes, algo muito distinto do que nos ensinado hoje pela cincia. Mas a ausncia de uma cosmologia para essas sociedades, uma explicao do mundo em que vivemos, seria to inconcebvel quan-to a ausncia da prpria linguagem. Essas explicaes, por falta de outras formas de entendimento da questo, sempre tiveram fundamentos religiosos, mitolgicos ou fi-losficos. S recentemente a cincia pde oferecer sua verso para os fatos. A razo principal para isso que a prpria cincia recente. Como mtodo cientfico experimental, podemos nos referir a Galileu Galilei (1564-1642, astrnomo, f-sico e matemtico italiano) como um marco importante. No obstante, j os gregos haviam desenvolvido mtodos geomtricos sofisticados e precisos para determinar rbitas e tamanhos de corpos celestes, bem como para previso de eventos astronmicos. No podemos nos esquecer de que egpcios e chineses, assim como incas, maias e astecas tambm sabiam interpretar os movimentos dos astros.

surpreendente que possamos entender o universo fsico de forma racio-nal e que ele possa ser pesquisado pelos mtodos da fsica e da astronomia desen-volvidos nos nossos laboratrios e observatrios. A percepo dessa dimenso e da capacidade cientfica nos foi revelada de forma mais plena nas dcadas de 10, 20 e 30 do sculo XX. Mas a histria da cosmologia (a estrutura do universo) e da cosmogonia (a origem do universo) no comeou, nem parou a.

A origem do universoJOO E. STEINER

A

Nicolaus Copernicus (1473-1543).


Figura 1 Gravura de Flamarion (sculo XIX) ilustrando a cosmologia da Terra plana. Essa est centrada na aldeia do observador, o que deriva da experincia cotidiana. esquerda, v-se um curioso que procura romper a esfera das estrelas fixas com o objetivo de descobrir os mecanismos que produzem o movimento do Sol, da Lua e dos planetas.

Cosmologias da Terra planaComo era a cosmoviso, a forma do universo imaginada pelos antigos

egpcios, gregos, chineses, rabes, incas, maias e tupi-guaranis, que no tinham acesso s informaes da moderna astronomia? Para quase todas as civilizaes, sempre foi necessrio acomodar no s a face visvel da Terra e do cu, mas tambm incluir, possivelmente no espao, o mundo dos mortos, tanto os aben-oados como os condenados, alm dos reinos dos deuses e dos demnios. A experincia do cotidiano sugere que o mundo em que vivemos plano; alm disso, muitas cosmologias eram interpretaes associadas ao ambiente fsico ou cultural da civilizao em questo. Por exemplo, para os egpcios, o universo era uma ilha plana cortada por um rio, sobre a qual estava suspensa uma abbada sustentada por quatro colunas. Na ndia antiga, as vrias cosmologias dos hin-dus, brmanes, budistas etc. tinham em comum o pressuposto da doutrina da reencarnao e as configuraes fsicas deveriam acomod-la, incluindo os diver-


sos nveis de cus e infernos por ela demandada. Para os hindus por exemplo o universo era um ovo redondo coberto por sete cascas concntricas feitas com distintos elementos. J os babilnios imaginavam um universo em duas camadas conectadas por uma escada csmica. A civilizao maia era fortemente depen-dente do milho e das chuvas, muitas vezes escassas, que vinham do cu. Para eles, no comeo havia apenas o cu, o mar e o criador; esse, aps vrias tentativas fracassadas, conseguiu construir pessoas a partir de milho e gua.

No antigo testamento judaico-cristo, a Terra era relatada em conexo ao misterioso firmamento, s guas acima do firmamento, s fontes do abismo, ao limbo e casa dos ventos. O livro do Gnesis narra, tambm, que o universo teve um comeo: No princpio Deus criou os cus e a Terra. A Terra, porm, estava informe e vazia; as trevas cobriam o abismo e o Esprito de Deus pairava sobre as guas. Deus disse: Faa-se a luz. E a luz foi feita. Deus viu que a luz era boa, e separou a luz das trevas. Deus chamou luz DIA, e s trevas NOITE. Houve uma tarde e uma manh: foi o primeiro dia.

Modelos geocntricos H cerca de 2.400 anos, os gregos j haviam desenvolvido sofisticados m-

todos geomtricos e o pensamento filosfico. No foi, pois, por acaso que eles propuseram uma cosmologia mais sofisticada do que a idia do universo plano. Um universo esfrico, a Terra, circundado por objetos celestes que descreviam rbitas geomtricas e previsveis e tambm pelas estrelas fixas. Uma verso do modelo geocntrico parece ter sido proposta inicialmente por Eudoxus de Cni-dus (c.400-c.350 a.C., matemtico e astrnomo grego, nascido na atual Tur-quia) e sofreu diversos aperfeioamentos. Um deles foi proposto por Aristteles (384-322 a.C.), que demonstrou que a Terra esfrica; ele chegou a essa con-cluso a partir da observao da sombra projetada durante um eclipse lunar. Ele calculou, tambm, o seu tamanho cerca de 50% maior do que o valor correto. O modelo geocntrico de Aristteles era composto por 49 esferas concntricas que procuravam explicar os movimentos de todos os corpos celestes. A esfera mais externa era a das estrelas fixas e que controlava todas as esferas internas. Essa, por sua vez, era controlada por uma agncia (entidade) sobrenatural.

Esse modelo geocntrico grego teve outros aperfeioamentos. Eraststenes (c.276-c.194 a.C., escritor grego, nascido na atual Lbia) mediu a circunferncia da Terra por mtodo experimental, obtendo um valor cerca de 15% maior do que o valor real. J Ptolomeu (Claudius Ptolomeus, segundo sculo a.C., astrnomo e gegrafo egpcio) modificou o modelo de Aristteles, introduzindo os epiciclos, isto , um modelo no qual os planetas descrevem movimentos de pequenos crcu-los que se movem sobre crculos maiores, esses centrados na Terra.

A teoria heliocntricaA idia de que o Sol est no centro do universo e de que a Terra gira em

torno dele, conhecida como a teoria heliocntrica, j havia sido proposta por Aris-


tarco de Samos (c.320 c.250 a.C., matemtico e astrnomo grego); ele props essa teoria com base nas estimativas dos tamanhos e distncias do Sol e da Lua. Concluiu que a Terra gira em torno do Sol e que as estrelas formariam uma esfera fixa, muito distante. Essa teoria atraiu pouca ateno, principalmente porque con-tradizia a teoria geocntrica de Aristteles, ento com muito prestgio e, tambm, porque a idia de que a Terra est em movimento no era muito atraente.

Cerca de dois mil anos mais tarde, Coprnico (Nicolaus Copernicus, 1473-1543, astrnomo polons) descreveu o seu modelo heliocntrico, em 1510, na obra Commentariolus, que circulou anonimamente; Coprnico parece ter previs-to o impacto que sua teoria provocaria, tanto assim que s permitiu que a obra fosse publicada aps a sua morte. A teoria foi publicada abertamente em 1543 no livro De Revolutionibus Orbium Coelesti e dedicada ao papa Paulo III.

O modelo heliocntrico provocou uma revoluo no somente na astrono-mia, mas tambm um impacto cultural com reflexos filosficos e religiosos. O mo-delo aristotlico havia sido incorporado de tal forma no pensamento, que tirar o homem do centro do universo acabou se revelando uma experincia traumtica.

Por fim, o modelo heliocntrico de Coprnico afirmou-se como o correto. Mas por que o modelo de Aristarco de Samos no sobreviveu, cerca de 2.000 anos antes, se afinal tambm estava certo? Basicamente porque, para fins prti-cos, no fazia muita diferena quando comparado com o modelo geocntrico. As medidas no eram muito precisas e tanto uma teoria quanto a outra davam respostas satisfatrias. Nesse caso, o modelo geocntrico parecia mais de acordo com a prtica do dia-a-dia; alm disso, era um modelo homocntrico, o que es-tava em acordo com o demandado por escolas filosficas e teolgicas.

Aps a publicao da teoria de Coprnico, no entanto, alguns avanos tc-nicos e cientficos fizeram que ela se tornasse claramente superior ao sistema de Ptolomeu. Tycho Brahe (1546-1601, astrnomo dinamarqus) teve um papel importante ao avanar as tcnicas de fazer medidas precisas com instrumentos a olho nu, pois lunetas e telescpios ainda no haviam sido inventados. Essas medidas eram cerca de dez vezes mais precisas do que as medidas anteriores. Em 1597 ele se mudou para Praga, onde contratou, em 1600, Johannes Kepler (1571-1630, matemtico e astrnomo alemo) como seu assistente. Mais tarde, Kepler usou as medidas de Tycho para estabelecer suas leis de movimento dos planetas. Essas leis mostravam que as rbitas que os planetas descrevem so elipses, tendo o Sol em um dos focos. Com isso, clculos tericos e medidas passaram a ter uma concordncia muito maior do que no sistema antigo. Se no por outro motivo, essa preciso e a economia que ela propiciava seriam to im-portantes para as grandes navegaes que ela se imporia por razes prticas.

Galileu, ao desenvolver a luneta, criou um instrumento vital para a pes-quisa astronmica, pois amplia, de forma extraordinria, a capacidade do olho humano. Apontando para o Sol, descobriu as manchas solares; apontando para Jpiter, descobriu as quatro primeiras luas; e ao olhar para a Via-Lctea, mos-trou que ela composta por mirades de estrelas.


Figura 2 Este desenho do manuscrito original de Coprnico colocou o Sol no centro do universo.

A descoberta da galxia Foi exatamente com o desenvolvimento de tcnicas pticas, mecnicas e

fotogrficas que se passou a determinar a distncia das estrelas mais prximas, e com isso a idia de esfera das estrelas fixas foi superada. Com a medida das dis-tncias das estrelas extraordinariamente grandes , estabeleceu-se a interpreta-o de que o Sol e as estrelas so objetos da mesma natureza. Portanto, cada es-trela poderia ter, em princpio, o direito de hospedar um sistema planetrio.

Uma das primeiras concepes consistentes sobre a natureza da galxia e surpreendentemente correta foi feita por Kant (Immanuel Kant, 1724-1804, filsofo alemo) que, aos 26 anos e muito antes de se tornar a grande referncia em filosofia, tomou contato com os pensamentos de Newton e desenvolveu a idia de que o sistema solar teria se originado a partir da condensao de um disco de gs. Concebeu, tambm, a idia de que o sistema solar faz parte de uma


estrutura achatada, maior, qual hoje chamamos de galxia, e de que muitas das nebulosas ento observadas como manchas difusas so sistemas semelhantes, s quais ele denominou universos-ilhas.

Os avanos observacionais mais importantes que levaram compreenso detalhada da distribuio das estrelas no cu foram feitos por Wilheilm Herschel (1738-1822, astrnomo e msico ingls, nascido na Alemanha), primeiro cons-trutor de grandes telescpios com os quais podia detalhar os objetos fracos com maior preciso.

Estrelas se distribuem no espao tanto de forma dispersa quanto, tambm, em grupos, chamados de aglomerados de estrelas. No estudo de tais aglomera-dos, percebeu-se que eles no se distribuem ao acaso no espao, mas definem uma configurao qual chamamos de galxia, visvel a olho nu, como a Via-Lctea.

O Sol, a estrela mais prxima de ns, est a 159 milhes de quilmetros. mais fcil dizer que ele est a oito minutos-luz. Afinal, a luz leva oito minutos para chegar do Astro-rei at a Terra. O mapa feito com os aglomerados globula-res de estrelas mostrou que a galxia tem um dimetro de aproximadamente 90 mil anos-luz e composta de 100 bilhes de estrelas, todas girando em torno de um ncleo comum, que dista cerca de 25 mil anos-luz do Sol. Logo se percebeu que existe um grande nmero de formaes semelhantes no universo. So as Nebulae, que hoje chamamos, genericamente, de galxias.

Quando observamos a estrela mais prxima do sistema solar, Alfa de Cen-tauro, estamos enxergando o passado. Ela se encontra a 4,3 anos-luz de dis-tncia. Quer dizer que a luz que agora observamos foi emitida 4,3 anos atrs e viajou todo esse tempo para chegar at aqui. Estamos, de fato, observando o passado. Quando olhamos para a nossa vizinha galxia de Andrmeda, vemos como ela era 2,4 milhes de anos atrs. Muitas estrelas que estamos vendo hoje j deixaram de existir h muito tempo.

A teoria do Big BangNa dcada de 1920, o astrnomo americano Edwin Hubble procurou es-

tabelecer uma relao entre a distncia de uma galxia e a velocidade com que ela se aproxima e se afasta de ns. A velocidade da galxia se mede com relativa facilidade, mas a distncia requer uma srie de trabalhos encadeados e, por isso, trabalhoso e relativamente impreciso. Aps muito trabalho, ele descobriu uma correlao entre a distncia e a velocidade das galxias que ele estava estudando. Quanto maior a distncia, com mais velocidade ela se afasta de ns. a chamada Lei de Hubble. Portanto, as galxias prximas se afastam lentamente e as gal-xias distantes se afastam rapidamente? Como explicar essa lei?

Num primeiro momento, poderamos pensar que, afinal, estamos no cen-tro do universo, um lugar privilegiado. Todas as galxias sabem que estamos aqui e por alguma razo fogem de ns. Essa explicao parece pouco copernica-na. A essa altura dos acontecimentos, ningum mais acreditava na centralidade csmica do homem. Precisamos achar, ento, outra explicao.


Figura 3 O mapa-mndi do cu, obtido por montagem de grande nmero de foto-grafias de todo o cu e montadas em um planisfrio. Aqui aparece de forma muito ntida a Via-Lctea. Essa faixa branca a soma da luz de 100 bilhes de estrelas. As manchas escuras no representam a ausncia de estrelas, mas forte concentrao de gs e poeira que obscurece a viso das estrelas que esto por trs. Essas nuvens tendem a se contrair formando berrios de novas estrelas.

A outra explicao pode ser facilmente entendida se fizermos uma analogia bidimensional do universo. Costumamos dizer que vivemos num universo de trs dimenses espaciais: podemos andar para a frente, para os lados e pular para cima. Alm disso, existe a dimenso do tempo. Essas quatro dimenses compem o espao-tempo do universo em que vivemos. Poderamos imaginar outros univer-sos. Do ponto de vista matemtico, podemos imaginar, por exemplo, universos bidimensionais. A superfcie de uma bola uma entidade de duas dimenses, assim como o a superfcie de uma mesa. Poderamos, agora, imaginar a super-fcie de uma bexiga de aniversrio como um universo bidimensional. Sobre a sua superfcie poderamos desenhar galxias bidimensionais, povoadas por formigas tambm de duas dimenses. Algumas dessas formigas poderiam ser astrnomas cuja tarefa seria observar outras galxias, medir suas distncias e velocidades.

Imaginemos, agora, que algum sopre na bexiga de tal forma que ela se expanda. O que a formiga-astrnoma vai observar? Que as galxias prximas se afastam lentamente ao passo que as galxias distantes se afastam rapidamente do observador. Isto , a formiga descobriu a Lei de Hubble. Se, por hiptese, em vez de uma bexiga em expanso, ela estivesse se esvaziando, em contrao, a formiga verificaria que todas as galxias se aproximam uma das outras; um efeito contrrio ao da Lei de Hubble. Portanto, essa lei mostra que nosso universo est em expanso! Isto , no futuro ele ser maior e no passado foi menor do que ele


hoje. Quanto mais no passado, menor. At que poderamos imaginar a bexiga to pequena que se reduziria a um ponto. A esse ponto inicial, a idia de que o universo surgiu de uma exploso no passado, chamamos de Big Bang. Desde ento, ele est se expandindo, at hoje, e a lei de Hubble a confirmao disso. H quanto tempo teria acontecido isso? As indicaes mais recentes so de que o Big Bang ocorreu h 13,7 ( 0,2) bilhes de anos.1

Edwin Hubble (1889-1953), ao telescpio Schmidt do Monte Palomar (Califrnia), em 1949.

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Figura 4 Nebulosa M16, obtida com o telescpio espacial Hubble (cortesia Nasa). Essa nebulosa nada mais do que um berrio onde novas estrelas esto nascendo. A luz das novas estrelas ilumina o gs que as est formando.

De fato, trabalhos tericos do abade belga Georges Lemaitre, de 1927, mostraram que a Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein compatvel com a recesso das Nebulae (como eram ento chamadas as galxias) e ele foi o primeiro a propor que o universo teria surgido de uma exploso, de um tomo primordial.

Uma pergunta imediata que poderia nos ocorrer : para que direo do es-pao devemos olhar para enxergarmos onde essa exploso ocorreu? Se o univer-so est se expandindo, dentro de onde? Ora, no modelo de bexiga universo de duas dimenses o Big Bang ocorreu no centro da bexiga, no na sua superfcie. O espao a superfcie. O interior o passado, e o exterior, o futuro. O centro, a origem do tempo. Portanto, a exploso no ocorreu no espao, mas no incio do tempo, e o prprio espao surgiu nessa singularidade temporal. Esse exemplo simples nos mostra como o modelo bidimensional pode nos ilustrar, de forma intuitiva, porm confivel, questes fundamentais de cosmologia; agregar uma terceira dimenso apenas uma questo de habilidade matemtica!

Podemos, agora, voltar reflexo de que olhar para longe ver o passado. Seria possvel observar o universo evoluir? Essa idia parece interessante; quanto


mais longe olhamos, mais vemos um universo mais jovem. Poderamos, ento, observar a poca em que as galxias nasceram? Sim, basta que tenhamos tecnologia para isso. Basta que tenhamos instrumentos que nos permitam observar o universo a 12 bilhes de anos-luz de distncia. Essa tecnologia j disponvel com os novos e grandes telescpios. Com isso possvel observar quando, como e por que as ga-lxias nasceram essa uma das reas mais palpitantes da cincia contempornea.

Outra pergunta que naturalmente se faz : o que foi o instante zero e o que havia antes? A teoria da relatividade prev que no instante zero a densidade teria sido infinita. Para tratar essa situao, necessria uma teoria de gravitao quntica, que ainda no existe, e, portanto, essa questo no passvel de trata-mento cientfico at este momento. Entender essa fase da histria do universo um dos maiores problemas no-resolvidos da fsica contempornea.

As confirmaes do Big BangNo final dos anos de 1940, o astrnomo George Gamow sugeriu que a ex-

ploso inicial poderia ter deixado resqucios observveis at hoje. Ele pensou que um universo to compacto e quente teria emitido muita luz. Com a expanso, a temperatura caracterstica dessa luz teria abaixado. Segundo clculos simples, hoje ela talvez pudesse ser observada na ra-diao de microondas, com uma temperatura de cerca de 5 graus Kel-vin. Em 1965, dois en-genheiros, Arno Pen-zias e Robert Wilson, procuravam a origem de um rudo eletro-magntico que estava atrapalhando as radio-propagaes de interes-se para um sistema de telecomunicaes. Des-cobriram que a radiao vinha de todas as direes para as quais apontassem sua antena. Mediram a temperatura dessa radiao; eles encontraram um valor para a temperatura no muito diferente do previsto, de 2,7 graus Kelvin (prximo ao zero absoluto). Era a confirmao da teoria do Big Bang; Penzias e Wilson receberam o Prmio Nobel de Fsica em 1978.

Na cincia, quando se faz uma previso especfica baseada em uma teoria, e essa previso confirmada, a teoria em questo sai fortalecida. Foi o que acon-teceu com o episdio da radiao csmica de fundo. Ponto para a teoria do Big Bang, que passou a ter supremacia absoluta sobre sua teoria rival, a teoria do estado estacionrio, segundo a qual o universo o que sempre foi.

Robert Woodrow Wilson e Arno Penzias.

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Figura 5 Uma galxia espiral que lembra bastante a galxia na qual vivemos. Cada galxia dessas tem cerca de 100 mil anos-luz de dimetro e composta por cerca de 100 bilhes de estrelas. As manchas mais brilhantes que acompa-nham os braos espirais so os berrios de formao estelar. As estrelas de maior massa so azuis e vivem pouco, ao passo que as de menor massa so vermelhas e so mais longevas.

Mas essa no foi a nica confirmao da teoria. O Big Bang tambm prev que o elemento hlio se formou nos primeiros trs minutos aps a exploso. Que cerca de um quarto da matria do universo se formou desse elemento, e trs quartos sob forma de hidrognio. Quando se conseguiu medir essa abundncia primordial do hlio, o valor encontrado confirmou com preciso o previsto.2

Inflao, matria escura e energia escura Mesmo com as evidncias observacionais em favor do Big Bang, por mui-

to tempo se discutiu a viabilidade dessa teoria. Diversos problemas tericos di-ficultavam uma descrio precisa das observaes, at que, em 1982, o fsico americano Alan Guth props uma soluo que, de incio, pareceu inslita para muitos: a teoria do Big Bang inflacionrio. Por essa idia, o universo teria pas-sado por uma fase de expanso extraordinria. Quando a idade do universo era de um trilionsimo de trilionsimo de trilionsimo de segundo (sic), o universo expandiu-se subitamente de um fator gigantesco (esse fator o nmero 1 se-guido de 50 zeros!). Com esse modelo, alguns problemas tericos desaparece-ram. Naturalmente, uma proposta to inslita careceria de evidncias lastreadas


na realidade. Essas no tardaram a aparecer. A inflao prope que as galxias teriam sido formadas a partir de sementes geradas no perodo inflacionrio. Flu-tuaes qunticas correspondentes ao Princpio da Incerteza de Heisenberg, amplificadas pelo fator da inflao, teriam dado origem s galxias. Essa idia seria testvel, pois prev a existncia de pequenas flutuaes na temperatura da radiao csmica de fundo. Muito se pesquisou a esse respeito at que, em 1992, o satlite Cobe determinou no s que essas flutuaes existem, mas que elas se comportam exatamente de acordo com o previsto pela teoria inflacionria. Por esse trabalho os pesquisadores norte-americanos George Smoot e John Mather receberam o Prmio Nobel de Fsica em 2006.

O que teria causado a inflao? Imagina-se que poderia ter ocorrido pelo que se chama de transio de fase. Por exemplo, a transformao da gua em gelo (transio lquido-slido) uma transio de fase que libera energia latente da gua. Da mesma forma, uma transio de fase no Big Bang teria liberado energia latente, responsvel pela expanso sbita do universo.

Com freqncia as galxias se encontram em famlias, chamadas de aglo-merados. O aglomerado de Virgo tem 800 galxias; o de Coma, duas mil. Em 1933, o astrnomo suo Fritz Zwicky mediu a massa do aglomerado de galxias de Coma e verificou que esse valor era de cerca de 400 vezes maior do que a soma das massas das suas galxias individuais. Portanto, havia uma matria es-cura, responsvel por manter o aglomerado coeso. Por muitas dcadas essa pes-quisa no teve muito crdito. Na dcada de 1960, no entanto, medidas feitas em muitas outras galxias mostraram que tambm a havia uma misteriosa matria escura. Na Via-Lctea ela corresponde a dez vezes a massa visvel sob forma de estrelas ou gs. Para toda parte que se olha, essa misteriosa matria parece estar presente. Mas o que essa massa misteriosa? Muito j se especulou sobre sua natureza, mas ainda no se encontrou nenhuma resposta convincente. Apenas sabemos que a natureza dela diferente de toda a matria que conhecemos.

Qual o futuro da expanso do universo? Isso depende da quantidade de massa contida nele. Se for muito grande, ela far o universo desacelerar at que a velocidade se anule e depois se contrair. o chamado modelo de universo fechado. Se a massa for pequena, ela no ser o suficiente para zerar a velocidade e o universo ir se expandir para sempre. Chamamos isso de universo aberto. A fronteira dos dois o universo plano.3

Tentativas para determinar qual modelo corresponde realidade fizeram que muitas pesquisas fossem conduzidas ao longo de dcadas. Em 1998, no fechar do sculo e do milnio, descobriu-se que a expanso do universo no est sendo desacelerado, mas acelerado. Isto , quanto mais o tempo passa, com maior velocidade as galxias se afastam umas das outras. Isso foi uma descoberta extraordinria e desconcertante, pois sugere que existe uma energia que atua no sentido contrrio ao efeito de gravidade. A essa energia se chamou de energia escura. Ela totalmente distinta da matria escura; a matria escura possui gra-vidade; a energia escura, no. Ao contrrio, provoca repulso.


Figura 6 Mapa-mndi do cu em microondas, mostrando as estruturas da radia-o csmica do fundo obtido do satlite WMAP (Nasa). Essas flutuaes so minsculas e equivalem a uma parte em cem mil na escala da temperatura e comprovam a teoria da inflao. Essa teoria diz que no comeo do Big Bang o universo se expandiu exponencialmente durante uma mnima frao de tem-po inflacionando um nmero incalculvel de eventos qunticos no processo, deixando o recm-criado espao-tempo com flutuaes minsculas em todas as escalas. O mapa uma fotografia do universo quando ele tinha cerca de 300 mil anos. Mais tarde, as flutuaes que aparecem nessa fotografia colapsa-ram formando galxias, aglomerados de galxias e estruturas ainda maiores.

As medidas mais recentes (do ano de 2006) mostram que a matria normal corresponde a 4%, a matria escura a 22%, e a energia escura a 74% de toda a massa-energia do universo. Como apenas conhecemos a matria comum, desco-nhecemos totalmente a natureza de 96% do universo. Em outras palavras, o que conhecemos corresponde ponta do iceberg apenas.4

AlmQuanto mais pesquisamos, mais avanamos a fronteira do conhecimento

da natureza. Quanto mais a tecnologia avana, mais precisas so as medidas e as informaes, e mais sofisticadas e detalhadas as teorias. Afinal, se a mecnica de Newton (Isaac Newton, 1642-1727, fsico e matemtico ingls) parece funcio-nar to bem para a vida cotidiana, por que precisamos da complexa Mecnica Quntica ou da Teoria da Relatividade? Porque a tecnologia evoluiu e as medi-das mais precisas que ela proporciona s so explicadas por essas teorias. Assim como na fsica, o dilogo entre o desenvolvimento tecnolgico e os avanos cientficos sempre esteve presente na histria da astronomia de forma muito fertilizadora para ambas.

Somente acreditamos na Mecnica Quntica porque ela funciona, no porque ela parea lgica. Mesmo assim, estima-se que, hoje, cerca de 50% da


economia mundial estejam, de alguma forma, vinculadas Mecnica Quntica. Sem ela no existiria a eletrnica dos computadores, dos televisores, dos telefo-nes, das mquinas fabris etc. A Teoria da Inflao Csmica tambm funciona, mesmo que parea inslita. Ela til, na medida em que nos permite calcular caractersticas fundamentais do universo. Por que no utiliz-la? No foi por essa razo que os navegadores adotaram a teoria de Coprnico?

O Big Bang explica tudo? Afinal, seria o Big Bang uma teoria definitiva? Vejamos se essa uma hi-

ptese razovel. Ao longo da histria, vimos que a idia de universo evoluiu muito. Passou por diversos estgios, que podem ser caracterizados como teorias cosmolgicas. Terra plana, modelo geocntrico, heliocntrico, galactocntrico, Big Bang, Big Bang inflacionrio... Cada modelo explica o que era conhecido na poca e o que as medidas de ento podiam confirmar. No se pode dizer que essas teorias estavam erradas. Seria melhor afirmar que eram incompletas. Afinal, para nossa experincia diria, o modelo de terra plana no ruim. A terra re-donda e, alm do mais, gira em torno do Sol, e assim por diante. A descoberta de que o universo tudo o que existe evolui de forma que possa ser racional-mente analisado parece ser surpreendente. Mais surpreendente, o fato de que podemos demonstrar que ele teve uma origem. As leis que desenvolvemos no nosso pequeno planeta aplicam-se ao universo todo. No h evidncia de que haja qualquer discrepncia mensurvel.

Isso encerra a histria? Tudo nos leva a crer que no. Se somos copernica-nos no que se refere ao espao, aprendemos tambm a ser copernicanos no que se refere ao tempo e, portanto, no vivemos num momento especial. O prprio Big Bang deve ser objeto de racionalizao, de detalhamentos. Ao primeiro ca-ptulo j assistimos: o Big Bang no ocorreu de forma qualquer; ele foi inflacio-nrio. Quantas etapas mais surgiro na aventura humana de decifrar a natureza do universo em que vivemos?

A concepo de universo em meados do sculo XVII havia j incorporado as noes de espao e tempo de Newton. O universo parecia um espao-tempo esttico e infinito, muito distinto daquele em que o destino humano e os deuses estavam intimamente ligados concepo de mundo. O filsofo francs Blaise Pascal expressou assim o sentimento: Tragado pela imensido infinita dos espa-os, dos quais no sei nada e o qual no sabe nada de mim, estou apavorado O eterno silncio destes espaos infinitos me alarma.

Afinal, estamos to ss quanto imaginou Pascal? A natureza e o destino humanos esto totalmente desconectados da estrutura csmica maior? Hoje sa-bemos que cada estrela pode conter um sistema solar e que cada galxia possui, em mdia, cerca de 100 bilhes de estrelas. legtimo supor que o nmero de planetas com condies semelhantes ao do planeta Terra imenso, s conside-rando a nossa galxia. Devemos lembrar ainda que o nmero de galxias obser-vveis dentro do horizonte csmico acessvel de 100 bilhes. Fica claro, pois,


que existe um nmero enorme de planetas com condies nas quais a vida possa ter surgido e se desenvolvido. Isso no significa que a vida humana como a nossa seja comum. No s porque ela pode ter assumido a sua feio fortuitamente, mas tambm porque ela certamente efmera, se considerada na escala de tem-po csmica. Exatamente por esse carter efmero e por causa das distncias en-volvidas, dificilmente duas civilizaes de grau de desenvolvimento semelhante poderiam entrar em contato entre si, mesmo que existam simultaneamente em estrelas ou galxias separadas.

Uma outra conexo que nos vincula com as estrelas diz respeito aos elemen-tos qumicos, indispensveis para manter nossa estrutura fsica. Cada tomo de oxi-gnio que inspiramos, assim como cada tomo de clcio que est nos nossos ossos ou de ferro e de carbono da nossa musculatura tiveram uma origem muito especi-fica, cuja histria conhecemos. Apenas o hidrognio e o hlio (alm do deutrio e parte do ltio) foram formados no Big Bang; os elementos qumicos mais pesados foram todos sintetizados no centro das estrelas. Com a morte dessas, o gs enri-quecido desses elementos pesados foi lanado ao espao, apenas para se juntar aos restos de milhares de outras estrelas e formar uma nova gerao de corpos celestes. O Sol j uma estrela de terceira gerao, e graas a isso a composio qumica do sistema solar rica o suficiente para formar a vida como a conhecemos.

A cosmologia cientfica, ao contrrio das cosmologias tradicionais, no tenta ligar a histria do cosmos a como os homens devem se comportar (dife-rentemente do que, ainda hoje, os adeptos da astrologia nos propem). papel dos cientistas, artistas, filsofos e outras pessoas criativas entend-la e expressar o sentido humano nela. O pleno impacto dessa cosmoviso sobre a cultura hu-mana s se dar quando a compreenso da nossa realidade fsica for plenamente entendida pelo cidado comum.

Enquanto isso, a misso da astronomia de nos dizer onde estamos, de onde viemos e para onde vamos. E, pelo visto, essa misso parece no ter fim.

Notas

1 Como teoria rival do Big Bang, persistiu por muito tempo a teoria do estado estacio-nrio. Essa teoria se baseia no Princpio Cosmolgico Perfeito, segundo o qual o uni-verso homogneo, isotrpico e constante no tempo. Esse modelo era bem-visto pelos fsicos, principalmente porque eliminava os problemas de ter havido uma origem no tempo. Esse princpio incompatvel com as observaes que mostram que o universo evolui com o tempo.

2 Existem outras evidncias em suporte teoria do Big Bang. Se o universo no fosse finito no tempo, o cu noturno no seria escuro. Alm disso, galxias evoluem com o tempo, tornando-se mais velhas, com mais elementos qumicos pesados. Isso con-firmado diretamente pelas observaes. Quanto mais longe observamos no universo, mais jovens (menos evoludas) so as galxias.

3 Se o universo fosse fechado, ele voltaria a se contrair, acabando em um Big Crunch. A partir da, poderia haver um novo Big Bang e assim por diante, o que implicaria um uni-


verso cclico idia comum a varias vises cosmolgicas antigas. A teoria da inflao, no entanto, incompatvel com a idia de universo fechado.

4 As pesquisas do Big Bang motivaram experimentos em laboratrio, levando descober-ta de novas partculas em fsica. Ao contrrio do que acontecia no sculo XX, quando as revolues da fsica eram usadas para progredir no entendimento do universo, hoje as pesquisas da cosmologia indicam para a fsica onde ela deve progredir para o enten-dimento do mundo mateiral.

Referncias bibliogrficas

DAMINELI, A. Hubble: a expanso do universo. So Paulo: Odysseus, 2003.

FERRIS, T. O despertar da Via-Lctea. Rio de Janeiro: Campus, 1990.

GLEISER, M. A dana do universo. So Paulo: Companhia das Letras, 2000.

GUTH, A. The Inflationary Universe. Massachusetts: Addison-Wesley, Reading, 1997.

KEPLER, S. O.; SARAIVA, M. F. Astronomia e astrofsica. Porto Alegre: Editora da UFRGS, 2000. [Tambm disponvel na internet: astro.if.ufrgs.br]

NORTH, J. Astronomy and Cosmology. Glasgow: Fontana Press, 1994.

resumo os vrios modelos cosmolgicos ao longo da histria so brevemente descri-tos. A evoluo das idias pode ser entendida como uma sucesso de modelos, como o da Terra plana, o dos modelos geocntricos, o do heliocntrico e o do galactocntrico. Nos ltimos cem anos foi desenvolvida uma teoria, a do Big Bang, que descreve as ob-servaes mais sofisticadas de que dispomos hoje e que mostra que o universo teve uma origem que pode ser pesquisada cientificamente. Em dcadas recentes, esse modelo foi aperfeioado para um novo conceito, o do Big Bang inflacionrio. Na virada do milnio, novas descobertas mostraram que toda a matria conhecida apenas a ponta do iceberg em um universo dominado pela energia escura e pela matria escura cujas naturezas permanecem misteriosas.

palavras-chave: Universo, Cosmologia, Histria da astronomia, Big Bang.

abstract the various cosmological models along history are briefly reviewed. The evolution of the ideas may be understood as successive models such as the flat earth, the geocentric models as well as the heliocentric and the galacto-centric ones. In the last century, a concept was developed, the big-bang theory, that describes the most sophisti-cated observations on hand today and shows that the universe had an origin that can be search with scientific methods. In recent decades this model was refined to a new con-cept: inflation. By the end of the century and millenium new discoveries showed that all known matter is only the tip of the iceberg in a universe dominated by dark energy and dark matter whose natures remain mysterious.

keywords: Universe, Cosmology, History of astronomy, Big Bang.

Joo E. Steiner diretor do Instituto de Estudos Avanados da USP e professor do Insti-tuto de Astronomia, Geofsica e Cincias Atmosfricas da USP. @ [email protected]

Recebido em 30.8.2006 e aceito em 11.9.2006.

A Origem Do Universo

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