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"Quando o mundo estiver unido na busca do conhecimento, e não mais lutando por dinheiro e poder, então nossasociedade poderá enfim evoluir a um novo nível."

BRIAN GREENE O tecido do cosmoO espaço, o tempo e a textura da realidade TraduçãoJosé Viegas Filho Revisão técnicaMarco Moriconi (Instituto de Física, UFF-RJ) 2ª reimpressão 2010 COMPANHIA DAS LETRAS

Copyright © 2004 by Brian R. Greene, Publicado originalmente nos Estados Unidos Título originalThe fabric of the cosmos: space, time, and the texture of reality

CapaÂngelo Venosa PreparaçãoMaysa Monção RevisãoAna Maria Barbosa Carmen S. da Costa Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Greene, Brian, 1963-

O tecido do cosmo: o espaço, o tempo e a textura da realidade/Brian Greene; traduçãoJosé Viegas Filho; revisão técnica Marco Moriconi.São Paulo : Companhia das Letras, 2005. Título original: The fabric of the cosmos : space, time, and the texture of realityBibliografia.ISBN 978-85-359-0759-9 1. Astronomia 2. Cosmologia 3. Cosmologia Obras de divulgação.

05-7970 CDD-523.1 Índices para catálogo sistemático: 1. Cosmologia : Astronomia 523.12. Universo : Astronomia 523.1[2010] Todos os direitos desta edição reservados àEDITORA SCHWARCZ LTDA.Rua Bandeira Paulista 702 cj. 32 04532-002 São Paulo SPTelefone (11) 3707-3500 Fax (11) 3707-3501www.companhiadasletras.com.br

Para Tracy

Sumário Prefácio PARTE I: O CENÁRIO DA REALIDADE1. Os caminhos da realidadeO espaço, o tempo e por que as coisas são como são2. O universo e o baldeO espaço é uma abstração humana ou uma entidade física?3. A relatividade e o absolutoO espaço-tempo é uma abstração einsteiniana ou uma entidade física?4. O espaço emaranhadoQue significa “separação” em um universo quântico? PARTE II: O TEMPO E A EXPERIÊNCIA5. O rio geladoO tempo passa?6. O acaso e a setaO tempo tem uma direção?7. O tempo e o quantumPercepções a respeito da natureza do tempo a partir do reino quântico PARTE III: O ESPAÇO-TEMPO E A COSMOLOGIA8. Os flocos de neve e o espaço-tempoA simetria e a evolução do cosmo9. A vaporização do vácuoO calor, o nada e a unificação10. A desconstrução do Big-BangO que foi que explodiu?11. Diamantes quânticos no céuInflação, agitação quântica e a seta do tempo PARTE IV: ORIGENS E UNIFICAÇÃO12. O mundo em uma cordaO tecido segundo a teoria das cordas13. O universo em uma branaEspeculações sobre o espaço e o tempo na teoria-M PARTE V: REALIDADE E IMAGINAÇÃO14. Assim na terra como no céuExperimentações com o espaço e o tempo

15. Teleportadores e máquinas do tempoViagem através do espaço e do tempo16. O futuro de uma alusãoPerspectivas para o espaço e o tempoNotasGlossárioSugestões de leitura

Orelha do Livro

Desde que Copérnico nos ensinou que não é o Sol que gira ao redor da Terra, e sim ocontrário, nossa crença em um mundo simples, ordenado e previsível tem sofrido os maisduros golpes. Em O tecido do cosmo, Brian Greene, um dos físicos mais importantes daatualidade, discorre sobre os grandes temas da cosmologia através de uma viagem pelo universo que nos faz olhar a realidade de maneira completamente diferente.O espaço é uma abstração humana ou uma entidade física? Por que o tempo tem uma direção?O universo existiria sem o espaço e o tempo? O que foi que explodiu no Big-Bang? Podemosviajar rumo ao passado? Tomando como guia os conceitos de espaço e tempo, Greene nosconduz ao princípio do mundo e ao futuro mais remoto; às especulações e descobertas degrandes no mês da física como Newton e Einstein; aos limites extremos do universoobservável e ao mundo infinitamente peque no das flutuações quânticas, onde tudo parece sedissolver. Para explicar o Big Bang, o autor também nos mostra os últimos desenvolvimentosda teoria das supercordas e da Teoria-M, que pretendem chegar a um consenso sobre ocomportamento de todas as coisas que existem, da menor partícula ao maior buraco negro."O tecido do cosmo destina-se sobretudo ao leitor comum, com pouco ou nenhumconhecimento científico formal, mas com um desejo intenso de compreender os mecanismosde funcionamento do universo, desejo que o ajudará a desvendar diversos conceitos complexos e desafiadores", diz o autor no prefácio do livro. O grande trunfo de Greene,consagrado mundialmente com o livro O universo elegante, é ser capaz de traduzir estasquestões altamente complexas em uma linguagem clara, didática e bem-humorada. Com o usode analogias e metáforas e sem abrir mão da elegância do raciocínio abstrato, ele nos permiteacompanhar a luta entre os mistérios quase insondáveis do universo e a atrevida e pacienteobstinação do homem em desvendá-los.

Brian Greene

Gradou-se na Universidade Havard e doutorou-se na Universidade de Oxford. Em 1990tornou-se professor da Faculdade de Física da Universidade de Cornell e, em 1995, recebeu otítulo de professor catedrático. Em 1996, transferiu-se para a Universidade de Columbia, ondehoje é professor de física e matemática. Foi convidado para palestras em mais de 25 países eé responsável por importantes descobertas da teoria das supercordas. Seu primeiro livro, Ouniverso elegante, foi finalista do Prêmio Pulitzer.

Contracapa

"O espaço e o tempo prendem a imaginação mais do que qualquer outro tema científico. E porboas razões. Eles compõem o cenário da realidade, o verdadeiro tecido do cosmo. Toda anossa existência – tudo o que fazemos, pensamos e vivenciamos – ocorre em alguma região doespaço durante algum intervalo de tempo. Contudo, a ciência ainda está tentando compreender

o que são, na verdade, o espaço e o tempo. Serão eles entidades físicas reais ou simplesmenteideias úteis? Se forem reais, serão elementares ou terão componentes ainda mais básicos? Quese pode entender por espaço vazio?O tempo teve um início? Ele tem um sentido, como uma seta, que viaja inexoravelmente dopassado para o futuro, tal como indica a nossa experiência cotidiana? Poderemos manipular oespaço e o tempo? Neste livro, acompanharemos trezentos anos de pesquisas científicasapaixonadas, que buscam dar respostas, ou pelo menos sugestões de respostas, a essasperguntas básicas e profundas a respeito da natureza do universo."Do autor de O universo elegante, finalista do Prêmio Pulitzer.

Prefácio

O espaço e o tempo prendem a imaginação mais do que qualquer outro tema científico. E porboas razões. Eles compõem o cenário da realidade, o verdadeiro tecido do cosmo. Toda anossa existência — tudo o que fazemos, pensamos e vivenciamos — ocorre em alguma regiãodo espaço durante algum intervalo de tempo. Contudo, a ciência ainda está tentandocompreender o que são, na verdade, o espaço e o tempo. Serão eles entidades físicas reais ousimplesmente ideias úteis? Se forem reais, serão elementares ou terão componentes aindamais básicos? Que se pode entender por espaço vazio? O tempo teve um início? Ele tem umsentido, como uma seta, que viaja inexoravelmente do passado para o futuro, tal como indica anossa experiência cotidiana? Poderemos manipular o espaço e o tempo? Neste livro,acompanharemos trezentos anos de pesquisas científicas apaixonadas, que buscam darrespostas, ou pelo menos sugestões de respostas, a essas perguntas básicas e profundas arespeito da natureza do universo.Nossa viagem também nos levará, repetidas vezes, a outra questão, estreitamente relacionadacom esta e tão abrangente e difícil como ela: o que é a realidade? Nós, seres humanos, sótemos acesso às experiências internas da percepção e do pensamento. Como podemos, então,estar certos de que essas experiências internas refletem verdadeiramente o mundo exterior? Osfilósofos se dedicaram a esse problema há muito tempo. O cinema o popularizou, comhistórias sobre mundos artificiais, gerados por estímulos neurológicos sofisticados, queexistem somente nas mentes dos protagonistas. E os físicos, como eu, têm a nítida consciênciade que a realidade que observamos — a matéria que evolui no cenário do espaço e do tempo— pode ter muito pouco a ver com a realidade externa, se é que ela existe. Apesar de tudo,como as observações são a única coisa com que podemos contar, temos de levá-las a sério.Escolhemos para ser nossos guias os dados objetivos e o arcabouço da matemática, e não aimaginação desenfreada ou o ceticismo implacável, e buscamos as teorias mais simples e maisaudaciosas, capazes de explicar e prever os resultados dos experimentos que fazemos hoje eque faremos no futuro. Isso impõe uma forte restrição sobre as teorias que buscamos. (Nestelivro, por exemplo, não haverá nenhuma sugestão de que eu esteja flutuando em um tanque,ligado a mil fios, que me produzem estímulos mentais, que me fazem pensar que estou agoraescrevendo este texto.) Mas o fato é que nos últimos cem anos as descobertas da físicaimpuseram modificações na nossa percepção da realidade cotidiana que são tão contundentes,alucinantes e desnorteantes quanto os exemplos mais imaginativos da ficção científica. Essesacontecimentos revolucionários estão descritos nas páginas que seguem.

Muitas das questões que exploramos aqui são as mesmas que, sob diferentes aspectos,levantaram as sobrancelhas de Aristóteles, Galileu, Newton, Einstein e inúmeros outrospensadores de todos os tempos. E como este livro tem o propósito de relatar o próprio ato defazer ciência, seguimos as respostas dadas por cada geração a estas questões, assim como asrefutações e reinterpretações feitas pelos cientistas das gerações subsequentes ao longo dosséculos.Por exemplo, na desconcertante questão de saber se o espaço completamente vazio é umaentidade real, como uma tela de pintura em branco, ou simplesmente uma ideia abstrata,acompanharemos o pêndulo da opinião científica em suas oscilações entre a declaração deIsaac Newton, no século XVII, de que o espaço é real, a conclusão oposta de Ernst Mach, noséculo XIX, e a extraordinária reformulação da questão como um todo, feita por Einstein noséculo XX, quando ele fez a fusão entre o espaço e o tempo e basicamente refutou Mach. Aseguir, encontraremos novas descobertas que voltaram a transformar a questão por meio daredefinição do termo “vazio”, afetado pelo conceito de que o espaço é inevitavelmentepreenchido por campos quânticos, e talvez também por uma energia difusa e uniforme,denominada constante cosmológica — ecos modernos da velha e desacreditada noção de um“éter”, que preencheria o espaço. E descreveremos também como modernos experimentosfeitos no espaço exterior podem dar confirmação a certas características particulares dasconclusões de Mach que estão de acordo com a relatividade geral de Einstein, o que ilustrabem a evolução da rede fascinante e emaranhada do desenvolvimento científico.Na nossa própria era, encontramos a visão enriquecedora da cosmologia inflacionária arespeito da seta do tempo, o amplo estoque de novas dimensões espaciais trazidas pela teoriadas cordas, a sugestão radical da teoria-M de que o espaço que habitamos pode ser apenasuma membrana que flutua em um cosmo maior, além da fantástica especulação atual de que ouniverso que vemos pode ser apenas um holograma cósmico. Ainda não sabemos se as maisrecentes dessas proposições teóricas são corretas. Mas, por mais extravagantes que pareçam,temos de levá-las a sério porque elas indicam a direção para onde nos leva a nossa obstinadainvestigação das leis mais profundas do universo. Realidades estranhas e inesperadas podemsurgir não só da imaginação fértil da ficção científica, mas também das descobertas davanguarda da física moderna.O tecido do cosmo destina-se sobretudo ao leitor comum, com pouco ou nenhum conhecimentocientífico formal, mas com um desejo intenso de compreender os mecanismos defuncionamento do universo, desejo que o ajudará a desvendar diversos conceitos complexos edesafiadores. Assim como no meu primeiro livro, O universo elegante, mantive-me semprepróximo ao cerne das ideias científicas, substituindo os detalhes matemáticos por metáforas,analogias, histórias e ilustrações. Quando chegarmos nas partes mais difíceis do livro,alertarei o leitor e proporcionarei breves resumos para os que prefiram passar ao largo dessasdiscussões mais especializadas. Desse modo, o leitor poderá percorrer o caminho dasdescobertas e ganhar não só o conhecimento da visão de mundo da física atual, mas também oentendimento de como essa visão de mundo prevaleceu.Estudantes, leitores ávidos de material científico, professores e outros profissionais tambémpodem encontrar muito interesse no livro. Embora os capítulos iniciais cubram o materialbásico e necessário para compreender a relatividade geral e a mecânica quântica, o foco dadoà corporalidade do espaço e do tempo afasta-se um pouco do convencional. Os capítulos

seguintes cobrem uma vasta gama de tópicos — como o teorema de Bell, experimentos deescolha retardada, o problema quântico da medição, a expansão acelerada, a possibilidade deque venhamos a produzir buracos negros com a próxima geração de aceleradores departículas, fantásticas máquinas do tempo à base de buracos de minhoca —, o que atualizaráos leitores em alguns dos temas mais tentadores e debatidos da cosmologia.Uma parte do material apresentado é controvertida. Nas questões que permanecem semsolução, discuti no texto os principais pontos de vista. Nos casos em que penso havermoschegado a um certo grau de consenso, releguei as opiniões contrárias às notas do final dotexto. Alguns cientistas, sobretudo os que defendem pontos de vista minoritários, podemdivergir, em certos aspectos, dos meus julgamentos, mas, tanto no texto principal quanto nasnotas, busquei sempre oferecer um tratamento equilibrado. Nas notas, o leitor particularmentediligente encontrará explicações mais completas, esclarecimentos e nuances que sãorelevantes para os aspectos que tratei de maneira simplificada, assim como (para quem gosta)breves contrapartidas matemáticas à orientação que adotei de deixar o texto principal livre deequações. Um pequeno glossário propicia uma referência rápida para alguns dos termoscientíficos mais específicos.Mesmo um livro deste tamanho não logra esgotar o vasto campo do espaço e do tempo.Concentrei o foco nos pontos que considero interessantes e essenciais para a elaboração deum quadro geral da realidade pintada pela ciência moderna. Sem dúvida, muitas dessasescolhas refletem predileções pessoais, pelo que peço desculpas aos que prefeririam que assuas próprias áreas de trabalho ou de estudo recebessem maior atenção.Ao escrever O tecido do cosmo tive a sorte de receber contribuições valiosas de numerosos ededicados leitores. Raphael Kasper, Lubos Motl, David Steinhardt e Ken Vineberg leramvárias versões do manuscrito como um todo, por vezes repetidamente, e ofereceram muitassugestões pormenorizadas e pertinentes, que aperfeiçoaram de forma substancial a clareza e aprecisão da apresentação. Expresso-lhes os meus sinceros agradecimentos. David Albert, TedBaltz, Nicholas Boles, Tracy Day, Peter Demchuk, Richard Easther, Anna Hall, KeithGoldsmith, Shelley Goldstein, Michael Gordin, Joshua Greene, Arthur Greenspoon, GavinGuerra, Sandra Kauffman, Edward Kastenmeier, Robert Krulwich, Andrei Linde, Shani Offen,Maulik Parikh, Michael Popowits, Marlan Scully, John Stachel e Lars Straeter leram omanuscrito, no todo ou em parte, e os seus comentários foram extremamente úteis. Beneficiei-me de conversas com Andreas Albrecht, Michael Bassett, Sean Carrol, Andréa Cross, RitaGreene, Alan Guth, Mark Jackson, Daniel Kabat, Will Kinney, Justin Khoury, Hiranya Peiris,Saul Perlmutter, Koenraad Schalm, Paul Steinhardt, Leonard Susskind, Neil Turok, Henry Tye,William Warmus e Erick Weinberg. Devo agradecimentos especiais a Raphael Gunner, cujoagudo senso do que seja um argumento genuíno e cuja disposição de criticar diversas dasminhas tentativas revelaram-se inestimáveis. Eric Martinez proporcionou-me uma assistênciacrucial e incansável na fase da produção do livro e Jason Severs fez um excelente trabalho nacriação das ilustrações. Agradeço aos meus agentes, Katinka Matson e John Brockman. Etenho uma grande dívida de gratidão para com o meu editor, Marty Asher, por ter sido umafonte inesgotável de incentivos, conselhos e observações profundas, que aprimoraramsubstancialmente a qualidade do trabalho final.Durante a minha carreira, as minhas pesquisas científicas têm sido financiadas peloDepartamento de Energia, pela National Science Foundation e pela Alfred P. Sloan

Foundation. Registro e agradeço o apoio.