Como funciona: o Big Bang

E de repente tudo teve início. O Universo que conhecemos começou neste exato momento, ocorrido há aproximadamente 13,7 bilhões de anos, que chamamos de Big Bang. Espaço-tempo, energia e matéria, os alicerces do nosso universo, surgiram neste momento, dando origem ao universo em que vivemos.

Luciano Infanti de Paula 

ESTADO ESTACIONÁRIO VS BIG BANG: A VITÓRIA DE UM PADRE

As grandes descobertas cientificas da humanidade sempre foram fruto da genialidade e, principalmente, da curiosidade insaciável de seus criadores. Com o Big Bang não poderia ser diferente. A teoria científica para o início do universo tem sua origem alguns anos após a publicação da relatividade geral. Um grupo de equações conhecidas como equações de campo de Einstein implicavam claramente na inexistência de um universo infinito e estático. Isso quer dizer que em algum momento o universo teve um início e se expandia desde então. O universo não era tão estático como se imaginava. Essa idéia, hoje bem aceita pela maioria das pessoas, foi negada a princípio por muitos cientistas. O próprio Einstein abominava essa idéia, e se recusava a aceitar um universo que não fosse estático.
Ironicamente, o primeiro a defender uma teoria científica para a origem do universo foi um padre católico. Georges Lemaître propôs baseado em seus estudos sobre a relatividade geral de Einstein, uma teoria onde o universo havia sido criado em algum momento. Ele percebeu que se o universo estava em expansão como afirmava a teoria da relatividade um dia ele deve ter sido realmente minúsculo. Esse ponto minúsculo do qual o universo teria se expandido foi chamado por Lemaître de átomo primordial, uma espécie de ponto infinitamente denso e quente que, ao explodir, originou o universo. Essa idéia, que é a base para a cosmologia moderna, foi a princípio recusada pelo próprio Einstein.

O astrônomo Edwin Hubble descobriu que as galáxias estão se afastando uma das outras destruindo por vez o sonho de Einstein de um universo estático. Hubble, utilizando um método chamado vela padrão, pôde determinar a distância de estrelas extremamente longe de nós. Com isso ele foi capaz de calcular a velocidade de expansão do universo e sua idade.
No meio acadêmico a teoria do átomo primordial encontrou resistências, principalmente pelo fato de seu criador ser um padre, fato que fez com que muitos cientistas a recusassem automaticamente. Outra teoria defendida por aqueles que se recusavam a aceitar o átomo primordial era conhecida como estado estacionário. Essa teoria, que começava a se tornar cada vez mais influente no meio acadêmico, afirmava que o universo foi e sempre será estático. Tal teoria foi proposta pelo astrônomo Fred Hoyle após seus estudos sobre a teoria de criação dos elementos da tabela periódica, a chamada nucleossíntese, ou seja, formação dos núcleos atômicos. Sua teoria do universo estacionário, em síntese, dizia que o universo sempre existiu, que as características do universo como densidade e temperatura sempre foram as mesmas. Mas havia um enorme problema em sua teoria. Já se sabia que o universo estava se expandindo e se a quantidade de matéria sempre foi a mesma, como afirmava a teoria de Hoyle, a densidade deveria diminuir com o tempo pois a mesma quantidade de matéria estaria diluída em espaços cada vez maiores. Hoyle “concertou” este problema introduzindo em sua teoria a idéia de que em algum lugar no universo a matéria estava sendo criada constantemente. Contudo essa nova atualização da teoria de Hoyle não foi bem aceita.
O físico russo George Gamow estudou o átomo para defender a teoria do átomo primordial. Gamow imaginou que os elementos mais leves como hidrogênio e hélio haviam sido criados no extremamente quente e denso começo do universo. Ralph Alpher, um dos alunos de Gamow, calculou que se hidrogênio e hélio tivessem sido criados no big bang deveria existir aproximadamente dez vezes mais hidrogênio do que hélio. Essa previsão foi confirmada pouco depois por observações. Assim a teoria do átomo primordial seguia ganhando seguidores.
Lemaître propôs também a teoria do calor residual. Esse calor seria resultado da explosão do big bang que poderíamos ser capazes de observar hoje. Gamow e seus alunos aprimoraram essa teoria pensando que se o universo havia sido tão quente que sua temperatura chegaria a ser trilhões e trilhões de vezes mais quente que o Sol então o universo não poderia ter esfriado totalmente ainda. Devia haver algum resquício desse calor em algum lugar.

Somente em 1965 os cientistas seriam capazes de provar de uma vez por todas a teoria de Gamow e seus alunos. Wilson e Penzias, que trabalhavam com comunicação via satélite, tentaram medir essa radiação em um radiômetro há 12km de Nova Iorque mas tudo que ouviram era um chiado. Eles não sabiam o que era esse chiado mas o que sabiam é que estavam captando mais radiação do que o esperado. Juntos eles tentaram resolver esse problema, imaginaram que tal chiado fosse proveniente de Nova Iorque, de aviões ou até dos pombos que costumavam usar o radiômetro como casa mas nada disso era a resposta. Foi então que perceberam que a radiação não vinha de um lugar específico, ela vinha de todos os lugares. E foi essa radiação que trouxe a prova definitiva, a prova de que o universo não era eterno, a prova do big bang. O que Wilson e Penzias descobriram foi o que conhecemos hoje como radiação cósmica de fundo, um eco do big bang que está em todos os lugares, a radiação proveniente do início do universo. 

A teoria do Big Bang

Assim como ocorre em muitas teorias complexas, o big bang possui alguns modelos para facilitar seu estudo. Apresentarei aqui dois destes modelos. O primeiro chama-se Modelo Padrão da Cosmologia e o segundo, seu sucessor, é chamado de Modelo Cosmológico Inflacionário ou apenas Modelo Inflacionário.
O Modelo Padrão da Cosmologia é fundado em três idéias principais: o universo se expande (como vimos anteriormente essa expansão foi confirmada por Hubble), a radiação cósmica de fundo (o resquício de energia ainda presente hoje em dia resultante do big bang) e a nucleossíntese primordial (momento onde a temperatura permitiu a formação de núcleos atômicos).
Como já vimos antes, a radiação cósmica de fundo já foi detectada por Wilson e Penzias e mais tarde por satélites como o WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) e o COBE (Cosmic Background Explorer). Mas o que seria exatamente essa radiação? E como isso prova alguma coisa sobre o big bang? Bem, essa radiação nada mais é do que os restos do big bang. São micro-ondas, ou seja, milhões de fótons (aproximadamente 400 milhões por metro cúbico) com uma temperatura de 2,7 graus acima do zero absoluto. Isso é fantástico porque isso é exatamente o que o Modelo Padrão da Cosmologia prevê.
A nucleossíntese primordial é fundamental para o entendimento do big bang. Durante o chamado tempo de Planck ou era de Planck (10^-43 segundos após o big bang) a temperatura do universo era de aproximadamente 10^32 graus Kelvin, 10 trilhões de trilhões de vezes mais quente que o núcleo do Sol. Com o passar do tempo, a temperatura do universo foi caindo, ele foi resfriando e assim permitiu a organização de quarks em grupos de três formando os primeiros prótons e nêutrons. Nos próximos três minutos seguintes ao início do universo a temperatura era de aproximadamente 1 bilhão de graus e isso permitiu que houvesse a formação dos primeiros núcleos atômicos com a junção dos prótons e dos nêutrons. Nesse primeiro instante, somente núcleos de hélio e hidrogênio foram formados. Isso é de fundamental importância pois ao utilizar teorias da física nuclear e da termodinâmica os físicos podem dizer exatamente a quantidade de hélio e hidrogênio formada nesse momento do universo. Os cálculos feitos apontaram para quantidades muito desiguais entre esse átomos. Aproximadamente 80% do universo era hidrogênio e 20% era hélio. Análises atuais sobre a quantidade de hidrogênio em estrelas e nebulosas confirmaram categoricamente a teoria da nucleossíntese primordial.
Apesar do Modelo Padrão da Cosmologia ser uma boa teoria ele possui um problema grave: o problema do horizonte. Os cientistas descobriram que o universo possui praticamente a mesma temperatura em todos os lugares. Como regiões separas por bilhões de quilômetros têm a mesma temperatura? A única resposta encontrada foi a de que, durante os primeiros segundo após o big bang, essas regiões estavam tão próximas que trocaram energia térmica entre si, criando esse equilíbrio térmico no universo. Mas os físicos descobriram que não é assim tão simples. A velocidade da luz marca o limite de velocidade para tudo no universo, portanto o calor não pode ser trocado com velocidade maior que esta. Então se a distância entre dois pontos do universo tivesse sido maior do que a luz pode percorrer é impossível que esses dois pontos tivessem interagido de forma a trocar energia térmica, portanto a uniformidade da temperatura não devia ocorrer. E esse é o problema do Modelo Padrão Cosmológico. Duas áreas hoje distantes trilhões de quilômetros apresentam a mesma temperatura quando na verdade não poderiam pois no início do universo não ficaram próximas o suficiente para que houvesse a troca de energia térmica. Mas em 1979, Alan Guth desvendou esse quebra-cabeça e deu origem ao Modelo Inflacionário.

Guth, encontrou uma solução para as equações de Einstein na qual o universo se expandia exponencialmente durante um breve período. Os cálculos feitos mostraram que durante o primeiro trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo depois do big bang o universo aumentou percentualmente mais do que nos 15 bilhões de anos que se seguiram. Isso quer dizer que objetos hoje muito distantes estavam muito mais próximos pouco tempo depois do big bang o que permitiu a troca de energia térmica entre eles. Refinamentos posteriores feitos por André Linde, Paul Steinhardt e Andreas Albrecht resolveram muitos problemas do Modelo Cosmológico Padrão, o que levou a aceitação do Modelo Inflacionário.

O big bang e a teoria das supercordas

Quando os cientistas aplicaram as equações de Einstein no período entre o big bang e a tempo de Planck descobriram algo que lhes tirou o sono. Conforme regressamos o universo fica menor, mais quente e mais denso. Quando o tempo é zero o tamanho do universo desaparece e a temperatura e a densidade chegam ao infinito, algo que não deveria acontecer. Os cientistas perceberam então que era necessário mudar de abordagem pois só relatividade não bastava, precisavam também de mecânica quântica e assim se viram forçados a usar a teoria das cordas.
A teoria das supercordas altera o Modelo Padrão da Cosmologia de duas formas principais. Primeiro, as pesquisas recentes indicam que o universo possui um valor mínimo para seu tamanho (não é infinitamente pequeno). Segundo, a teoria das supercordas considera 11 dimensões das quais quatro são espaço-temporais. Isso altera os cálculos necessários já que somos obrigados a considerar a evolução de todas as dimensões.

Importantes passos foram dados por Robert Branderberger e Cumrun Vafa durante a década de 80. Eles descobriram através de cálculos pormenorizados que o universo possuiu uma temperatura máxima. Seus estudos levaram a criação do seguinte quadro. O universo quando estava em seu tamanho mínimo e com temperatura máxima estava com todas as dimensões recurvadas e perfeitamente simétricas. Então, no tempo de Planck três das dimensões se expandiram (as três dimensões espaciais) enquanto as outras continuaram recurvadas. Devido à forma como as supercordas se envolvem, apenas três das dimensões puderam se expandir já que as outras dimensões estariam “presas” pela própria estrutura das supercordas.

As equações das supercordas são extremamente complicadas e, infelizmente, são apenas aproximações das reais equações. Sem a posse das equações exatas da teoria das cordas, os cientistas são obrigados a recorrer a aproximações. Sobre o assunto Vafa disse: “O nosso trabalho põe em destaque a nova maneira pela qual a teoria das cordas permite reestudar problemas persistentes do modelo-padrão da cosmologia. Vemos, por exemplo, que a própria noção de uma singularidade inicial pode ser totalmente evitada pela teoria das cordas. Mas devido às dificuldade que impedem a execução de cálculos inteiramente confiáveis nessas condições extremas, como o nosso nível atual de conhecimento sobre a teoria das cordas o nosso trabalho só pode proporcionar um vislumbre inicial da cosmologia das cordas e ainda é muito longe de dar a palavra final.”

Apesar das dificuldades parece que os cientistas encontraram uma forma mais precisa de responder os problemas da teoria das supercordas. A resposta aparentemente pode ser a Teoria M, criada por Witten durante a segunda revolução das supercordas. Witten conseguiu demonstrar que alguns dos antigos problemas podem ser evitados ao utilizar a teoria M. Algumas das mais interessantes possibilidades da teoria M acontecem em mundos que não podemos enxergar. Os físicos sabem que o tecido quântico é um lugar um tanto quanto frenético. Flutuações quânticas de energia ocorrem a todo instante. Por conta disso um vácuo perfeito não pode existir já que, mesmo com a ausência de moléculas e átomos, o tecido quântico “cria” partículas. As flutuações de energia fazem com que pares de partícula e anti-partícula sejam criados se aniquilando o tempo todo. Acontece que essas flutuações, de acordo com alguns cientistas, podem ter sido responsável pela criação do universo. É possível que algum tipo de flutuação quântica anômala tenha criado o universo e devido ao seu estado instável, ele se expandiu como vimos. 

Contudo, estamos ainda dando os primeiros passos na busca de uma teoria definitiva para o surgimento do universo. Os cientistas continuam incansáveis na busca por respostas utilizando os mais avançados recursos matemáticos da teoria das supercordas e da teoria M para, quem sabe um dia, descobrir como foi o início do universo.

Referências:

http://nautilus.fis.uc.pt/gazeta/revistas/29_3/vol29_3_Art05.pdf

http://arxiv.org/abs/1005.5491

Brian Greene (2001). O universe elegante

Kepler de Souza e Maria de Fátima (2004). Astronomia e Astrofísica