O QUE SABEMOS SOBRE O UNIVERSO

O QUE SABEMOS SOBRE O UNIVERSO
Richard Morris, 1999
Ed. Jorge Zahar, 2001
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Na maioria dos universos possíveis que os cientistas conseguem imaginar, a vida não
poderia existir.
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A temperatura atual de radiação no universo é de cerca de –270 graus Celsius, o
equivalente a 3 kelvins, uma vez que o zero absoluto (temperatura em que cessa todo o
movimento molecular) corresponde a –273 graus Celsius.
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Medir a composição química das estrelas, das galáxias e do gás interestelar ou
intergaláctico não é muito difícil. Todo elemento químico, ao ser aquecido, emite luz com
certos comprimentos de onda característicos, de modo que basta estudar a luz (ou as ondas
de rádio, no caso do gás) emitida por um objeto para determinar de que ele se compõe.
Quando essas medições são feitas, constata-se que o Universo tem um peso de
aproximadamente 25% de hélio e aproximadamente 75 de hidrogênio.
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Ao se observar uma galáxia a dez bilhões de anos-luz, estamos vendo o passado de dez
bilhões de anos atrás. Isso decorre da definição do termo ano-lua, distância que um raio
luminoso percorre durante um ano (um ano-luz tem aproximadamente 10 trilhões de
quilômetros).
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É possível provar matematicamente que, se a teoria da relatividade geral estiver certo, o
Universo deve ter começado num estado de densidade infinita de matéria.
O tamanho do Universo se duplica aproximadamente a cada dez bilhões de anos.
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Tudo o que existe no Universo sente o efeito da gravidade. Ora, a gravidade é uma força
muito fraca, comparada às outras que conhecemos. Se v duvida, considere o fato de que um
pequeno imã pode ser usado para pegar um objeto de ferro ou de aço. Nesse caso, as forças
magnéticas são maiores do que a força gravitacional exercida pela Terra inteira. Entretanto
a gravidade é uma força de longo alcance e nunca deixa de atuar.
Nossa própria Via Láctea, integra um aglomerado de cerca de vinte galáxias, chamado
grupo local, que inclui também a grande galáxia de Andrômeda. As galáxias do grupo são
unidas pela gravidade e todos esses membros descrevem órbitas complexas em torno uns
dos outros. O grupo local é um aglomerado bem pequeno, comparado a outros observados
pelos astrônomos. Alguns desses superaglomerados contêm cerca de mil galáxias.
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Nosso Sol vem brilhando há aproximadamente 5 bilhões de anos. Outros 5 bilhões de anos
se passarão antes que ele esgote seu combustível nuclear.
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Neutrinos são partículas leves, que se encontram por toda parte do Universo. Há cerca de
100 milhões deles para cada próton, e eles se deslocam quase à velocidade da luz. Um
numero incontável de neutrinos atravessa nosso corpo a cada segundo.
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Acredita-se que, originalmente, a água tenha vindo de choques com cometas, que se
compõem sobretudo de gelo (sendo às vezes descritos como “bolas de gelo sujas”; a
“sujeira” consiste em pequenas quantidades de várias outras substâncias).
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O que há de mais surpreendente em nosso Universo é o fato de a criação da vida parecer, de
algum modo, inscrever-se nas leis da física. Se as leis do Universo fossem apenas
ligeiramente diferentes do que são, a vida nunca poderia ter surgido. Se a gravidade fosse
apenas ligeiramente mais fraca do que é, as estrelas e galáxias nunca se haveriam formado
pois ela não teria tido força suficiente para fazer com que o gás primordial de hidrogênio e
Helio se condensasse como se condensou.
Se a força eletromagnética que liga as moléculas fosse um pouco mais fraca, os sólidos e
líquidos não poderiam ser criados. Se fosse um pouco mais forte, não poderia existir
nenhum núcleo contendo mais do que um próton.
A mecânica quântica nos diz que um núcleo atômico só pode possuir certas quantidades
definidas de energia. Pode estar num ou noutro estado energético, mas não pode ter uma
quantidade de energia que se situe entre os dois.
Muitos cientistas crêem que existem inúmeros outros universos, talvez em numero infinito.
Se as leis nem sempre forem as mesmas, a vasta maioria deles será desprovida de vida.
Nosso Universo é como é porque, se não o fosse, não estaríamos aqui para vê-lo
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Os organismos vivos só começaram a colonizar as áreas de terra há pouco mais de 400
milhões de anos. As primeiras plantas terrestres surgiram nessa época.
É bem possível que a vida tenha-se originado, como sugeriu Darwin, num “laguinho
cálido”. Segundo outra teoria, muito popular hoje em dia, a evolução química que conduziu
à vida produziu-se em superfícies de barro. [!!!!!!!]
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O fato de a vida ter surgido na Terra com tanta rapidez leva os cientistas a crerem que
provavelmente, ela é abundante no Universo.
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Forem necessários mais de 3 bilhões de anos para que se desenvolvessem formas biológicas
multicelulares na Terra.
A água viva parece ser um só organismo. Na verdade é uma colônia de indivíduos que
assumiram funções especializadas. A vesícula natatória, os tentáculos, os órgãos
reprodutores e as partes que digerem o alimento têm a mesma composição genética. No
entanto, a água-viva é uma colônia, e não um organismo multicelular.
Se a evolução da inteligência fosse uma transição simples, teria ocorrido em alguma das
espécies de dinossauros. Afinal, eles existiram por um período consideravelmente mais
longo do que nós.
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Tornamo-nos tão hábeis em controlar o meio ambiente que já não estamos sujeitos à
pressão evolutiva a que outros animais têm que se adaptar.
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Quando a água não cai de um nível para outro, é impossível produzir energia. Ou seja,
embora haja uma grande quantidade de energia (...) ela não pode ser usada. [Esta questão
me inquieta. A energia não está na água mas em alguma outra coisa. Existe energia no rio
mas não na água. Energia, portanto, é movimento.]
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De acordo com a teoria da relatividade geral, o Universo pode ser aberto ou fechado. O
Universo aberto tem extensão infinita e sua expansão nunca cessa. A gravidade pode tornala mais lenta, porem o Universo aberto se expandirá por toda a eternidade. O Universo
fechado, por outro lado, é finito e acabará por se contrair numa grande implosão.
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Quanto mais alta a densidade da matéria no Universo, mais intensas são as forças
gravitacionais de retardamento.
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É provável que a massa do neutrino seja umas 100 mil vezes menor que a do elétron. E o
elétron é uma partícula leve, pesa quase 2 mil vezes manos que um próton ou um nêutron.
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Atualmente a maioria dos cosmólogos concordam que o Universo pode ter contido,
originalmente, apenas alguns gramas de matéria, ou talvez nenhuma.
De acordo com a famosa equação E = mc2 de Einstein, a matéria e a energia são
equivalentes (c2, o quadrado da velocidade da luz, é apenas um fator de conversão). Isso
nos permite somar uma com a outra e falar do conteúdo total de matéria-energia do
Universo. Há uma enorme quantidade de matéria no Universo. Pode-se dizer o mesmo da
energia. Porem a maior parte da energia é negativa. Ao que saibamos, as duas quantidades
são aproximadamente iguais. Soma-las é como somar +1 com –1 e chegar a zero.
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A maior parte da energia do Universo é gravitacional. A gravidade é muito mais fraca do
que as outras forças conhecidas, mas é a única que atua a grandes distâncias. Podemos
desprezar toda a energia térmica do Universo, bem como a energia eletromagnética, a
energia dos núcleos radioativos e assim por diante, porque elas apenas fazem contribuições
minúsculas para o total.
Todos os corpos que gravitam no Universo atraem todos os demais, e a gravidade age de
uma miríade de maneiras diferentes. Nossa galáxia e as que lhe são próximas estão sendo
arrastadas, atualmente, para um aglomerado massivo de galáxias, conhecido como o grande
atrator, a uma velocidade de centenas de quilômetros por segundo.
Quando se subtrai um numero grande de outro, pode haver um resultado pequeno, mas
finito. [Estranho. O próprio autor em seu livro Uma breve historia do infinito, demonstra
que um número infinito subtraído de outro número infinito resulta em outro numero
infinito. A menos que para ele “um numero grande” neste caso não seja um “numero
infinito” mas aí teremos um problema de definir o que é um “número grande” com razoável
precisão para que a subtração dê “um resultado pequeno, mas finito”.]
O que tudo isto quer dizer é que ninguém pode provar que o Universo seja um “grande
nada”, no qual a matéria positiva e a energia negativa se equilibram com exatidão. Mas é
bem possível que ele o seja.
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Para Hawking o Universo talvez não tenha tido começo: pode ter-se originado no tempo
imaginário. [Imaginário é usado no sentido matemático como o “i”, numero imaginário que
é a raiz de quadrada de –1, ou seja, i x i = -1).
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Os cientistas falam de espaço-tempo, simplesmente, porque considerar o espaço ou o tempo
em si implicaria deixar de fora um ingrediente essencial.
Até o presente, não existe nenhuma teoria capaz de descrever o que aconteceu no momento
da criação do Universo.
82
Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Oersted, convencido de que havia alguma
relação entre a eletricidade e o magnetismo, descobriu que, quando se colocava uma
corrente elétrica num fio, ele desviava a agulha de uma bússola colocada em suas
imediações e, com isto, demonstrou que uma corrente elétrica produzia um campo
magnético.
Em 1845, o físico britânico Michael Faraday, conseguiu demonstrar que um campo
magnético era capaz de influenciar o comportamento de um feixe de luz.
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O calor é uma propriedade das moléculas em movimentação rápida. Quanto mais um objeto
se aquece, mais depressa se movem as moléculas de que é composto.
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Ninguém entendeu o que realmente significava a mecânica quântica e ninguém entende
hoje.
Ninguém sabia qual era a força que mantinha unidas as partículas do núcleo. A única coisa
evidente era que não podia tratar-se do eletromagnetismo. As forças eletromagnéticas
fazem os prótons de carga positiva repelir-se, e não aderir uns aos outros. As cargas iguais
Provocam repulsão, enquanto as cargas elétricas opostas se atraem. Tinha de haver alguma
coisa que superasse a repulsão elétrica dos prótons.
A partir de 1932, com o descobrimento de várias outras partículas como nêutron, pósitrons
(elétrons de carga positiva), os físicos começaram a perceber que havia mais coisas no
mundo subatômico do que eles haviam suposto.
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A gravidade também é explicada pela troca de partículas hipotéticas, chamadas grávitons.
Ao contrário dos fótons,que ao menos podem ser vistos quando são emitidos sob a forma
de luz, os grávitons nunca foram observados.
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Hoje, os físicos ainda acreditam que existem 4 forças fundamentais:
1. a força da gravidade (a mais fraca)
2. a força eletromagnética
3. a força de interação nuclear forte (1039 vezes mais intensa do que a gravidade mas
com alcance muito restrito, a cerca do diâmetro de um núcleo atômico sua
intensidade cai rapidamente para zero)
4. a força de interação nuclear fraca (tem alcance maior, aproximadamente equivalente
ao diâmetro de um átomo que é umas cem vezes maior do que o diâmetro nuclear).
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O acelerador de partícula instalado no estado de Illinois tem diâmetro superior a 1,6
quilômetros.
CERN: Centre Européen pour la Recherche Nucléaire ou Centro Europeu de Pesquisa
Nuclear. É uma instituição internacional, com sede na Suíça, mantida por várias nações
européias.
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As ultimas contribuições importantes de Einstein para a física foram feitas em 1924/25.
Depois disso, ele ficou obcecado com a busca do que a maioria de seus contemporâneos
julgava ser uma quimera.
Quando a massa de um corpo é duplicada, a força gravitacional que ele exerce sobre outros
corpos também se multiplica por dois. (...) A relatividade geral é tão complicada,
matematicamente, que nunca se encontraram soluções gerais para as equações de Einstein.
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Na relatividade, continua a haver apenas 3 dimensões espaciais. A 4ª dimensão é o tempo.
A razão de os físicos falarem em espaço-tempo é que, na realidade, o espaço e o tempo
interagem.
Einstein sempre foi cético em relação à mecânica quântica. (...) O que suscitava a objeção
de Einstein era a idéia de indeterminismo inerente a essa teoria. (...) Vez após outra,
Einstein inventava uma linha de raciocínio que parecia mostrar que a teoria da mecânica
quântica não podia estar certa. Vez após outra, Bohr encontrava uma resposta. Hoje em dia,
a opinião geral é que Bohr venceu a discussão. Mas a convicção de Einstein não se deixou
abalar. Até a morte, ele insistiu em que “Deus não joga dados com o Universo”.
Uma vez que toda matéria tem massa, inclusive os quarks, é possível criar partículas a
partir da energia.
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Os quarks são muito menores do que os comprimentos da luz visível. Logo, não têm cor.
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Toda partícula conhecida tem o que se conhece por antipartícula. Assim, é possível
conceber um tipo de matéria em que os pósitrons orbitariam núcleos contendo antiprótons
de carga negativa e antinêutrons neutros (sim, existe um antinêutron, embora ele tenha a
mesma carga zero do próprio nêutron). A presença de antimatéria não é observada em
nosso Universo e as GUTs (Grandes Teorias Unificadas) fornecem uma explicação
plausível para esse fato.
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As cordas são 1020 vezes menores do que um núcleo atômico, que tem um diâmetro
aproximado de 10-13 centímetros.
124
Quanto menor é um objeto, maior é a quantidade de energia necessária para observa-lo.
Lembre-se de que foi preciso um acelerador de 3,2 quilômetros de comprimento para dar
aos elétrons energia suficiente para que os físicos pudessem enxergar o interior dos prótons
e confirmar a existência dos quarks. No caso das supercordas, a situação era muito pior.
Alguns cálculos simples mostraram que, talvez, nem mesmo um acelerador de partículas do
tamanho de nossa galáxia conseguisse gerar energia suficiente para observa-las.
125
A idéia para alguns cientistas era que, se fosse descoberta uma teoria de sucesso que
unificasse todas as quatro forças da natureza, ela seria uma teoria de tudo. A física inteira,
em principio, poderia ser reduzida a ela.
É possível que nunca se descubra uma teoria de tudo. Ao que saibamos, a realidade física
pode ser como as camadas de uma cebola, Se conseguirem penetrar nas primeiras, os
físicos talvez descubram que existem inúmeras outras.
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Certos físicos chegaram até a descobrir uma teoria de doze dimensões em que há duas
dimensões temporais. Não está nada claro o que significa existir mais de uma dimensão de
tempo, mas isso é o que resulta da matemática.
Convém lembrar que na geometria euclidiana ensinada no curso médio, a linha é concebida
como algo sem largura, em analogia com o ponto, que não tem nenhuma dimensão.
132
Se a natureza não tivesse os seus mistérios, a ciência não existiria.
139
A astrologia, a história marxista e a psicologia freudiana não eram ciências, porque era
impossível provar a falsidade de suas teorias.
Einstein convenceu-se da exatidão de suas teorias muito antes que fosse possível realizar
qualquer teste experimental.
A criatividade dos grandes cientistas revela-se estranhamente semelhante à dos grandes
artistas. A única diferença fundamental é o campo em que funciona essa criatividade.
154
Demonstrou-se que o nêutron realmente pode mover-se em duas trajetórias ao mesmo
tempo, como prevê a teoria, e que um átomo pode ocupar duas posições de uma só vez.
156
Existem teoremas que afirmam que, independentemente do que o Universo esteja fazendo
agora, em sua origem ele deve ter-se encontrado num estado em que toda a sua matéria
estava comprimida num único ponto matemático, desprovido de dimensões. (...) [mas]
quando uma teoria prevê a existência de uma quantidade infinita, isso costuma ser tomado
como um indicio de que há algo errado na teoria. (...) A teoria da relatividade geral deixa de
ser aplicável quando as densidades de massa tornam-se muito altas. Portanto, não há razão
para crer que os infinitos previstos por ela seriam reais.
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Os quarks eram originalmente um conceito puramente teórico. Sua existência só foi
confirmada anos depois de se haver proposto essa idéia.
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Mesmo depois de Wood demonstrar que os raios Não eram uma ilusão, muitos cientistas
franceses continuaram a aceitar os resultados de Blondlot. Alguns chegaram até a dizer que
só os cientistas franceses tinham a sensibilidade visual para enxergar os fenômenos
produzidos por esses raios. Os sentidos dos cientistas anglo-saxões, disseram eles, tinham
sido embotados pela exposição à neblina inglesa, enquanto os dos pesquisadores alemães
eram embotados pelo consumo excessivo de cerveja.
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Na homeopatia, em muitos casos, a diluição é tão grande que não resta um só átomo da
substância supostamente terapêutica.
174
(...) julgamos mais convincentes os produtos da imaginação humana do que as coisas
que observamos.
179
A natureza da indução é um velho problema filosófico, que nunca foi realmente
solucionado. Se eu observar mil corvos e constatar que todos são negros, ainda assim não
poderei ter certeza de que o milésimo primeiro não será branco. Mas se eu estudar a
genética da cor dos corvos, provavelmente descobrirei que tenho boas razoes para crer que
a milésima primeira ave também será negra. (...) Em geral a simples observação não nos
leva a parte alguma. É a imaginação criativa que amplia nossa compreensão, descobrindo
ligações entre fenômenos aparentemente não relacionados e formando teorias lógicas e
coerentes para explica-las.
182
Respondendo a uma pergunta sobre suas crenças religiosas, Einstein respondeu que
acreditava no “Deus de Espinosa, que se revela na harmonia de tudo o que existe, e não
num Deus que se interesse pelo destino e pelos atos dos homens”.
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O físico Richard Feynman, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, desenvolveu uma
interpretação baseada na soma das historias. Segundo ele, um elétron que vai do ponto A
para o ponto B perfaz todas as trajetórias possíveis entre os dois pontos. Mas nem todas as
trajetórias possíveis são iguais; a probabilidade de algumas anula a de outras. As idéias de
Feynman e Bohr podem ser usadas para interpretar os mesmos fenômenos. As previsões
quantitativas produzidas pela teoria são idênticas em ambos os caos. (...) Há também uma
interpretação da mecânica quântica baseada em muito mundos, segundo a qual um novo
Universo alternativo é criado a cada vez que uma partícula tem que fazer tal ou qual
escolha.
Trabalhos teóricos e resultados experimentais mostram que, se quisermos abandonar a idéia
de que o mundo subatômico é intrinsecamente probabilístico, será necessário aceitar idéias
ainda menos palatáveis. Em particular, mostrou-se que, se a mecânica quântica não fosse
uma teoria completa, deveria ser possível enviar sinais que se propagassem mais depressa
do que a velocidade da luz. Ora, se isso fosse possível, também deveria ser viável mandar
sinais do futuro para o passado.
191
O que é criatividade? O talento musical e o talento para a matemática costumam andar de
mãos dadas.
Os físicos costumam fazer suas contribuições mais importantes quando são muito jovens.
Einstein tinha 26 anos ao publicar seus artigos sobre a teoria da relatividade especial.
Newton tinha aproximadamente a mesma idade ao descobrir sua lei da gravitação. À
medida que envelhecer, os físicos teóricos [e o ser humano em geral] costumam exibir uma
queda acentuada da criatividade.
194
Quando o desejam, os seres humanos provavelmente são capazes de enxergar paralelos
entre qualquer par de coisas, por mais dessemelhantes que sejam.
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De acordo com os matemáticos kantianos, as idéias matemáticas não são descobertas, mas
criadas pelos seres humanos. O filósofo setecentista alemão Immanuel Kant acreditava que
o mundo era essencialmente incognoscível e que conceitos como espaço e tempo existiam
tão-somente na mente humana.
Mas... um campo magnético é mais do que uma idéia abstrata. É algo cuja presença pode
ser detectada por qualquer pessoa que disponha de um rolo de fio e algum tipo [o de
instrumento capaz de detectar pequenas correntes elétricas. Só rolo de fio for colocado
entre os dois pólos de um imã, será formada uma corrente elétrica. (...) É possível até
observar partículas atômicas a olho nu, uma vez que elas produzem minúsculos clarões
numa tela fluorescente ao atingi-la e fica muito difícil negar que alguma coisa deve ter
batido na tela.
Os átomos isolados podem ser vistos com um instrumento chamado microscópio de
varredura eletrônica, e é possível fazer experimentos em que partículas individuais são
isoladas e estudadas.
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Há muito se sabe que é possível criar partículas subatômicas a partir da energia pura – a
energia um raio gama, por exemplo. Quando isso acontece, a energia desaparece e surge em
seu lugar um par partícula=antipartícula. Por exemplo, as duas novas partículas podem ser
um elétron e um pósitron. O pósitron é a antipartícula do elétron. Ele e o elétron têm a
mesma massa, porem o pósitron tem carga elétrica positiva, enquanto a do elétron é
negativa.
Ora, a mecânica quântica é uma teoria que descreve a realidade subatômica em termos de
incertezas. Segundo o princípio da incerteza de Heisenberg, a posição e o momento (ou
velocidade, já que momento = massa x velocidade ) de uma partícula não podem ser
determinados ao mesmo tempo.
205
Em 1978, 4 físicos belgas sugeriram que o Universo poderia ter começado pela criação de
um único par partícula-antipartícula.
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Os físicos teóricos poderão acabar decidindo que as supercordas decadimensionais não
existem, afinal. Atualmente, alguns deles preferem a teoria de que os componentes básicos
da matéria são, na verdade, objetos de 12 dimensões, chamados membranas.
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Suponhamos que a vida eletrônica artificial viesse a desenvolver inteligência por meio da
seleção natural. Não haveria garantia de que essa inteligência seria semelhante à nossa. Na
verdade, poderia ser tão diferente que teríamos dificuldade de compreende-la ou,
possivelmente, até de reconhece-la.
No momento em que escrevo, o biólogo Tom Ray e outros cientistas estão criando
organismos artificiais projetados para viver na Internet. Eles podem mover-se de um
computador para outro, ao explorarem seu novo ambiente mundial. Ray e seus colegas
esperam que a riqueza do meio permita que a evolução atinja altos níveis de complexidade,
que acabem levando à evolução da inteligência.
O programa de Ray para Windows pode ser obtido em
www.hip.atr.co.jp/~ray/tierra/tierra.html.
Ou no site do Instituto Santa Fé em www.santafe.edu