Gratidão cósmica

Devemos agradecer à Terra, planeta único e vivo, por nos permitir existir, apesar dos nossos abusos

ESSA SEMANA, É celebrado o Dia de Ação de Graças aqui nos EUA.

Historicamente, ele celebra a gratidão dos imigrantes ingleses que, se não fossem os nativos de Massachusetts, teriam morrido de fome. Na prática, comemora-se a colheita de fim de verão com muita comida, inclusive peru ao forno (consumido por 45 milhões de pessoas na data).

Mas, aqui na coluna, gostaria de dar graças mais globais. Começando com o Universo.

São umas 200 bilhões de galáxias, com umas 200 bilhões de estrelas cada. Boa fração tem planetas girando à sua volta, muitos deles com luas. Ao todo, são trilhões de mundos, cada um com sua história.

O que existe além do espaço? O que ocorreu antes do Big Bang? As medidas atuais (lembre-se que conhecemos apenas o que podemos medir; o resto pode ser divertido de comentar em conversas, mas é apenas especulação) indicam que o espaço é plano. Ou seja: continua para sempre, em todas as direções.

Temos certeza disso? Não. Tudo o que podemos dizer é que a porção do espaço que conseguimos medir, delimitada pela distância viajada pela luz desde o Big Bang, há 13,7 bilhões de anos, tem geometria plana ou muito próxima disso.

Imagine uma praia e o horizonte à distância. Sabemos que o mar não termina lá, apenas o que podemos ver dele. O mesmo com o espaço.

Sabemos que as leis da física e da química valem por todo o espaço.

Podemos dizer a composição de uma estrela sem irmos até lá. Podemos explicar como as primeiras galáxias nasceram há bilhões de anos. Quando olhamos para os céus, olhamos para o passado. Quanto mais distante no espaço, mais para trás no tempo. O cosmo é uma máquina do tempo. Quem disse que não existe mágica em ciência?

E o tal "começo"? Não sabemos, mas conhecemos a história cósmica até um trilionésimo de segundo após o "Bang". Nada mau para apenas 400 anos de ciência.

Sabemos também que não faz sentido perguntar o que ocorreu "antes" do Big Bang. Quem era você antes de nascer? Não existir significa não existir no tempo. Santo Agostinho já dizia, uns 16 séculos atrás: o tempo e o espaço surgiram com a criação. Ah, se as coisas fossem assim tão simples...

Hoje, alguns especulam que nosso cosmo é parte de uma entidade muito maior, o multiverso, que representa todas (ou quase?) possibilidades cósmicas. Em alguns, as leis da física podem ser diferentes e a vida como a conhecemos, seria impossível. Portanto, agradeça ao Universo, um dos poucos com propriedades certas para gerar estrelas, planetas e, em alguns deles, vida.

Mas vá com calma! Ao contrário do que tantos afirmam, o Universo não dá a mínima bola para a vida. Basta olhar para nossos vizinhos, planetas mortos e desolados.

Tire nossa atmosfera, nossa camada de ozônio e campo magnético, e a Terra se transformaria num deserto sem vida. (Ao menos vida complexa. Talvez algumas bactérias pudessem existir ainda.) Portanto, não é tanto ao Universo que devemos agradecer, mas à Terra, nosso planeta vivo, único. Devemos todos, coletivamente, dar graças ao nosso mundo: por nos permitir existir e pela sua tolerância, apesar dos nossos abusos. Poucas mães seriam assim tão pacientes.

Outra conversa sobre o tempo

Extrapolando a expansão do Universo até seu início, existe um ponto em que não há como definir o tempo

AGORA QUE o livro do Zuenir Ventura e do Luís Fernando Veríssimo, "Conversa sobre o tempo", está nas livrarias, não consegui resistir. Peguei emprestado o título para termos aqui um outro tipo de conversa sobre o mesmo tópico.

O tempo significa muitas coisas diferentes. E, por falar nisso, adianto que o próximo livro da série "Conversa sobre..." será uma conversa minha com o precioso Frei Betto, mediada por Waldemar Falcão. O tema será "Conversa sobre a fé". Mas isso é coisa para o final do ano.

Enquanto esse livro não chega, gostaria hoje de retomar um tema científico, sobre a origem do tempo.

Uma das consequências mais diretas do Big Bang é que o Universo teve origem em um instante específico do passado. Isso se deu há cerca de 13,7 bilhões de anos.

Uma das indicações mais óbvias disso é a expansão do Universo: o fato de as galáxias estarem se afastando umas das outras.

Portanto, passando o filme ao contrário, chegamos em um instante em que todas elas estão comprimidas em um único ponto. Esse é o momento da criação. E, portanto, o momento em que surge o tempo.

O problema é que essa descrição não funciona. Infelizmente, ao nos aproximarmos desse momento crítico, a teoria que usamos para descrever a expansão do espaço (a teoria da relatividade geral de Einstein) deixa de fazer sentido.

Chegamos à "singularidade", onde toda a matéria estaria comprimida em uma região de proporções não tão diferentes de um átomo.

Com isso, a teoria de Einstein, que trata do espaço e do tempo como entidades contínuas e bem comportadas, precisa ser suplantada por conceitos da física quântica, que trata dos átomos e das partículas elementares da matéria. Aí a coisa fica feia.

Na teoria de Einstein, a gravidade é descrita como consequência da curvatura do espaço. A presença de uma massa, seja ela o Sol, você ou uma bola de tênis, deforma o espaço ao redor e afeta a passagem do tempo. Quanto mais matéria, maior a curvatura do espaço e mais lenta a passagem do tempo. Um relógio no Sol bate mais devagar do que na Terra. Os efeitos são bem pequenos.

Quanto tentamos "quantizar" a gravidade, temos de supor que, tal como no caso dos átomos, as mesmas estranhas regras se aplicam: no mundo do muito pequeno, tudo flutua, nada fica parado.

Se você imaginar o espaço como uma membrana, feito o topo de um tambor, isso significa que ele vibrará de várias formas e o que ocorre aqui não é o que ocorre ali.

O mesmo com o tempo. Ele não flui mais continuamente. Como a era quântica do Universo veio antes da era clássica (explicada pela teoria de Einstein), temos de supor que, nessa situação inicial onde tudo flutuava, o tempo usual não existia.

Se extrapolarmos a expansão do Universo até o seu início, chegamos a um ponto em que não podemos definir o tempo de modo familiar.

Aliás, como disse já Santo Agostinho, o tempo e o espaço surgem com a criação. Na física, o tempo e o espaço einstenianos, contínuos e bem comportados, surgem na transição da era quântica à era clássica. E como o Big Bang é precisamente o evento que marca a passagem do universo da era quântica para a era clássica, é ele também que marca o nascimento do tempo.



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A harmonia (da Copa) do mundo

Espero que na Copa em 2050 o Brasil continue sendo líder no futebol e seja o novo líder na ciência

Agora que o Brasil se classificou para a segunda rodada da Copa (como escrevo antes do jogo com Portugal, não sei se em primeiro ou em segundo grupo), está na hora de darmos uma relaxada e refletirmos um pouco sobre futebol e esportes em geral.

Os gregos foram os primeiros a sacar que esportes unificam populações. Se a poesia épica de Homero não funcionava por si só para unificar as cidades-estado num império homogêneo, use os esportes como complemento. Assim nasceram as Olimpíadas, em torno de 776 a.C.

Atletas das diversas cidades-estado e reinos espalhados pela costa do Mediterrâneo competiam entre si a cada quatro anos. Durante os jogos, guerras entre as cidades-estado eram suspensas. Já então, os esportes eram um excelente modo de sublimar o apetite pela guerra.

Esportes são guerras controladas. Um mundo sem esportes seria bem mais caótico. Adoro esportes em geral e futebol mais ainda. Nos meus tempos, fui um jogador bem razoável, se bem que de...vôlei. Cheguei até a ser campeão brasileiro, junto ao Bernardinho.

Mas, vendo os jogos, e, mais importante, a torcida, como não pensar em guerras tribais? Especialmente com as caras pintadas, os uniformes, as bandeiras, a testosterona elevada, as brigas entre torcedores e entre jogadores, as indignações que a pobre mãe do juiz sofre...

Interessante que o mesmo ocorre em jogos contra times locais. Não é só país contra país. É num Fla-Flu, Corínthians e São Paulo, Barcelona e Real Madri, Everton e Manchester United...as guerras são tão intensas quanto nos jogos internacionais. Esportes representam nossas várias alianças tribais: clube, Estado, país. Durante a Copa, torcedores de clubes diferentes se esquecem das disputas e vestem com orgulho a camisa do seu país.

Durante um mês o país é o foco principal, do mesmo modo que entre os gregos: as cidades-estado são os países e o império é o mundo.

O poder da Copa como unificador global é realmente impressionante. O mundo inteiro grudado nas TVs, nos rádios e, desta vez, graças à frota de satélites de telecomunicação, nos telefones celulares também. A tecnologia leva a Copa aos quatro cantos do planeta.

Nenhum outro evento mundial tem o poder de focar tanta gente de culturas, religiões e realidades sociais completamente diferentes.

Lembro a primeira Copa a que assisti, a de 1966, numa TV PB a válvulas, que demorava 30 segundos para "esquentar". O homem não havia ainda pousado na Lua, os Beatles ainda tinham cabelos curtos, o modelo do Big Bang acabava de ser confirmado, se bem que eu, com sete anos, não sabia de nada disso.

O mundo mudou muito. A população mundial mais do que dobrou. A Guerra Fria acabou. A economia global é uma coisa só, a falência de um país afeta o mundo inteiro. Controlamos o buraco de ozônio, mas temos muito a fazer para controlar as emissões de CO2. Talvez estejamos vendo o início de uma mudança de atitude global, uma nova relação de sustentabilidade com o planeta.

Espero que na Copa de 2050, quando estaremos assistindo à final em hologramas tridimensionais em casa, o Brasil continue sendo o líder do futebol e seja o novo líder da ciência, e que tenhamos aprendido a viver em sintonia com a Terra.

A "máquina do Big Bang"

LHC pode ajudar a separar a ficção dos fatos, o objetivo da ciência

Bem, não é exatamente a máquina do Big Bang, mas chega perto. Semana passada, físicos de dezenas de países trabalhando no Cern (Centro Europeu de Física Nuclear) conseguiram colidir prótons a velocidade próxima à da luz.
 

O Grande Colisor de Hádrons (LHC), a maior máquina já construída na história da civilização, consiste em um túnel circular de 27 km de circunferência, enterrado 100 metros no subsolo. Feixes de prótons viajam nos sentidos horário e anti-horário, e são forçados a colidir através da ação de magnetos extremamente potentes. As colisões literalmente transformam energia em matéria, de acordo com a famosa equação E=mc2: a energia de movimento dos prótons é transformada em inúmeras partículas, os tijolos fundamentais da matéria. Por isso, os físicos tentam atingir energias cada vez mais altas: quanto maior a energia de movimento, mais pesadas as partículas que podem surgir da colisão.
 

O LHC acaba de quebrar o recorde de energia, alcançando o incrível valor de 7 trilhões de elétron-volts, equivalente à energia armazenada na massa de 7 trilhões de prótons. Seu concorrente, o Tevatron do laboratório americano Fermilab, atinge "apenas" 1 trilhão de elétron-volts.
 

As energias atingidas são equivalentes às que existiam a um trilionésimo de segundo após o Big Bang. Daí a qualificação de máquina do "quase" Big Bang. Incontáveis teses de doutorado e carreiras inteiras foram dedicadas à sua construção, que levou 16 anos e custou US$ 10 bilhões. A esperança é que os dados que serão produzidos pelo LHC resolvam alguns dos mistérios mais profundos da física atual. (E gerem muitas aplicações tecnológicas.) A lista de resultados ansiosamente aguardados é extensa, mas eis os mais importantes, em ordem crescente de especulação:
 

1) Encontrar a partícula de Higgs, que supostamente dá massa a todas as outras partículas que existem, do familiar elétron aos menos familiares quarks. (Claro, ainda não saberemos como o Higgs ganha a sua massa, mas esta é uma outra questão...) Se o Higgs for encontrado, confirmará teorias propostas há mais de 40 anos. Se não for, tornará a existência de massa ainda mais misteriosa, o que é uma possibilidade mais interessante.
 

2) Encontrar partículas de matéria escura. Matéria escura, como diz o nome, não produz luz. Alguns tipos de matéria ordinária, como planetas e pessoas, também são escuros, isto é, não brilham sozinhos. Mas a quantidade de matéria escura que inferimos existir no cosmo, cerca de 23% do total, é seis vezes maior do que a de matéria ordinária. Sabemos que existe, pois através da sua gravidade ela influencia a matéria que brilha, como galáxias e estrelas. O LHC pode encontrar o candidato mais popular para a matéria escura. Com isso, confirmaria também a existência da hipotética supersimetria, que dobra o número de partículas que existem, proposta 35 anos atrás. Iniciaria uma caça a essas partículas todas.
 

3) Dimensões extra. Teorias de unificação propõem que as quatro forças que vemos são manifestações de uma só. Em geral, são formuladas em espaços com mais de três dimensões. As supercordas, por exemplo, existem em 9 ou 10 dimensões . O LHC não encontrará essas dimensões, mas pode encontrar traços de sua existência. Dos itens acima, o primeiro provavelmente será resolvido. Os outros dois, ninguém sabe. Uma máquina como o LHC pode ajudar a separar a ficção dos fatos -e esse é o objetivo da ciência. Devemos ter a liberdade de imaginar hipóteses sobre o mundo.

Mas devemos também ter a humildade de aceitar o que a natureza está nos dizendo. Basta ouvi-la.

Anjos e demônios da ciência

No filme, os cientistas são inocentes e os cardeais são sábios

Como não podia deixar de ser, hoje escrevo sobre o filme "Anjos e Demônios", baseado no romance homônimo de Dan Brown.

Para os leitores que não tiveram a oportunidade de assistir ao filme ou ler o livro, a narrativa trata de um complô para assassinar a cúpula da Igreja Católica durante a escolha de um novo papa. Uma bomba extremamente poderosa foi escondida em algum lugar da famosa basílica de São Pedro, no Vaticano, e irá explodir, a menos que nosso herói, o professor de Harvard especialista na interpretação de símbolos Robert Langdon (Tom Hanks), consiga desvendar uma série de mistérios e pistas.

A bomba, e aqui entra o tema principal do filme, é um artefato que usa uma amostra de antimatéria criada pelos cientistas do Cern, o centro europeu de física de partículas, a casa do LHC, o gigantesco colisor de partículas que deverá entrar em funcionamento em alguns meses. O filme retrata o conflito entre os magistérios que supostamente disputam o domínio da sociedade: a religião e a ciência.

A cena inicial se passa no templo da ciência, onde os seus sacerdotes, os cientistas do Cern, preparam-se para acionar a maior máquina já construída na história. A bela física italiana Vittoria Vetra (Ayelet Zurer) e seu colega, um padre físico (vejam que essa união não é impossível), planejam isolar um pouco de antimatéria.

O ponto é que antimatéria é extremamente rara: o Universo é composto quase exclusivamente de matéria, os átomos formados de partículas elementares como elétrons e quarks (componentes dos prótons e nêutrons). Ainda bem. Partículas de matéria desintegram-se imediatamente quando entram em contato com partículas de antimatéria, transformando-se em raios gama, uma forma de radiação eletromagnética de altíssima energia. Se você apertasse a mão da sua antipessoa, o Brasil desapareceria em instantes.

A bomba que ameaça destruir o Vaticano é feita de antimatéria, roubada do experimento no Cern. No livro, fica claro que a intenção dos físicos é recriar o Big Bang, o momento da criação, transformando mistério em ciência. O padre físico quer provar que Deus existe; os cientistas, que a ciência explica até mesmo o mistério da criação sem a necessidade de interferências sobrenaturais. No meio tempo, a liderança da Igreja Católica pode desaparecer do mapa: o fim da religião pelas mãos da ciência.

Não vou contar o que acontece no filme, para não estragar a surpresa.

Mesmo que o enredo não faça muito sentido do ponto de vista científico, Dan Brown consegue trazer o conflito entre ciência e religião ao grande público, o que acho notável.

Infelizmente, no filme vemos uma tendência a manter estereótipos que me parecem injustos. Existe uma aura de inocência nos cientistas e de sapiência nos cardeais, como se cientistas fossem imaturos e irresponsáveis perante a autoridade moral da igreja.

O templo da ciência parece um brinquedo perante o majestoso templo da igreja. (E, em termos de beleza, não há mesmo o que comparar. Mas a questão aqui é a função de cada um.)
Mas o que define a sociedade moderna? Os "brinquedos" digitais da ciência ou a moral ancestral da religião?

A sabedoria e a moralidade não são província exclusiva da religião. Muitas pessoas sábias e altamente morais não são religiosas. Todos sabem que matar é errado (mesmo que as religiões se esqueçam disso com frequência), e a maioria sabe que devemos amar o nosso próximo. Os desafios que enfrentaremos ao longo deste século, do aquecimento global à crise de energia, serão resolvidos nos templos da ciência e não nos belos templos da religião.

Expansão do Universo

Não existe um lado de fora, o que ocorre é que mais espaço vai sendo criado

Pelas minhas contas, essa é a coluna número 600. Acho que a ocasião merece ser celebrada.
Como são vocês, meus leitores, que mantêm a coluna viva, resolvi escrever sobre um tema que, com frequência, recebo pedidos para abordar de novo: a expansão do Universo.

Dentre as perguntas mais comuns, aqui vão duas das mais populares: se o Universo está em expansão, o que existe do "lado de fora"? Mais Universo? A outra: se o Universo está em expansão, onde fica o centro? Somos nós o centro de tudo? (Deixo outras perguntas para futuras colunas.)

Para começar, o que significa dizer que o Universo está em expansão? Quando ouvimos isso, a imagem que imediatamente vem à mente é a de uma bomba explodindo: do centro da explosão, pedaços de matéria voam em todas as direções.

Essa imagem intuitiva -sem dúvida inspirada pelo nome "Big Bang", dado ao evento que marca a origem do Universo- não tem nada a ver com a expansão cósmica! E causa muita confusão. Quando uma bomba explode, os pedaços voam pelo espaço, se distanciando uns dos outros cada vez mais. O espaço, palco onde ocorreu a explosão (e todos os outros fenômenos naturais), permanece fixo.

Com o Universo, a situação é completamente diferente. O espaço não é mais rígido. É ele que estica com a expansão, como se fosse uma tira elástica. Imagine, então, uma tira elástica bem larga, onde você distribui uma porção de moedas, que são as galáxias.

Esse é o nosso modelo do Universo, em duas dimensões. (A banda elástica tem duas direções, norte-sul e leste-oeste. O espaço em que vivemos tem três, as duas e uma para cima e para baixo. Mas é mais fácil visualizar as coisas só em duas dimensões.) No Universo-elástico, a expansão do espaço equivale ao estiramento da tira elástica. E o que ocorre?

As moedas (galáxias) são carregadas pela expansão da tira elástica. Elas não "voam" como pedaços de dinamite, mas pegam carona no espaço que vai estirando cada vez mais. À medida que isso ocorre, as galáxias vão se distanciando. A expansão do universo é uma expansão do espaço.

O que nos leva à primeira pergunta.

O que existe do "lado de fora"? A resposta é talvez surpreendente: não existe um lado de fora; mais espaço vai sendo criado à medida que a expansão vai ocorrendo. Vamos imaginar que nossa tira elástica é um balão de aniversário, uma esfera. No nosso Universo reduzido a duas dimensões, vivemos na superfície desse balão, em uma das moedas-galáxia, como amebas bidimensionais.

No balão, todos os pontos são equivalentes. O que vemos durante a expansão? Em 1929, Edwin Hubble (cujo nome foi dado ao nosso querido telescópio) mostrou que as galáxias se afastam umas das outras com velocidades que crescem com a distância.

Voltando ao balão, cada galáxia verá a mesma coisa, as outras galáxias se afastando. O balão vai esticando e crescendo, as galáxias vão se afastando e mais espaço vai aparecendo entre elas. Nesse Universo-balão, não existe um "lado de fora"; só existe o balão.

Isso é difícil de visualizar porque sempre insistimos de ver o balão de longe, "de cima", de uma terceira dimensão. Para digerir isso, temos que imaginar que vivemos na superfície do balão, como amebas bidimensionais. Nada de pular pra cima!

Podemos agora responder à segunda pergunta: no balão, todos os pontos são equivalentes; a população de amebas de cada galáxia verá as outras se afastando dela e se achará o centro de tudo. A expansão do Universo não tem um centro; é a mais plena democracia geométrica, onde nenhum ponto é mais importante do que os outros.

Mapeando a Criação

Decolam em maio dois telescópios que prometem revolucionar a astronomia

Estamos prestes a ver detalhes da criação do cosmo. Parece pseudociência mas não é. Dia 6 de maio, um foguete Ariane-5 da Agência Espacial Europeia decolará com uma carga preciosa: o telescópio de infravermelho Herschel e o telescópio de micro-ondas Planck, que prometem revolucionar nosso conhecimento do Universo. Nada mais apropriado para o Ano Internacional da Astronomia.

O Herschel, batizado em homenagem ao astrônomo que descobriu Urano, em 1781, terá um espelho de 3,5 metros de diâmetro, o maior já posto em órbita. Como comparação, o espelho do famoso Telescópio Espacial Hubble tem 2,4 metros. Entre outras coisas, seu objetivo é capturar a radiação emitida por objetos extremamente distantes, as primeiras galáxias e sua subsequente evolução.

Vale lembrar que, em astronomia, quanto mais distante o objeto, mais antigo ele é. Isso porque a luz emitida por uma estrela ou por uma nuvem de gás precisa viajar até nós, o que toma tempo. Mesmo que a luz e todos os outros tipos de radiação eletromagnética viajem à incrível velocidade de 300 mil quilômetros por segundo, as distâncias cósmicas são tão imensas que a luz leva tempo para viajar de uma fonte até nós. O Sol, por exemplo, está a 8 minutos-luz de distância da Terra: a luz demora 8 minutos de lá até aqui.

Andrômeda, a galáxia mais próxima de nós, está a 2 milhões de anos-luz: a luz que vemos agora saiu de lá há 2 milhões de anos. Portanto, olhar para o espaço é viajar para o passado, a única máquina do tempo que conhecemos. Quanto mais poderoso o telescópio, mais no passado mergulhamos.

O telescópio Herschel será capaz de captar a radiação vinda das primeiras estrelas, formadas milhões de anos após o Big Bang, o evento que marca a origem do Universo. Será, também, capaz de estudar o nascimento de estrelas mais recentes, juntamente com os seus planetas. Portanto, veremos o nascimento de outros sistemas estelares, aprendendo como o nosso próprio Sistema Solar nasceu.

Ao vermos outras estrelas nascerem, aprendemos sobre as nossas origens. Como informação complementar, o Herschel analisará também a composição química desses berços estelares, bem como de nuvens de matéria espalhadas pelo cosmo. Se somos formados de poeira das estrelas -nosso carbono, ferro e oxigênio são restos de explosões estelares que ocorreram há bilhões de anos- poderemos compreender como essa poeira é formada e espalhada pelo espaço sideral. Não veremos a nossa Terra nascer, mas veremos outras.

A missão Planck nos remete ainda mais para o passado cósmico. Seus detectores serão capazes de captar com precisão dez vezes maior do que a de missões anteriores o eco da primeira radiação liberada no Universo, datando do nascimento dos primeiros átomos, 380 mil anos após o Big Bang. Imagine um termômetro com precisão de um milionésimo de grau. Com isso, astrônomos e cosmólogos poderão estudar como as maiores estruturas cósmicas foram formadas -berços não de estrelas, mas de galáxias.
Mas o Planck irá ainda mais longe.

Uma das predições da cosmologia moderna é que o cosmo-bebê, com apenas um trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo de idade (10-36 segundo), se expandiu violentamente, a chamada fase "inflacionária". Se isso ocorreu, e os dados que temos indicam que sim, existem sinais que o Planck poderá captar. Os detalhes desses sinais e de suas consequências deixo para a semana que vem. E pensar que são apenas 400 anos desde que Galileu apontou um telescópio pela primeira vez aos céus.

Poucos testemunhos da inventividade humana são tão impressionantes.

Cosmologia de alta precisão

A descoberta de Penzias e Wilson deu início a uma revolução no estudo da cosmologia

A cosmologia, o estudo do Universo e das suas propriedades, sempre teve uma reputação duvidosa entre físicos e astrônomos. A razão principal desse ceticismo é, ou foi, bem razoável: historicamente, a cosmologia foi mais um exercício puramente teórico do que uma ciência experimental, onde ideias são testadas através de observações e experimentos. Durante boa parte do século 20, modelos cosmológicos tentaram, da melhor forma possível, adequar-se aos poucos dados que existiam sobre o Universo em que vivemos. Até meados da década de 1960, nem se podia escolher entre dois modelos rivais, o modelo do estado-padrão -que prevê um Universo eterno- e o modelo do Big Bang -que prevê um Universo com uma idade finita.

As coisas começaram a mudar quando, em 1965, Arno Penzias e Robert Wilson descobriram a radiação deixada quando os primeiros átomos foram formados. Chamada de radiação cósmica de fundo, ela permeia o Universo como o ar que enche um copo vazio. A cada centímetro cúbico de espaço existem cerca de 400 fótons dessa radiação, não muito diferentes dos criados num forno de micro-ondas. A descoberta de Penzias e Wilson deu início a uma revolução no estudo da cosmologia. Para começar, a radiação confirmou o Big Bang como o melhor modelo para descrever o nosso Universo: o cosmo tem um passado, uma data de nascimento. Usando dados modernos, os cientistas estimaram que a radiação tivesse surgido quando o cosmo tinha cerca de 400 mil anos de idade. Ela é um fóssil de uma era muito anterior à do nascimento das estrelas e dos planetas.

A propriedade mais fundamental do Universo é que, desde o seu surgimento, ele está em expansão. Astrônomos estudam a expansão medindo a luz e outras formas de radiação emitidas por galáxias distantes. Combinando medidas das distâncias e das velocidades de afastamento das galáxias é possível determinar a idade do Universo: 13,73 bilhões de anos, com um erro de menos de 1%, um feito sensacional, graças ao telescópio Hubble. O Universo é aproximadamente três vezes mais velho do que a Terra.

A história do Universo pode ser resumida da seguinte forma: de uma infância onde a matéria estava sujeita a temperaturas e pressões altíssimas, o cosmo foi expandindo e se resfriando. Esse resfriamento causou mudanças no comportamento da matéria, levando as partículas elementares a se organizarem em estruturas cada vez mais complexas: núcleos atômicos com prótons e nêutrons; átomos; moléculas; galáxias; estrelas; elementos químicos pesados; planetas; vida.

De minúsculas flutuações na temperatura da radiação cósmica de fundo é possível estudar os detalhes de como nasceram as primeiras galáxias. Tais medidas, com a incrível precisão de um centésimo de milésimo de grau, são feitas por satélites no espaço, como o WMAP, e por detectores voando em balões lançados da Antártida.

As medidas também determinaram a composição material do Universo. E aqui existem ainda muitos mistérios. A matéria comum, da qual somos feitos, consiste em apenas 5% da matéria total. Do resto, 23,3% (com 1,3% de precisão) consiste de "matéria escura", composta de partículas diferentes dos prótons e elétrons. Não sabemos que partículas são essas, se bem que existem muitas candidatas. Mas os últimos 72% são os mais enigmáticos. Descoberta em 1998, essa "energia escura" acelera a expansão cósmica, afastando galáxias ainda mais rapidamente. Muito possivelmente, o estudo da matéria e da energia escura nos levará a mais uma revolução. Mas, para tal, são necessários experimentos ainda mais precisos do que os que temos hoje.

A origem do tempo

No universo quântico, intervalos temporais não têm sentido

Continuando nossa exploração do tempo, nesta semana toco na questão de sua origem. Como começou o tempo? Santo Agostinho tinha duas respostas para quem lhe perguntava o que Deus estava fazendo antes de criar o mundo.

"Estava criando o Inferno para pôr os chatos que fazem esse tipo de pergunta" era uma delas. (Parece que ele não levava essa muito a sério.) A outra resposta, bem interessante, é que "o tempo surgiu com a Criação". Ou seja, antes de o mundo existir o tempo também não existia. Em linguagem mais moderna, revertemos a questão ao modelo do Big Bang, que diz que o Universo teve sua origem há aproximadamente 14 bilhões de anos.

Quando afirmamos isso, implicitamente supomos que o tempo, como o conhecemos, começou a passar a partir do Big Bang, o evento que marca a origem cósmica. A pergunta clássica que tantos fazem é: "E antes do Big Bang? O que estava acontecendo?" Perfeitamente natural a pergunta.

Afinal, estamos acostumados com o fluir do tempo, com o passado, o presente e o futuro. Se o Big Bang marca a origem do cosmo, ele marca também a origem do tempo. Segundo a teoria da relatividade de Einstein, que descreve as propriedades do tempo e do espaço, devemos pensar em termos de um espaço-tempo, uma entidade que engloba tanto o tempo quanto o espaço. Um não existe sem o outro. Então, se o Big Bang marca a origem do espaço, marca também a origem do tempo. Ou melhor, a origem do espaço-tempo.

Apenas a partir desse conceito podemos definir distâncias entre dois pontos ou intervalos de tempo entre dois eventos. Por que isso?

Essencialmente, a teoria de Einstein deixa de fazer sentido quando nos aproximamos do momento inicial, o t = 0 (tempo igual a zero.) Aí os cálculos dão resultados absurdos. Isso ocorre porque a teoria, como qualquer teoria em física, tem seu limite de validade. Aplicá-la além desse limite gera erros.

Chamamos a teoria de Einstein de teoria clássica. Isso a diferencia de uma teoria quântica, ideal para tratar de estruturas atômicas ou subatômicas. Perto do Big Bang, as distâncias cósmicas eram subatômicas: o Universo, como um todo, tem de ser descrito pela teoria quântica.

Mas o que vem a ser um Universo quântico? Segundo a teoria quântica, estruturas de dimensões subatômicas estão sempre vibrando, como se tivessem um desconforto. Essas vibrações são descritas pelo celebrado princípio de incerteza de Heisenberg, que diz ser impossível medir simultaneamente a posição e a velocidade de uma partícula, como um elétron, com precisão arbitrariamente alta. Há um limite no que podemos saber sobre essas quantidades. Essa limitação de deve à agitação inerente ao mundo quântico.

É inescapável, propriedade da Natureza. Traduzindo isso para o nosso Universo, quando chegamos perto do início, as distâncias espaciais são tão pequenas que o Universo assume dimensões atômicas. Portanto, deve ser descrito pela teoria quântica. Mesmo que não tenhamos ainda uma teoria quântica do espaço-tempo, sabemos que é inevitável que o próprio espaço-tempo flutue violentamente devido à incerteza quântica, como se fosse uma cama elástica enlouquecida. Distâncias espaciais e intervalos de tempo deixam de fazer sentido. Não existe perto e longe, antes e depois.

Nesse mundo, digno de um conto de Jorge Luís Borges, passado e futuro não existem. Todos os instantes coexistem; o próprio tempo pode ir para a frente ou para trás. De repente, dessas flutuações espaço-temporais, surge uma grande o suficiente para ser descrita pela teoria de Einstein. A partir daí, o tempo começa a passar alegremente, marcando a origem de tudo.

Os problemas sobre o cálculo da idade do Universo

MARCELO GLEISER
especial para a Folha

Em 1929, o astrônomo americano Edwin Hubble concluiu, a partir de suas observações, que o Universo está em expansão, com as galáxias se afastando umas das outras com velocidades proporcionais a suas distâncias. Hubble raciocinou que, como as galáxias estão se afastando cada vez mais agora, em algum instante no passado elas estavam praticamente se superpondo. Medindo as velocidades de várias galáxias e as distâncias entre elas, ele concluiu que esse instante ocorreu há cerca de 2 bilhões de anos.

O problema com essa estimativa é que já se sabia que a Terra tinha mais de 2 bilhões de anos. Como ela pode ser mais velha que o Universo? A questão roubou o sono de vários cosmólogos até 1952, quando Walter Baade demonstrou, com medidas mais precisas, que o Universo teria pelo menos 5 bilhões de anos. A idade da Terra hoje é estimada em torno de 4,5 bilhões de anos.
Mas a questão da idade do Universo está longe de ser resolvida. Existem três métodos usados para se estimar a idade do Universo. O primeiro deles é o usado por Hubble e Baade, que estima distâncias entre galáxias remotas e suas velocidades, extraindo delas a idade do Universo.

Em Astronomia, distâncias são estimadas a partir de uma lei que diz que a luminosidade de uma fonte cai com o quadrado da distância. Se temos duas fontes iguais em lugares distintos, sabendo-se a distância até o lugar mais próximo, podemos estimar a distância até o lugar mais distante. Assim, Hubble estimou a distância até a galáxia Andrômeda, que está a aproximadamente 2 milhões de anos-luz do Sol.

Esses "indicadores de distância" são fundamentais para se obter medidas precisas de distância. Em suas observações, Hubble usou um tipo de estrela conhecida como variável Cefeida, cuja luminosidade varia periodicamente. Mas encontrar variáveis Cefeida ou outros indicadores de distância em galáxias muito distantes não é nada fácil. E aí é que começa o problema dos astrônomos modernos. Diferentes indicadores de distância resultam em estimativas diferentes de distância e, portanto, em estimativas diferentes da idade do Universo. Valores atuais variam entre 8 e 25 bilhões de anos!

O segundo método utilizado para se estimar a idade do Universo vem do estudo de aglomerados estelares, conjuntos de milhares de estrelas atraídas entre si pela gravidade. A idéia é que nesses aglomerados podem ser encontradas algumas das estrelas mais velhas que existem. Como nós conhecemos razoavelmente bem como uma estrela se desenvolve queimando seu hidrogênio como combustível, podemos estimar sua idade a partir dos diferentes estágios durante sua evolução. A idade do Universo tem de ser maior do que a idade de suas estrelas mais velhas, ecoando o problema de Hubble com a idade da Terra.

Estimativas da idade desses aglomerados estelares variam entre 10 e 14 bilhões de anos. Finalmente, pode-se usar a "nucleocosmocronologia", que se baseia em medidas da abundância e da produção de isótopos radioativos e em estudos da evolução química de nossa galáxia para se estimar a época de formação dos elementos químicos encontrados no sistema solar. As estimativas indicam uma idade para a Via Láctea de pelo menos 9,6 bilhões de anos, com erros que tendem a aumentar esse valor em mais de 1 bilhão ou 2 bilhões de anos.

O que podemos concluir agora? Que o Universo tem de 10 a 20 bilhões de anos; que problemas com as várias medidas de distância, evolução estelar e abundância isotópica serão, em princípio, resolvidos na próxima década. Que boatos jornalísticos recentes dizendo que o modelo do Big Bang está errado devido a problemas com a idade do Universo não têm sentido. E que a Ciência está longe de progredir em linha reta ou de forma previsível.