A era primordial

AS CINCO IDADES DO UNIVERSO - PARTE 2

PETER MOON

“O Nobel de Física de 2011 foi um prêmio para aquela que é, literalmente, a maior descoberta já feita pela Física - a de que o universo não está apenas se expandindo (o que é sabido desde os anos 1920), mas que a razão da aceleração está aumentando. Alguma coisa, em outras palavras, está estilhaçando o universo”. É com esta frase que a revista Economist abre o seu comentário sobre o Nobel conferido aos físicos Saul Perlmutter (leia aqui minha entrevista com Perlmutter), Brian Schmidt e Adam Riess.

Em 1998, eles descobriram que a expansão do universo, detectada em 1929 pelo astrônomo americano Edwin Hubble, estava acelerando. A “coisa” que estaria estilhaçando o universo convencionou-se chamar energia escura. O adjetivo escura, como Perlmutter me confidenciou, é um eufemismo para substituir a palavra “desconhecida”, pois, decorridos 13 anos da descoberta, ninguém ainda tem a menor ideia do que seria esta quinta força fundamental da natureza. Ela age em sentido contrário à força da gravidade, afastando os corpos celestes, e nunca foi prevista em teoria alguma - até ter sido detectada.

A descoberta da expansão acelerada do universo foi a determinante para estabelecer o nosso conhecimento atual sobre como deve transcorrer o futuro do cosmo. Esta crônica de uma morte anunciada pode ser dividida em cinco idades, como descrevi em “As cinco idades do universo - O Big Bang”, a primeira parte desta crônica celeste. Minha fonte e inspiração é o livro The five ages of the universe - Inside the Physics of eternity, publicado em 1999 pelos físicos americanos Fred Adams e Greg Laughlin (Free Press, 252 páginas).

A primeira idade do universo

O universo teve um começo, mas não terá fim. Ele surgiu no Big Bang há 13,7 bilhões de anos - e seu futuro é infinito. Muita coisa aconteceu nestes 13,7 bilhões de anos e muito mais ocorrerá daqui até a eternidade. O curioso é constatar que, do ponto de vista da Física, nenhuma etapa foi mais dramática e rica em fenômenos, muitos explicáveis e outros (ainda) inexplicáveis, como os três primeiros minutos de vida do cosmo. A descrição detalhada e acessível ao leigo dos processos cataclísmicos ocorridos naqueles fatídicos 270 segundos primordiais está num clássico do Nobel Steven Weinberg, Os Três Primeiros Minutos - uma Análise Moderna da Origem do Universo (1977).

Os 379 mil anos que se seguiram até o universo deixar de ser opaco para se tornar transparente - este foi o momento da emissão da famosa radiação cósmica do fundo, o “eco” do Big Bang - foram igualmente impressionantes. Todos os 13,7 bilhões de anos que se seguiram são uma mera consequência da organização da matéria e da energia, ocorridas nos primeiros três minutos e nos 379 mil anos seguintes, a chamada Era Primordial.

Não me entendam mal. Não pretendo reduzir a importância da formação e evolução das galáxias, das estrelas, dos planetas e da vida. Tudo isto é produto da idade atual do universo, a Era Estelar. Galáxias, estrelas, planetas e vida são criações maravilhosas. Sem elas, não estaríamos aqui. Ainda assim, do ponto de vista físico, são uma simples consequência do estabelecimento da correlações entre as quatro forças fundamentais da natureza (que agora são cinco, somando a energia escura que ninguém explica) com a matéria e a energia.

A estas correlações damos o nome de leis da Física. No plano cósmico, os cosmologistas trabalham com dois monumentos teóricos para explicar como se processou a evolução do cosmo. Um deles é a Teoria da Relatividade de Albert Einstein. O outro é o Modelo Standard da Mecânica Quântica, um intrincado castelo teórico coletivo com contribuições fundamentais de gênios do século XX: Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr, Werner Eisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli, Paul Durac, Richard Feynman, Sheldon Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg e Murray Gell-Mann, todos eles agraciados com o Nobel. Se esqueci algum nome, leitor amigo, me perdoe. Minha memória é falha.

Os três primeiros minutos 

A pergunta mais comum que fazemos quando lemos algo sobre o Big Bang e o nascimento do universo é: “O que havia antes?” ou então “De onde veio o universo?”. Estas duas questões fazem todo o sentido no nosso mundo tridimensional, que transcorre ao longo de uma quarta dimensão, o tempo. Como Einstein descobriu, a matéria e a energia são duas faces da mesma moeda, assim como o espaço-tempo é inseparável, pois só existe espaço porque existe tempo, e vice-versa. Ora, se o espaço e o tempo nasceram com o Big Bang, não faz sentido pensar num outro espaço externo ao cosmo ou num outro tempo anterior ao do universo. Os termos espaço e tempo só se aplicam ao nosso universo. Não quer dizer que não possam existir outros universos expandindo-se em outras dimensões? Mas estas são questões exotéricas para as quais não há comprovação alguma e, provavelmente, jamais haverá. Caso existam, os outros universos seriam por definição inacessíveis, por se expandirem noutras dimensões desconhecidas.

De qualquer modo, os físicos que defendem a chamada Teorias das Cordas acreditam que vivemos num universo com 11 dimensões (sendo o tempo uma delas). Nosso universo surgiu de um ponto infinitesimal, do tamanho do comprimento de Planck. O comprimento de Planck é 160 trilhões de trilhões de trilhões de vezes menor do que o metro, ou 0,000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.16 metro. É quase “infinitamente” pequeno, uma distância inconcebivelmente curta. Para os defensores da Teoria das Cordas é nesta dimensão que as tais “cordas” constituintes da matéria “vibrariam”, e da sua vibração ecoaria o mundo como o conhecemos.

O comprimento de Planck tem um significado importantíssimo. Naquela dimensão diminuta as equações que sustentam as teorias da relatividade e da mecânica quântica perdem o sentido. Ou seja, não existe ainda uma teoria capaz de explicar como a natureza funciona num espaço tão pequeno quanto o comprimento de Planck. Para qualquer espaço maior do que ele, ainda que diminuto, a mecânica quântica se aplica. E é das equações do modelo Standard da Mecânica Quântica que os físicos inferiram como nasceu o cosmo.

O universo-bebê

No início era o nada. Numa dimensão menor do que o comprimento de Planck estavam concentradas toda a matéria e a energia do universo. Num determinado instante, movido por flutuações de ordem desconhecida, o nada virou tudo. Num instante o cosmo tinha o tamanho do comprimento de Planck. No instante seguinte, decorrido um lapso de tempo incomensuravelmente curto e apenas comparável à pequenez do comprimento de Planck, o universo “inflacionou”, expandindo-se a velocidades superluminosas - bilhões de vezes mais rápidas que a luz - e cresceu um milhão de trilhão de trilhão de vezes, atingindo o tamanho do universo visível atual.

O universo inflacionário vai contra toda e qualquer lógica que rege o nosso cotidiano e o nosso senso comum. O conceito da inflação cósmica emergiu e faz sentido no coração de intrincadíssimas equações cosmológicas, e seus efeitos já foram observados e comprovados por satélites. Logo, a expansão inflacionária mais rápida que a luz de fato ocorreu. Ponto.

Imaginar que do nada surgiu tudo é complicado. Foi assim. Numa fração infinitesimal de tempo o universo assumiu seu tamanho atual. E o universo era vazio, sem matéria nem energia. Era constituído só de espaço, um espaço escuro, frio e vazio, num tempo infinitesimal.

O que se expandiu de forma inflacionária foi o espaço. A matéria e a energia que estavam concentradas sobre pressão e temperatura inimagináveis no ponto do Big Bang começaram a se expandir rapidamente, porém numa velocidade igual à da luz, no caso dos fótons de energia, e muito menor, no caso da matéria.
A rigor, nem podemos falar de matéria, porque no início só haviam quarks, as minúsculas partículas subatômicas que, em trios, viriam a se aglutinar para formar prótons e neutrons.

No universo recém-nascido não havia prótons, neutrons nem elétrons. Não havia moléculas nem nenhum elemento químico. A temperatura era incomensuravelmente maior do que aquela encontrada no coração das estrelas. Era tão quente que os quarks não conseguiam se conectar para formar prótons. Para isto se tornar possível, o cosmo precisaria continuar se expandindo e resfriando. Quando atingiu-se a temperatura adequada, de bilhões de graus, os quarks começaram a se conectar e a matéria como a conhecemos começou a existir.

Neste momento, o universo contava apenas alguns poucos bilionésimos de segundo. 

Continuação de: As cinco idades do universo - O Big Bang

Continua em: A grande aniquilação