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  • Eduardo Sato

Como cosmólogos descrevem a história do universo em uma teoria?


Linha temporal do universo. Foto: BICEP2 Colaboration

O universo por definição é composto de tudo que existe, assim podemos argumentar que ele é a coisa mais complexa que se pode tentar descrever. Ainda sim, físicos e astrônomos conseguem estudá-lo, modelá-lo e até mesmo fazer algumas previsões sobre seu futuro. Como isto é possível? Conheça um pouco da ciência que estuda o universo: a Cosmologia.


Os modelos cosmológicos atuais são consequências da teoria de gravitação proposta por Einstein, a famosa Relatividade Geral. John Wheeler, um físico estadunidense famoso, tem uma forma bastante poética de descrever as equações de campos de Einstein que formam a base desta teoria:


“O espaço-tempo diz a matéria como se mover; A matéria diz ao espaço-tempo como se curvar.”


Na Relatividade Geral, o conceito de “força gravitacional” é substituído pela ideia de que a energia contida nas partículas pode distorcer o espaço-tempo, e essa mudança no formato do espaço-tempo faz com que partículas se movam seguindo a sua curvatura, ao invés de uma trajetória retilínea como seria esperado pela mecânica newtoniana na ausência de forças. Um fato interessante é que esta teoria pode ser aplicada a tudo, incluindo o universo.


Descrever o universo usando a teoria de Einstein parece um trabalho inimaginavelmente complicado, pois seria necessário descrever toda distribuição de energia no universo, certo? Para nossa sorte, em escalas realmente grandes, tão grandes que galáxias são apenas pontos, o universo aparenta ser homogêneo e isotrópico, isto é, ele parece o mesmo em todos os pontos e para qualquer direção que se olhe. Isto permite uma descrição bastante simples do universo usando a Relatividade Geral, pois a densidade de cada componente será a mesma em qualquer lugar do espaço.


O modelo cosmológico mais aceito atualmente consegue descrever o universo com apenas três componentes: Matéria, radiação e energia escura.


A matéria que engloba tanto a matéria ordinária que vemos no dia-a-dia, quanto a matéria escura, é a componente composta de partículas massivas. Por possuírem massa, essas partículas estão em velocidades pequenas quando comparadas com a velocidade da luz.


Já a radiação é o oposto, sendo composta de partículas não-massivas (ou com massas bem pequenas) de forma a estarem sempre com a velocidade próxima à da luz, aqui estão inclusos os próprios fótons que são as partículas que constituem a luz.


Com apenas estas duas componentes, a equação de Einstein descreve um universo com curvatura, o que não se verifica experimentalmente. Em grandes escalas, o universo é plano, isto é, retas paralelas sempre serão paralelas, e um raio de luz sem outras influências que não a do próprio universo sempre vai percorrer uma linha reta.


Isto mostra que um universo apenas de matéria e radiação não é consistente, e precisamos de outra componente, esta ficou conhecida como energia escura. A energia escura é uma espécie de “energia do vácuo”, no sentido de existir junto com espaço-tempo. Muito pouco se sabe sobre ela, mas ela é fundamental para o modelo cosmológico e existem diversos experimentos tentando compreendê-la melhor.


Este modelo incrivelmente simples é capaz de fazer grandes previsões, entre elas: O universo tem um começo, o famoso Big Bang, que mostra a evolução do estado inicial quente e denso até o seu atual estado; A sua idade, sendo esta igual a 13.8 bilhões de anos; A criação dos átomos e a proporção entre os diferentes tipos, que é confirmada por experimentos; A expansão do universo, que atualmente é acelerada e até mesmo sua morte.


E apesar de sua simplicidade, este modelo já foi confrontado com diversas observações experimentais e foi inclusive mais bem sucedido em explicar diferentes dados que alguns modelos mais complexos. Mas não podemos dizer que este é o modelo final. Como físicos, sabemos que modelos são apenas descrições aproximadas da natureza e caso alguma observação seja diferente da prevista pela teoria, precisaremos atualizá-la para que acomodar os novos dados. Afinal, isto é o fazer científico, modelar a natureza e seus fenômenos como eles são.


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