Breve história da cosmologia (Einstein não está bem na fita – nota dos editores)

Breve história da cosmologia (Einstein não está bem na fita – nota dos editores)

Mario Novello, cosmólogo

 

PRIMEIRO MOVIMENTO (1915-1929)
Com a chegada do século XX, uma série de críticas profundas e de revoltas dirigidas contra ideias hegemônicas, que implicavam a restrição ao pensamento e à imaginação e sustentavam opressão de variadas formas, começaram a ter consequências práticas no mundo das ideias, bem como na ordem política, econômica, social e que se espraiou até mesmo na ciência.
É assim que podemos reconhecer a existência de uma analogia entre, por um lado, o ciclo das revoluções russas de 1905 a 1921, que levou à construção de um modelo revolucionário inédito, o comunismo russo, e, por outro, o processo renovador que produziu uma profunda alteração da visão científica do cosmos.
Com efeito, nas três primeiras décadas do século XX, assistimos ao início e ao desenrolar de ciclos transformadores, vindos ambos da Rússia, onde se destacaram dois grandes acontecimentos, a eclosão da Revolução de Outubro de 1917 e o surgimento, em 1922, de uma nova cosmologia na descrição da totalidade de tudo que existe pelo matemático de São Petersburgo, A.A. Friedmann.
É possível, portanto, estabelecer uma correspondência entre esses dois ciclos, de reordenação política e científica, a partir de suas consequências, pois ambos os acontecimentos mudaram profundamente o mundo: o primeiro derrubou o regime autocrático tzarista no poder há mais de trezentos anos; e o segundo terminou com a predominância do mundo newtoniano, propondo um modelo de universo dinâmico, em expansão, que ainda hoje domina o cenário da cosmologia.
Essa revolução científica só foi possível graças ao cientista alemão Albert Einstein, que, através da sua Teoria da Relatividade Geral (TRG) publicada em 1916 na revista Annalen der Physik, produziu uma mudança radical na forma como se entendia os fenômenos gravitacionais, pondo fim a 300 anos de dominação absoluta da teoria da gravitação de Isaac Newton.
É importante destacar que a nova teoria não invalidou a descrição newtoniana da gravitação, mas apenas limitou seu território de aplicação. Para campos gravitacionais fracos, como na Terra e em nossa vizinhança, a descrição newtoniana é muito próxima daquela predita pela Relatividade Geral. As mudanças essenciais, quantitativamente significativas, ocorrem para campos gravitacionais intensos, como os que predominam nas vizinhanças das estrelas e, claro está, no Universo.
A revolução gerada pela TRG foi consequência de uma série notável de conquistas científicas. Com efeito, em 1905 apareceu a teoria da relatividade especial de Einstein, que empreendeu a síntese da profunda alteração feita por vários cientistas como H. Poincaré, H. Lorentz e A. Minkowski, culminando com a unificação das estruturas newtonianas, espaço absoluto e tempo absoluto em uma nova unidade, o espaço-tempo absoluto.
Dez anos depois, Einstein criou a TRG influenciado pelas ideias do físico e filósofo Ernst Mach. Esse foi um passo importante, pois quebrava a visão absoluta de uma estrutura única, com uma mesma geometria em todos os pontos do espaço-tempo. Isso só foi possível ao postular que a geometria do espaço-tempo é um elemento dinâmico, pode variar, e determinada em cada ponto pela quantidade de matéria e energia presentes.
Nesse movimento, Einstein associou todo fenômeno gravitacional a essa alteração da geometria. Ou seja, a geometria do mundo passa a ser tratada como se o espaço-tempo fosse uma substância sobre a qual qualquer forma de matéria e energia pode atuar e deformar. Contrariamente ao que se pensava até então, a geometria do espaço-tempo não é dada a priori de modo absoluto.
Dois anos depois, em 1917, Einstein produziu uma solução das equações da TRG envolvendo toda a matéria e energia existente no Universo e propôs o primeiro cenário cosmológico. Para compatibilizar essa teoria com suas ideias apriorísticas de que o Universo deveria ter uma configuração estática (para onde deveria ir um mundo perfeito?) ele altera ad hoc suas equações introduzindo uma estranha fonte extra de energia a que chamou de constante cosmológica.
Em 1922, Friedmann submeteu à revista alemã Zeitschrift fur Physik o artigo “On the curvature of space” [Sobre a curvatura do espaço], que apresentava outra solução da TRG, propondo um modelo de Universo dinâmico em expansão.
Como é hábito nas revistas científicas, o artigo de Friedman foi enviado a um referee (árbitro) para examinar a qualidade e a relevância do texto e decidir se deveria ser publicado. Naquela época, nada mais natural do que encaminhar essa análise ao próprio Einstein, pois havia um número reduzido de cientistas capazes de entender e avaliar aquele artigo.
Como a decisão sobre a sua relevância demorava mais tempo do que o convencional, cientistas de São Petersburgo, a cidade onde Friedman nasceu, resolveram pressionar os editores para que uma decisão fosse tomada. Ao serem informados de que o referee era o próprio Einstein, essa pressão começou a ser exercida de modo mais intenso. A razão para isso era simples. Friedmann se colocara frontalmente contrário à visão do Universo sugerida por Einstein, inaugurando assim uma nova era, revolucionária, sobre as propriedades globais do mundo, jamais pensadas na física. Sua descrição do Universo se inseria na visão dinâmica e evolucionista que extravasava dos movimentos sociais da época e que penetrava nas ideias mais abstratas e fundamentais, chegando assim a imaginar o Universo como um processo em permanente evolução.
Quando Einstein finalmente emitiu seu parecer, o fez fora das regras usuais. Ele enviou ao editor um breve comentário crítico para ser publicado conjuntamente ao artigo de Friedmann com o título “Remark on the work of A. Friedmann (1922) ‘On the curvature of space’”. É um texto curto que reproduzo:

“O trabalho de A. Friedmann contém um resultado referente a um mundo não estático que me parece suspeito. Com efeito, estas (suas) soluções não parecem ser compatíveis com as equações (da teoria da relatividade geral). Esse trabalho de Friedmann é incompatível com a lei de conservação da energia.”

Einstein acrescentou a esse texto uma equação que, segundo ele, demonstraria a ausência dessa conservação. Ao considerar essa argumentação, qualquer aluno de física, hoje, ficaria atônito com o erro quase trivial contido no comentário de Einstein, pois um simples cálculo, verdadeiramente simples, mostraria que o artigo de Friedmann estava correto.
Então surge a pergunta: por que Einstein tendo em mãos o trabalho de Friedmann por um longo período, cometeu um engano tão evidente? Talvez, se compararmos os dois modelos de Universo propostos possamos vislumbrar uma resposta.
O modelo de Einstein se baseia em três hipóteses que resultaram incompatíveis com as observações astronômicas posteriores, a saber:
• O Universo é estático. Sua geometria global independe do tempo cósmico;
• A topologia requer que a totalidade do espaço tridimensional seja fechada como uma esfera;
• Existe uma nova forma de energia (representada por uma constante cosmológica) que guia essa geometria para que ela se mantenha, durante toda sua existência, inerte.
De imediato, salta aos olhos a oposição total e completa do matemático russo às hipóteses feitas por Einstein para compatibilizar a solução de um Universo estático com sua TRG. Friedmann contesta frontalmente essas hipóteses que exibem um Universo congelado, uma configuração fechada sobre si mesmo, sem nenhuma forma de evolução em sua estrutura global.
A hipótese mais crítica concerne ao caráter inerte do modelo de Einstein. O pensamento de Friedmann, guardando pontos de contato com a filosofia de vanguarda, inovadora e crítica da sua época, não admitia que o Universo estivesse pronto para ser usado, e que tivesse sua existência predeterminada de uma vez para sempre, não permitindo alteração em suas características.
É realmente difícil acreditar que esse cenário tão conservador tenha sido proposto por uma mente que se mostrara até então revolucionária e disposta a examinar criticamente o cânone científico vigente. Talvez somente uma análise de natureza não científica possa nos fazer entender as razões que levaram Einstein a considerar um Universo estático como um bom cenário capaz de representar a estrutura global do mundo.
Quanto à existência ou não da nova forma de energia representada pela constante cosmológica, Friedmann é incisivo ao afirmar que, mesmo se a considerássemos, ela não poderia controlar a história da geometria do Universo durante toda sua existência. Essa argumentação segue precisamente da aplicação da lei de conservação de energia ao seu modelo, o que, de modo imprudente Einstein disse não ter encontrado satisfatoriamente no artigo de Friedmann.
A comunidade científica reconheceu, quase imediatamente, que os argumentos de Friedmann estavam bem embasados, seguindo uma rigorosa formulação matemática.
O sucesso definitivo do modelo de Friedmann ocorreu no final daquela década, quando em 1929 Edward P. Hubble observou que o volume total do espaço-tempo variava, aumentava com o tempo cósmico, isto é, o Universo estava em expansão; uma ideia seminal, cheia de potencialidades na gestação de uma visão aberta do universo que ainda hoje domina o cenário da cosmologia. Essa observação representou certamente uma das maiores descobertas científicas desse primeiro movimento.
Contrariamente à derradeira tentativa de Einstein de defender sua visão de um mundo estático, Friedmann pôde dizer, como Galileu, “e pur si muove…”

SEGUNDO MOVIMENTO (1964-1979)
Outro momento crucial para o desenvolvimento da cosmologia aconteceu em 1964. Naquele ano, dois movimentos, um teórico e outro observacional, alteraram profundamente a história da cosmologia.
Os astrônomos americanos A. Penzias e R. Wilson observaram a existência de uma radiação cósmica de fundo, constituída por um mar de fótons em equilíbrio termodinâmico (como um corpo negro) a uma temperatura de 2,7 graus Kelvin. Ela foi interpretada como resquício de uma fase em que o Universo estava extremamente concentrado e quente.
O desenvolvimento teórico levou à ideia de que aquela fase condensada deveria se identificar com o começo da existência de tudo-que-existe.
Passados mais de 50 anos, aquela descoberta foi consolidada por um número notável de outras observações que confirmaram esse resultado. Quanto ao desenvolvimento teórico, a história é bem diferente.
A existência de um momento de extrema concentração do Universo foi associado ao início do Universo. Para isso, era preciso saber se esse momento poderia ser caracterizado como se o volume total do Universo atingisse o valor zero. Se isso realmente ocorresse, então o campo gravitacional e toda forma de energia deveria ter atingido ali um valor infinito, o que não deveria constituir uma fase possível em nenhuma teoria da física. Ora, nos chamados teoremas de singularidade elaborados pelo matemático Roger Penrose, o físico Stephen Hawking e outros afirmavam que, sob certas condições, esse momento singular seria inevitável. O fato de essa ideia ter sido apresentada sob a forma matemática de um teorema lhe conferiu uma aura de verdade para além do que a física permitia.
Aos poucos os cientistas foram aceitando argumentos formais, mostrando que o momento de máxima condensação do Universo não pode ser identificado com o começo de sua existência. Isso aconteceu quando se iniciou uma análise crítica dos teoremas. Com efeito, um teorema matemático possui certas hipóteses que determinam as condições de sua aplicabilidade. A questão então é: as condições de validade, as hipóteses que dão consistência aos teoremas, são satisfeitas em nosso Universo?
Somente quando se respondeu negativamente a essa indagação foi que se aceitou a ideia de que nosso Universo poderia ter tido uma existência bastante maior do que se pensava até então.
Encontramos aqui uma situação que vem se tornando comum nos dias de hoje graças aos modos de convivência em uma sociedade do espetáculo, e que talvez seja conveniente fazer um breve comentário.
Nas últimas décadas do século passado, Penrose e Hawking se tornaram os arautos da ideia de que o Universo teve um começo há uns poucos bilhões de anos, identificado com o impreciso nome popular big bang. Nos anos recentes, eles mudaram completamente de visão argumentando em favor de um Universo com tempo de duração infinito.
Essa mudança não é rara entre os cientistas e está relacionada, claro está, ao desenvolvimento das investigações em curso. O que não é desejável é que se propague para a mídia informação dessas posições sobre questões que ainda estão em discussão, como se fossem verdadeiras.
Os cientistas, por variadas razões, deixaram que fosse propagada pelos meios de comunicação a notícia de que haviam demonstrado que o Universo começara a existir a partir de uma grande explosão ocorrida há uns poucos bilhões de anos.

TERCEIRO MOVIMENTO (1979-….)
No final dos anos 1970, de modo independente, cientistas do Brasil e da União Soviética construíram modelos de Universo possuindo boucing, isto é, soluções cosmológicas nas quais o Universo possui um tempo de existência bastante maior do que os poucos bilhões de anos do modelo padrão. Em verdade, esses cenários representavam o Universo como tendo tido um colapso gravitacional, onde seu volume total diminuía com o tempo cósmico, atingido um volume mínimo – chamado big bang – e depois iniciado a atual fase de expansão, em que o volume do Universo aumenta com o tempo.
A passagem da fase de contração à fase de expansão e as razões pelas quais isso teria acontecido não é de difícil solução. Mais complexa é a questão: por que o Universo iniciou aquele colapso gravitacional? Aqui entra-se no território em que a cosmologia e a física das partículas elementares devem produzir uma resposta cooperativa, na qual o mundo clássico deve se organizar junto ao mundo quântico. Essa questão tem sido investigada nos últimos anos. A resposta encontrada é certamente surpreendente.
O estado inicial, no infinito temporal passado, constitui o que chamamos de vácuo quântico. Um vazio prenhe de possibilidades envolvendo partículas e antipartículas virtuais que se aniquilam incessantemente. O colapso gravitacional é consequência da instabilidade desse vazio. Segue então um resultado inesperado: o vazio não pode permanecer indefinidamente como vazio, ou seja, o Universo não poderia não existir, o Universo estava condenado a existir.
Agradeço a Gláucia Pessoa por ter sugerido a comparação entre os movimentos sociais e as alterações na cosmologia ocorridas no início do século XX.

O autor é Professor Emérito do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas.
novello@cbpf.br

BIBLIOGRAFIA

EINSTEIN, Albert. Remark on the work of A. Friedmann “On the curvature of space”, Zs.f. Phys. 10, 377. 1922.

____. The meaning of Relativity. Princeton, New Jersey: Princeton University Press, 1950.

FRIEDMANN, A. A. On the curvature of space, Zs.f. Phys. 10, 377, 1922.

NOVELLO, Mario. O que é cosmologia. Rio de Janeiro: Jorge Zahar, 2006.

____. Do big bang ao eterno. Rio de Janeiro: Jorge Zahar, 2010.

____. Manifesto Cósmico. Disponível em: www.marionovello.com.br

____. BERGLIAFFA, S. E. P., Boucing Cosmology, Physics Reports, v.463,4, 2008.

REIS, Daniel Aarão. A revolução que mudou o mundo: Rússia, 1917. São Paulo: Companhia das Letras, 2017.

Cronologia da cosmologia do inÍcio do século XX

1905
A. Einstein estrutura na Teoria da Relatividade Especial (TRE) as análises feitas por H. Poincaré, H. Lorentz, A. Minkowski e outros sobre a constância da velocidade de propagação da luz no vácuo e suas consequências sobre a geometria do espaço-tempo.
1915
A. Einstein propõe uma alteração radical na formulação newtoniana da força gravitacional. Propõe a Teoria da Relatividade Geral (TRG) em que identifica os efeitos gravitacionais a mudanças na geometria do espaço-tempo. Considera, então, o espaço-tempo como uma substância que pode ser atuada por qualquer forma de energia e matéria.
1917
A. Einstein propõe o primeiro modelo cosmológico como solução de sua TRG. Nele, o Universo tem uma configuração fechada como uma esfera, e a geometria global do espaço-tempo independe do tempo. Esse modelo, por ser estático, sem interação solidária entre suas partes, é altamente instável.
1922
A. Friedmann publica o primeiro modelo cosmológico de um Universo dinâmico. Nele o volume total do espaço-tempo varia com o tempo cósmico.
1923
A. Friedmann descreve em “O Universo como espaço e tempo” uma curiosa propriedade do seu modelo, mostrando pela primeira vez uma formulação científica da criação do Universo caracterizado pela existência de um ponto singular em sua geometria.
1929
Hubble anuncia o desvio para o vermelho da luz vinda de galáxias distantes, interpretada como consequência da expansão do Universo.
1964
A. Penzias e R. Wilson anunciam terem descoberto um ano antes a existência de uma radiação cósmica de fundo, interpretada como resquício de uma fase extremamente quente do Universo.
1964
Publicação de teoremas de singularidade por R. Penrose, S. Hawking, G. Ellis e outros. Esses teoremas sustentaram
ideologicamente a ideia de uma singularidade inicial interpretada como o começo da existência do Universo.
1979
Publicação dos dois primeiros modelos cosmológicos com boucing, feitos independentemente pelos cientistas russos V. Melnikov e S. V. Orlov e pelos cientistas brasileiros M. Novello e J. M. Salim. Nesses cenários o Universo passou por uma fase inicial de colapso em que seu volume total diminuiu com o tempo, atingiu um valor mínimo diferente de zero e em seguida entrou na atual fase de expansão.

 

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