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Cosmologia: 1. Teoria do Big Bang

Página 3 Pedagogia & Comunicação | Curso Objetivo

O Prêmio Nobel de física de 2006 foi concedido a uma dupla de pesquisadores americanos, John Mather e George Smoot, por sua contribuição em comprovar a teoria do Big Bang sobre a formação do Universo. Para conhecer a teoria do Big Bang, devem-se conhecer previamente alguns conceitos.

Efeito Doppler

Em 1842, Christian Doppler descobriu que, quando um corpo luminoso (ou sonoro) se aproxima de um observador, o comprimento de onda da luz emitida por ele diminui e, inversamente, aumenta, quando ele estiver se afastando.

Esse efeito ficou conhecido como efeito Doppler.

Velocidade das galáxias

O astrofísico americano Edwin Powell Hubble, em 1929, descobriu que as galáxias distantes estão, quase sem exceção, se afastando muito rapidamente de nós. O espectro da luz dessas galáxias chega até nossos telescópios e espectrômetros apresentando um desvio para o vermelho. Hubble explicou esse interessante fenômeno utilizando o efeito Doppler. Se a velocidade com que a galáxia se afasta for realmente grande, a luz que ela envia e chega até nós terá um desvio para frequências mais baixas, do mesmo modo que o som de uma buzina se afastando fica mais grave.

Na verdade, embora algumas pessoas não condordem, não há nada de especialmente repulsivo na Terra para que as galáxias fujam de nós. O que há, segundo Hubble e a grande maioria dos cosmologistas atuais, é que o Universo está se expandindo.

Essa expansão implica em que, em algum tempo distante, o Universo devia ser muito menor do que é agora, praticamente um ponto, com uma densidade próxima de infinita. Por alguma razão, nesse tempo, ocorreu uma gigantesca explosão, o Big Bang, e a partir daí o Universo vem se expandindo cada vez mais.

Hubble, portanto, reuniu elementos suficientes para concluir que: “A velocidade com que uma galáxia se afasta de nossa galáxia é diretamente proporcional à sua distância de nossa galáxia”.

Matematicamente: V = H . d

V: velocidade de afastamento da galáxia considerada.
d: distância entre a galáxia considerada e a nossa galáxia.
H: constante de Hubble.

A Lei de Hubble sugere que toda essa matéria que está em expansão, num dado instante, pode ter estado junta em um só local: o ovo cósmico ou singularidade.

A radiação de fundo

Os físicos norte-americanos Arno Penzias e Robert Wilson, em 1965, ao estudarem ondas de rádio, detectaram a presença de “ruídos” estranhos que iriam constituir a radiação cósmica de fundo. Os estudos posteriores mostraram que esta radiação é equivalente à emitida por um corpo negro a uma temperatura de 2,7K.

Essa descoberta da radiação cósmica de fundo parece evidenciar duas coisas: a existência do big-bang, sendo esta radiação de fundo proveniente da transformação de massa em energia radiante, um resíduo do big-bang que deu origem ao Universo, e ainda que 2,7K seria a temperatura atual do Universo considerado como um todo (uma espécie de temperatura média do Universo), o que já tinha sido previsto por George Gamow (1904-1968) em 1948.

Atribui-se a Arno Penzias e Robert Wilson, dos Laboratórios Bell, em New Jersey, EUA, a detecção, por acidente, da radiação cósmica de fundo, em 1964. Estudando interferências em comunicações, eles descobriram uma interferência que eram microondas vindas do espaço. Esta descoberta reforçou a teoria do Big Bang, pois, a propagação desse chamado ruído de fundo se dava em todas as direções e obedecia a constante de Hubble.

Teoria do Big Bang

Ora, se as galáxias estão se afastando, isso poderia significar que elas estavam mais próximas em tempos remotos. E se elas estivessem tão perto que se concentrassem em um único ponto no início dos tempos?

Nasceu assim a teoria do Big Bang: ponto inicial foi uma explosão, a uma temperatura altíssima. O Universo começou a se expandir e a esfriar. Na verdade, essa idéia começou a ser discutida a partir da intervenção do padre e cosmólogo belga Georges Lamaître, para quem o Universo teria tido um início repentino.

A dilatação do Universo foi colocada em uma progressão aritmética por Edwin Powell Hubble, que descobriu a razão de seu crescimento, chamada de constante de Hubble.

A Teoria do Big-Bang admite que o Universo tem uma idade limite, da ordem de 15 ou 20 bilhões de anos e, portanto, existe um instante inicial em que o Universo foi criado. Segundo essa teoria, há 15 ou 20 bilhões de anos uma fabulosa quantidade de energia estava localizada em uma esfera de diâmetro inferior a 1cm, denominada ovo cósmico ou singularidade.

Num dado instante (t = 0), toda essa energia, em rápida expansão, criou o Universo que se dilatou e se resfriou uniformemente.

A redução rápida de temperatura determinou as sucessivas transformações da energia liberada que se materializou na forma de partículas (quarks) e antipartículas (antiquarks). A matéria e a antimatéria se aniquilam, gerando uma quantidade enorme de energia na forma de fótons e obedecendo à equação de Einstein: E = m . c2. O excesso de matéria em relação à antimatéria deu origem ao Universo em que hoje vivemos.

Cronologia na criação do Universo

a) Instante t = 0: instante inicial em que ocorreu o Big-Bang; a escala de distâncias vale zero, a densidade do universo é infinitamente elevada e não há ferramentas na Matemática ou na Física, que hoje conhecemos, para estudar este momento. O evento instante zero é tratado como uma singularidade no estudo da evolução do Universo.
b) Intervalo de tempo entre t = 0 e t = 10–43s: o que ocorreu neste intervalo é pura especulação teórica sem nenhuma possibilidade de comprovação através de observações físicas.
c) Intervalo de tempo entre t = 10–43s e t = 10–35s: neste curto intervalo de tempo os quarks e os antiquarks aniquilaram-se dando origem à radiação, na forma de fótons. A quantidade de quarks é maior que a de antiquarks, de modo a restar matéria na forma de quarks que deu origem ao Universo em que hoje vivemos.
O universo está-se resfriando, passando de uma temperatura de 1032K em t = 10–43s para a temperatura de 1027K em t = 10–35s.
d) No instante t = 10–30s os quarks remanescentes do processo de aniquilamento começam a se fundir, dando origem aos prótons e nêutrons.
e) No instante t = 10–6s a fusão dos quarks, originando prótons e nêutrons, é concluída e os quarks desaparecem.
Os prótons e nêutrons podem-se transmutar entre si e vão coexistir com elétrons e fótons.
f) Após o instante t = 1s, com a queda da temperatura, os prótons não podem mais se transmutar, o que não ocorre em relação aos nêutrons. É por isso que existem, até hoje, quatro vezes mais prótons do que nêutrons.
g) No intervalo de t = 10s a t = 500s ocorrem as reações de fusão dos núcleos: 25% dos núcleos de hidrogênio transformam-se em hélio; um milésimo por cento é transformado em deutério e menos de um milionésimo por cento é transformado em lítio.
Ao fim de 3 minutos as transformações fundamentais já haviam ocorrido.
h) Quando o Universo possui uma idade entre 300 000 anos e 1 milhão de anos, a temperatura já é suficientemente baixa para que os elétrons comecem a se associar aos prótons para formar os átomos de hidrogênio.
i) Antes de atingir a idade de 1 bilhão de anos, a força gravitacional começou a agir e as primeiras galáxias apareceram.

Conclusão

Outras descobertas começaram a ser feitas, reforçando cada vez mais a teoria. A medida de elementos químicos leves (hidrogênio e hélio) também mostra as transformações cósmicas.

Deve-se, porém, lembrar que o Big Bang ainda é uma teoria, ou seja, não foi provada, mas cada vez mais indícios a reforçam, como é o caso dos apresentados prêmios Nobel de 2006. Novas considerações do cientista russo George Gamov sobre o instante zero propõem que naquele momento a matéria começou a predominar em relação à antimatéria.

Mais contribuições deverão surgir num futuro próximo e acabar provando ou refutando essa teoria.


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