Os mistérios do Big Bang e o problema insolúvel da Primeira Causa


O problema da "primeira causa" pode ficar para sempre sem solução, pois não se encaixa na forma como fazemos ciência.
Representação abstrata de um evento cósmico com uma explosão de partículas emanando de um ponto central, misturando imagens astrofísicas com desenhos geométricos.

Principais conclusões

  • A busca para entender a origem do Universo evoluiu das narrativas míticas para os insights quantitativos da cosmologia moderna, desencadeados pela teoria da relatividade de Einstein e suas implicações para a compreensão da estrutura e expansão do cosmos.
  • Descobertas importantes, como a expansão do Universo por meio das observações do Hubble e o sucesso preditivo da teoria do Big Bang, fundamentaram nossa compreensão cósmica em fenômenos observáveis, revelando um Universo que já foi mais quente, denso e uniforme.
  • Apesar dos avanços significativos, os primeiros momentos e a causa fundamental do início do Universo permanecem envoltos em mistério – talvez para sempre.
Se há uma questão que esteve presente ao longo da história humana em todas as culturas, é a questão da origem de todas as coisas. Por que existe um Universo? Como é que existimos nela para poder fazer esta pergunta? Ao longo de milênios, diferentes culturas ofereceram narrativas míticas para abordar o mistério da existência. Mas, com o desenvolvimento da ciência moderna, o foco mudou para uma abordagem mais quantitativa – uma narrativa científica da origem e da história do Universo, o foco da cosmologia moderna.

Tudo começou em 1915, quando Albert Einstein propôs sua nova teoria da gravidade, a teoria geral da relatividade. A brilhante inovação de Einstein foi tratar a gravidade não como uma força agindo à distância, como fez Newton, mas como a curvatura do espaço devido à presença de massa. Assim, segundo Einstein, os movimentos orbitais dos objetos celestes são causados pela curvatura espacial de seu entorno. Uma maneira de visualizar isso é jogando bolinhas de gude em um colchão. Se nenhum peso dobrar o colchão, as bolinhas de gude se moverão ao longo de linhas retas. Mas se você colocar uma bola de chumbo pesada no colchão, as bolinhas de gude que rolam por perto traçarão caminhos curvos. Se você praticar seus arremessos, você pode fazer com que as bolinhas de gude circulem a bola de chumbo, um pouco como planetas circundam o Sol. Ele demonstrou a validade de sua teoria mostrando como a órbita de Mercúrio oscila em torno do Sol (a precessão do periélio de Mercúrio) e calculando como a luz das estrelas se dobra à medida que viaja perto do Sol.

Dois anos depois de lançar sua nova teoria, Einstein deu um passo ousado, passando das aplicações do sistema solar para todo o Universo. Ele imaginou que poderia resolver suas equações para estimar a geometria do Universo à medida que ele é dobrado pela matéria interna. Para fazer isso, ele fez três suposições simplificadoras: que o Universo é esférico, que é estático e que a matéria está, em média, distribuída igualmente em todos os lugares do espaço (esta última suposição ficou conhecida como o "princípio cosmológico"). Para sua surpresa, seu Universo imaginário não era estável: perturba-o um pouco e a coisa toda desaba em um ponto devido à sua própria gravidade. Desapontado, mas não derrotado, Einstein adicionou um termo extra às suas equações para atuar como um contrapeso à atração da gravidade: a chamada "constante cosmológica". Ajustando seu valor, Einstein conseguiu encontrar sua solução esférica estática. Daí nasceu a cosmologia moderna.

O trabalho pioneiro de Einstein inspirou muitos físicos teóricos a construir seus próprios universos de mesa – modelos matemáticos que mudaram suas suposições para ver o que aconteceria. Em 1917, mesmo ano do modelo de Einstein, o holandês Willem De Sitter resolveu as equações para um Universo vazio (sem matéria alguma) com a constante cosmológica. Sua solução, não surpreendentemente, descreveu um espaço onde dois pontos se afastariam exponencialmente um do outro. Em 1922, o russo Alexander Friedmann abandonou a suposição de Einstein de um Universo estático e encontrou, para sua alegria, soluções para um Universo que cresceria com o tempo. A velocidade com que cresceria dependia do valor da constante cosmológica e do tipo de matéria que preenchia todo o espaço.

Enquanto os teóricos imaginavam universos diferentes, o astrônomo americano Edwin Hubble apontava o telescópio de 100 polegadas para o Monte Wilson para determinar se a Via Láctea era a única galáxia do universo ou se havia muitas galáxias por aí – "universos insulares" espalhados pelo espaço. Em 1924, há 100 anos, ele encontrou a solução: a Via Láctea é apenas uma das bilhões de galáxias por aí. O Universo de repente tornou-se enorme, além do que nós, humanos, poderíamos contemplar. Cinco anos depois, o Hubble soltou a verdadeira bomba: não só havia inúmeras galáxias no cosmos, mas a grande maioria estava se afastando umas das outras. O Universo, concluiu o Hubble, está se expandindo. Essa descoberta notável mudou tudo. Se o Universo está crescendo em volume e as galáxias estão se afastando, isso significa que no passado elas estavam mais próximas. Usando algumas aproximações grosseiras, o Hubble estimou que, cerca de 2 bilhões de anos atrás, as galáxias seriam todas espremidas em um volume muito pequeno. Isso representaria o início da história dos quadrinhos. O Universo, ao que parece, teve um começo em algum ponto distante no passado.

O modelo Big Bang

No final da década de 1940, o físico russo-americano George Gamow trabalhou com Ralph Alpher e Robert Herman para descobrir o que poderia ser a história de um Universo em expansão. O ponto essencial é que, se o Universo estava se expandindo agora, no passado ele era menor, mais quente e mais denso. Antes de galáxias, estrelas e planetas existirem, a matéria era triturada e dividida em seus constituintes mais básicos. Misturando física atômica e nuclear, o trio chegou a algumas conclusões impressionantes. A primeira era que um Universo originado em um estado quente e denso deveria agora ser impregnado de radiação de micro-ondas, uma relíquia da era da recombinação, quando os átomos de hidrogênio se formaram pela primeira vez quando prótons e elétrons se uniram, liberando fótons para atravessar o cosmos livremente. Em números modernos, isso aconteceu cerca de 380 mil anos após o Big Bang, o evento que marcou o início dos tempos, o tempo que marca a expansão do Universo. Em 1965, a radiação prevista por Gamow, Alpher e Herman foi descoberta por Robert Wilson e Arnold Penzias, dois radioastrônomos que trabalhavam para a Bell Labs em Nova Jersey.

A segunda previsão de Gamow, Alpher e Herman era que, voltando ainda mais no tempo, o Universo seria tão quente e denso que prótons e nêutrons vagariam livremente, incapazes de se combinar para formar os primeiros núcleos atômicos. Como relatado no livro clássico de Steven Weinberg, Os Primeiros Três Minutos, a síntese dos núcleos mais leves – ou nucleossíntese primordial – aconteceu quando o Universo tinha cerca de um segundo a três minutos de idade, quando prótons e nêutrons se combinaram para formar deutério e trítio, isótopos de hidrogênio com um e dois nêutrons ligados ao próton, respectivamente, e também hélio-4 (dois prótons e dois nêutrons) e seu isótopo hélio-3 (dois prótons e um nêutron), e, por fim, lítio-7 (três prótons e quatro nêutrons). Combinando as regras da física nuclear com a termodinâmica de um Universo em expansão e resfriamento, foi possível estimar a abundância desses elementos e compará-los com observações. A concordância foi outro grande sucesso para o modelo Big Bang. No final da década de 1960, não havia dúvida de que a narrativa de um Universo que começava quente e denso e com matéria dissociada em seus constituintes mais simples descrevia corretamente a infância cósmica. A pergunta na cabeça de todos, então, era: e os tempos anteriores? Até onde a física poderia chegar mais perto do início dos tempos? É aí que as coisas começam a ficar mais empolgantes – e mais sombrias.

Rumo ao início dos tempos

À medida que tentamos empurrar o alcance de nossas teorias para tempos anteriores, subimos em energia da física atômica e nuclear para a física de partículas. Afinal, quanto mais cedo você olha para o Universo, mais quente e denso ele era, e assim as partículas que preenchiam o espaço tinham energias mais altas. Assim, para mergulhar profundamente na infância cósmica, os físicos devem usar conceitos da física de altas energias, indo além dos resultados experimentais. Com alguma confiança, poderíamos empurrar o relógio de volta para um centésimo milésimo de segundo após o estrondo, quando o Universo tinha energias comparáveis àquelas quando prótons e nêutrons foram quebrados em um plasma de quarks e glúons, um estado da matéria que tem sido estudado nas últimas duas décadas com grande sucesso, mas também com algumas sérias limitações conceituais. Ainda assim, temos boas razões para acreditar que esse estado realmente existiu no Universo primitivo, apresentando uma parede atrás da qual a matéria foi dissociada em seus constituintes mais simples conhecidos. Ou seja, antes disso, podemos realmente falar de uma sopa primordial de partículas elementares preenchendo o espaço.

A espetacular descoberta do bóson de Higgs em 2012 confirmou que poderíamos estudar diferentes forças da natureza sob a mesma estrutura. Conhecemos quatro forças fundamentais: a gravitacional, a eletromagnética e as forças nucleares fortes e fracas. As duas últimas forças só estão ativas a distâncias subnucleares, o que explica por que não estamos familiarizados com elas em nossas vidas cotidianas. O que a descoberta do Higgs confirmou foi que as forças eletromagnéticas e fracas tendem a se comportar de maneira semelhante a energias muito altas, no limite do que nossos experimentos atuais podem sondar. Se mapearmos essas energias para o Universo primitivo, estamos falando de um trilionésimo de segundo após o estrondo, ou 10-12 Segundos. Não entendemos exatamente como as partículas interagem nessas energias, mas o que entendemos, resumido no Modelo Padrão da Física de Partículas, indica que todo o Universo passou por uma espécie de transição de fase. Essa transição se assemelha ao processo em que a água líquida de resfriamento cristaliza em gelo, quebrando a simetria uniforme do fluido – onde as moléculas são uniformemente dispersas – em uma rede rígida e ordenada. Da mesma forma, dizemos que o Universo passou por uma transição de fase por volta desse período inicial, quando a força "eletrofraca" se dividiu em forças eletromagnéticas e fracas. Faltam detalhes, mas esse é o quadro geral.

Nessa conjuntura, a cosmologia bate em uma barreira conceitual, pois precisa navegar para trás no tempo sem orientação experimental. Apesar de décadas de esforços em todo o mundo, não reunimos nenhuma informação do Universo primitivo que pudesse nos guiar. A solução, é claro, é extrapolar e propor modelos do Universo primitivo que são convincentes por diferentes razões. Por exemplo, eles podem oferecer explicações para os desafios atuais ao modelo do Big Bang, como no modelo inflacionário; Eles podem abrir novos caminhos para a pesquisa em física de altíssimas energias — como nas teorias da gravidade quântica; ou podem inspirar trabalhos experimentais em novas direções – como, por exemplo, em buscas por matéria escura e ondas gravitacionais primordiais.

Modelos inflacionários foram propostos durante o início da década de 1980 como soluções potenciais para vários problemas que assolam o modelo Standard Big Bang. Por exemplo, as observações nos dizem que a geometria do espaço é muito plana, e não sabemos por quê. Também não sabemos por que a temperatura do fundo do micro-ondas mencionado acima é tão homogênea, para uma parte em cem mil. Também não sabemos como se originou a aglomeração de matéria necessária para formar galáxias e grandes estruturas cósmicas. De alguma forma, a matéria se reunia em vários pontos e atraía mais matéria. A inflação foi proposta originalmente por Alan Guth, do MIT, para resolver essas questões. Para isso, invoca uma espécie de campo semelhante ao de Higgs que se supõe ser parte de algum modelo desconhecido de física de partículas que descreve a física do Universo primitivo. Da mesma forma que o campo de Higgs impulsionou a divisão entre as forças eletromagnéticas e fracas em 10-12 segundo, o "campo inflaton" impulsionou a dinâmica do Universo primitivo em... 10-35 segundo. São muitos zeros no desconhecido.

O modelo de Guth, juntamente com as muitas alternativas propostas desde seu trabalho pioneiro, baseia-se nessa extrapolação, assumindo que um campo primordial fez com que o Universo se expandisse exponencialmente rápido por um período muito curto de tempo. À medida que o campo perde energia, ele relaxa para seu estado de energia mais baixo e decai em uma infinidade de partículas com eficácia explosiva, causando um aquecimento ultrarrápido do Universo. Alguns cosmólogos chamam isso de Big Bang real, embora isso seja uma questão de gosto. Um dos desafios aqui é descobrir uma história ainda anterior do Universo, que realmente determine que tipo de campo essa hipotética inflação era e de onde veio. Por mais convincente que seja a inflação cósmica, não temos realmente um modelo crível nem qualquer evidência de que isso realmente aconteceu, além da concordância com as observações atuais. Um punhado de modelos descreve bem o Universo que vemos (plano, homogêneo, amassado), mas ainda precisamos de uma teoria mãe para dar-lhe validade mais fundamental. O que essa teoria pode ser requer extrapolações ainda mais aventureiras.

Mesmo que assumamos que podemos empurrar nossos modelos ainda mais no tempo, logo atingimos uma barreira conceitual monumental. À medida que nos aproximamos das energias mais altas que ainda podemos entender, o Universo pode exigir uma maneira diferente de ser descrito, tomando emprestado da física quântica: a física dos muito pequenos. A questão é que, no mundo quântico, tudo é nervoso e tudo flutua. Se levarmos essa noção para a força da gravidade – e sua relação com o espaço e o tempo – precisamos considerar a possibilidade de que, em tempos muito iniciais, não havia tempo e espaço como os conhecemos, mas uma espécie de espuma quântica vaga, onde espaço e tempo borbulhavam de maneiras diferentes aqui e ali (embora "aqui" e "ali" se tornem ideias muito obscuras). Infelizmente, nossas tentativas atuais de descrever tal espuma quântica de espaço-tempo em teorias conhecidas como teorias de cordas e gravidade quântica de loop foram apenas parcialmente bem-sucedidas ou não foram totalmente bem-sucedidas, pelo menos em fornecer um cenário convincente para a origem do Universo. Parece que estamos fundamentalmente presos quando se trata da questão da origem de todas as coisas.

O problema da primeira causa

E isso não é surpreendente, uma vez que prestamos atenção à história da filosofia e à natureza da ciência. A origem do Universo ultrapassa os limites do que podemos entender. Simplificando, a maior parte da ciência é baseada em duas coisas: objetividade e causalidade. A objetividade pede uma separação clara entre o observador e o que está sendo observado. A causalidade pressupõe uma ordenação no tempo pela qual um efeito é precedido por uma causa. Como apontei em um livro recente com meus colegas Adam Frank e Evan Thompson, a origem do Universo interrompe tanto a causalidade quanto a objetividade. E faz isso de uma maneira muito diferente da física quântica, onde ambos os princípios também são desafiados. A mecânica quântica borra a separação entre observador e observado e substitui a evolução determinística pela inferência probabilística. No entanto, ainda é uma teoria causal, uma vez que um elétron responderá, digamos, a uma força eletromagnética de maneiras ditadas por causas dinâmicas bem conhecidas (com, por um exemplo técnico, um potencial de Coulomb na equação de Schrödinger). Existem forças conhecidas em jogo que induzirão comportamentos dinâmicos específicos.

Mas quando se trata da origem do Universo, não sabemos quais forças estão em jogo. Na verdade, não podemos saber, pois para conhecer tal força (ou melhor, tais campos e suas interações) seria necessário conhecer o estado inicial do Universo. E como poderíamos extrair informações de tal estado de alguma forma incontroversa? Em termos mais prosaicos, isso significaria que poderíamos saber como era o Universo quando ele veio a existir. Isso exigiria uma visão de Deus do estado inicial do Universo, uma espécie de separação objetiva entre nós e o proto-Universo que está prestes a se tornar o Universo em que vivemos. Isso significaria que tínhamos um conhecimento completo de todas as forças físicas do Universo, uma teoria final de tudo. Mas como poderíamos saber se o que chamamos de teoria de tudo é uma descrição completa de tudo o que existe? Não poderíamos, pois isso pressuporia que conhecemos toda a realidade física, o que é uma impossibilidade. Sempre poderia haver outra força da natureza, à espreita nas sombras de nossa ignorância.

Na origem do Universo, a própria noção de causa e objetividade se emaranham em um único incognoscível, já que não podemos conhecer o estado inicial do Universo. Podemos, é claro, construir modelos e testá-los contra o que podemos medir do Universo. Mas a concordância não é um critério de certeza. Modelos diferentes podem levar à mesma concordância – o Universo que vemos – mas não seríamos capazes de distinguir entre eles, uma vez que eles vêm de um estado inicial incognoscível. A primeira causa – a causa que deve ser não causada e que desencadeou todas as outras causas – está fora do alcance da metodologia científica como a conhecemos. Isso não significa que devemos invocar causas sobrenaturais para preencher a lacuna de nossa ignorância. Uma causa sobrenatural não explica da maneira que as teorias científicas explicam; A intervenção divina sobrenatural é baseada na fé e não em dados. É uma escolha pessoal, não científica. Só ajuda quem acredita.

Ainda assim, através de uma sequência de descobertas científicas espetaculares, construímos uma história cósmica de detalhes e complexidade requintados. Ainda há muitas lacunas em aberto em nosso conhecimento, e não devemos esperar o contrário. As próximas décadas nos verão fazendo um grande progresso na compreensão de muitas das questões cosmológicas abertas de nosso tempo, como a natureza da matéria escura e da energia escura, e se as ondas gravitacionais podem nos dizer mais sobre a inflação primordial. Mas o problema da primeira causa permanecerá em aberto, pois não se encaixa na forma como fazemos ciência. Esse fato deve, como Einstein sabiamente observou, "encher uma pessoa pensante de um sentimento de humildade". Nem todas as perguntas precisam ser respondidas para serem significativas.
Gustavo José
Gustavo José Fascinado pelo mundo do terror e do suspense, sou o fundador do blog Terror Total, onde trago histórias envolventes e arrepiantes para os leitores ávidos por emoções fortes.

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