O UNIVERSO EM UMA CASCA DE NOZ

O universo tem múltiplas histórias, cada uma delas determinada por uma diminuta noz “Poderia estar encerrado em uma casca de noz e me sentir rei de um espaço infinito...” Shakespeare, Hamlet, segundo ato, cena 2 .

Possivelmente Hamlet queria dizer que apesar da limitação física dos humanos , nossas mentes podem explorar com audácia todo o universo e chegar onde os protagonistas do Star Trek temeriam ir, se os pesadelos nos permitirem isso. 

É o universo realmente infinito, ou apenas muito grande? E, é perdurável ou só terá uma vida muito extensa? Como poderiam nossas mentes finitas compreender um universo infinito? 

Não é presunçoso questionarmos sequer este propósito? Arriscamo-nos a sofrer o destino de Prometeu, que segundo a mitologia clássica roubou o fogo de Zeus para que os humanos utilizassem-no. 

Como castigo por esta temeridade foi encadeado a uma rocha onde uma águia devorava-lhe o fígado? 

Apesar de todas estas precauções, acredito que podemos e devemos tentar compreender o universo. 

Já temos feito notáveis progressos na compreensão do cosmos, particularmente nos últimos poucos anos. Embora não tenhamos uma imagem completa, talvez ela não estivesse longínqua. 

É óbvio que o espaço se prolonga indefinidamente, sendo confirmado por instrumentos modernos, como o telescópio Hubble, permitindo-nos sondar as profundidades do espaço. 

Vemos milhares de milhões de galáxias de diversas formas e tamanhos. Cada galáxia contém incontáveis milhões de estrelas, muitas das quais rodeadas por planetas. 

Vivemos em um planeta que gira ao redor de uma estrela em um braço exterior da galáxia espiral da Via Láctea. 

O pó dos braços espirais impede-nos de ver o universo no plano da galáxia, porém, em cada lado destes temos faces cônicas de linhas com boa visibilidade mostrando-nos as posições das galáxias. 

Achamos que estão uniformemente distribuídas no espaço, com algumas concentrações e vazios locais. 

A densidade de galáxias decresce à distâncias muito grandes, talvez em virtude de serem tão longínquas e tênues que não as observamos. Por isso, sabemos, o universo se prolonga sem fim no espaço. 

Embora o universo pareça ter o mesmo aspecto em qualquer parte, muda decididamente com o tempo. Isto não foi advertido até os primeiros anos do século XX. 

Até então, acreditava-se que o universo era essencialmente constante no tempo.Poderia ter existido durante um tempo infinito, mas isto parecia conduzir a conclusões absurdas. 

Se as estrelas estivessem radiando durante um tempo infinito, esquentariam todo o universo até sua temperatura. Inclusive de noite, todo o universo seria tão brilhante como o Sol, porque cada linha de visão terminaria em uma estrela ou em uma nuvem de pó aquecida até a temperatura das estrelas. 

A observação, tão familiar, de que o céu noturno é escuro, é muito importante. Implica que o universo não existiu sempre no estado que o vemos hoje. 

Algo ocorreu, faz um tempo finito, que acendesse as estrelas, significando que a luz das estrelas muito distantes ainda não teve tempo de chegar. Isto explicaria porquê o céu não brilha a noite em todas direções. 

Se as estrelas estivessem sempre aí, por que se acenderam de repente faz uns poucos milhares de milhões de anos? 

Que relógio lhes disse para brilharem? Como dissemos, isto intrigou a muitos filósofos, como Immanuel Kant, que acreditava que o universo sempre existiu. 

A maioria acreditava na idéia de que o universo tinha sido criado, mais ou menos em seu estado atual, faz tão somente uns poucos milhares de anos. Entretanto, as observações de Visto Slipher e Edwin Hubble na segunda década do século XX começaram a desvelar discrepâncias em relação a esta idéia. 

Em 1923, Hubble descobriu que muitas tênues manchas luminosas, chamadas nebulosas, eram em realidade galáxias, grandes conjuntos de estrelas como o Sol, todavia a grande distância de nós. 

Para que nos pareçam tão pequenas e débeis, as distâncias tinham que ser tão grandes que a luz procedente delas teria demorado milhões ou inclusive milhares de milhões de anos para chegar até nós. 

Indicando que o começo do universo não foi produzido faz tão somente uns poucos milhares de anos. A segunda coisa que Hubble descobriu era ainda mais surpreendente. 

Os astrônomos aprenderam que, mediante a análise da luz das outras galáxias, averiguamos se elas aproximam-se ou afastam-se. Ficaram, estupefatos, que quase todas as galáxias estão afastando-se. 

Além disso, quanto mais longe estão, com maior velocidade parecem estar afastando-se. 

Foi Hubble quem se deu conta das implicações espetaculares deste descobrimento: em grande escala, todas as galáxias estão afastando-se de todas as demais galáxias. 

O universo expande-se. O descobrimento da expansão do universo foi uma das grandes revoluções intelectuais do século XX. 

Constituiu uma surpresa radical e modificou completamente as discussões sobre a origem do universo. 

Se as galáxias separam-se, estavam mais juntas no passado. 

A partir da taxa atual de expansão, avaliamos que, efetivamente, estiveram muito próximas umas das outras faz uns dez ou quinze mil e milhões de anos. 

Como mencionado no capítulo anterior, Roger Penrose e eu demonstramos que a teoria geral da relatividade de Einstein implica que o universo começou em uma tremenda explosão. 

Aqui estava a explicação de porquê o céu noturno é escuro: nenhuma estrela poderia brilhar mais de dez ou quinze mil e milhões de anos, o tempo transcorrido da grande explosão. 

Acostumamo-nos à idéia de que os acontecimentos são causados por acontecimentos anteriores, os quais, por sua vez, são provocados por acontecimentos ainda mais anteriores. 

Esta cadeia de casualidade estira-se até o passado infinito. Mas, suponhamos que esta cadeia teve um começo. Admitamos que houve um primeiro acontecimento. 

Qual foi sua causa?

Não é esta uma pergunta que muitos cientistas queriam tratar, mas sim tentavam evitá-la, pretendendo, como os russos, que o universo não tivera começo, ou ainda, que a origem do universo não pertence ao domínio da ciência, mas à metafísica ou a religião. 

Em minha opinião, esta posição não deveria ser adotada pelos verdadeiros cientistas. 

Se as leis da ciência se suspendessem no começo do universo, não falhariam também em outras ocasiões? 

Uma lei não é uma lei se só se cumprir às vezes. 

Deveríamos compreender o começo do universo a partir de bases científicas. Pode ser uma tarefa além de nossas capacidades, entretanto, ao menos deveríamos tentá-lo. 

Em que pese os teoremas que Penrose e eu demonstramos, no qual o universo teria um começo, não davam muita informação sobre a natureza de tal início. 

Indicavam que o universo começou em uma grande explosão, um ponto em que todo o universo, e tudo o que contém, estava apertado em um só ponto de densidade infinita. 

Em tal ponto, a teoria geral da relatividade de Einstein deixaria de ser válida, pelo qual não pode ser utilizada para averiguar como começou o universo. 

Aparentemente, a origem do universo fica mais à frente do alcance da ciência. Não é esta uma conclusão que deva alegrar aos cientistas. 

Como indicam os Capítulos 1 e 2, a razão pela qual a relatividade geral perde a validade diante da grande explosão é que não incorpora o princípio de incerteza, o elemento aleatório da teoria quântica que Einstein rechaçou da idéia de que Deus não joga o jogo de dados. 

Entretanto, todas as evidências indicam que Deus é um jogador impenitente. Podemos considerar o universo como um grande cassino, no qual os dados são lançados a cada instante e as roletas giram sem cessar. 

Rejeitar um cassino é um negócio muito arriscado, porque nos expomos a perder dinheiro cada vez que se lançam os dados ou a roleta gira. Em grande número de apostas, os lucros e as perdas dão em média um resultado previsível, embora não sendo o resultado de cada aposta particular. 

Os proprietários dos cassinos asseguram-se que a sorte medeie-se a favor deles. Por isso, são tão ricos. 

A única possibilidade de ganhar é apostar contra eles todo o dinheiro em uns poucos lançamentos de dados ou voltas da roleta. O mesmo ocorre com o universo. 

Quando este é grande, como na atualidade, há um número muito elevado de lançamentos de dados, e os resultados se medeiam a algo previsível 

Por isso as leis clássicas funcionam nos sistemas grandes. Mas quando o universo é muito pequeno, como o era nos tempos próximos a grande explosão, só há um pequeno número de lançamentos de dados e o princípio de incerteza resulta muito importante. 

 Como o universo vai lançando dados para ver o que seguirá, não tem uma só história, como se poderia esperar, mas sim deve ter todas as histórias possíveis, cada uma delas com sua própria probabilidade. 

Deve haver uma história do universo em que o Belize ganhasse todas as medalhas de ouro nos Jogos Olímpicos, embora, possivelmente, a probabilidade disso seja muito baixa. 

 A idéia de que o universo tem múltiplas histórias pode soar ficção científica, porém, atualmente, é aceita como um fato científico. Formulada por Richard Feynman, que era um grande físico e uma grande personalidade. 

Agora trabalhamos para combinar a teoria geral da relatividade de Einstein e a idéia de Feynman das histórias múltiplas em uma teoria unificada que descreva tudo o que ocorre no universo. 

Tal teoria nos permitirá calcular como se desenvolverá o universo se conhecermos como começaram as histórias. 

Todavia a teoria unificada não nos diz como começou o universo nem qual foi seu estado inicial. Para isso, necessitamos o que se chama condições de contorno, regras que nos dizem o que ocorre nas fronteiras do universo, nas bordas do espaço e o tempo. 

 Se a fronteira do universo fora um simples ponto normal do espaço e o tempo, atravessa-la-íamos e acharíamos que o território além dele também forma parte do universo. 

Ao invés disto, se o contorno do universo tivesse uma borda muito irregular, na qual espaço e tempo estivessem apertados e a densidade fosse infinita, resultaria muito difícil definir condições de contorno razoáveis. 

Entretanto, um colega chamado Jim Hartle e eu nos demos conta de que há uma terceira possibilidade. Possivelmente o universo não tenha fronteiras no espaço nem no tempo. 

A primeira vista, isto parece entrar em flagrante contradição com os teoremas que Penrose e eu tínhamos demonstrado, que indicavam que o universo teria um começo, quer dizer, uma fronteira no tempo. 

Porém, como expliquei no Capítulo 2, há outro tipo de tempo, chamado tempo imaginário, que é ortogonal ao tempo real ordinário que sentimos passar. 

A história do universo no tempo real determina sua história no tempo imaginário, e vice-versa, mas os dois tipos de histórias podem ser muito diferentes. 

Em particular, no tempo imaginário não é necessário que o universo tivesse um começo. O tempo imaginário comporta-se em outra direção espacial. 

Assim, as histórias do universo no tempo imaginário podem ser representadas como superfícies curvadas, como, por exemplo, uma bola, um plano ou uma cadeira balanço, mas com quatro dimensões em lugar de dois. 

Se as histórias do universo prolongassem-se até o infinito, como uma cadeira de balanço ou um plano, exporiam-nos o problema de especificar quais são suas condições de contorno no infinito. 

Evitamos ter que especificar uma condição de contorno se as histórias do universo em tempo imaginário fossem superfícies fechadas, como a superfície da Terra. 

A superfície terrestre não tem fronteiras nem borda. 

Não há notícias confiáveis de pessoas que tenham caído da Terra. Se as histórias do Universo em tempo imaginário são efetivamente superfícies fechadas, tal como Hartle e eu propusemos, isto poderia ter conseqüências fundamentais para a filosofia e para nossa imagem de onde vamos. 

O universo estaria completamente auto contido; não necessitaria nada fora de si para lhe dar corda e pôr em marcha seus mecanismos, mas sim, nele, tudo estaria determinado pelas leis da ciência e por lançamentos de dados dentro do universo. 

Pode parecer presunçoso, mas é o que eu e muitos outros cientistas acreditam. Inclusive se a condição de contorno do universo é a ausência de contornos, o universo não teria uma só história, mas, múltiplas, como o tinha sugerido Feynman. 

Em tempo imaginário, cada possível superfície fechada corresponderia uma história, e cada história no tempo imaginário determinaria uma história no tempo real. Haveria, pois, uma superabundância de possibilidades para o universo. O que seleciona, entre todos os universos possíveis, o universo particular em que vivemos? 

Constatamos que muitas das possíveis histórias do universo não passam pela seqüência de formar galáxias e estrelas, que resulta tão essencial para nosso desenvolvimento. Embora desenvolvessem seres inteligentes inclusive em ausência de galáxias e estrelas, isto parece muito improvável. 

Do mesmo modo que existimos como seres capazes de perguntar-se «por que o universo é como é?» já constitui uma restrição sobre a história em que vivemos. Isto implica que nosso universo pertence à minoria de histórias que contêm galáxias e estrelas, o qual é um exemplo do que se conhece como princípio antrópico. 

Este princípio afirma que o universo seria mais ou menos como o vemos, porque se fosse diferente, não existiria ninguém para observá-lo. A muitos cientistas deslocam o princípio antrópico, porque tem aspecto muito impreciso e parece carecer de poder previsível. 

Mas, é possível dar-lhe uma formulação precisa, e resulta essencial na análise da origem do universo. A teoria M, descrita no Capítulo 2, permite um número muito grande de possíveis histórias do universo. 

A maioria delas não resulta adequada para o desenvolvimento de vida inteligente: ou correspondem à universos vazios, ou duram muito pouco tempo, ou estão muito curvadas, ou resultam insatisfatórias em um sentido ou outro. 

Segundo a idéia de Richard Feynman de múltiplos histórias, estas histórias desabitadas podem ter uma probabilidade grandemente elevada. De fato, não nos importa realmente quantas histórias não contenham seres inteligentes. Só estamos interessados no subconjunto de histórias em que se desenvolva vida inteligente. Esta não tem porquê ser parecida com os humanos: pequenos extraterrestres verdes serviriam igualmente. 

A espécie humana não brilha muito por sua conduta inteligente. Como exemplo do poder do princípio antrópico, consideremos o número de direções no espaço. É um fato de experiência comum que vivemos em um espaço tridimensional. 

Quer dizer, podemos representar a posição de um ponto no espaço mediante três números, por exemplo, latitude, longitude e altura sobre o nível do mar. Mas, por que o espaço é tridimensional? Por que não tem duas dimensões, ou quatro, ou qualquer outro número, tal como na ficção científica? 

Na teoria M, o espaço tem nove ou dez dimensões, porém, acredita-se que seis ou sete delas estão enroladas com raios de curvatura muito pequenos, e só ficam três dimensões grandes e relativamente planas. Por que não vivemos numa história em que oito das dimensões estejam enroladas em raios pequenos, e haja tão somente duas dimensões observáveis? 

A um animal bidimensional resultaria muito difícil a digestão. Se o atravessasse um tubo digestivo, dividiria-o em duas e a pobre criatura cairia em pedaços. portanto, duas dimensões planas não bastam para algo tão complexo como a vida inteligente. 

Por outro lado, se houvesse quatro ou mais dimensão aproximadamente planas, a força gravitacional entre dois corpos cresceria mais rapidamente quando se aproximassem entre si. Isto significaria que os planetas não teriam órbitas estáveis ao redor de seus sóis: ou cairiam para o sol, ou escapariam para escuridão e frio exteriores. 

 Analogamente, tampouco seriam estáveis as órbitas dos elétrons nos átomos, de maneira que não existiria a matéria tal como a conhecemos. Assim, embora a idéia de múltiplas histórias admite em princípio qualquer número de dimensões relativamente planas, só as histórias com três destas dimensões poderão conter seres inteligentes. Só em tais histórias será formulada a pergunta de «por que o espaço tem três dimensões?». 

A história mais singela do universo em tempo imaginário é uma esfera lisa, como a superfície da Terra, mas com duas dimensões a mais. Esta determina no tempo real uma história do universo, na qual este é homogêneo e se expande com o tempo. 

Nestes aspectos, comporta-se como o universo em que vivemos, mas sua taxa de expansão é muito rápida, e cada vez se acelera mais. A expansão acelerada denomina-se inflação, porque se parece com o crescimento cada vez mais rápido dos preços em algumas épocas. 

 Geralmente, considera-se que a inflação dos preços é indesejável, porém, no caso do universo a inflação resulta muito benéfica. A grande expansão suaviza as irregularidades que teria o universo primitivo. À medida que o universo se expande, empresta energia do campo gravitacional para criar mais matéria. 

A energia positiva da matéria é cancelada exatamente pela energia negativa da gravitação, de maneira que a energia total é nula. Quando o tamanho do universo se duplica, as energias da matéria e da gravitação se duplicam, mas dois por zero segue sendo zero. 

Oxalá o mundo das finanças resultasse tão singelo!. Se a história do universo em tempo imaginário fora uma esfera perfeitamente redonda, a história correspondente em tempo real seria um universo que seguiria expandindo-se indefinidamente de maneira inflacionária. 

Enquanto o universo se expande de forma inflacionária, a matéria não pode aglomerar-se para formar galáxias e estrelas, e portanto, não se desenvolveria vida, nem muito menos vida inteligente tal como a conhecemos. 

Assim, embora no tempo imaginário as histórias do universo correspondentes a esferas perfeitamente redondas são permitidas pela noção de múltiplas histórias, não resultam excessivamente interessantes. 

Em troca, as histórias em tempo imaginário sendo como esferas ligeiramente aplainadas no pólo sul são muito mais relevantes. Neste caso, a história correspondente em tempo real se expandiria ao princípio de maneira acelerada, inflacionária. 

Todavia, depois a expansão começaria a frear-se, e formar-se-iam galáxias. Para que se desenvolvesse vida inteligente, o aplainamento no pólo Sul deveria ser muito ligeiro. Isto significaria que inicialmente o universo se expandiria muito. 

O nível recorde de inflação monetária teve lugar na Alemanha entre as guerras mundiais, quando os preços subiram milhares de milhões de vezes. Entretanto, a magnitude da inflação que ocorrida no universo é ao menos mil trilhões de trilhões de vezes esta quantidade. 

 Devido ao princípio de incerteza, não haveria só uma história do universo que contivera vida inteligente, mas sim tais histórias constituiriam, no tempo imaginário, uma família completa de esferas ligeiramente deformadas, cada uma das quais corresponderia no tempo real a uma história em que o universo se expande de maneira inflacionária durante um longo tempo, mas, não indefinidamente. 

Podemo-nos perguntar quais destas histórias permitidas são as mais prováveis. Resulta que as mais prováveis não são as histórias completamente lisas, e sim as que têm ligeiras protuberâncias e depressões. 

As rugas nas histórias mais prováveis são minúsculas: correspondem a perturbações de aproximadamente uma parte em cem mil. Embora tão pequenas, conseguimos observá-las como pequenas variações nas microondas procedentes de diferentes direções do espaço. 

O satélite COBE (Cosmic Background Explorer), lançado em 1989, conseguiu cartografar o conteúdo de microondas do firmamento. As diferentes cores indicam diferentes temperaturas, mas o intervalo total do vermelho ao azul corresponde tão somente ao milésimo grau. 

Ainda assim, esta variação, entre as diferentes regiões do universo primitivo, é suficiente para que a atração gravitacional adicional das regiões mais densas detenha sua expansão e faça-as paralisar de novo sob sua própria gravidade para formar galáxias e estrelas. Sendo assim, em princípio, o mapa do COBE é como o plano de todas as estruturas do universo. 

Quais serão os comportamentos futuros das histórias mais prováveis do universo compatíveis com a aparição de seres inteligentes? Há várias possibilidades, segundo a quantidade de matéria no universo. Se esta superar um certo valor crítico, a atração gravitacional entre as galáxias irá freando até detê-las. 

Então, começarão a cair de novo umas para as outras e se chocarão com um grande rangido (big crunch) que será o fim da história do universo em tempo real. Se a densidade do universo for inferior ao valor crítico, a gravidade é muito fraca para deter a separação das galáxias.

Todas as estrelas consumir-se-ão, e o universo será cada vez mais frio e vazio. E de novo, tudo chegará a um final, mas de uma maneira menos espetacular. De qualquer modo, o universo tem ainda uns quantos milhares de milhões de anos por diante. 

Além da matéria, o universo contém o que se chama «energia do vazio», energia presente inclusive em um espaço aparentemente vazio. Segundo a famosa equação de Einstein, E = mc2, esta energia de vazio tem massa. 

Significando que exerce um efeito gravitacional sobre a expansão do universo. Mas, curiosamente, o efeito da energia do vazio é oposto ao da matéria. Faz com que a expansão vá freando, chega a detê-la e investi-la. 

Já a energia do vazio faz que a expansão se acelere, como ocorre na inflação. De fato, a energia do vazio atua como a constante cosmológica mencionada no Capítulo 1, que Einstein acrescentou às suas equações originais em 1917, quando se deu conta que não admitiam nenhuma solução que representasse um universo estático. 

Depois do descobrimento de Hubble da expansão do universo, esta motivação para acrescentar um término às equações desapareceu, e Einstein abjurou da constante cosmológica como um grande engano. Entretanto, poderia não se tratar de um engano. 

Como dissemos no capítulo 2, sabemos agora que a teoria quântica implica que o espaço-tempo está cheio de flutuações quânticas. Em uma teoria super simétrica, as energias infinitas positiva e negativa das flutuações do estado fundamental das partículas de SPINs diferentes se cancelam mas, como o universo não se acha em um estado super simétrico, não cabe esperar que por sorte energias se cancelem tão exatamente que não fique uma pequena quantidade, finita, de energia do vazio. 

O surpreendente é que a energia do vazio seja tão próxima a zero, que não a detectamos até poucos anos. Isto seria outro exemplo do princípio antrópico: em uma história com maior energia do vazio não se formariam galáxias, de maneira que não conteriam seres que pudessem formular a pergunta: «por que é tão baixa a energia do vazio?». 

Tentemos determinar as quantidades de energia da matéria e do vazio no universo a partir de diversas observações. Se representarmos os resultados em um diagrama com a densidade da matéria no eixo horizontal e a energia do vazio no eixo vertical, a linha de pontos indica a fronteira da região onde desenvolver-se-ia vida inteligente. 

Observações de supernovas, amontoados, e o fundo de microondas eliminam regiões deste diagrama. Felizmente, estas três regiões têm uma intercessão comum. 

Se a densidade de matéria e a energia do vazio acham-se nela, significa que a expansão do universo começou a acelerar de novo, depois de um longo período freada. Parece que a inflação poderia ser uma lei da natureza. 

Vimos, portanto, como o comportamento da imensidão do universo seria compreendido a partir de sua história no tempo imaginário, que é uma esfera diminuta e ligeiramente aplainada 

É como a noz de Hamlet, mas esta noz codifica tudo o que ocorre no tempo real. 

Sendo assim, Hamlet tinha razão: poderíamos estar encerrados numa casca de noz e, ainda assim, sentirmo-nos reis de um espaço infinito.

FONTE

Título original: THE UNIVERSE IN A NUTSHELL A Bantam Book / November 2001 Copyright © 2001 by Stephen Hawking FICHA TÉCNICA ISBN 8575810138 Livro em português 

SINOPSE

Este livro apresenta, com uma linguagem simplificada, os princípios que controlam o Universo. Hawking autor do bestseller 'Uma breve história do tempo' é um dos mais influentes pensadores de nosso tempo, escreve a respeito de sua busca para a descoberta da Teoria de Tudo, faz uma viagem através do espaço-tempo, leva o leitor a descobrir segredos do Universo e revela uma de suas mais emocionantes aventuras intelectuais enquanto procura 'combinar a teoria da relatividade de Einstein e a idéia das histórias múltiplas de Feynman em uma teoria unificada completa que descreverá tudo que acontece no Universo'