sexta-feira, 17 de setembro de 2010

Explicando o Universo para encerrar...

Como o Universo é poético, me lembrei da série Cosmos que assisti quando criança.

Esta série me despertou para entender as maravilhas da natureza, jamais pelo lado religioso, lado este que nunca me respondeu nada, apenas me confundiu.

Vangelis se aproximou da poesia do Universo com as músicas abaixo.







Simplesmente lindas!!!!

















algumas fotos imaginadas de exoplanetas:

aqui e aqui

Fotos do Huble:

 aqui e aqui

O céu ao som de Alpha - Van Gelis:

video
 




E claro, o incomparável Sagan em sua narrativa na série COSMOS.






terça-feira, 14 de setembro de 2010

Explicando o Universo - Conclusão

CONCLUSÃO:

Para concluir nossa exposição, examinemos o restante da nota:

Outra coisa: Se o Universo está fadado à destruição, que sentido existe na vida? Afinal de contas, todos os nossos esforços não acabam sendo inúteis em perspectiva da finitude de todas as coisas?

A vida, para o Universo não possui qualquer sentido, assim como não há qualquer sentido em o universo existir, ou existirem n universos paralelos ao nosso, ou terem existido “n” universos anteriormente ou existirem “n” posteriormente ao nosso.

Nós como humanos atribuímos sentido as nossas vidas, e deixamos nosso legado às gerações futuras, para que vivam cada vez melhor que aquelas que as antecederam, daí não serem nossos esforços inúteis.

Assim, o dia em que morrermos, para nós a vida deixará de ter sentido e este se perpetuará naqueles que aqui restarem.

Mas, tudo bem, não se preocupe com isso agora. Coma, beba e se divirta. O mundo vai acabar, mas só daqui a bilhões de anos.

A vida, num sentido cósmico, parece não fazer sentido mesmo, por isso, viva para o aqui e agora. Beco perigoso esse...

É verdade que não precisamos nos preocupar com o fim do mundo (na ótica cosmológica). Devemos, sim, é nos preocupar com a nossa condição espiritual, pois Jesus voltará muito antes do que se imagina. É nisso que não querem que pensemos...[MB]

Devemos nos preocupar em sermos pessoas melhores, não por que Jesus ou qualquer outro ser metafísico voltará ou virá, ou porque reencarnaremos, conforme rezam as lendas humanas.

Devemos sim viver o aqui e agora e sermos felizes. Mas também devemos nos preocupar e muito com nossa “condição espiritual” por questões éticas e morais, em respeito a todos os seres humanos e ao nosso mundo, enquanto ele dure.

Devemos fazer da Terra e do Universo, se algum dia nos lançarmos em viagens mais ousadas, um lugar excelente para vivermos e em harmonia com outras formas de vida, inteligentes ou não, caso elas existam.


Uma viagem pelo universo:















Explicando o Universo Parte XII

AS MAIORES EXPLOSÕES DO UNIVERSO

ASSISTIR SE DIVERTIR E APRENDER!!!!



















O FIM DA TERRA



















Explicando o Universo parte XI

O NASCIMENTO DO UNIVERSO:
assistir se divertir e aprender!!!!
















VELOCIDADE DA LUZ






ENERGIA EXTREMA:




























Explicando o Universo - Parte X

BURACOS CÓSMICOS


Assistir se divrtir e aprender!!!!















OS UNIVERSOS PARALELOS
















Explicando o Universo - Parte IX

ALÉM DO BIG BANG

ASSISTIR, SE DIVERTIR E APRENDER!!!
















Explicando o Universo - Parte VIII

MATÉRIA E ENERGIA ESCURAS

A matéria escura:

A matéria escura é uma forma de matéria que aparentemente interage apenas de forma gravitacional, sendo que sua presença infere-se a partir de efeitos gravitacionais sobre a matéria visível, o que explica a causa de as galáxias não saírem de seu caminho, apesar de suas imensas massas e velocidades.

A matéria normal das galáxias é mantida no agrupamento pela força da gravidade de uma massa ainda maior de matéria escura. Sem a matéria escura, que é invisível e somente pode ser detectada através do efeito de sua gravidade, as velocíssimas galáxias e o gás quente rapidamente se esfacelariam e espalhariam.

No modelo cosmológico mais aceito, o ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter), a componente de matéria escura é fria, isto é, não-relativístiva. Nesse contexto, a matéria escura compõe cerca de 23% da densidade de energia do universo. O restante seria constituído de energia escura, 73% e a matéria bariônica, 4%.

Há três categorias de candidatos a matéria escura:

As categorias fria, morna e quente referem-se à velocidade com que as partículas estão viajando e não uma temperatura real.

- matéria escura fria – são os objetos que se movem em velocidades clássicas (menos de 0,1c). Esta é atualmente a área de maior interesse para a investigação da matéria escura, sendo as outras teorias não viáveis para a formação de galáxias e aglomerados de galáxias.

- matéria escura morna - as partículas que se movem relativisticamente ( entre 0.1c e menos de 0.95c). Os candidatos mais comuns WDM são neutrinos estéreis e gravitinos. Esta matéria escura resolve o problema dos buracos negros gigantes (ver aqui e aqui).

- matéria escura quente - as partículas que se movem ultrarelativisticamente (próximas da velocidade da luz). O candidato seria o neutrino. Esta matéria escura explica como os clusters e superclusters de galáxias se formaram após o big bang, mas não explica a formação de galáxias individuais após este evento, o que é explicado pela matéria escura fria e morna.

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O modelo ΛCDM representa o modelo de concordância da teoria do "Big Bang" que explica as observações cósmicas realizadas sobre a radiação de fundo de microondas, assim como a estrutura em grande escala do universo e as observações realizadas sobre as supernovas, todo ele pretende ter a explicação da aceleração da expansão do universo. É o modelo conhecido mais simples que está em acordo com todas as observações.

Graças ao telescópio de raios-X Chandra, da NASA, a matéria escura finalmente deixou de ser uma hipótese e ganhou o caráter de teoria (aqui), pois os cientistas conseguiram confirmar sua existência a partir da observação do maior evento cósmico já observado pelo homem: o choque entre duas galáxias.

Apesar de consideráveis evidências já oferecidas em prol da existência da matéria escura, alguns cientistas já estavam propondo teorias alternativas para a gravidade onde ela é mais forte do que seria previsível pelas teorias de Newton e Einstein.

Estas teorias eliminam a necessidade da matéria escura. Mas não conseguem explicar os efeitos observados pela colisão agora acompanhada pelos cientistas

"Os resultados são uma prova direta de que a matéria escura existe," conclui o Dr. Doug Clowe, da Universidade do Arizona, Estados Unidos, e coordenador do estudo.

Os candidatos teóricos mais populares à matéria escura não-bariônica são: os áxions, os neutrinos estéreis e as WIMPs - partículas massivas que interagem fracamente, que não interagiriam com com a matéria visível por nenhuma força mais intensa que a força fraca, exceto pela força gravitacional.

O Axion é uma partícula hipotética fundamental, postulado pela teoria Peccei-Quinn em 1977.Esta partícula hipotética resolve o problema da violação de simetria CP na cromodinâmica quântica (QCD). Se os axions existirem e tiverem baixa massa em um determinado intervalo, eles seriam um possível componente da matéria escura fria.

Na física de partículas, violação de simetria CP é uma violação do postulado da simetria CP, que é a combinação de simetria C (taxa de simetria de conjugação) e simetria P (simetria de paridade).

Em física, uma transformação de paridade (também chamada de inversão da paridade ou simetria P) é a viravolta no sinal de uma coordenada espacial. Em três dimensões, também é comumente descrito pela viravolta simultânea em sinal de todas as três coordenadas espaciais.

Quanto à C-simetria, é a simetria das leis físicas sob uma transformação de conjugação de carga. Eletromagnetismo, a gravidade e a interação forte, todos obedecem simetria C, mas as interações fracas violam a simetria C-máximo.

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Os estados de simetria CP afirmam que as leis da física devem ser as mesmas, se uma partícula for intercambiada com sua anti-partícula (simetria C), e se forem trocadas a esquerda e a direita (simetria P).

A violação de simetria CP desempenha um papel importante, tanto nas tentativas da cosmologia para explicar o predomínio da matéria sobre a antimatéria no Universo atual, e no estudo das interações fracas em física de partículas.

É também possível que uma pequena parte da matéria escura seja bariônica, existente em forma objetos massivos compactos, MACHOs (em teoria, grandes corpos celestes que emitem poucas ondas eletromagnéticas, como estrelas de nêutrons, ou mesmo nenhuma, como buracos negros), que por emitirem pouca radiação são difíceis de serem detectados.


A energia escura:

A energia escura é uma forma de energia distribuida por todo o espaço e tende a acelerar a expansao do universo. A principal característica da energia escura é ter uma forte pressão negativa. De acordo com a teoria da relatividade, o efeito de tal pressão negativa seria semelhante, qualitativamente, a uma força que age em larga escala em oposição à gravidade.

Em 1998, astrofísicos descobriram que as supernovas mais distantes da Terra apresentavam a luz mais tênue do que seria de se esperar - logo, elas estariam mais distantes de nós, concluíram eles. Isto sugeriu que a expansão do universo estava se acelerando.

A causa para essa expansão foi então chamada de energia escura, uma energia cujos efeitos os físicos acabavam de medir, mas que não havia ainda sido detectada diretamente (ler aqui).

As principais formas das diferentes propostas de energia escura são:

- A constante cosmológica, que pode ser interpretada tanto como uma modificação de natureza geométrica nas equações de campo da relatividade geral, quanto como um efeito da energia do vácuo, a qual preenche o universo de maneira homogênea. Foi introduzida por Einstein nas equações relativísticas para que estas conduzissem a um universo estático. Entretanto foi descartada após observada a expansao do universo.

- A quintessência (forma hipotética de energia escura, postulada como uma forma de explicar a expansao do universo), usualmente modelada como campos escalares, cuja densidade de energia pode variar no tempo e no espaço, campos estes oriundo da teoria das supercordas.

Nessa teoria, há uma abundância de campos escalares (módulos) que são gravitacionalmente ligados a todos os outros graus de liberdade e têm expectativas de valores de vácuo na ordem conforme a escala de Planck. A diferença entre a quntessência e a constante cosmológica é que aquela pode variar no espaço e no tempo.

Embora nao haja evidências a respeito da quntessência, esta ainda não foi descartada Cientistas acreditam que a melhor evidência para a quintessência viria de violações do princípio da equivalência de Einstein e da variação das constantes fundamentais no espaço ou no tempo.


Uma luz sobre a energia escura:

A equipe do professor István Szapudi anunciou ter detectado outro efeito, incontestável, segundo eles, da existência da energia escura (aqui). O efeito a que a Szapudi e sua equipe se referem é conhecido como efeito de Sachs-Wolfe.

Este efeito é uma propriedade da radiação cósmica de fundo (CMB), na qual os fótons da CMB são gravitacionalmente desviados para o vermelho (redshifted), fazendo com que o espectro da CMB apareça desigual. Este efeito é a fonte predominante de flutuações na CMB, em escalas angulares acima de cerca de dez graus.

A aparente aceleração do universo é atribuída à pressão negativa da energia escura. Essa aceleração diminui o potencial gravitacional, causando um efeito direto sobre fótons que viajem ao longo do universo:

Eles ganham energia - se aquecem - ao passar por grandes aglomerados de galáxias, e perdem energia - se resfriam - ao viajar pelos supervazios, enormes regiões com pequena densidade de estrelas ou outros corpos celestes.

A "fotografia" da energia escura de Szapudi e seus colegas é, na verdade, um mapa dessas variações de temperatura dos fótons, mostrando regiões quentes e frias que refletem variações na densidade do universo em seus primeiros estágios. Essas áreas quentes e frias são condizentes com a teoria da energia escura, que inclusive predizia sua existência.

Segundo Szapudi e sua equipe, idéia é a seguinte:

Um fóton viajando através do universo ganha energia quando entra em uma região densamente povoada por galáxias, repleta de energia gravitacional - é mais ou menos como se ele estivesse caindo num buraco.

Depois que ele atravessa essa região, saindo para outra com menor densidade de matéria - e, portanto, também de energia gravitacional - ele perde energia. É mais ou menos como ele estivesse tentando sair do buraco.

Se a energia escura não for levada em conta, o ganho e a perda de energia desse fóton viajante devem se equivaler. Mas, se a energia escura realmente existir, o universo se expande rápido o suficiente para esticar o buraco gravitacional enquanto o fóton ainda está lá dentro. Isso torna o buraco mais raso, facilitando a saída do fóton, que perderá menos energia nesse processo.

O resultado é um fóton que ganha mais energia do que perde, transformando os supervazios em áreas mais quentes. Logo, uma imagem da radiação de fundo aparece "marcada" por estas regiões mais quentes e mais frias.

Como esse efeito é muito pequeno, os cientistas se concentraram em áreas nos dois extremos: 3.000 superaglomerados de galáxias e 500 supervazios. Pelos seus cálculos, a chance de que o mapa que eles produziram não seja causado pela energia escura é de 1 em 200.000.

O trabalho foi submetido para publicação da revista Astrophysical Journal Letters e ainda está em processo de avaliação por outros cientistas. (Dark Energy Detected with Supervoids and Superclusters Benjamin R. Granett, Mark C. Neyrinck, István Szapudi arXiv 20 May 2008 http://arxiv.org/abs/0805.2974).

Entender a Energia escura nos trará pistas cruciais na busca para a unificação das forças e das partículas no Universo, ou seja nos propiciará a entender do que tudo é feito, embora a energia escura e sua quantidade sejam uma pista para a morte deste universo.


Assistir, se divertir e aprender:







sexta-feira, 30 de julho de 2010

Explicando o Universo - Parte VII


ENTROPIA E NUCLEOSSÍNTESE



A entropia é uma grandeza termodinâmica geralmente associada ao grau de desordem. Ela mede a parte da energia que não pode ser transformada em trabalho. É uma função de estado cujo valor cresce durante um processo natural dentro de um sistema isolado.
Em física e química, sistema isolado é um sistema que não troca nem matéria e nem energia com o ambiente. Não existe nenhum sistema conhecido com essas características. Cogita-se a hipótese de o Universo ser um sistema isolado. 











Em outros tópicos já explicamos a entropia em sua interpretação termodinâmica de forma bastante detalhada (aqui e aqui 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 ).

A fim de compreendermos a nucleossíntese ocorrida após o big-bang, teremos de compreender duas forma de entropia relacionadas à desordem. 




A entropia posicional:
Vamos tomar como exemplo a expansão isotérmica de um gás ideal. À medida que este gás se expande a partir de um volume inicial é um volume final, suas moléculas se espalham ocupando um maior volume, de modo uniforme.

Ao se compararem os estados inicial e final desta expansão, no estado final, cada molécula pode ocupar, em cada instante, qualquer posição entre um número muito maior de posições no espaço que quando de seu estado inicial. 





 

Portanto, os estados inicial e final do sistema diferem por uma propriedade "o número de caminhos pelos quais as moléculas podem arranjar-se no volume disponível, o qual aumenta quando aumenta o volume".

Assim, como resultado desta expansão isotérmica, o sistema acabou por tornar-se mais desordenado, no sentido de que decresceu a probabilidade de se encontrar uma dada molécula do gás dentro de um pequeno elemento do volume especificado.

Logo, a entropia de um sistema aumenta quando seu volume aumenta à temperatura constante. Portanto, pode-se concluir que a entropia se relaciona à desordem posicional das moléculas de um sistema.

Esta relação entre entropia e desordem posicional das moléculas (ocupação de microestados é dada pela equação de Boltzmann a ser analisada mais adiante.

 
A entropia energética: 

Esta interpretação da entropia tem como sua base um aumento na temperatura do sistema, o qual aumentará sua desordem. A temperatura tem uma correspondente distribuição particular das velocidades moleculares e energias cinéticas das moléculas. Portanto, um aumento na temperatura tem o efeito de aumentar o valor da energia média, bem como de nivelar a curva da distribuição de energia.

Logo, à medida que a temperatura aumenta, amplia-se o intervalo possível de energias cinéticas e ocorre um maior espalhamento das moléculas do gás entre todos os valores de energia possíveis.

A partir dos estudos referentes à cinética dos gases (ver Halliday e Resnik – Física vol. II) , tem-se que a energia cinética total de translação por mol de moléculas de um gás ideal é proporcional à temperatura, segundo a fórmula:

(1/2) M (v^2) = (3/2) RT


Sendo:
M = peso molecular do gás;
v = velocidade da partícula;
R = constante molar dos gases;
T = temperatura absoluta do gás.
 
Portanto, um aumento na temperatura corresponde a um aumento no número de valores possíveis da energia cinética que cada volume pode adquirir e a um decréscimo da probabilidade média de se encontrar uma dada molécula em um dado intervalo de temperatura.


Dessa forma, o sistema torna-se mais desordenado à medida que a temperatura aumenta.



Conforme o que foi acima explicado, a entropia possui um caráter de desordem posicional (desordem no arranjo molecular), relacionado com o arranjo possível das moléculas no espaço, bem como uma desordem energética (desordem da distribuição de energia) relacionada com as distribuições de energias entre todas as moléculas do sistema.

Logo, a entropia de um sistema representa uma medida do número de estados distinguíveis, que são disponíveis às moléculas do sistema, sendo que “estado” representa as posições moleculares, bem como as distribuições de energia das moléculas.

Assim, à medida que a temperatura se torna mais baixa, a entropia do sistema decresce, pois tanto a desordem posicional, como a energética decrescem.

A partida para a interpretação molecular da segunda lei da termodinâmica é a consideração de que um átomo ou molécula somente pode possuir certos valores de energia denominados “níveis de energia”.

A agitação térmica contínua que as moléculas sofrem em temperaturas acima do zero Kelvin assegura que elas estejam distribuídas pelos níveis de energia disponíveis, ou seja, uma molécula pode estar em um estado de energia mais baixo e, após ser excitada, passa a um estado de energia mais alto. 








 



Não é possível saber-se o estado de energia de uma única molécula, mas, pode-se falar do estado da população (número médio de moléculas em cada estado), sendo que estas populações permanecem constantes em relação ao tempo, desde que não haja variações na temperatura. 


Para T = 0 K, somente o estado de menor energia se encontra ocupado. À medida que a temperatura se eleva e excita as moléculas, estas passam a ocupar estados de energia mais elevada. E, cada vez que a temperatura se eleva, mais estados ficam acessíveis a serem ocupados.

Entretanto, em qualquer temperatura, sempre existe uma população em um estado de energia menor que em um estado de energia maior, exceto quando a temperatura é infinita, onde todos os estados estão igualmente ocupados, o que é dado pela distribuição de Boltzmann.

Ni = N * e ^-[Ei/(k*T)]/Σ{ e ^-[Ei/(k*T)]}

Onde:

Ni = número de moléculas dentro de uma amostra de N moléculas, que estão em um estado com uma determinada energia;

N = número de moléculas de uma amostra;

Ei = energia do estado;


k = constante de Boltzmann (1,381 * 10 ^-23 J/K);


T = temperatura em graus Kelvin de equilíbrio térmico do sistema.

De acordo com a distribuição de Boltzmann, mais de um estado poderá corresponder a um mesmo nível energia.

Boltzmann também associou a distribuição de moléculas pelos níveis de energia com a entropia, cuja formula é dada por:

S = k* ln(W)

Onde:

S = entropia;

k = constante de Boltzmann (1,381 * 10 ^-23 J/K);

W = o número de microestados, ou seja, a maneira com a qual as moléculas de um sistema podem ser distribuídas mantendo a energia total constante;

Cada microestado, dura por apenas um momento e tem uma distribuição de moléculas diferente pelos níveis de energia disponíveis. Ao medirem-se as propriedades de um sistema, mede-se uma média dos diversos microestados que o sistema pode ocupar nas condições da experiência.

O conceito de número de microestados torna quantitativos os conceitos qualitativos de desordem e de dispersão da matéria e energia, os quais são amplamente utilizados para introduzir o conceito de entropia.

Assim, uma distribuição mais desordenada de energia e de matéria corresponde a um número maior de microestados associados com a mesma energia total.

Por meio da fórmula "S = k* ln(W)", que é denominada de entropia estatística, se o número de moléculas que pode participar da distribuição de energia aumenta, então existem mais microestados para uma determinada energia total e a entropia é maior do que quando a energia está confinada a um número menor de moléculas. Portanto, a entropia se relaciona com a dispersão de energia.

A interpretação molecular da entropia também sugere a definição termodinâmica dada por:

dS=dQrev/T

Sendo:

dQrev = energia transferida em um processo reversível que leva o sistema de um estado para outro.

T = temperatura absoluta e constante.

Para tal, há que se considerar que as moléculas em um sistema a alta temperatura podem ocupar um grande número de níveis de energia disponíveis, de modo que pequenas transferências adicionais de energia, na forma de calor, provocam mudanças relativamente pequenas em níveis de energia acessíveis. Portanto, nem o número de microestados e nem a entropia do sistema aumentam significativamente.

Mas, moléculas em sistemas a baixas temperaturas têm acesso a poucos níveis de energia. Ao se transferir a mesma quantidade de energia em forma de calor aumentará significativamente o número de níveis de energia disponíveis e o número de microestados.

Logo a variação da entropia devido ao aquecimento será maior quando a energia é transferida para um corpo frio que quando é transferida para um corpo quente. Daí a entropia ser inversamente proporcional à temperatura em que ocorre a transferência de calor.


Mas e a nucleossíntese? Ela é um aumento ou redução de entropia?
O Universo começou com uma entropia baixa e, de acordo com a segunda lei da termodinâmica e essa entropia foi aumentando desde então. Segundo o atual conhecimento, havia uma temperatura tendente ao infinito e um volume tendente a zero quando do momento do big-bang, o que se caracteriza por uma singularidade.
Há muito os físicos descobriram que partículas de matéria podem ser criadas, caso haja uma concentração suficiente de energia, processo este que pode ser demonstrado por meio dos grandes aceleradores.

Mas aqui resta uma dúvida: de onde teria surgido a energia para criar estas partículas?

A partir da década de 1980, o problema foi resolvido. descobriu-se que a energia total do universo poderia ser zero. A razão para o universo ter energia zero e mesmo assim ter 10^50 toneladas métricas de  matéria  se deve ao fato de seu campo gravitacional ter energia negativa, sendo que a soma matéria e energia se anulam perfeitamente.

Assim, descobriu-se como a energia positiva era canalizada para dentro da matéria e como uma quantidade igual de energia negativa entrava no campo gravitacional, o que demonstra que toda a matéria cósmica fora criada de graça.



Isso tornou plausível supor que o universo tenha começado com o espaço vazio, sendo que toda matéria aparecera mais tarde e muito rapidamente, como resultado de um processo físico natural.

Uma das evidências mais convincentes acerca da teoria do Big-Bang é a existência da radiação térmica de fundo do universo, que fornece uma ideia instantânea de como era o universo perto de seu início, que corresponderia a um estado de equilíbrio térmodinâmico.

Entretanto, equilíbrio termodinâmico implica máxima entropia, que via conexão de Shanon implica um mínimo de informação.

Na verdade, basta dar um bit de informação, como por exemplo, a temperatura, para caracterizar completamente um estado de equilíbrio termodinâmico. Assim, ao nos guiarmos pela radiação térmica de fundo, o universo começou quase com nenhum conteúdo de informação.

Dessa forma podemos dizer que havia uma entropia posicional tendente a zero e uma entropia energética tendente ao infinito, o que é um absurdo tanto lógico, quanto matemático, quanto físico.
Todavia, há que se compreender que em uma singularidade, as leis da física como as conhecemos aparentemente não valem. 


Isso parece uma contradição perturbadora, pois a segunda lei da termodinâmica proíbe que o conteúdo de informação total do universo aumente à medida que ele se desenvolve, embora o universo primitivo contivesse muito pouca informação. Assim, resta a pergunta: DE ONDE VEIO A INFORMAÇÃO PRESENTE NO UNIVERSO ATUAL????

Uma maneira de expressar este problema é por meio da entropia. SE O UNIVERSO COMEÇOU PRÓXIMO A UM ESTADO DE EQUILÍBRIO TERMODINÂMICO, OU MÁXIMA ENTROPIA, COMO ATINGIU SEU ATUAL ESTADO DE DESEQUILÍBRIO, DADO QUE A SEGUNDA LEI PROÍBE QUE A ENTROPIA TOTAL DIMINUA?

Parece que somente os deuses responderiam essa questão... Mas há uma surpresa nisso tudo!!!!

Esse enigma é solucionado não pelos deuses, mas pelas 4 forças do universo. Vejamos:

A
nucleosíntese foi a formação inicial dos primeiros núcleos atômicos elementares (Hidrogênio, Hélio). Esta ocorreu porque, após o big-bang as quatro forças fundamentais da natureza passaram a dissociar-se.



Com a queda da temperatura do universo a atuação da força nuclear forte passou a causar interações entre quarks e glúons formando prótons e nêutrons livres, sendo que estes nêutrons livres decaíram em prótons (decaimento beta proporcionado pela força nuclear fraca). 




É o que se denomina formação da matéria bariônica (bariogênese). Há cerca de sete prótons para cada nêutron no início do nucleogênese, sendo que tal relação se manteria estável mesmo após a nucleogênese.

A mesma força nuclear forte acabou atraindo prótons e nêutrons que se comprimiram em núcleos primitivos. Sabe-se que esta força nuclear forte só é eficaz em distâncias da ordem de 10 ^ -13 cm.

Presume-se que a
nucleosíntese do big bang ocorreu 100 segundos após o impulso inicial, e que esta foi seguida de um processo de repentino resfriamento devido à irradiação, que pode ter ocasionado o surgimento dos núcleos, ou o surgimento dos núcleos ter ocasionado o resfriamento. Independente do ponto de vista, é sabido que houve o resfriamento por irradiação.

Em função daquele evento (nucleosíntese), a matéria propriamente dita passou a dominar o Universo primitivo, pois, é sabido que a densidade de energia em forma de matéria passou, a partir daquele momento, a ser maior do que a densidade em forma de radiação. Isto se deu em torno de 10.000 anos após o impulso inicial.

Com a queda de temperatura universal, os núcleos atômicos de Hidrogênio, Hélio e Lítio recém formados se ligaram aos elétrons formando assim átomos de Hidrogênio, Hélio e Lítio respectivamente. Presume-se que isto se deu em torno de 300.000 anos após o chamado marco zero. A temperatura universal estava então em torno de 3.000 K. 

Dessa forma começaram a se formar as primeiras moléculas pela atração propiciada pela força eletromagnética e, estas moléculas começaram a se condensar nas primeiras estrelas auxiliadas pela força gravitacional





MAS COMO AS ESTRELAS SE FORMARAM E COM ELAS AS PROTOGALÁXIAS???

É fato que o universo atual encontra-se mais organizado que as nuvens de gás do universo primordial.  Isso parece violar a segunda lei mais ainda que a nucleossíntese. Em uma alusão às perguntas criacionistas, quem ou o que estaria por traz disso?  Seriam os deuses ou um designer????

Não!!!! o responsável por isso tudo é a gravitação, a qual cria uma diferença para a termodinâmica (não é simplesmente lindo!!!!). 




Vejamos:

Pensemos em um frasco de gás a uma temperatura uniforme. Se nada perturbar este frasco, o gaz nada realizará, ou seja, permanecerá em equilíbrio.

Mas suponhamos uma massa de gás tão grande como uma núvem interestelar. aqui a gravitação terá um papel importantíssimo. Não haverá mais equilíbrio. O gás começará a se contrair, sendo que blocos de material mais denso começam a se acumular aqui e ali.

 No centro dos blocos, a contração aquece o gás e assim, formam-se gradientes de temperatura, que possibilitam o calor fluir e assim fazer a matéria se condensar mais e mais, até que acontece a fusão nuclear, que dá origem às estrelas.


Desse modo, sob ação da força gravitacional, um gás supostamente em equilíbrio termodinâmico a uma temperatura uniforme e em máxima entropia passa por outras mudanças, o que faz com que o calor flua e a entropia aumente ainda mais. Portanto, a instabilidade gravitacionalmente induzida é uma poderosa fonte de informação. 

 Em sendo assim, não se pode afirmar que um sistema esteja em equilíbrio termodinâmico ou máxima entropia, somente porque está a uma temperatura ou densidade uniformes, caso a gravidade se faça sentir. Nuvens de gás possuem muita energia livre pronta para ser liberada, por meio de processos gravitacionais, sendo que mesmo a uma temperatura uniforme o gás se encontra em um estado de baixa entropia.

  Em cosmologia, a gravitação é a força predominante e assim se fazem presentes seus efeitos termodinâmicos, o que significa que não podemos concluir, a partir de um fundo uniforme de radiação térmica que o universo primitivo estivesse em um estado de equilíbrio termodinâmico.

Assim, tanto a vida como a gravitação, termodinamicamente falando, vão na direção errada.


 A formação da matéria bariônica, a nucleossíntese pós-big-bang, a formação das primeiras moléculas e das primeiras estrelas, demonstra uma redução local de entropia, onde se concentrava a matéria primordial. Isso se deu devido à queda de temperatura do universo o que permitiu as quatro forças vencerem o estado em que não havia matéria, e assim realizarem trabalho a fim de criar a matéria bariônica e tudo o que há no Universo.

Em física, trabalho significa uma medida da energia transferida pela aplicação de uma força ao longo de um deslocamento.

A transição eletro-fraca quebrou a espontaneidade de simetria e formou os bósons massivos que transmitem a força fraca: W+, W-,Z e daí para os quarks, prótons nêutrons e núcleos atômicos leves.

Conseqüentemente a partir de núcleos atômicos leves, principalmente hidrogênio e seus isótopos formaram-se as primeiras estrelas e as primeiras galáxias. As estrelas primordiais sintetizaram em seus núcleos os elementos mais pesados que o lítio. 







 



Dessa forma, a energia anteriormente dissociada sucumbiu às forças do universo e passou a haver a formação de partículas e, futuramente do Universo como os enxergamos hoje.

A expansão do universo ajudou a alimentar o contraste térmico crescente, porque, à medida que o universo se expandia, a sua temperatura de fundo caía.. Isso possibilitou as estrelas irradiarem mais vigorosamente no espaço que se esfriava.


O resultado dos processos gravitacionais foi que se abriu uma "brecha" de entropia no universo, sendo esta "brecha" entre a a entropia real e a máxima entropia possível. 

A luz das estrelas tenta fechar esta "brecha", mas na verdade, todas as fontes de energia livre, inclusive a energia química e a térmica do planeta Terra podem ser atribuídas a esta brecha.

Para que a vida se sustente e se organize na Terra ou em qualquer outro mundo, ela necessita de energia do ambiente, a qual será nossa fonte de energia livre ou de entropia negativa. Aqui na Terra, a fonte de entropia negativa é o Sol, que permite as plantas realizarem a fotossíntese e alimentar toda uma teia de vida.

Mas, nas profundezas de nosso mundo, há formas de vida que não dependem do Sol, mas dependem do calor interno da Terra, o qual é a sua fonte de entropia negativa.  

Ou seja, toda a vida, seja ela existente na Terra ou em outros mundos, se alimenta desta brecha da entropia criada pela gravitação. Portanto, a fonte última de informação e ordem biológica é oriunda da gravitação.


Todavia, em razão da expansão do Universo, a entropia posicional continuou crescendo, muito além do decréscimo ocorrido na entropia energética. Esta expansão é decorrente da energia de vácuo do universo, medida pela constante cosmológica de Einstein (aqui, aqui e aqui), ou seja, é a ação da energia escura (aqui e aqui) que pode ser tratada como um efeito anti-gravidade. 
 

Mas há outros modelos que tratam da expansão do universo, referindo-se a sua expansão acelerada como devida à existência de correções na teoria da Relatividade Geral que apenas afetam as grandes escalas, superiores à dimensão digamos dos superclusters.



Estas correções são previstas por algumas Teorias da Unificação das Interações Fundamentais - TUIF, como as teorias em que o espaço-tempo tem dimensões extra, como é o caso das teorias de branas. Neste caso, as modificações da Relatividade Geral ocorrem devido ao fato de que os grávitons (partículas elementares hipotéticas que transmitem a força gravitacional) virtuais podem escapar para as dimensões extra, o que causaria uma redução da atração gravitacional (a grandes distâncias) superior à que seria de esperar com base na Relatividade Geral.

Para o universo logo após o big-bang, a energia do vácuo era desprezível em comparação com a matéria.

Recentemente a situação se inverteu, sendo a energia do vácuo atualmente a energia dominante.

Existe então um período relativamente curto na história do Universo em que estas densidades de energia são comparáveis e parece uma coincidência estranha que esse período seja precisamente em torno do presente.

A descoberta de que a expansão do Universo está se acelerando e de que a matéria corresponde apenas a cerca de 30% da composição total do universo reabre a questão do seu destino.

Em particular, a geometria já não determina completamente o destino do Universo mas mantêm-se três possibilidades, conforme o gráfico acima:

1 - Caso a densidade de energia escura permanecer constante, a expansão vai continuar a acelerar, os objetos celestes que hoje observamos irão ficando cada vez mais afastados e ficaremos cada vez mais isolados no Universo. Este é o caso previsto pelo modelo que explica a energia escura através da chamada constante cosmológica. 


2 - Por outro lado, se a densidade de energia escura variar no tempo, a possibilidade mais espetacular é a de que ela aumente no tempo e daqui a muitos bilhões de anos venha a causar a destruição de toda a matéria existente no Universo, mesmo em nível atômico, devido à rapidez em sua expansão. 



3 – De outra forma, se a densidade de energia escura diminuir no futuro, é possível que o universo comece a desacelerar podendo mesmo conduzir a um colapso.



Ou seja, como podemos perceber, a questão da entropia para Universo cresce, no momento, pois, pela entropia estatística, o universo passa ter mais microestados ocupados, maneira com a qual as moléculas de um sistema podem ser distribuídas mantendo a energia total constante.

Entretanto, para os subsistemas como partículas fundamentais, átomos, moléculas e aglomerados estelares ela decresce, uma vez que a perda de calor para o meio, ocorrida após o big-bang fez com que partículas após a nucleossíntese pós-big-bang tenham sucumbido às quatro forças do Universo. Entretanto este decréscimo de entropia quando da nucleossíntese é superado pelo aumento de entropia do sistema universo, conforme descrito anteriormente.

O Segundo Princípio da Termodinâmica diz precisamente que um sistema isolado tende a evoluir no sentido de aumentar a entropia.

Assim, a entropia do universo aumenta sempre sendo que os acontecimentos inversos implicariam a diminuição de entropia. Um dos fatos mais curiosos do aumento da entropia do universo é a conseqüente "degradação" da energia.

Sempre que ocorre uma transformação irreversível dá-se um aumento da entropia do universo, mas por outro lado perdemos a oportunidade de obter energia sob forma utilizável, ou seja, a energia que foi convertida em trabalho para que o processo se desenrolasse, embora não tenha sido "destruída", encontra-se "degradada", não podendo mais ser utilizada para obtermos trabalho útil.

Pelo que observamos do princípio do aumento da entropia, concluímos que o nosso universo, em virtude dos processos naturais, tende para um estado de desordem maior e uniformidade geral. À medida que ocorrem esses processos a energia disponível para efetuar trabalho útil (criar matéria, estrelas, planetas, galáxias, aglomerados, vida, etc.) irá diminuir.

Todos os processos físicos, químicos e biológicos cessarão, atingindo uma situação-limite a que geralmente se dá o nome de "Morte Térmica" do universo. Ou seja o universo decairá para um para um estado de nenhuma energia termodinâmica livre para sustentar movimento ou vida. Em termos físicos, ele terá alcançado entropia máxima.



Ou seja, o Universo entrará em uma era escura que acredita-se ser constituída essencialmente de uma solução diluída de gás de fótons e léptons.

É possível que o universo adentre a uma segunda época de inflação. A inflação cósmica é uma teoria proposta inicialmente por Alan Guth , que postula que o universo, no seu momento inicial passou por uma fase de crescimento exponencial.

Segundo a teoria, a inflação foi produzida por uma densidade de energia do vácuo negativa ou uma espécie de força gravitacional repulsiva. Esta expansão pode ser modelada com uma constante cosmológica não nula. Consequentemente, todo o universo observável poderia ter-se originado numa pequena região.

Ou ainda, assumindo-se que o estado de vácuo atual é um falso vácuo, este vácuo pode decair para um estado de energia mais baixo.

Também é possível que a produção de entropia cessará e o universo atinja sua morte térmica. Este cenário é denominado de “big freeze” (condições 2 e 3 do gráfico abaixo):




A energia do vácuo é uma energia de fundo existente no espaço inclusive na ausência de todo tipo de matéria. A energia do vácuo tem uma origem puramente quântica e é responsável por efeitos físicos observáveis como o efeito Casimir





Assim mesmo a energia do vácuo permite a evaporação de um buraco negro através da radiação Hawking.




A energia do vácuo teria também importantes consequências cosmológicas estando relacionado com o período inicial de expansão inflacionária e com a aparente aceleração atual da expansão do Universo.

Alguns astrofísicos pensam que a energia do vácuo poderia ser responsável pela energia escura do universo, associada com a constante cosmológica da relatividade geral. Esta energia escura desempenharia um papel similar ao de uma força de gravidade repulsiva contribuindo com a expansão do Universo.

Estas são as conclusões que podemos prever, a partir dos nossos conhecimentos atuais acerca da termodinâmica, física quântica e astrofísica.