Explicando o Universo - Parte I

Introdução:

Um artigo muito interessante publicado na Hypescience se refere à morte térmica do universo baseada na entropia.

Vejamos:
Há muito tempo físicos prevêem que o Universo acabará na chamada “morte térmica”, estado em que terá utilizado toda a sua energia e não poderá mais sustentar nenhum movimento. Ver aqui.

Porém, novos cálculos realizados por uma equipe de físicos australianos mostram que a morte térmica pode chegar mais cedo do que os cientistas acreditavam. A morte térmica é baseada no conceito da entropia, que afirma que estados desordenados são mais estáveis que aqueles ordenados.

Em uma experiência da vida real, por exemplo, pode-se dizer que é mais fácil quebrar uma janela de vidro (estado ordenado) do que reorganizá-la ou criar uma nova janela – estado desordenado – ou seja, a janela permanecerá quebrada.

Na escala do Universo, sistemas complexos como estrelas, planetas e galáxias são como a janela de vidro, e os novos cálculos mostram que buracos negros supermassivos os estão quebrando mais rapidamente do que imaginávamos.

Já era de conhecimento dos físicos que os buracos negros contribuem com a entropia do Universo ao quebrar a matéria e energia em seus turbilhões gravitacionais, mas os cálculos sempre mostraram o nível da desordem com base nos buracos negros menores e mais freqüentes.

Entretanto, o novo cálculo leva em consideração o poder destrutivo dos buracos negros supermassivos, que podem consumir galáxias inteiras. Os cientistas australianos descobriram que os cálculos antigos subestimavam quanto do Universo esses buracos negros já “engoliram”.

Porém, não é preciso começar a se preocupar com o fim do mundo: em uma escala humana, é como se o cálculo anterior afirmasse que o Universo fosse morrer aos 90 anos.

O novo cálculo descobriu que ele está mais próximo desta idade do que dos 50 anos. Mas é claro que as estimativas envolvem a morte térmica para daqui a bilhões de anos, então o Universo ainda tem um bom tempo para aproveitar a velhice.

O artigo é bem interessante, porém quanto à questão da entropia esquece de mencionar que o Universo é o único sistema considerado como fechado, o que favorece a aplicação da segunda lei na manutenção dos estados desordenados, ou seja, aqueles que apresentam o mais baixo nível de energia.

Também o artigo não menciona que, ao se fornecer energia ao subsistema, este poderá “ludibriar” o sentido normal da degradação. Por exemplo: se levarmos o vidro da janela quebrada ao forno e aplicarmos energia (calor) este vidro fundirá e, valendo-nos do trabalho, poderemos recompor nossa janela, o que reduziria a entropia deste subsistema.

Entretanto, o balanço geral de entropia, entre a janela, o forno, o vidreiro e o meio, seria sempre positivo, o que não contraria em nada a segunda lei.

Mas há uma nota cujo conteúdo levanta dúvidas acerca da origem do universo extraída daqui

(postado em Quinta-feira, Outubro 22, 2009).Vejamos o teor da nota:

Nota: Se o Universo poderá terminar num estado desordenado, pergunto: Quem ou o que fez com que ele começasse num estado ordenado, menos provável (afinal, todo mundo entende que ordem não pode provir do caos)?

A pergunta a ser feita não é quem ou o que fez o Universo, mas sim como ele surgiu.
 

Todavia, resta-me uma dúvida: qual é o conceito de ordem ou de desordem que o autor da nota tem em mente?
O universo não se trata de algo perfeitamente ordenado, mas de um caos generalizado. Basta que se pense nos fenômenos que ocorrem com buracos negros, quasares, supernovas, pulsares, choques intergaláticos e na própria matéria escura e em relação à energia escura (duas grandes desconhecidas nossas, mas que têm suas existências teoricamente verificàveis.

A resposta ao questionamento sobre como o universo partiu de um estado “ordenado” será dada ao longo desta explanação, uma vez que há que se compreenderem conceitos os quais não são nada elementares.

Continuando com a nota:

A pergunta é tão delicada que, para fugir da palavra “milagre” (que evoca o sobrenatural), os cientistas que negam o teísmo se valem de outra palavra: “singularidade”.

A origem deste universo ordenado, que funciona graças a leis finamente ajustadas, foi um evento singular, único, inexplicado. E empurram a porta da verdade para impedir que Deus coloque o pé através dela.

Para o questionamento sobre o "ajuste do Universo", recomendamos a seguinte leitura: A tentadora afinação do Universo, Uma brevíssima história do universo, e O mundo da teoria das cordas.

Para elucidarmos ao questionamento colocado, devemos nos remeter a conceitualização de certos elementos apontados pela nota. Porém, tratam-se de conceitos de extrema complexidade, até mesmo para os cientistas. 

Vejamos:

Singularidade:

O conceito de singularidade supõe uma falha ou interrupção das predições da teoria da relatividade geral. O termo em si foi emprestado da física, onde designa fenômenos tão extremos que as equações não são mais capazes de descrevê-los. Ou seja, a singularidade é um nome bonito que exprime tudo o que está além da nossa capacidade de cognição e previsibilidade.

As singularidades são zonas que desafiam nossa compreensão atual da física. Acredita-se que existem no núcleo de "buracos negros". Os buracos negros são regiões de intensa pressão gravitacional.

A pressão parece ser tão intensa que a matéria finita é realmente espremida em uma densidade infinita. Este é um conceito matemático que realmente encanta nossa mente. Estas zonas de densidade infinita são chamados de "singularidades". Acredita-se que nosso universo tenha começado infinitesimalmente pequeno, infinitamente quente, infinitamente denso, o que nos remete a uma singularidade.

De onde é que ela vem? Nós não sabemos.

Por que elas aparecem? Nós não sabemos.

A teoria do Big Bang é uma tentativa de explicar o que aconteceu no início do nosso universo. Descobertas em física e astronomia demonstraram, além de uma dúvida razoável, que o nosso universo de fato teve um começo. Antes desse momento não havia nada, durante e depois desse momento, houve uma coisa: o nosso universo. A teoria do big bang é um esforço para explicar o que aconteceu durante e depois daquele momento.

Todavia a física pré-big-bang nos remete a um mundo ainda mais impressionante, que é o dos universos paralelos, o qual será abordado ao longo destas postagens.

Mas, há muitas coisas por trás do lindo nome "SINGULARIDADE":

Em matemática, uma singularidade em geral é um momento em que um determinado objeto matemático não é definido, ou um ponto de um conjunto excepcional onde ele não consegue ser bem comportado, de algum modo particular, como diferenciabilidade. A Teoria da Singularidade é a disciplina que estuda estes fenômenos.

Ao se extrapolar a expansão do Universo para trás no tempo, usando-se a teoria da relatividade geral, encontra-se uma densidade e temperatura infinitas, em um tempo finito no passado. Esta singularidade marca o colapso da relatividade geral, ou seja, o quão próximo podemos extrapolar e debater sobre a singularidade, o que, certamente, não não vai além da era de Planck.

A era de Planck é o primeiro período de tempo na história do universo, a partir de zero para cerca de 10 ^ -43 segundos (tempo de Planck), durante o qual, os efeitos quânticos da gravidade foram significativos.

Poderíamos também dizer que é o mais cedo no tempo. Como o tempo de Planck é talvez o mais curto intervalo de tempo possível, a época Planck durou apenas este instante breve. Neste momento, cerca de 13,7 bilhões de anos atrás, acredita-se que a força da gravidade era tão forte quanto as outras forças fundamentais, o que sugere a possibilidade de que todas as forças estiveram um dia unificadas.

Inconcebivelmente quente e denso, o estado do universo durante a época de Planck foi instável ou transitório, tendendo a evoluir, dando origem às manifestações familiares das forças fundamentais, através de um processo conhecido como quebra de simetria.

A cosmologia moderna sugere agora que a era de Planck pode ter inaugurado um período de unificação ou época da Unificação Grande, e que a quebra de simetria, em seguida, levou rapidamente à era da inflação cósmica, época inflacionária, durante o qual o universo expandiu-se em escala, ao longo de um curto período de tempo.

A quebra de simetria, na física, descreve um fenômeno onde (infinitamente), pequenas flutuações na qualidade de um sistema de passagem a um ponto crítico decide o destino de um sistema, por determinação da bifurcação de um galho tomada (um caminho a ser seguido).

Para um observador externo ignorar as flutuações (o "ruído"), a escolha aparecerá arbitrariamente. Este processo é chamado "quebra de simetria", porque essas transições normalmente trazem o sistema do estado desordenado para um dos dois estados. A desordem é mais simétrica, no sentido de que pequenas variações para esta não alterem a sua aparência. É dessa forma que a simetria é "quebrada".

Para o caso do Universo o que se tem é uma singularidade gravitacional, ou a singularidade do espaço-tempo, que é um local onde as quantidades usadas para medir o campo gravitacional são infinitas, em uma maneira que não dependem de qualquer sistema de coordenadas.

Estas quantidades são as curvaturas escalares invariantes do espaço-tempo, algumas das quais são uma medida da densidade da matéria.

Para os efeitos de prova dos teoremas de singularidade de Penrose-Hawking, um espaço-tempo com uma singularidade é definido como aquele que contém geodésicas que não podem ser estendidas de forma suave. O termo matemático de tal geodésica é considerado a singularidade. Esta é uma definição diferente, útil para demonstrar estes teoremas.

Na relatividade geral, uma linha geodésica generaliza a noção de uma "linha reta" para o espaço-tempo curvo. De modo importante, a linha universal de uma partícula, livre de toda a força externa, é um tipo particular de geodésica. Em outras palavras, uma partícula movimentando-se livremente sempre se move ao longo de uma linha geodésica.

As singularidades espaço-temporais podem ser, em seus aspectos mais gerais, divididas em:

1 - De coordenadas. São o resultado de ter escolhido um mau sistema de coordenadas. Algumas destas singularidades de coordenadas indicam lugares físicos que são especiais. Por exemplo na métrica de Schwarzschild, a singularidade de coordenadas representa o horizonte de acontecimentos.

2 - Físicas. São singularidades espaço-temporais de pleno direito. Se diferenciam das anteriores porque em algumas das contrações do tensor de curvatura, este é divergente.

Geometricamente as singularidades físicas podem ser:

2.1 - Hipersuperficies abertas: Estes tipos de singularidades são encontrados em buracos negros, que não têm conservado o momento angular como é o caso de um buraco negro de Schwarzschild ou um buraco negro de Reissner-Nordstrøm.

2.2 - Hipersuperficies fechadas: é a singularidade toroidal ou em forma de anel, que normalmente faz seu aparecimento em buracos negros que têm conservado seu momento angular, como pode ser o caso de um buraco negro de Kerr ou um buraco negro de Kerr-Newman, aqui a matéria, devido ao giro, deixa um espaço ao médio formando uma estrutura parecida à de uma rosquinha.

Segundo seu carácter, as singularidades físicas podem ser:

2.3 - Singularidades temporárias, como a que se encontra em um buraco de Schwarzschild na que uma partícula deixa de existir por um instante de tempo. Dependendo de sua velocidade, as partículas rápidas demoram mais em atingir a singularidade, enquanto as mais lentas desaparecem antes. Estes tipos de singularidades são inevitáveis, já que todas as partículas devem atravessar a hipersuperficie temporária singular.

2.4 - Singularidades espaciais, como a que se encontram em buracos de Reissner-Nordstrom, Kerr e Kerr-Newman. Em hipersuperficies espaciais uma partícula pode escapar delas e por tanto se tratam de singularidades evitáveis.

3 - Singularidades também podem ser divididas conforme elas sejam cobertas por um horizonte de eventos ou não, as denominadas "singularidades nuas".

Na relatividade geral, uma singularidade nua é uma singularidade gravitacional, sem um horizonte de eventos.

As singularidades dentro de buracos negros (singularidades não nuas) são sempre rodeadas por áreas que não permitem a fuga da luz, partículas ou sinais, e, portanto, não podem ser observados diretamente. A singularidade nua, pelo contrário, é observável do exterior.

Até o início dos anos 1990, acreditava-se que a relatividade geral esconde por trás de cada singularidade um horizonte de eventos, tornando impossível as singularidades nuas.

Isso é conhecido como a hipótese de a censura cósmica. No entanto, em 1991, Shapiro e Teukolsky realizaram simulações em computador de um campo plano de rotação de poeira o que indicou que a relatividade geral poderia permitir as singularidades nuas.

O que esses objetos na verdade se parecem, neste modelo, ainda é desconhecido. Também não é sabido se as singularidades ainda surgiriam caso as hipóteses simplificadoras usadas para realizar a simulação fossem removidas.

Segundo a relatividade geral, o estado inicial do universo, no início do Big Bang, foi uma singularidade.

Os dois mais importantes tipos de singularidades são:

4 - Singularidades de curvatura: é um tipo de singularidade previsto pela relatividade geral está dentro de um buraco negro: qualquer estrela que colapse além de certo ponto forma um buraco negro, dentro do qual uma singularidade (coberta por um horizonte de eventos), seria formada, com toda a matéria que fluiria para um determinado ponto (ou uma linha circular, se o buraco negro estiver girando).

5 - Singularidades cônicas: o método de singularidade cônico, para a versão bidimensional da métrica de Schwarzschild é utilizado na obtenção das coordenadas de Kruskal para o buraco negro, de uma maneira muito simples e direta. Então nós fazemos uso desta métrica, em uma versão aproximada e calculamos o valor esperado do tensor energia-momentum de um campo quântico, sem massa, perto do horizonte, resultando em expressões regulares de seus componentes.

A singularidade cônica ocorre quando há um ponto onde o limite de cada quantidade invariante de difeomorfismo é finita. Nesse caso, o espaço-tempo não é tão suave ao ponto de seu próprio limite. Assim, o espaço-tempo se parece com um cone em torno deste ponto, onde a singularidade está localizada na ponta do cone. A métrica pode ser finita em todos os lugares se uma coordenada adequada do sistema for usada.

Na relatividade geral, um horizonte de eventos é uma fronteira no espaço-tempo, na maioria das vezes uma área em torno de um buraco negro, além do qual os eventos não podem afetar um observador externo.

A luz emitida para além do horizonte jamais poderá atingir o observador, e qualquer objeto que se aproxima do horizonte do lado do observador parece mover-se lentamente e não passa pelo horizonte, sendo que a sua imagem cada vez mais desvia-se para o vermelho no decorrer do tempo. O objeto viajante, no entanto, não experimenta nenhum efeito estranho e, de fato, passar o horizonte em um tempo finito e apropriado.

O desvio para o vermelho pode ter três causas distintas: o Efeito Doppler descrito acima, o campo gravitacional da fonte (a luz perde energia ao subir no campo gravitacional da estrela) e a expansão do Universo ("redshift" cosmológico).

No "redshift" cosmológico o desvio ocorre devido à expansão do espaço em si, isto é, o comprimento de onda aumenta diretamente como resultado da expansão do espaço.

Não se sabe ao certo o que ocorreu no início de nosso Universo, mas acredita-se (esse acreditar com base em evidências científicas) que toda a energia (densidade e temperatura) se concentrava em um único ponto.

Uma flutuação nessa energia primordial teria rompido a singularidade até que uma grande explosão aconteceu. Particularmente, não diria explosão, mas sim ruptura da singularidade e conseqüente dissociação entre as quatro forças do universo: eletromagnética, gravitacional, nuclear forte e nuclear fraca.

Todavia, como sempre digo, “chutar” simplesmente o assunto para os deuses, além de ser um gigantesco salto epistemológico, não responde nada e é um argumento da preguiça.

Esta atitude faz com que a discussão científica se torne teológica e saiamos não em busca de respostas plausíveis, mas de fantasmas criados pela nossa imaginação a fim de explicar o que ainda não compreendemos. É confundir o insondado com o insondável.

Convenhamos que falar bobagens é fácil, mas desfazê-las é muito mais difícil e requer muito conhecimento.

Daí a produção de lixo criacionista ser muito mais rápida que produção de ciência de verdade.

Daqui para frente, vamos viajar um pouco mais pelo mundo da física de partículas e conhecermos as forças atuantes em nosso universo.

Na verdade, estas devem ser denominadas interações pois ao afetarem as partículas da matéria, tal fenômeno é devido a uma "troca entre partículas trasportadoras de força, a outro tipo completamente diferente de partícula.

Desse modo o que se denomina normalmente como "forças" são, na verdade, os efeitos das partículas transportadoras de força sobre as partículas da matéria, ou seja, uma interação.

Assim, uma partícula transportadora, de um tipo particular de força, só pode ser absorvida ou produzida por partículas da matéria que são afetadas por essa força.

Por exemplo, elétrons e prótons têm carga elétrica; portanto, eles podem produzir e absorver as tranportadoras de forças eletromagnéticas, ou seja, o fóton. Neutrinos, por outro lado, não têm carga elétrica, então eles não podem absorver ou produzir fótons.