Teoria do Big Bang

Ao longo da história, a nossa espécie tentou entender a natureza em seu nível mais fundamental, questionando sobre a nossa origem e o nosso destino. Questões como "de onde viemos?", "para onde vamos?", "quem somos?", estiveram sempre presente no espírito inquiridor da nossa espécie, que buscou incessantemente pelas respostas dessas perguntas, a fim de dar algum sentido à vida e de se relacionar com a natureza. Várias crenças e mitos surgiram como explicações para essas indagações, mas, na medida que avançamos intelectualmente (com o advento da matemática e das ciências naturais como a astronomia e física), percebemos que para várias perguntas que antes tínhamos uma resposta puramente especulativa e muitas vezes relacionada com o sobrenatural, na verdade, havia uma resposta totalmente natural, sem haver necessidade de apelar para crendice alguma para responder. Um exemplo disso, é a questão sobre a evolução do universo, bem como a origem de toda a matéria (desde partículas elementares (que abordarei mais a frente) até pessoas e corpos astronômicos gigantescos). Diferentemente do passado longínquo, hoje sabemos (e não meramente acreditamos) a resposta dessas perguntas, de modo que podemos traçar uma linha do tempo cósmica, até chegarmos a infinitesimalmente perto do momento zero. Talvez a teoria científica mais mal interpretada de todos os tempos (ainda tenho as minhas dúvidas em relação à teoria da evolução de Darwin, mas isso já são outros quinhentos) é a teoria do Big Bang, que aborda, justamente, a questão de como o cosmo evoluiu e como toda a matéria que podemos ver (inclusive nós mesmos) surgiu. A teoria do big bang, basicamente, é um modelo que remonta ao início do decurso do tempo em decorrência da expansão do espaço do universo. É sustentada por miríades evidências empíricas (quer experimental, quer observacional) que nos permitem concluir que foi desse modo mesmo que chegamos até aqui. O termo "Big Bang" é um nome impróprio para esse evento que marcou a evolução do universo, pois não foi explosão nenhuma, mas sim, um súbito inchamento do espaço, carregando todo o conteúdo existente, sem que o mesmo saísse do lugar, de modo que as distâncias entre os pontos aumentou a medida que esse espaço se esticou (assim como em um bolo de passas que está no forno, onde as passas vão se distanciando uma das outras, sem sair do lugar, a medida que a massa do bolo vai inchando). Explosão é o lançamento de um conteúdo que se distancia cinematicamente do centro da explosão em um espaço circundante preexistente. Não há um ponto em comum onde todo o conteúdo do universo se distanciou, pois, todo o espaço existente se expandiu, de modo que o "big bang" ocorreu em todo o universo. E o universo não se expandiu e não se expande para o "vazio", pois "vazio" nem sequer existe. Todo o espaço cósmico é permeado pela radiação cósmica de fundo e pela radiação advinda de todas as galáxias existentes, além dos campos existentes que também ocupam espaço, como por exemplo, o campo gravitacional. Não existe espaço sem conteúdo e conteúdo sem espaço. Ambas entidades são indissociáveis. Portanto, é incorreto dizer que o universo surgiu de uma explosão. Além disso, a teoria do big bang não é uma teoria sobre a origem do universo, mas sim, apenas da evolução do mesmo (por mais que trate da origem da matéria). A teoria, por exemplo, não explica como o conteúdo primordial, que era um campo indiferenciado (abordarei mais adiante), surgiu, muito menos explica o "porquê" de ter surgido. A expansão do universo foi observada por Edwin Hubble, em 1929, quando ele percebeu que o que se especulava que eram "nebulosas galáticas distantes", na verdade, eram outros "universos-ilhas", assim como a Via Láctea, que estavam se distanciando um dos outros, devido à expansão cósmica. Oras, se o universo está se expandindo, é razoável supor que no passado, todo o universo observável estava concentrado em um ponto infimamente pequeno. Os cosmologistas Georges Lemaître e Alexander Friedmann resolveram as equações da Relatividade Geral de Einstein e deduziram que o universo deveria estar se expandindo ou contraindo (devido aos efeitos gravitacionais e da maleabilidade do espaço-tempo). Lemaître chamou de "átomo primordial" o pequeno ponto cósmico, onde todo o universo estava concentrado no passado. George Gamow se interessou pela proposta de Lemaître e inferiu que nos momentos iniciais do universo, a temperatura era tão alta, que o calor concentrado naquele "átomo primordial" deveria ser detectado nos dias de hoje. Inferiu também que, elementos leves como Hidrogênio e Hélio, foram criados nas situações iniciais do universo primitivo quente e denso. O calor residual desses momentos caóticos foi detectado por Arno Penzias e Robert Wilson, exatamente como Gamow e Alpher previram (redigi um texto que aborda especificamente sobre a radiação cósmica de fundo aqui na página, vale a pena lê-lo antes de continuar essa leitura. O texto pode ser acessado por este link:
 https://www.facebook.com/AmantesAstronomia/photos/a.557246357775139.1073741827.557243297775445/565695873596854/?type=3&theater). Prossigamos então, com o que ocorreu nos primeiros momentos de existência do universo, antes mesmo dele completar 1 segundo de vida. Na menor fatia de tempo que conseguimos conceber, que é o chamado tempo de Planck (10^-43 segundos ou quase um milionésimo de trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo), o conteúdo do universo se restringia apenas a um campo indistinguível não quantizado (não concentrado) em matéria e radiação. Indistinguível, pois a temperatura era tão alta (10^32K),que as forças fundamentais da natureza (gravidade, força forte, fraca e eletromagnetismo) eram uma única super-força. O tamanho do universo observável era de 10^-35 metros (comprimento de Planck). Quando a expansão do universo iniciou (por razões ainda desconhecidas) e a temperatura diminuiu, o campo indiferenciado se decompôs em seus componentes distintos, a começar pelo campo gravitacional e de Higgs, e posteriormente no campo forte, fraco e eletromagnético. Também se distinguiu o campo da matéria ou campo fermiônico, também chamado campo do vácuo, cujas flutuações dão azo ao surgimento de partículas de matéria (como quarks e elétrons). A densidade do universo, bem como sua temperatura, ainda eram altíssimas, impossibilitando haver a existência de qualquer átomo, bem como de qualquer próton e nêutron. Quando o universo completou 10^-36 segundos de idade (ou um trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo), ele se expandiu de forma inflacionada (como previu Alan Guth em 1980), como se fosse um balão que fosse inflado muito rapidamente. Essa expansão célere durou até 10^-32 segundos, em que o universo aumentou seu tamanho em um fator de 10^26! Uma sopa de partículas elementares surgiu quando o universo não tinha nem 10^-6 segundos de idade (ou um milionésimo de segundo) e logo que surgiam, se aniquilavam com suas respectivas antipartículas, como um elétron e um pósitron, um quark e um antiquark. Dessa aniquilação resultaram fótons (partículas que compõem a radiação, os quanta do campo eletromagnético) que continham energia equivalente a massa de repouso dessas partículas aniquiladas. Esses fótons mal surgiam e já se aniquilavam com outros fótons, formando novamente os pares de partícula e antipartícula. Isso tudo perdurou até o universo chegar a um segundo de idade. Um pouco antes disso, quando o cosmo tinha 10^-6 segundos de idade, os quarks já haviam sido ligados (pela interação forte mediada pelos quanta do campo forte, os glúons), formando os hádrons, como prótons, nêutrons e mésons. Os elétrons ainda se aniquilavam com os pósitrons, mas por razões desconhecidas, no processo de aniquilação da matéria com antimatéria, sobrou matéria, na ordem de uma partícula fermiônica para cada bilhão de pares de partícula e antipartícula formados. Logo após o universo completar um segundo de vida, a temperatura já havia caído o suficiente para os núcleons (prótons e nêutrons) se ligarem para formar os primeiros núcleos atômicos, como o dos isótopos do Hidrogênio (Deutério e Trítio), bem como Hélio e seus isótopos. Os prótons restantes acabaram formando os núcleos de Hidrogênio (pois o núcleo do hidrogênio contém apenas um próton) e os nêutrons decaíram em prótons, elétrons e antineutrinos. Essa era do Big Bang recebeu o nome de Nucleossíntese. Esporadicamente, através das flutuações de densidade do campo do vácuo, surgiam partículas e antipartículas fermiônicas (como elétrons e antielétrons, múons e antimúons) que rapidamente se aniquilavam, liberando mais fótons. Esses fótons advindo das aniquilações de matéria com antimatéria forma hoje a radiação cósmica de fundo em microondas. Passou-se 380.000 anos, até o universo resfriar o suficiente para que os primeiros elétrons fossem combinados com os núcleos atômicos resultantes da Nucleossíntese primordial, para formar os primeiros átomos (era do Desacoplamento). Esses átomos se aglutinaram posteriormente para formar nuvens de gases (como nebulosas), das quais estrelas e planetas surgiram. Os elementos mais pesados que o Hidrogênio, Hélio e seus isótopos foram criados nos núcleos incandescentes das estrelas. É importante frisar que antes da era do Desacoplamento, o universo era opaco, isto é, não era transparente, como se fosse o núcleo de uma única estrela. Os fótons colidiam a todo o momento com os íons e não podiam vagar livremente. Foi só na Era do Desacoplamento que o universo tornou-se transparente e os fótons puderam viajar livremente. Tais fótons podem ser detectados hoje, até mesmo em televisores (vide o texto que eu já escrevi sobre a radiação cósmica de fundo nessa página).