em um trampolim.
Nos tempos antigos, estudiosos como Aristóteles pensavam que objetos pesados cairiam mais rápido do que objetos leves sob a influência da gravidade. Cerca de quatro séculos e meio atrás, Galileo Galilei decidiu testar essa suposição experimentalmente. Ele derrubou objetos de diferentes massas da Torre de Pisa e descobriu que a gravidade realmente faz com que todos caiam da mesma maneira. Mais de 300 anos depois, Albert Einstein ficou impressionado com a descoberta de Galileu. Ele percebeu que, se todos os objetos seguem a mesma trajetória sob a gravidade, então a gravidade pode não ser uma força, mas sim uma propriedade do espaço-tempo – a estrutura do universo, que todos os objetos experimentam da mesma maneira.
Em um dos avanços mais importantes da física moderna, Einstein reconheceu que, quando o espaço-tempo é curvo, os objetos não seguem linhas retas. Ele calculou que a Terra, por exemplo, orbita o Sol em um círculo porque o Sol curva o espaço-tempo em sua vizinhança. Isso é semelhante ao caminho de uma bola na superfície de um trampolim cujo centro é pressionado por uma pessoa.
Em novembro de 1915, Einstein publicou as equações matemáticas que estabeleceram a base para sua teoria geral da relatividade. Essas equações descrevem a ligação entre a matéria e o espaço-tempo em que ela reside, mostrando que a massa deforma o espaço-tempo e influencia o caminho da matéria. Nas palavras do físico John Wheeler: “O espaço-tempo diz à matéria como se mover e a matéria diz ao espaço-tempo como curvar.”
Solução de Schwarzschild
Poucos meses depois, enquanto servia na frente alemã durante a Primeira Guerra Mundial, Karl Schwarzschild foi o primeiro a derivar uma solução para as equações de Einstein. Sua solução descreve o espaço-tempo curvo em torno de um ponto de massa, rotulado por Wheeler meio século depois como um “buraco negro”. A solução de Schwarzschild mostrou que a curvatura do espaço-tempo diverge ao infinito no ponto mais central. Este ponto é chamado de singularidade porque é o ponto singular onde a teoria de Einstein falha.
O colapso ocorre porque a teoria de Einstein está faltando um componente chave: a mecânica quântica. Apesar de muitas tentativas de unificar a relatividade geral com a mecânica quântica (como as versões da teoria das cordas ou a gravidade quântica em loop), ainda não temos uma versão experimentalmente verificada da teoria.
Felizmente, o resto do espaço-tempo está protegido da descrição incerta da singularidade. A solução de Schwarzschild fornece um horizonte de eventos esférico que circunda a singularidade no chamado raio de Schwarzschild. A extensão desse raio é dimensionada com a massa do objeto interno. Nenhuma informação pode escapar de dentro deste horizonte de eventos, razão pela qual não podemos ver a singularidade de um buraco negro.
O tecido do cosmos Mas as equações de Einstein não se aplicam apenas ao espaço-tempo em torno de um buraco negro. Eles também descrevem a evolução do universo em geral.
Conhecemos vários fatos por meio da observação do universo no século passado. Primeiro, o universo está se expandindo. Em segundo lugar, em escalas muito grandes, o universo em expansão é quase homogêneo (o que significa que tem a mesma densidade de matéria e radiação) e isotrópico (o que significa que tem a mesma taxa de expansão em todas as direções).
Nessas circunstâncias, Alexander Friedmann, Georges Lemaître, Howard Robertson e Arthur Walker derivaram uma solução esfericamente simétrica para as equações de Einstein que descrevem nosso universo e seu espaço-tempo. A curvatura do espaço-tempo nesta solução pode ser positiva (como a superfície de uma bola), negativa (a superfície de uma sela) ou zero (uma superfície plana).
No espírito de Galileu, podemos medir a geometria cósmica real experimentalmente? A abordagem experimental mais simples é desenhar um grande triângulo através do universo e medir a soma de seus ângulos. Para uma curvatura negativa ou positiva, a soma seria menor ou maior que 180 °, respectivamente, enquanto para uma geometria plana seria exatamente 180 °.
O cosmos foi gentil o suficiente para embutir a base deste triângulo na radiação cósmica de fundo (CMB). No início, o universo era quente e denso. A sopa cósmica de partículas resfriou a uma temperatura abaixo de 4.000 Kelvin (cerca de 6.700 graus Fahrenheit ou 3.700 graus Celsius) 380.000 anos após o Big Bang, ponto no qual os elétrons e prótons se “recombinaram” para formar átomos de hidrogênio e o universo se tornou transparente para o CMB , permitindo que sua luz viaje sem obstáculos. Portanto, as observações do CMB nos permitem testemunhar o universo no momento da recombinação.
O brilho do CMB não é perfeitamente uniforme no céu – varia em cerca de uma parte em 100.000 em uma ampla gama de escalas angulares. Mas há uma escala especial na época de recombinação que os cosmologistas podem calcular: a distância que as ondas sonoras (acústicas) percorreram ao longo desses primeiros 380.000 anos de universo. Esta escala acústica pode servir como a base conhecida do nosso triângulo. Significa a separação espacial de parcelas do gás cósmico que poderiam estar em contato acústico umas com as outras. Ao medir essa escala de correlação especial para as flutuações de brilho do CMB no céu, podemos desenhar um triângulo isósceles com a Terra no ápice. Saber a altura e o comprimento da base do triângulo, bem como medir o ângulo medido pela escala acústica no céu, nos diria se a soma dos ângulos neste triângulo é igual ou desvia de 180 ° – e, portanto, a curvatura do universo.
Nosso universo plano
Os pesquisadores realizaram esse experimento em 2000 e, mais tarde, refinaram a medição para um alto nível de precisão com os dados mais recentes do satélite Planck. O resultado revelou que a geometria do universo é a mais simples que podemos imaginar: plana!
Por que o universo é tão simples? Obviamente, a natureza não tem obrigação de representar a solução mais simples para as equações de Einstein.
A teoria da inflação cósmica fornece uma explicação possível. Se o universo passou por um período inicial durante o qual se inflou exponencialmente, todos os traços de sua curvatura inicial seriam achatados. A inflação serve como o ferro cósmico, apagando todas as rugas pré-existentes do espaço-tempo. As flutuações quânticas do vácuo durante a inflação podem ter levado às leves flutuações de brilho da CMB que mais tarde semearam a formação de galáxias como a Via Láctea. Se nossas raízes cósmicas foram formadas então, devemos nossa existência ao reino quântico.
Curiosamente, nosso universo em expansão está agora entrando em uma nova fase de expansão exponencial, devido à energia escura. Aqui, novamente, não temos ideia de quanto tempo durará essa fase inflacionária. Se continuar por mais de 10 vezes a idade atual do universo, nossa galáxia ficará sozinha, cercada pela escuridão sem nenhuma outra fonte de luz à vista. Seria a encarnação mais dramática do distanciamento social das civilizações extragalácticas que podemos imaginar após a era do COVID-19.
Publicado em 15/02/2021 01h26
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