Big bang e grande explosão: mal entendidos em Física vol. I

Há muitos mal-entendidos da Física, seja na mídia, na compreensão pública de ciência ou mesmo entre os próprios físicos.

Um dos maiores quiproquós é a idéia de que o Big Bang é uma teoria de uma grande explosão. Este post é para explicar a idéia básica da teoria e desmistificar esse mal-entendido.

O modelo do Big Bang é constituído por três idéias:

1. A validade da Relatividade Geral (RG) em larga escala
   
2. O universo é espacialmente homogêneo e isotrópico
3. A distância média entre galáxias no universo aumenta com o tempo
   

1. A RG é a atual mais bem sucedida descrição da gravidade conhecida. Um dos sistemas que permite grande precisão no teste da teoria é um par de estrelas de nêutrons que orbitam uma a outra. Segundo a RG, este sistema emite radiação gravitacional e por isso o período orbital diminui com o tempo. Isso acontece com qualquer sistema, mas os efeitos da RG são significativos apenas quando o campo gravitacional se torna muito intenso, como no caso deste par de estrelas. Trinta anos de observação do período do sistema são resumidos no seguinte gráfico [1]:



No eixo dos x está o ano em que a medida do período foi feita (1975-2005), e o eixo dos y representa grosso modo o decaimento do período orbital. Os pontos são as medidas experimentais, e a linha sólida é o cálculo obtido da RG (não é um ajuste de curva). Em resumo, a teoria prevê corretamente o comportamento do sistema com uma precisão atual de 0.2%, que é comparável ao Modelo Padrão da física de partículas.
A única coisa que você precisa saber sobre a RG para entender o resto do post é o seguinte: nesta teoria é o próprio espaço-tempo que age como o campo gravitacional (ou mais precisamente, a curvatura da geometria do espaço-tempo).

2. Existe uma radiação eletromagnética que permeia todo o universo, de freqüência na região de microondas, e que é a mesma em todas as direções e em todos os pontos do universo. Esta radiação é chamada de radiação cósmica de fundo (CMB da sigla em inglês). Em 2003, o o satélite da NASA WMAP lançou um mapa da presença desta radiação em toda abóboda celeste:

As regiões azuis são mais frias, e as regiões vermelhas são mais quentes. O que importa para nós aqui é que a diferença de temperatura típica entre dois pontos do universo é da ordem de 10^-5 ºC. Ou seja, a temperatura de qualquer ponto do universo é em média a mesma até o 4 dígito significativo. O universo é observado como altamente isotrópico e homogêneo.

3. As medidas da recessão mútua das galáxias datam de ~ 1930. Eis o que temos [2]:


Neste gráfico está traçada a distância da galáxia D_L vs. um parâmetro que decresce com a idade do universo (o desvio para o vermelho do espectro da luz). Vai ficar mais claro o significado do gráfico daqui a pouco.

Chegamos a conclusão que 1) e 2) são fatos sobre o universo. Pois bem, só existe um único tipo de solução para o espaço-tempo da RG que satisfaça 2), conhecida já faz quase um século. Esta solução diz que a distância típica entre galáxias deve ser uma função do tempo. Esta função pode ser crescente ou decrescente, dependendo da composição do universo (quer dizer, do que interage com a gravidade: fótons, prótons, nêutrons, etc). O fato 3) é a medida experimental desta função e prova que a distância típica aumenta com o tempo.

É intuitivo imaginar que se a distância aumenta com o tempo, então ao voltar ao passado, deve haver um valor para o tempo no qual a distância típica entre dois pontos do universo era zero. Isso é erroneamente interpretado como a idéia de que todo o universo estava concentrado em uma região muito pequena. Não é bem assim. É possível calcular o volume do universo no modelo do Big Bang, e este é sempre infinito [3]. Como a distância típica entre dois pontos diminui ao voltar ao passado mas o tamanho total do espaço não, o que realmente acontece é que a densidade do universo cresce.

Quando a densidade aumenta, a temperatura do material que compõe o universo também aumenta. Por isso, o universo era composto por matéria muito quente no início. Quando a temperatura era cerca de 10¹⁰ K (1 milhão de vezes mais quente que o núcleo do Sol), a densidade era tamanha que o universo era formado por prótons, nêutrons, elétrons, pósitrons, fótons e outras partículas subatômicas. É possível fazer um cálculo, sob estas condições, do que acontece depois — é um cálculo simples de física nuclear que se estuda em laboratórios desde o início do século XX. Isso foi feito pela primeira vez por George Gamow e Ralph Alpher na década de 40, e eles mostraram que o esfriamento subseqüente do universo combina prótons e nêutrons de tal forma que do total de átomos do universo, aproximadamente 75% vira hidrogênio, 25% hélio, e frações muito pequenas são produzidas de lítio e carbono e qualquer outro elemento. A abundância dos elementos químicos observada astronomicamente é exatamente esta! Isso foi a primeira comprovação de uma previsão do modelo do Big Bang.

Como você pode ver, não há nenhuma explosão no modelo do Big Bang. Não há nenhuma "bola de fogo que explode", ou "toda a matéria do universo concentrada numa região menor que a cabeça de um alfinete que então explode". Seria mais correto dizer: "toda a matéria que hoje compõe o nosso aglomerado de galáxias, um dia esteve concentrada numa região menor que a cabeça de um alfinete". Se você imaginar uma região do tamanho da cabeça de um alfinete quando o universo tinha 2 segundos de vida, há outras reigiões que distam milhares de anos luz deste alfinete, e que hoje estariam a muitos bilhões de anos luz de distância desta mesma região, e isso vale para qualquer ponto do espaço.

A informação que tenho é que o nome Big Bang surgiu por volta de 1940 e foi cunhado por Fred Hoyle. Isso foi na época em que Gamow e Alpher calcularam a primeira previsão concreta do modelo do Big Bang que falamos acima, portanto o modelo ainda não tinha sido testado. Hoyle preferia modelos onde o universo sempre existiu e existirá. Ele achava inapropriada a idéia de que o universo só existiu por um tempo finito, e satirizou a idéia dizendo algo como "não havia nada e então, Bang! o universo passou a existir". Hoyle não queria passar a imagem de uma explosão (pelo menos não no sentido físico-químico da palavra), e sim transmitir a idéia de que no modelo do Big Bang parece incompleta a idéia de que o universo passa a existir do nada.

Não sei onde a má interpretação do nome surgiu. Ela é mundialmente adotada pela mídia, e as vezes até físicos profissionais e materiais de divulgação científica. Alguns adotam sabendo que é imprecisa e errada mais por uma questão de simplificação da idéia; outros (dentro do público geral) acham que esta simplificação é literalmente a teoria do Big Bang.

Para saber mais

• "A Dança do Universo", Marcelo Gleiser, Cia. das Letras
• "O universo inflacionário", Alan Guth, Ed. Campus
• Este bem escrito, tecnicamente correto, sítio com material sobre o assunto:
  http://map.gsfc.nasa.gov/universe/
  

Referências e notas

1. astro-ph/0407149
2. W.-M. Yao et al., J. Phys. G 33, 1 (2006), Big Bang Cosmology Review (web)
   
3. Caso o universo seja espacialmente plano, ou tenha curvatura positiva. Os dados experimentais apontam que o universo é espacialmente plano.