Origem do universo e do homem, Notas de estudo de Geologia

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Origem do universo e do homem

Figura 1 – Gravura de Flamarion (século XIX) ilustrando a cosmologia da Terra plana. Essa está centrada na aldeia do observador, o que deriva da experiência cotidiana. À esquerda, vê-se um “curioso” que procura romper a esfera das estrelas fixas com o objetivo de descobrir os mecanismos que produzem o movimento do Sol, da Lua e dos planetas.

Cosmologias da Terra plana

Como era a cosmovisão, a forma do universo imaginada pelos antigos egípcios, gregos, chineses, árabes, incas, maias e tupi-guaranis, que não tinham acesso às informações da moderna astronomia? Para quase todas as civilizações, sempre foi necessário acomodar não só a face visível da Terra e do céu, mas também incluir, possivelmente no espaço, o mundo dos mortos, tanto os aben- çoados como os condenados, além dos reinos dos deuses e dos demônios. A experiência do cotidiano sugere que o mundo em que vivemos é plano; além disso, muitas cosmologias eram interpretações associadas ao ambiente físico ou cultural da civilização em questão. Por exemplo, para os egípcios, o universo era uma ilha plana cortada por um rio, sobre a qual estava suspensa uma abóbada sustentada por quatro colunas. Na Índia antiga, as várias cosmologias dos hin- dus, brâmanes, budistas etc. tinham em comum o pressuposto da doutrina da reencarnação e as configurações físicas deveriam acomodá-la, incluindo os diver-

sos níveis de céus e infernos por ela demandada. Para os hindus – por exemplo

• o universo era um ovo redondo coberto por sete cascas concêntricas feitas com distintos elementos. Já os babilônios imaginavam um universo em duas camadas conectadas por uma escada cósmica. A civilização maia era fortemente depen- dente do milho e das chuvas, muitas vezes escassas, que vinham do céu. Para eles, no começo havia apenas o céu, o mar e o criador; esse, após várias tentativas fracassadas, conseguiu construir pessoas a partir de milho e água.

No antigo testamento judaico-cristão, a Terra era relatada em conexão ao misterioso firmamento, às águas acima do firmamento, às fontes do abismo, ao limbo e à casa dos ventos. O livro do Gênesis narra, também, que o universo teve um começo: “No princípio Deus criou os céus e a Terra. A Terra, porém, estava informe e vazia; as trevas cobriam o abismo e o Espírito de Deus pairava sobre as águas. Deus disse: ‘Faça-se a luz’. E a luz foi feita. Deus viu que a luz era boa, e separou a luz das trevas. Deus chamou à luz DIA, e às trevas NOITE. Houve uma tarde e uma manhã: foi o primeiro dia”.

Modelos geocêntricos

Há cerca de 2.400 anos, os gregos já haviam desenvolvido sofisticados mé- todos geométricos e o pensamento filosófico. Não foi, pois, por acaso que eles propuseram uma cosmologia mais sofisticada do que a idéia do universo plano. Um universo esférico, a Terra, circundado por objetos celestes que descreviam órbitas geométricas e previsíveis e também pelas estrelas fixas. Uma versão do modelo geocêntrico parece ter sido proposta inicialmente por Eudoxus de Cni- dus (c. 400-c. 350 a.C., matemático e astrônomo grego, nascido na atual Tur- quia) e sofreu diversos aperfeiçoamentos. Um deles foi proposto por Aristóteles ( 384 - 322 a.C.), que demonstrou que a Terra é esférica; ele chegou a essa con- clusão a partir da observação da sombra projetada durante um eclipse lunar. Ele calculou, também, o seu tamanho – cerca de 50% maior do que o valor correto. O modelo geocêntrico de Aristóteles era composto por 49 esferas concêntricas que procuravam explicar os movimentos de todos os corpos celestes. A esfera mais externa era a das estrelas fixas e que controlava todas as esferas internas. Essa, por sua vez, era controlada por uma agência (entidade) sobrenatural.

Esse modelo geocêntrico grego teve outros aperfeiçoamentos. Erastóstenes (c. 276 -c. 194 a.C., escritor grego, nascido na atual Líbia) mediu a circunferência da Terra por método experimental, obtendo um valor cerca de 15% maior do que o valor real. Já Ptolomeu (Claudius Ptolomeus, segundo século a.C., astrônomo e geógrafo egípcio) modificou o modelo de Aristóteles, introduzindo os epiciclos, isto é, um modelo no qual os planetas descrevem movimentos de pequenos círcu- los que se movem sobre círculos maiores, esses centrados na Terra.

A teoria heliocêntrica

A idéia de que o Sol está no centro do universo e de que a Terra gira em torno dele, conhecida como a teoria heliocêntrica, já havia sido proposta por Aris-

Figura 2 – Este desenho do manuscrito original de Copérnico colocou o Sol no centro do universo.

A descoberta da galáxia

Foi exatamente com o desenvolvimento de técnicas ópticas, mecânicas e fotográficas que se passou a determinar a distância das estrelas mais próximas, e com isso a idéia de esfera das estrelas fixas foi superada. Com a medida das dis- tâncias das estrelas – extraordinariamente grandes –, estabeleceu-se a interpreta- ção de que o Sol e as estrelas são objetos da mesma natureza. Portanto, cada es- trela poderia ter, em princípio, o “direito” de hospedar um sistema planetário.

Uma das primeiras concepções consistentes sobre a natureza da galáxia – e surpreendentemente correta – foi feita por Kant (Immanuel Kant, 1724-1804, filósofo alemão) que, aos 26 anos e muito antes de se tornar a grande referência em filosofia, tomou contato com os pensamentos de Newton e desenvolveu a idéia de que o sistema solar teria se originado a partir da condensação de um disco de gás. Concebeu, também, a idéia de que o sistema solar faz parte de uma

estrutura achatada, maior, à qual hoje chamamos de galáxia, e de que muitas das nebulosas então observadas como manchas difusas são sistemas semelhantes, às quais ele denominou universos-ilhas.

Os avanços observacionais mais importantes que levaram à compreensão detalhada da distribuição das estrelas no céu foram feitos por Wilheilm Herschel (1738-1822, astrônomo e músico inglês, nascido na Alemanha), primeiro cons- trutor de grandes telescópios com os quais podia detalhar os objetos fracos com maior precisão.

Estrelas se distribuem no espaço tanto de forma dispersa quanto, também, em grupos, chamados de aglomerados de estrelas. No estudo de tais aglomera- dos, percebeu-se que eles não se distribuem ao acaso no espaço, mas definem uma configuração à qual chamamos de galáxia, visível a olho nu, como a Via-Láctea.

O Sol, a estrela mais próxima de nós, está a 159 milhões de quilômetros. É mais fácil dizer que ele está a oito minutos-luz. Afinal, a luz leva oito minutos para chegar do Astro-rei até a Terra. O mapa feito com os aglomerados globula- res de estrelas mostrou que a galáxia tem um diâmetro de aproximadamente 90 mil anos-luz e é composta de 100 bilhões de estrelas, todas girando em torno de um núcleo comum, que dista cerca de 25 mil anos-luz do Sol. Logo se percebeu que existe um grande número de formações semelhantes no universo. São as Nebulae, que hoje chamamos, genericamente, de galáxias. Quando observamos a estrela mais próxima do sistema solar, Alfa de Cen- tauro, estamos enxergando o passado. Ela se encontra a 4,3 anos-luz de dis- tância. Quer dizer que a luz que agora observamos foi emitida 4,3 anos atrás e viajou todo esse tempo para chegar até aqui. Estamos, de fato, observando o passado. Quando olhamos para a nossa vizinha galáxia de Andrômeda, vemos como ela era 2,4 milhões de anos atrás. Muitas estrelas que estamos vendo hoje já deixaram de existir há muito tempo.

A teoria do Big Bang

Na década de 1920 , o astrônomo americano Edwin Hubble procurou es- tabelecer uma relação entre a distância de uma galáxia e a velocidade com que ela se aproxima e se afasta de nós. A velocidade da galáxia se mede com relativa facilidade, mas a distância requer uma série de trabalhos encadeados e, por isso, é trabalhoso e relativamente impreciso. Após muito trabalho, ele descobriu uma correlação entre a distância e a velocidade das galáxias que ele estava estudando. Quanto maior a distância, com mais velocidade ela se afasta de nós. É a chamada Lei de Hubble. Portanto, as galáxias próximas se afastam lentamente e as galá- xias distantes se afastam rapidamente? Como explicar essa lei?

Num primeiro momento, poderíamos pensar que, afinal, estamos no cen- tro do universo, um lugar privilegiado. Todas as galáxias sabem que estamos aqui e por alguma razão fogem de nós. Essa explicação parece pouco copernica- na. A essa altura dos acontecimentos, ninguém mais acreditava na centralidade cósmica do homem. Precisamos achar, então, outra explicação.

é hoje. Quanto mais no passado, menor. Até que poderíamos imaginar a bexiga tão pequena que se reduziria a um ponto. A esse ponto inicial, a idéia de que o universo surgiu de uma explosão no passado, chamamos de Big Bang. Desde então, ele está se expandindo, até hoje, e a lei de Hubble é a confirmação disso. Há quanto tempo teria acontecido isso? As indicações mais recentes são de que o Big Bang ocorreu há 13,7 (± 0,2) bilhões de anos.^1

Edwin Hubble (1889-1953), ao telescópio Schmidt do Monte Palomar (Califórnia), em 1949.

Foto Arquivo Agência France Presse

Figura 4 – Nebulosa M16, obtida com o telescópio espacial Hubble (cortesia Nasa). Essa nebulosa nada mais é do que um berçário onde novas estrelas estão nascendo. A luz das novas estrelas ilumina o gás que as está formando.

De fato, trabalhos teóricos do abade belga Georges Lemaitre, de 1927 , mostraram que a Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein é compatível com a recessão das Nebulae (como eram então chamadas as galáxias) e ele foi o primeiro a propor que o universo teria surgido de uma explosão, de um “átomo primordial”.

Uma pergunta imediata que poderia nos ocorrer é: para que direção do es- paço devemos olhar para enxergarmos onde essa explosão ocorreu? Se o univer- so está se expandindo, dentro de onde? Ora, no modelo de bexiga – universo de duas dimensões – o Big Bang ocorreu no centro da bexiga, não na sua superfície. O espaço é a superfície. O interior é o passado, e o exterior, o futuro. O centro, a origem do tempo. Portanto, a explosão não ocorreu no espaço, mas no início do tempo, e o próprio espaço surgiu nessa singularidade temporal. Esse exemplo simples nos mostra como o modelo bidimensional pode nos ilustrar, de forma intuitiva, porém confiável, questões fundamentais de cosmologia; agregar uma terceira dimensão é apenas uma questão de habilidade matemática! Podemos, agora, voltar à reflexão de que olhar para longe é ver o passado. Seria possível observar o universo evoluir? Essa idéia parece interessante; quanto

Figura 5 – Uma galáxia espiral que lembra bastante a galáxia na qual vivemos. Cada galáxia dessas tem cerca de 100 mil anos-luz de diâmetro e é composta por cerca de 100 bilhões de estrelas. As manchas mais brilhantes que acompa- nham os braços espirais são os berçários de formação estelar. As estrelas de maior massa são azuis e vivem pouco, ao passo que as de menor massa são vermelhas e são mais longevas. Mas essa não foi a única confirmação da teoria. O Big Bang também prevê que o elemento hélio se formou nos primeiros três minutos após a explosão. Que cerca de um quarto da matéria do universo se formou desse elemento, e três quartos sob forma de hidrogênio. Quando se conseguiu medir essa abundância primordial do hélio, o valor encontrado confirmou com precisão o previsto.^2

Inflação, matéria escura e energia escura

Mesmo com as evidências observacionais em favor do Big Bang , por mui- to tempo se discutiu a viabilidade dessa teoria. Diversos problemas teóricos di- ficultavam uma descrição precisa das observações, até que, em 1982 , o físico americano Alan Guth propôs uma solução que, de início, pareceu insólita para muitos: a teoria do Big Bang inflacionário. Por essa idéia, o universo teria pas- sado por uma fase de expansão extraordinária. Quando a idade do universo era de um trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo ( sic ), o universo expandiu-se subitamente de um fator gigantesco (esse fator é o número 1 se- guido de 50 zeros!). Com esse modelo, alguns problemas teóricos desaparece- ram. Naturalmente, uma proposta tão insólita careceria de evidências lastreadas

na realidade. Essas não tardaram a aparecer. A inflação propõe que as galáxias teriam sido formadas a partir de sementes geradas no período inflacionário. Flu- tuações quânticas correspondentes ao Princípio da Incerteza de Heisenberg, amplificadas pelo fator da inflação, teriam dado origem às galáxias. Essa idéia seria testável, pois prevê a existência de pequenas flutuações na temperatura da radiação cósmica de fundo. Muito se pesquisou a esse respeito até que, em 1992 , o satélite Cobe determinou não só que essas flutuações existem, mas que elas se comportam exatamente de acordo com o previsto pela teoria inflacionária. Por esse trabalho os pesquisadores norte-americanos George Smoot e John Mather receberam o Prêmio Nobel de Física em 2006.

O que teria causado a inflação? Imagina-se que poderia ter ocorrido pelo que se chama de transição de fase. Por exemplo, a transformação da água em gelo (transição líquido-sólido) é uma transição de fase que libera energia latente da água. Da mesma forma, uma transição de fase no Big Bang teria liberado energia latente, responsável pela expansão súbita do universo.

Com freqüência as galáxias se encontram em famílias, chamadas de aglo- merados. O aglomerado de Virgo tem 800 galáxias; o de Coma, duas mil. Em 1933 , o astrônomo suíço Fritz Zwicky mediu a massa do aglomerado de galáxias de Coma e verificou que esse valor era de cerca de 400 vezes maior do que a soma das massas das suas galáxias individuais. Portanto, havia uma “matéria es- cura”, responsável por manter o aglomerado coeso. Por muitas décadas essa pes- quisa não teve muito crédito. Na década de 1960 , no entanto, medidas feitas em muitas outras galáxias mostraram que também aí havia uma misteriosa matéria escura. Na Via-Láctea ela corresponde a dez vezes a massa visível sob forma de estrelas ou gás. Para toda parte que se olha, essa misteriosa matéria parece estar presente. Mas o que é essa massa misteriosa? Muito já se especulou sobre sua natureza, mas ainda não se encontrou nenhuma resposta convincente. Apenas sabemos que a natureza dela é diferente de toda a matéria que conhecemos.

Qual é o futuro da expansão do universo? Isso depende da quantidade de massa contida nele. Se for muito grande, ela fará o universo desacelerar até que a velocidade se anule e depois se contrairá. É o chamado modelo de universo fechado. Se a massa for pequena, ela não será o suficiente para zerar a velocidade e o universo irá se expandir para sempre. Chamamos isso de universo aberto. A fronteira dos dois é o universo plano.^3

Tentativas para determinar qual modelo corresponde à realidade fizeram que muitas pesquisas fossem conduzidas ao longo de décadas. Em 1998 , no fechar do século e do milênio, descobriu-se que a expansão do universo não está sendo desacelerado, mas acelerado. Isto é, quanto mais o tempo passa, com maior velocidade as galáxias se afastam umas das outras. Isso foi uma descoberta extraordinária e desconcertante, pois sugere que existe uma energia que atua no sentido contrário ao efeito de gravidade. A essa energia se chamou de “energia escura”. Ela é totalmente distinta da matéria escura; a matéria escura possui gra- vidade; a energia escura, não. Ao contrário, provoca repulsão.

economia mundial estejam, de alguma forma, vinculadas à Mecânica Quântica. Sem ela não existiria a eletrônica dos computadores, dos televisores, dos telefo- nes, das máquinas fabris etc. A Teoria da Inflação Cósmica também funciona, mesmo que pareça insólita. Ela é útil, na medida em que nos permite calcular características fundamentais do universo. Por que não utilizá-la? Não foi por essa razão que os navegadores adotaram a teoria de Copérnico?

O Big Bang explica tudo? Afinal, seria o Big Bang uma teoria definitiva? Vejamos se essa é uma hi- pótese razoável. Ao longo da história, vimos que a idéia de universo evoluiu muito. Passou por diversos estágios, que podem ser caracterizados como teorias cosmológicas. Terra plana, modelo geocêntrico, heliocêntrico, galactocêntrico, Big Bang , Big Bang inflacionário... Cada modelo explica o que era conhecido na época e o que as medidas de então podiam confirmar. Não se pode dizer que essas teorias estavam erradas. Seria melhor afirmar que eram incompletas. Afinal, para nossa experiência diária, o modelo de terra plana não é ruim. A terra é re- donda e, além do mais, gira em torno do Sol, e assim por diante. A descoberta de que o universo – tudo o que existe – evolui de forma que possa ser racional- mente analisado parece ser surpreendente. Mais surpreendente, o fato de que podemos demonstrar que ele teve uma origem. As leis que desenvolvemos no nosso pequeno planeta aplicam-se ao universo todo. Não há evidência de que haja qualquer discrepância mensurável.

Isso encerra a história? Tudo nos leva a crer que não. Se somos copernica- nos no que se refere ao espaço, aprendemos também a ser copernicanos no que se refere ao tempo e, portanto, não vivemos num momento especial. O próprio Big Bang deve ser objeto de racionalização, de detalhamentos. Ao primeiro ca- pítulo já assistimos: o Big Bang não ocorreu de forma qualquer; ele foi inflacio- nário. Quantas etapas mais surgirão na aventura humana de decifrar a natureza do universo em que vivemos?

A concepção de universo em meados do século XVII havia já incorporado as noções de espaço e tempo de Newton. O universo parecia um espaço-tempo estático e infinito, muito distinto daquele em que o destino humano e os deuses estavam intimamente ligados à concepção de mundo. O filósofo francês Blaise Pascal expressou assim o sentimento: “Tragado pela imensidão infinita dos espa- ços, dos quais não sei nada e o qual não sabe nada de mim, estou apavorado… O eterno silêncio destes espaços infinitos me alarma”.

Afinal, estamos tão sós quanto imaginou Pascal? A natureza e o destino humanos estão totalmente desconectados da estrutura cósmica maior? Hoje sa- bemos que cada estrela pode conter um sistema solar e que cada galáxia possui, em média, cerca de 100 bilhões de estrelas. É legítimo supor que o número de planetas com condições semelhantes ao do planeta Terra é imenso, só conside- rando a nossa galáxia. Devemos lembrar ainda que o número de galáxias obser- váveis dentro do horizonte cósmico acessível é de 100 bilhões. Fica claro, pois,

que existe um número enorme de planetas com condições nas quais a vida possa ter surgido e se desenvolvido. Isso não significa que a vida humana como a nossa seja comum. Não só porque ela pode ter assumido a sua feição fortuitamente, mas também porque ela é certamente efêmera, se considerada na escala de tem- po cósmica. Exatamente por esse caráter efêmero e por causa das distâncias en- volvidas, dificilmente duas civilizações de grau de desenvolvimento semelhante poderiam entrar em contato entre si, mesmo que existam simultaneamente em estrelas ou galáxias separadas.

Uma outra conexão que nos vincula com as estrelas diz respeito aos elemen- tos químicos, indispensáveis para manter nossa estrutura física. Cada átomo de oxi- gênio que inspiramos, assim como cada átomo de cálcio que está nos nossos ossos ou de ferro e de carbono da nossa musculatura tiveram uma origem muito especi- fica, cuja história conhecemos. Apenas o hidrogênio e o hélio (além do deutério e parte do lítio) foram formados no Big Bang ; os elementos químicos mais pesados foram todos sintetizados no centro das estrelas. Com a morte dessas, o gás enri- quecido desses elementos pesados foi lançado ao espaço, apenas para se juntar aos restos de milhares de outras estrelas e formar uma nova geração de corpos celestes. O Sol já é uma estrela de terceira geração, e graças a isso a composição química do sistema solar é rica o suficiente para formar a vida como a conhecemos.

A cosmologia científica, ao contrário das cosmologias tradicionais, não tenta ligar a história do cosmos a como os homens devem se comportar (dife- rentemente do que, ainda hoje, os adeptos da astrologia nos propõem). É papel dos cientistas, artistas, filósofos e outras pessoas criativas entendê-la e expressar o sentido humano nela. O pleno impacto dessa cosmovisão sobre a cultura hu- mana só se dará quando a compreensão da nossa realidade física for plenamente entendida pelo cidadão comum.

Enquanto isso, a missão da astronomia é de nos dizer onde estamos, de onde viemos e para onde vamos. E, pelo visto, essa missão parece não ter fim.

Notas

1 Como teoria rival do Big Bang , persistiu por muito tempo a teoria do estado estacio- nário. Essa teoria se baseia no Princípio Cosmológico Perfeito, segundo o qual o uni- verso é homogêneo, isotrópico e constante no tempo. Esse modelo era bem-visto pelos físicos, principalmente porque eliminava os problemas de ter havido uma origem no tempo. Esse princípio é incompatível com as observações que mostram que o universo evolui com o tempo. 2 Existem outras evidências em suporte à teoria do Big Bang. Se o universo não fosse finito no tempo, o céu noturno não seria escuro. Além disso, galáxias evoluem com o tempo, tornando-se mais velhas, com mais elementos químicos pesados. Isso é con- firmado diretamente pelas observações. Quanto mais longe observamos no universo, mais jovens (menos evoluídas) são as galáxias. 3 Se o universo fosse fechado, ele voltaria a se contrair, acabando em um Big Crunch. A partir daí, poderia haver um novo Big Bang e assim por diante, o que implicaria um uni-