BIG BANG:  a origem de tudo
Texto copiado e adaptado da revista 
Globo Ciência n° 10, de maio de 1992
Autor do artigo: José Tadeu Arantes
(Usado para trabalhos didáticos na disciplina Fundamentos de 
Astronomia e Geodésia do curso de Geografia da UFSC)
Paulo Araújo Duarte (organizador). Professor de Astronomia do Departamento de Geociências
da Universidade Federal de Santa Catarina
paduarte45@yahoo.com.br


Quando confirmou que a radiação cósmica não é homogênea, mas sofre oscilações espantosamente pequenas, o satélite científico americano Cosmic Background Explorer (Cobe) colocou os habitantes da Terra, em fins de abril, diante de algo que poderá se converter na maior descoberta deste século - ou mesmo de todos os tempos, como chegou a arriscar o professor Stephen Hawking, o mais renomado astrofísico da atualidade. A importância fundamental desse fato está em revitalizar a teoria da Grande Explosão (Big-Bang) primordial, que agora se consolida como a mais sofisticada e consistente explicação do começo do universo já concebida pelo homem, em todos os tempos. Por trás da pergunta aparentemente ingênua dos filósofos medievais havia uma reflexão profunda: queriam saber se o espírito ocupa ou não um lugar no espaço - ou melhor, indagavam-se sobre a natureza do espírito. De modo semelhante, a teoria do Big-Bang parte de uma indagação sobre a natureza da matéria. Como é possível que toda a matéria existente no universo, que se distribui hoje por bilhões e bilhões de galáxias, cada uma delas com bilhões e bilhões de estrelas, estivesse confinada num volume infinitamente pequeno? Desde as descobertas do genial Albert Einstein (1879-1955), sabe-se que matéria e energia são expressões diferentes da mesma realidade. Da transformação da matéria em energia originam-se tanto o poder destrutivo da bomba atômica como o poder construtivo da luz do Sol, responsável pela vida na Terra. E o universo primordial era pura energia. Quando, retrocedendo teoricamente no tempo, nos aproximamos de sua origem, a energia, expressa em temperatura, atinge valores estonteantes. O limite desse retrocesso, o começo de tudo, é o que os cientistas chamam de "singularidade": um ponto sem volume, de densidade e temperatura infinitas.   0 universo se expande "Singularidade" é só um limite para nomear o inominável. É uma ironia que, fugindo sempre de qualquer explicação metafísica sobre a origem do universo, a ciência tenha chegado a uma situação que desafia a capacidade explicativa da física. A teoria do Big Bang, porém, longe de ser fruto de qualquer especulação filosófica ou contemplação mística, é, como qualquer teoria científica, apenas uma maneira coerente de acomodar os dados compilados pela observação. O primeiro desses dados foi fornecido em 1929 pelo astrônomo norte-americano Edwin Hubble ( 1889 - 1953). Com o melhor telescópio da época - o de Monte Wilson, Califórnia - e ajudado por Milton Humason ( 1891-1973) - um ex-porteiro de laboratório, de instrução primária, mas excepcional perito em espectrografia -, Hubble descobriu que as galáxias distantes estão todas se afastando de nós. E que a velocidade desse afastamento é tanto maior quanto mais longe está a galáxia. Assim, como já faz séculos que perdemos a ilusão de habitar o centro do cosmo, se um astrônomo extraterrestre observar o céu a partir de qualquer outra galáxia, também verá as galáxias distantes se afastando dele, como Hubble. Ou seja: é o universo inteiro que está em expansão. O fenômeno é parecido com o que ocorre quando se enche uma bexiga (ou balão) de aniversário decorada com bolinhas: na medida em que a superfície da bexiga se expande, as bolinhas se afastam todas umas das outras - e tanto mais rapidamente quanto mais longe estiverem entre si. A idéia do universo em expansão já existia antes de Hubble. Em 1922, o meteorologista e matemático russo Alexander Friedmann (1888-1925) chegara à mesma conclusão a partir de um tratamento puramente teórico das equações de Einstein sobre gravitação. Curioso é que o próprio Einstein não admitia essa possibilidade. Embora fosse o principal responsável pela maior revolução da ciência neste século, sua cosmologia era essencialmente clássica: ele considerava o universo eterno e estático em seu conjunto. Como a solução mais simples de suas equações desmentia esse pressuposto, introduziu nelas um artifício matemático, algo feito sob encomenda para driblar a questão. Anos mais tarde, o grande gênio admitiria, com humildade, que essa fora "a maior gafe" de sua vida. Seja como for, o modelo de Friedmann permaneceu relativamente ignorado até que as descobertas de Hubble dessem à tese da expansão do universo uma formidável confirmação experimental. Quem traçou os contornos gerais da teoria do Big Bang, na década de 1940, foi um ex-aluno de Friedmann, russo como ele: George Gamow (1904-1968). Refugiado nos Estados Unidos mas ainda bom apreciador de vodca, esse físico nuclear e talentoso escritor de livros de divulgação científica era um peso pesado - física e intelectualmente. Com o objetivo inicial de explicar a formação dos elementos químicos, acabou se aprofundando cada vez mais na astrofísica e na cosmologia.  Descobertas se completam Na época, o físico inglês Fred Hoyle sustentava que os núcleos atômicos de todos os elementos químicos se formavam gradualmente, por fusão nuclear, no fervilhante interior das estrelas. É a chamada nucleossíntese estelar, explicação razoável que acabou esbarrando num obstáculo: a superabundância do hélio-4 - sabe-se hoje, ao pesquisar em qualquer direção do céu, que esse elemento leve constitui cerca de 25% da massa do universo. Ora, mesmo considerada a intensa atividade de todas as estrelas, ela seria insuficiente para explicar a grande quantidade e a homogeneidade da presença do hélio. Gamow veio com a explicação: propôs que o hélio se formou em escala cósmica numa fase em que o conjunto do universo passava por temperaturas semelhantes ou até mais altas que as encontradas nas estrelas. E prosseguiu no raciocínio: para que esses patamares elevadíssimos de temperatura houvessem sido atingidos, seria necessário que toda a massa do universo estivesse comprimida num volume extremamente reduzido. Isso casava perfeitamente com o afastamento das galáxias observado por Hubble. Afinal, pensou Gamow, já que a matéria está em expansão constante, houve um momento, no passado, remotíssimo, em que estava toda compactada. Nessas, condições, compressão e temperatura seriam tamanhas que nenhum átomo, nem mesmo núcleo de átomo, subsistiria. A matéria só poderia apresentar-se então como um plasma formado de partículas subatômicas em frenética atividade. Depois, com a explosiva expansão, a temperatura cairia rapidamente, permitindo que as partículas se combinassem. E a teoria foi se completando de modo espetacular. Os cálculos de Gamow levaram-no a concluir que essa formidável "cozinha" cósmica não funcionou por mais de meia hora - tempo suficiente, acreditava, para que se formassem os núcleos atômicos de todos os elementos conhecidos. Os conhecimentos atuais fazem crer que tanto Gamow como Hoyle produziram grandes descobertas parciais que se complementam. Assim, a nucleossíntese primordial formulada por Gamow responde apenas pela formação dos núcleos dos elementos leves: hidrogênio, deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio-7. Isso porque a rapidíssima queda de densidade da matéria provocada pela expansão impediu que as reações continuassem. Os núcleos dos elementos mais pesados só se fundiriam bem mais tarde, justamente na nucleossíntese estelar postulada por Hoyle. Contudo, como a história da ciência nunca foi uma festa bem-comportada, desencadeou-se nos anos 50 uma guerra de argumentos inteligentes e farpas venenosas entre defensores e adversários do Big Bang - expressão criada, aliás, por ironia do brilhante Fred Hoyle. Acabou pegando, embora sugira uma explosão de matéria no espaço, o que não corresponde à teoria. Nem matéria, nem tempo, nem espaço preexistem ao Big Bang: surgem com ele. Do lado dos arquiinimigos do Big Bang, perfilavam-se os defensores da teoria do Estado Estacionário: Hoyle e seus jovens colegas da Universidade de Cambridge, os austríacos Hermann Bondi e Thomas Gold. Para eles, o universo seria infinito e homogêneo no espaço, bem como eterno e imutável no tempo. Se mantinha sua densidade média constante, apesar da expansão descoberta por Hubble, era porque matéria nova (partículas subatômicas) era continuamente criada, ocupando o vazio deixado pela matéria que se afastava. A própria expansão seria provocada pelo aparecimento da matéria nova, que empurraria a matéria preexistente. De onde vinha essa matéria nova? Do nada, respondiam os três, com a maior candura. Afinal, ponderava Gold, "será mais fácil admitir um único grande milagre (Big Bang) do que vários pequenos milagres(criação contínua)?"  A disputa entre os dois partidos cosmológicos só seria decidida em 1965, nos EUA, por obra do acaso. Os físicos Arno Penzias e Robert Wilson operavam uma enorme antena para estudar, a serviço da empresa Bell Telephone, a interferência das radiações estelares nas comunicações via satélite.Toparam então com uma fraquíssima emissão de rádio que chegava de todas as regiões do céu. Quebraram a cabeça na tentativa de descobrir a origem daquele sinal (uma família de pombos que se aninhara na antena chegou a ser responsabilizada). Uma descoberta sensacional Bem perto deles, na Universidade de Princeton, uma equipe de físicos liderada por Robert Dicke conduzia uma pesquisa em busca de algum vestígio da origem do universo. Um contato entre os dois grupos, uma conversa sobre os respectivos trabalhos e vem à tona uma das mais sensacionais descobertas da física moderna: a misteriosa emissão, percebem Dicke e seu grupo, era justamente o que eles mais queriam encontrar: um "eco" do Big Bang.  Na verdade, é um resíduo de energia, proveniente dos restos fossilizados de fótons (partículas de luz) que existiram no universo primordial quando a radiação se desacoplou da matéria, uns 300 ou 400 mil anos depois da origem. Ao longo do processo de expansão e resfriamento, a temperatura dessa radiação caiu quase ao zero absoluto, e ela já não surge mais em forma de luz, mas de microonda. Preenche uniformemente o espaço e equivale à emissão de um corpo negro a 2,7 graus Kelvin, que é também a temperatura média atual do universo. Tudo exatamente como George Gamow previu nos anos 40. A euforia é geral. O mundo científico entra em polvorosa. A imprensa dramatiza: "Descoberta a voz de Deus".  Era o golpe de misericórdia no "estado estacionário" de Hoyle e companhia. A partir daí, a teoria do Big Bang ganharia aceitação da quase totalidade dos especialistas. É bem verdade que, para isso, o modelo recebeu acréscimos, passou por reformas e ganhou interpretações crescentemente sofisticadas. O próprio cálculo da idade do universo foi várias vezes corrigido, até chegar ao consenso atual: algo entre 15 e 20 bilhões de anos. A física de partículas passou para o primeiro plano, lado a lado com as observações astronômicas, como alimentadora dessas revisões teóricas. Explica-se: os grandes aceleradores de partículas permitem reproduzir, "em condições de laboratório", níveis de energia próximos aos que se calcula terem existido no universo recém-nascido.  A partir daí desenharam-se cenários mais e mais complexos das dramáticas transformações do cosmo em sua estruturação material. O mais intrigante desses cenários é sem dúvida o "modelo inflacionário" do Big Bang, proposto no início dos anos 80 pelo físico norte-americano Alan Guth e reformulado pelo russo Andrei Linde. Esse modelo baseia-se na concepção de vazio da física quântica: o vácuo é pensado como contendo energia, que pode exercer importante pressão sobre o meio. Apenas um centésimo de milionésimo de bilionésimo de bilionésimo de bilionésimo de segundo depois do Big Bang, teria ocorrido um fenômeno crucial: a expansão a uma taxa fantasticamente superior à normal. Isso não durou mais que uma ínfima fração de segundo mas fez com que uma região menor do que o próton ficasse bem maior do que todo o universo que hoje somos capazes de observar. Em conseqüência, o universo real teria dimensões simplesmente inimagináveis: um diâmetro da ordem de 103000 anos-luz (o algarismo 1 seguido de 3 mil zeros). Ora, o universo que podemos observar não excede algumas dezenas de bilhões de anos-luz. Com seus bilhões e bilhões de galáxias, ele representaria apenas uma diminuta parcela do universo verdadeiro. A idéia do vazio quântico vem permitindo também que cientistas mais ousados especulem sobre o que haveria por trás da desconcertante "singularidade" que deu origem ao cosmo. Se se considerar que a energia potencial da gravitação contrabalança rigorosamente a energia da matéria (isto é, a massa mais a energia cinética), conclui-se que a energia total do universo é nula. Nesses termos, o cosmo pode ser pensado como tendo surgido de uma "flutuação" do vazio (toda vez que um sistema muda de estado fala-se em flutuação e, no caso, o vazio e o cheio são dois estados do mesmo sistema). Esse surpreendente raciocínio, em que os físicos contemporâneos se empenham seriamente, mostra o quanto as ciências de ponta se afastaram da acanhada concepção de matéria que predominava no século passado. E, por estranho que pareça, aproximaram-se, ao mesmo tempo - involuntariamente, por certo -, de certa maneira de ver o mundo que é característica das grandes tradições místico-filosóficas. Isso é perceptível quando tomamos o exemplo do taoísmo chinês: ele concebe a multiplicidade como manifestação da Unidade, que por sua vez é gerada pelo Vazio - um vazio impenetrável ao raciocínio, mas paradoxalmente pleno de virtualidades. O mistério sobre a origem de tudo permanece - deslocado, porém, para um plano mais alto. Pode ser essa, afinal, a postura da ciência: não ter a presunção de eliminar o mistério último das coisas, mas a grandeza de contemplá-lo com humildade e assombro.