06/11/2015

Universo

«Tempo virá em que a investigação diligente, cobrindo longos períodos, esclarecerá coisas que hoje estão escondidas. O tempo de uma vida, mesmo que totalmente dedicado ao estudo do céu, não seria suficiente para a investigação de tão vasto tema [...] Por isso, esse conhecimento terá de desenvolver-se ao longo das gerações sucessivas. Tempo virá em que os nossos descendentes se surpreenderão por não sabermos coisas que são tão óbvias para eles [...] Muitas descobertas estão reservadas às gerações vindouras, quando a lembrança da nossa existência já estiver apagada. O nosso universo seria uma coisa insignificante se não houvesse nele algo a ser investigado por todas as gerações que vão surgindo [...)
A natureza não revela os seus mistérios de uma só vez.»
Séneca, Questões Naturais, livro 7, século I)

«Parece ser muito fácil cairmos nos mesmos erros das gerações anteriores e presumirmos que a nossa visão do Universo constitui a verdadeira e última explicação. No seu tempo, tanto o modelo do universo ptolomaico como o newtoniano pareciam incontestavelmente certos. Comparado com eles, o modelo do Big Bang ainda está na sua infância.»
O Universo de Stephen Hawking, pag.250, Edições Alfa


O que é o Universo?
Segundo o dicionário, é "o conjunto de tudo quanto existe, como um todo; conjunto formado pelo espaço com todos os astros; cosmos" - Infopédia
Para se compreender melhor a definição do que é o Universo há que compreender que é a totalidade do espaço, do tempo e de todas as formas de matéria e energia e de leis da física. No entanto, esta é uma forma, defendida por muitos, como somente o "espaço em expansão como o conhecemos". Isto porque há diversas teorias que sustentam a existência de multiversos, como demonstra a Física Quântica.
Através de observações pode-se constatar que o Universo tem-se regido pelas mesmas leis físicas ao longo da sua história e existência. Embora na Teoria dos Universos-Bolha, as leis físicas para cada um dos diferentes universos possam ser diferentes entre si.
A teoria mais aceite actualmente, pelo mundo científico, para a origem do Universo, é a Teoria do Big Bang, que diz que o Universo surgiu de um único ponto ou singularidade, onde toda a energia e matéria do mundo observável encontravam-se concentradas numa única fase densa e extremamente quente, chamada Era de Planck. Desde então o universo tem-se expandido - diversas medições têm vindo a defender estas teorias, do Big Bang e da Expansão do Universo.
A expansão do Universo deve-se à Energia Escura (ou Negra) que se opõe à força da gravidade.

As observações astronómicas mostram que o universo tem cerca de 13,73 mil milhões de anos e um diâmetro de 93 mil milhões de anos-luz (8,80 x 1026 metros).
Segundo a Teoria da Relatividade Geral o espaço pode expandir-se à velocidade da luz.
Não há consenso se a dimensão do espaço é finita ou infinita, assim como não há acordo entre a comunidade cientifica se o Universo continuará eternamente a sua expansão, levando à desagregação de toda a matéria, ou se, pelo contrário, o Universo abrandará, invertendo o sentido, acabando num Big Crunch. Neste caso haveriam infinitos Big Bangs e Big Crunches.
Só 4% do Universo é constituído por matéria bariónica (matéria formada por protões e neutrões) que juntamente com os electrões formam os blocos de matéria conhecidos como átomos.  O resto do Universo é constituído por matéria escura e energia escura, em proporções de 23% e 72%, respectivamente.
Toda a matéria presente no Universo encontra-se distribuída numa estrutura semelhante a uma rede a ligar nodos densos, que são formados pelos maiores objectos presentes no Universo, os enxames de galáxias.

A matéria escura é uma forma de matéria que só age gravitacionalmente. Os candidatos teóricos mais populares a este tipo de matéria são o axião, os neutrinos estéreis e as WIMPs (partículas massivas com fraca interação). Também é possível que uma pequena parte da matéria escura seja bariónica, existente em forma de massivos compactos, MACHOs, que por emitirem pouca radiação são difíceis de detectar.
A energia escura é uma forma hipotética de energia, distribuída por todo espaço e tende a acelerar a expansão do Universo.
A principal característica da energia escura é ter uma forte pressão negativa. De acordo com a teoria da relatividade, o efeito da pressão negativa é semelhante a uma força que age em larga escala em oposição à gravidade.
A hipótese desta energia é uma das explicações dadas para a expansão do Universo.
Muito antes de Newton já se discutia sobre o Universo, a sua origem, a sua constituição... o primeiro modelo do Universo conhecido foi o Hindu, o texto sagrado Brahmanda narrava a origem do universo, comparando-o a um ovo cósmico, que se expande desde uma forma concentrada e pontual - Bindu -, até atingir a sua forma máxima. O universo retorna então a sua contracção, voltando à sua forma inicial.
Este modelo foi defendido pelos Estóicos gregos, mas sem a vertente espiritual que o modelo hindu carrega em si.
O filósofo pré-socrático Anaxágoras, que viveu no Século V A.C., considerava que o Universo era originalmente composto por uma mistura indistinguível de matéria e que a sua separação nas formas actuais ocorreu graças à intervenção de uma forma independente e mais refinada, a Mente. Esta originou o movimento da mistura caótica, a segregação dos elementos, a separação do frio e do quente.
Já no ano de 340 a.C. Aristóteles defendeu, no seu livro Sobre os Céus, que a Terra era uma esfera. Pensava que a Terra se encontrava imóvel e que o Sol, a Lua, os planetas e as estrelas se moviam em órbitas circulares em volta da Terra.
Esta ideia foi, posteriormente, sintetizada por Ptolomeu. Os planetas moviam-se em círculos menores ligados às esferas respectivas. A esfera mais afastada continha as chamadas «estrelas fixas», que ocupariam sempre as mesmas posições. Este modelo foi adoptado pela igreja cristã, de acordo com a Bíblia.
Em 1514 um novo modelo foi proposto por um cónego polaco, Nicolau Copérnico. A sua ideia consistia em que o Sol se encontrava imóvel no centro e os planetas se moviam em órbitas circulares em seu redor.
Só cerca de um século depois é que esta ideia foi levada a sério pelo alemão Johannes Kepler e o italiano Galileu Galilei, que defenderam publicamente a ideia de Copérnico.
A prova de que os modelos de Aristóteles e Ptolomeu estavam errados ocorreu em 1609, quando Galileu observou as luas de Júpiter, provando que nem tudo tinha de ter uma órbita em torno da Terra.
Kepler modificou a teoria, sugerindo que os planetas se moviam, não em círculos, mas sim em elipses. Mas para Kepler as órbitas eram só uma hipótese, pois não conseguia reconciliar as órbitas elípticas com a sua ideia de que os planetas giravam em volta do Sol devido a forças magnéticas.
Em 1687 surgiu uma explicação quando Sir Isaac Newton publicou Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Newton não só apresentou uma teoria sobre o movimento dos corpos, como desenvolveu o aparato matemático necessário para análise do movimento. Também postulou uma lei universal segundo a qual quaisquer dois corpos do universo que se atraiam com uma força tanto mais intensa quando maiores fossem as respetivas massas e maior a sua proximidade. Newton mostrou ainda que, segundo a sua lei, a gravidade faz que a Lua se mova em órbita elíptica em redor da Terra e os outros planetas sigam trajectórias elípticas em volta do Sol.
Newton compreendeu que, segundo a sua teoria da gravitação, as estrelas deviam atrair-se umas às outras, de modo que parecia não poderem permanecer em repouso. Numa carta escrita, em 1691, a Richard Bentley, Newton argumentava que isso aconteceria realmente se houvesse um número finito de estrelas numa região finita de espaço. Mas afirmava também que, se por outro lado houvesse um número infinito de estrelas num espaço infinito, tal não aconteceria, porque careceriam de um ponto privilegiado para o colapso.
A maneira correta de pensar o assunto compreendeu-se muito mais tarde. Consiste em considerar a situação numa região finita onde as estrelas caem todas e, depois, perguntar se uma distribuição mais ou menos uniforme de estrelas fora daquela região alteraria alguma coisa. Segundo a lei de Newton, as estrelas exteriores não introduziriam, em média, a menor diferença na situação das já existentes, de maneira que estas cairiam com a mesma rapidez.
Sabe-se agora que é impossível conceber um modelo estático de um universo infinito em que a gravidade seja sempre atractiva.
Houve contestações ao modelo estático infinito e o artigo do filósofo Heirich Olbers, de 1823, foi largamente divulgado.

O Começo do Universo
O começo do Universo tem sido discutido desde sempre, segundo algumas das cosmologias mais antigas e a tradição judaico-cristã-muçulmana o universo teve origem há um tempo não muito distante do passado. Santo Agostinho aceitou a data de 5.000 a.C. para a criação do universo, segundo o livro do Génesis.
Aristóteles, tal como a maioria dos filósofos gregos, acreditavam que a raça humana e o mundo à sua volta sempre tinham existido e existiriam para sempre.
Immanuel Kant examinou mais tarde, na sua obra Crítica da Razão Pura, 1781, as questões de o universo haver tido ou não um começo no tempo e de ser ou não limitado no espaço. Chamou a essas questões antinomias da razão pura, porque achava que ambas as teorias eram igualmente atraentes. Argumento de defesa: Se o universo não tivesse tido um começo, teria havido um período de tempo infinito de tempos antes de qualquer acontecimento, o que considerava absurdo. Argumento antitético: Se o universo havia tido um princípio, teria havido um tempo infinito antes da sua origem - então porque tinha o universo começado num ponto especial? Ambos os argumentos baseiam-se na suposição não expressa de o tempo continuar indefinidamente para trás, quer o universo tenha existido sempre ou não.
Em 1929 Edwin Hubble iniciou uma nova era, retirando a questão das origens da metafísica e teologia para o domínio da ciência, ao apresentar factos novos obtidos através da observação. As galáxias distantes afastavam-se velozmente entre si, isto é, o universo estava em expansão. O que demonstrava ter havido um tempo em que os objectos estavam todos no mesmo lugar e em que, portanto, a densidade do universo era infinita.
As observações de Hubble sugeriam que tinha havido um tempo para uma grande explosão - um big bang - em que o universo era infinitamente pequeno e denso.
O tempo começou com o big bang, no sentido em que os primeiros momentos não podiam ser definidos.
A ciência actual descreve o universo em termos de duas teorias parciais fundamentais:
- A Teoria da Relatividade Geral, que descreve a força da gravidade e a estrutura em macroescala do universo (as dimensões do universo observável).
- A Mecânica Quântica, lida com fenómenos que ocorrem em escalas extremamente reduzidas, como um milionésimo de um milionésimo de centímetro.
Abundância relativa dos elementos do Universo:
O elemento mais abundante no Universo é o hidrogénio, com cerca de 90% em número de átomos.
  • O hélio é o segundo elemento mais abundante no Universo, com cerca de 8% em número de átomos; ou seja, por cada  dez átomos de hidrogénio existe, aproximadamente, apenas um de hélio.
  • Seguem-se, em abundância, os seguintes elementos: O oxigénio, o carbono, o néon, o azoto, o magnésio, o silício, o ferro e o enxofre.
  • Os elementos mais pesados aparecem em quantidades mínimas.
As abundâncias relativas observadas para os elementos do Universo estão de acordo com as previstas a partir da teoria do Big Bang, servindo assim para reforçar a sua validade.

História do Universo
De acordo com o modelo científico prevalecente do Universo, o Big Bang, o universo expandiu-se de uma fase muito quente e densa, a Era de Planck, na qual toda a matéria e energia do universo estavam concentradas. Desde a Era de Planck que o universo se tem vindo a expandir até à forma presente, possivelmente apenas com um breve momento de Inflação Cósmica (menos que 10-32 segundos).
Diversos cálculos científicos efectuados de forma independente apoiam a Teoria da Expansão e a do Big Bang.
Observações recentes indicam que a expansão do universo deve-se à energia negra e que a maior parte da matéria existente no universo não pode ser detectada com os instrumentos actuais, designada de matéria negra.
A 21 de Março de 2013, a equipe de investigação europeia ESA (Agência Espacial Europeia), responsável pela missão Planck, lançaram as imagens do mapa da Radiação Cósmica de Fundo em Microondas. O mapa sugere que o universo é ligeiramente mais antigo do que aquilo que se pensava. De acordo com a imagem, as flutuações subtis de temperatura foram impressas no céu profundo, quando o Cosmos tinha cerca de 370.000 anos de idade. A marca reflecte ondas que surgiram mais cedo, na existência do universo, como o primeiro nonilhão (10-30) de um segundo. Aparentemente estas ondas deram origem à presente vasta teia cósmica de aglomerados de galáxias e matéria escura. Segundo a equipe, o universo tem 13,798 + 0,037 biliões de anos e contém 4,9% de matéria comum; 26,8% de matéria escura e 68,3% de energia escura. Além disso, a constante de Hubble foi medida como sendo de 67,80 + 0,77 (km/s)/Mpc. As observações astronómicas anteriores davam indicação de a idade do universo como de 13,772 + 0,059 biliões de anos e que o seu diâmetro observável ser de pelo menos 93 biliões de anos-luz (8,80 x 1026m).

Características
Dimensões
As dimensões do universo são desconhecidas, podendo ser infinito. A região visível a partir da Terra (Universo Observável) é uma esfera com um raio de 46 biliões de anos-luz. Para efeitos de comparação o diâmetro de uma galáxia típica é de 30.000 anos-luz e a distância média entre duas galáxias vizinhas é de 3 milhões de anos-luz.


Matéria
A matéria observável está espalhada de forma homogénea por todo o Universo quando a distâncias médias superiores a 300 milhões de anos-luz. No entanto, a escalas menores de comprimento, a matéria observada forma "blocos", isto é, agrupam-se hierarquicamente - os átomos são condensados em estrelas, a maioria das estrelas em galáxias, a maioria das galáxias em aglomerados e, finalmente, as estruturas de maior dimensão, como a Grande Muralha das Galáxias.
A matéria visível do universo está espalhada de forma isotrópica, ou seja, nenhuma direcção de observação parece diferente de outra. O universo também é banhado por uma radiação de microondas altamente isotrópica que corresponde a um equilíbrio térmico de um corpo negro espectral de cerca de 2,725  kelvins.

Densidade
A densidade atual do universo é muito baixa, de cerca de 9,9x10-30 gramas por cm3. Assim, a densidade dos átomos é da ordem de um único átomo de hidrogénio por cada quatro metros cúbicos de volume.
As propriedades da energia escura e matéria escura são em grande parte desconhecidas. A matéria escura gravita como matéria comum e, assim, trabalha para diminuir a expansão do universo, enquanto a energia escura, pelo contrário, acelera a sua expansão.
As percentagens relativas de diferentes elementos químicos - especialmente de elementos leves como o hidrogénio, o deutério e o hélio - parecem ser idênticas em todo o universo e em toda a sua história observável.

O universo não parece ter carga total e, portanto assume-se a gravidade como sendo a interacção dominante em escalas de comprimento cosmológico.
Ainda, parece seguir um determinado conjunto de leis e constantes físicas. De acordo com o Modelo Padrão da física predominante, toda a matéria é composta por três gerações de léptões e quarks (no seu conjunto formam os férmiões). Estas partículas elementares interagem via, no máximo, três interacções fundamentais:
  1. a interacção electrofraca, que inclui o electromagnetismo e a força nuclear fraca;
  2. a força nuclear forte, descrita como cromodinâmica quântica;
  3. a gravidade, cuja melhor descrição é efectuada pela relatividade geral.
As duas primeiras interacções podem ser descritas pela teoria quântica renormalizada ainda não foi alcançada, apesar de haverem várias teorias das cordas promissoras.

Notas:
  • Em 1998 os astrofísicos descobriram que a velocidade de expansão do universo está, na realidade, a acelerar invés abrandar. Pensam que esse facto deve-se à energia negra, embora não se saiba ainda explicar o que é de fato essa energia.
  • De acordo com a relatividade geral, o espaço pode expandir-se mais rapidamente do que a velocidade da luz, embora possamos apenas observar uma pequena parte do universo devido à limitação imposta pela velocidade da luz. Como não podemos observar o espaço para além das limitações da luz (ou qualquer radiação eletromagnética), não se sabe se o universo é finito ou infinito.
  • Num estudo efetuado em 2010, os astrónomos estimaram que o universo observável contenha 300 sextilhões (3x1023) estrelas.
  • Acredita-se que a teoria da relatividade especial se mantenha por todo o universo, desde que as escalas espaciais e temporais sejam suficientemente curtas, caso contrário deverá ser aplicada a teoria da relatividade geral.
    Não há nenhuma explicação para os valores particulares que as constantes físicas parecem ter em todo o universo, tais como a constante de Planck h ou a constante gravitacional G.
    Foram identificadas várias leis de conservação , tais como a conservação da carga, impulso, momento angular e energia; em muitos casos essas leis de conservação podem ser relacionadas com simetrias ou entidades matemáticas.



Fontes
Breve História do Tempo, Stephen Hawking, Edições Gradiva, 2000
Jogo de Partículas A, Maria da Conceição Dantas, Marta Duarte Ramalho, Texto Editores, 2008
http://pt.wikipedia.org/wiki/Universo
http://pt.wikipedia.org/wiki/Mat%C3%A9ria_escura
http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_escura


Desejo

«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...