A Origem do Universo: Teoria do Big Bang

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Universidade Federal de Rio Grande – FURG 
Instituto de Oceanografia - IO 
Aula 2 
 
A Estrutura do Universo. 
Prof. João Luiz Nicolodi 
Livre arbítrio: 
 
COMO? QUANDO? E POR QUE? 
 
Origem do Universo 
 
Ciência: QUANDO e COMO ? 
 
Reflexões espirituais: POR QUE? 
Tradição judeu-mulçumana-cristã: universo começou num tempo não 
muito distante e finito do passado. 
 
Aristóteles não concordava com a ideia de criação porque ela contém 
muitos indícios de criação divina. Acreditava, entretanto, que a raça 
humana e o mundo sempre existiram e vão continuar existindo 
infinitamente. 
 
Santo Agostinho aceitava a data de 5.000 anos a.C. para a criação do 
universo, de acordo com o livro do Gênesis. 
A grande questão é: o universo tem um começo no tempo ? 
ele é limitado no espaço ? 
Immanuel Kant (1781) Se o universo não tivesse tido um começo, haveria 
um período de tempo infinito antes de cada evento, o que ele 
considerava absurdo. Ao mesmo tempo, se houvesse um começo, 
haveria um período de tempo infinito antes dele; então, por que o 
universo deveria começar em algum instante em particular? 
O conceito de tempo parece não ter significado antes do começo do 
universo, fato que foi apontado pela primeira vez por Santo Agostinho, 
quando indagou: “O que Deus fazia antes de criar o universo?” 
 
Quando a maioria das pessoas acreditava em um universo estático e 
imutável, a questão de se ele tivera ou não um começo pertencia ao 
domínio da metafísica ou da teologia. Essa visão só começou a ser 
alterada com os avanço da ciência a partir dos últimos séculos. 
Duas teorias principais 
sobre a origem do 
Universo: 
 
BIG BANG 
 
ESTADO ESTACIONÁRIO 
A TEORIA DO BIG BANG 
A Teoria do Big Bang é uma das mais belas realizações intelectuais do 
século. 
 
Para o seu desenvolvimento contribuíram dois ramos do conhecimento 
que, há apenas algumas décadas pareciam muito distantes: a ciência 
do macrocosmo, o infinitamente grande, e a ciência do microcosmo, o 
infinitamente pequeno. 
 
A Cosmologia e a Astrofísica, por uma lado, e a Física das partículas 
elementares ou Física subatômica, por outro. 
Alexander Friedmann (1888-1925), meteorologista e 
matemático russo 
Georges Lemaitre (1894-1966), padre e 
matemático belga. 
Chegaram a conclusões muito semelhantes a partir 
de um desenvolvimento puramente matemático da 
Teoria Geral da Relatividade de Einstein. 
Einstein que acreditava que a atração gravitacional entre os corpos 
decorria de uma curvatura do espaço-tempo provocada pela presença da 
matéria. 
 
Friedmann e Lemaitre partiram das complicadas equações de campo 
gravitacional de Einstein e, como ele, adotaram a hipótese de um 
Universo homogêneo no espaço. 
 
Mas, ousadamente, descartaram a ideia de Eisntein de um Universo 
imutável no tempo. Isso lhes permitiu chegar, entre 1922 e 1927, a um 
conjunto de soluções simples para as equações. 
O Universo que essas soluções 
descreviam estava em 
expansão em todas as direções 
com as galáxias se afastando 
umas das outras. 
Se o Universo está em expansão em todas as direções com as galáxias 
se afastando umas das outras... 
 
Ora, se tudo está se afastando no Universo, é possível imaginar uma 
época remotíssima em que tudo estivesse extremamente próximo?? 
 
Essa seria a época do Big Bang !! 
 
Essa expansão teria se originado a partir da singularidade, um ponto 
matemático de densidade infinita. 
Em 1929, o astrônomo norte-americano Edwin Hubble (1889- 1953) fez 
uma descoberta sensacional que trouxe a primeira prova a favor da 
tese da Grande Explosão. 
O espectro da luz proveniente das 
galáxias distantes apresentava um 
desvio para o vermelho e que esse 
desvio era tanto maior quanto mais 
distante estivesse a galáxia, 
observada em relação à nossa 
própria galáxia, a Via Láctea. 
A explicação de Hubble era de 
que este fenômeno se devia ao 
efeito Dopler, bastante 
conhecido pelos físicos desde o 
século passado. 
Espectro de luz desvia para o vermelho?? Como assim?? 
A conclusão ficava evidente: Se a luz desviava para o vermelho era 
porque essas galáxias estavam se afastando de nós, e se esse desvio 
era tanto maior quanto mais longe estivesse a galáxia, isso significava 
que a velocidade de afastamento crescia com a distância. 
 
Então qual é a idade do Universo, ou seja, o tempo em que tudo esteve 
comprimido em um único ponto?? 
O termo que relaciona a velocidade de afastamento das galáxias com a 
distância é conhecido como constante de Hubble. 
 
O tempo desde o início da expansão, calculado a partir da constante, dá 
algo entre 13 e 14 bilhões de anos. 
 
O calculo da idade do universo é, além de um assunto bastante polêmico, 
um grande problema cosmológico que perdura por décadas. O debate é 
importante porque a idade do universo pode ser um fator essencial para o 
cálculo da longevidade das estrelas, da estrutura e do movimento das 
estrelas, e se o universo vai ou não se expandir infinitamente. 
Em 1964 uma descoberta puramente acidental viria a complementar a 
teoria do Big Bang: 
 
Dois radioastrônomos, o germano-americano Arno Penzias e o norte-
americano Robert Wilson, trabalhando com uma gigantesca antena da 
Bell Telephone dos Estados Unidos descobriram um fraquíssimo ruido 
de rádio que vinha de todas as direções do céu ao mesmo tempo. 
 
 Ao longo dos meses, embora os movimentos de rotação e translação da 
Terra voltassem a antena para todas as regiões do firmamento, o sinal 
mantinha sua intrigante regularidade. 
 
 
Penzias e Wilson tomaram conhecimento de que na Universidade de 
Princeton um grupo de físicos liderados por Robert Dicke havia deduzido 
teoricamente a existência de uma fraquíssima radiação de fundo que 
deveria preencher uniformemente o espaço. Seria uma espécie de resíduo 
fóssil da escaldante sopa cósmica de matéria e energia que, pela Teoria 
do Big Bang constituía o Universo pouco tempo depois da Grande 
Explosão. 
Densidade: 
 
1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
0000000000000000000000000000000000000000 quilos por centímetro 
cúbico. 
 
A densidade das rochas comuns existentes hoje na terra é de apenas 
alguns gramas por centímetro cúbico. 
 
Temperatura: 
 
O Universo, então, seria não apenas superdenso, mas também 
superquente: a temperatura atingiria o patamar de 1031 graus Kelvin - 
mais de um bilhão de bilhão de bilhão de vezes a temperatura média do 
Sol. 
A viagem de volta à origem termina por enquanto no Tempo de Planck, 
localizado apenas dez milionésimos de bilionésimo de bilionésimo de 
bilionésimo de bilionésimo de segundo depois do Big Bang. 
 
Os físicos especulam, porém, que, quando seu arsenal teórico permitir 
ultrapassar a barreira do Tempo de Planck, talvez se encontre um 
Universo de insuperável simplicidade. 
 
Toda a matéria se apresentaria sob a forma de um único tipo de 
partícula e as quatro forças existentes no mundo atual - a 
gravitacional, a eletromagnética, a nuclear forte e a nuclear fraca - 
estariam unificadas num mesmo tipo de força. 
 
A própria distinção entre partícula e força provavelmente não teria 
qualquer significado. Isso por ora é uma simples suposição. Mas a 
ciência tem dado passos concretos para verificar sua validade. 
Uma outra teoria... pensada antes do BIG BANG e 
que até agora é considerada: 
 
Teoria do Estado Estacionário 
Teoria do Estado Estacionário - 1948 
Principio Cosmológico Perfeito: 
 
Supõe um Universo infinito e homogêneo no espaço, eterno e imutável 
no tempo. 
 
A ideia é a seguinte: se o Universo estava em expansão e entretanto se 
mantinha imutável, era porque nova matéria estava sendo 
continuamente criada para ocupar o espaço deixado vazio pela matéria 
que se afastava.Dessa forma a densidade média do Universo se 
manteria constante. 
Hermann Bondi e 
Thomas Gold 
A Teoria do Estado Estacionário, para seus defensores, tinha pelo 
menos a vantagem de evitar a desconcertante singularidade de que 
fala o modelo do Big Bang. 
 
A própria criação contínua de matéria provocaria a ininterrupta 
expansão do Universo, porque a matéria nova, ao surgir, produziria 
uma espécie de pressão para fora, capaz de empurrar a matéria já 
existente. 
 
 Ademais, a hipótese da criação contínua conseguia explicar por que, 
num Universo supostamente eterno, o hidrogênio continuava a ser de 
longe o elemento mais comum. 
 
Como Hoyle estava convencido de que os elementos mais pesados 
decorriam da fusão do hidrogênio no interior das estrelas - no que a 
ciência posteriormente lhe daria razão—, era preciso que hidrogênio 
novo fosse criado continuamente para substituir o hidrogênio 
consumido nas fornalhas estelares. 
E qual seria o destino final do universo 
? 
Essa pergunta ainda não pode ser respondida com certeza, pois ela 
depende de quanta matéria está contida no Cosmo. 
 
Se o Universo contiver bastante matéria, a gravidade será capaz de 
impedir que as galáxias continuem a afastar-se uma das outras. A 
expansão será interrompida e depois invertida, transformada numa 
implosão que já tem até nome: Big Crunch. 
 
 
Ou então, o Big Rip: 
 
Já se a quantidade de matéria for pequena, o Cosmo pode se expandir 
para sempre, situação semelhante à de uma pequena pedra atirada para 
o alto com tanta força que nunca volta a cair. 
 
Até onde se sabe, não há matéria luminosa em quantidade suficiente 
para interromper a expansão, muito embora, uma das maiores 
descobertas da última década foi a presença da matéria escura, que não 
emite luz e pode existir na forma de planetas, poeira, ou partículas sub-
atômicas como o neutrino. 
Big Rip é uma teoria, apresentada inicialmente em 2003, que diz que se a 
velocidade de expansão do universo atingir uma velocidade acima do 
nível crítico, isto causará o deslocamento de todos os tipos de matéria, 
e então as galáxias se isolariam, e depois de alguns bilhões de anos os 
próprios átomos se desintegrariam. 
 
A chave desta hipótese é a quantidade de energia escura no Universo. 
Uma das atuais correntes de pensamento diz que O Universo não 
existiu por todo o sempre. 
 
Essa é a solução atualmente aceita para o paradoxo. Como o Universo 
tem uma idade finita, e a luz tem uma velocidade finita, a luz das 
estrelas mais distantes ainda não teve tempo de chegar até nós. 
 
Portanto, o universo que enxergamos é limitado no espaço, por ser 
finito no tempo. A escuridão da noite é uma prova de que o Universo 
teve um início. 
Experimento que recria o Big Bang 
Um gigantesco 
acelerador de 
partículas, batizado 
de LHC, o maior e 
mais complexo 
instrumento científico 
já construído, poderá 
responder algumas 
questões 
fundamentais sobre o 
início do Universo. 
Túnel com 27 quilômetros na fronteira entre França e Suiça. 
O aparelho, cujo custo é estimado 
em US$8 bilhões, foi projetado para 
atirar partículas de prótons umas 
contra as outras quase à velocidade 
da luz. A liberação maciça de 
energia causada pelo choque das 
partículas simularia as condições 
após a explosão que deu origem ao 
universo. 
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