PRESIDENTE DA REPÚBLICALuiz Inácio Lula da Silva

MINISTRO DE ESTADO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIASergio Machado Rezende

SUBSECRETÁRIO DE COORDENAÇÃO DAS UNIDADES DE PESQUISAAvílio Antônio Franco

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REDAÇÃO E EDIÇÃOCássio Leite Vieira

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Vitae não compartilha necessariamente dos conceitos e opiniões expressos nes-te trabalho, que são da exclusiva responsabilidade dos autores.

BERNSTEIN, J. Albert Einstein and the frontiers of physics(Oxford University Press, Oxford, 1996)BRAZILIAN SCHOOL FOR COSMOLOGY AND GRAVITATION. Disponí-vel em www.cbpf.br/~cosmogra/Escolas/indice_ingles.htmlCHAVES, A. e SHELLARD, R. C. Física para o Brasil – pensando ofuturo (Sociedade Brasileira de Física, São Paulo, 2005)CIÊNCIA & AMBIENTE. Einstein (Universidade Federal de SantaMaria, vol. 30, 2005)EINSTEIN, A. Teoria da relatividade especial e geral (Contraponto,Rio de Janeiro, 1999)GLEISER, M. A dança do universo – dos mitos da criação ao BigBang (Companhia das Letras, São Paulo, 1999)GUTH, A. O universo inflacionário (Editora Campus, Rio de Janeiro,1997)LIVIO, M. e REES, M. J. ‘Anthropic Reasoning’ in Science, vol. 309,12/08/05, pp. 1.022-1023MAKLER, M. et al. ‘Observational Constraints on Chaplygin Quar-tessence: Background Results’ in Phys. Rev. D68, 123521 (2003)NOVELLO, M. Os jogos da natureza (Elsevier, Rio de Janeiro, 2004)OLIVEIRA FILHO, K. de S. O universo como um todo. Disponível emastro.if.ufrgs.br/univ/univ.htm

Font

es

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Sum

árioF

reqüentemente, os grandes avanços da ciência estão ligados ao desenvolvi-

mento de novas técnicas experimentais de observação. A astronomia, por

exemplo, muito se desenvolveu com a invenção dos telescópios, que possi-

bilitaram enxergar melhor, mais longe, perscrutar a abóbada celeste e, assim, encon-

trar novos planetas, satélites e galáxias. Essas descobertas mudaram nossa imagem do

universo, possibilitando-nos passar de uma visão divina para uma visão científica.

Coisa semelhante se dá hoje com a cosmologia, uma das áreas da ciência que mais

se desenvolvem neste início de século. Esse avanço está sendo possível, em grande

parte, com o desenvolvimento de potentes telescópios e sondas espaciais, especial-

mente construídos para examinar sinais vindos de todas as partes do universo, não

somente na faixa da luz visível, mas também do infravermelho, das ondas de radio

e dos raios X.

Esses novos instrumentos de observação do universo estão permitindo testar modelos

cosmológicos com precisão inédita. E, com isso, mostrar que a cosmologia é uma

ciência possível de verificação experimental em muitos de seus aspectos.

Neste folder, mais um da série Desafios da Física, mostramos os mais recentes avan-

ços da cosmologia, que teve seu grande impulso, no século passado, com o desenvol-

vimento, por Einstein, da teoria da relatividade geral, uma das maiores obras intelec-

tuais de todos os tempos.

Aqui, começa nossa jornada rumo aos confins do universo, uma viagem guiada por

mais de um século de conhecimento científico. Esperamos que você, leitor, se divirta

com essas excitantes idéias e descobertas!

João dos Anjos

COORDENADOR DO PROJETO DESAFIOS DA FÍSICA

COSMOGONIASDe onde viemos?

Pedra fundamental

NASCIMENTODA COSMOLOGIAPrimeiro modelo

Um termo extra

ALÉM DA VIA LÁCTEAExpansão e contração

Dois pioneiros

Ponto insignificante

Como um balão de festas

MODELO DO BIG BANGÁtomo primordial

Estrondo colossal

Dois significados

Cosm

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nive

rsoCosmologia

A busca pela origem, evoluçãoe estrutura do universo

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

ECO PRIMORDIALRuído tênue

Radiação de fundo

BREVE HISTÓRIADO UNIVERSOTrês pilares

Teorias alternativas

Teoria da inflação

Alguns momentosda história do universo

DESDOBRAMENTOSRECENTESDiminutas perturbações

Revolução cósmica

Mistérios escuros

Destino do universo

A primeira geração

Conflitos, dúvidase certezas

Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

2005

DESDOBRAMENTOS RECENTES

COSMOGONIASDE ONDE VIEMOS? • Não se sabe quandoo homem iniciou seus questionamentos sobreo cosmo. Mas praticamente todos os povose culturas têm suas versões para a origemdo universo. Em algumas dessas cosmogonias,ele é criado por entidades sobre-humanasou seres divinos. De certo modo,todas são respostas à talvez mais penetrantepergunta filosófica que o homem já feza si mesmo: “De onde viemos?”

PEDRA FUNDAMENTAL • Apesar de a buscapor respostas sobre o cosmo ter permeadopraticamente toda a história do homemmoderno, a cosmologia – definida comoo estudo da origem, da evolução, do conteúdoe da estrutura do universo – é uma ciênciarecente, com pouco menos de 100 anos.Até o século 19, ela se entrelaçava, de modoquase indissociável, com a filosofia,a metafísica e a religião. Só conseguiu sedesvencilhar dessas árease ganhar autonomia comoum ramo da ciência em1917. É aí que reside,para muitoshistoriadoresda ciência,sua pedrafundamental.

O MODELO DO BIG BANGÁTOMO PRIMORDIAL • Em 1927 – e indepen-dentemente de Friedmann –, o astrônomo e pa-dre belga Georges Lemaître (1894-1966) chegou aresultados teóricos que mostravam um universoque se expandia. Porém, foi além. Alegou que, seas galáxias hoje se afastam, isso significa que, nopassado, estiveram mais próximas. Lemaître conje-turou que toda a massa do universo esteve reuni-da num único ponto. Em 1933, ele deu a isso o nomede átomo primordial, que, para criar o universo,teria se partido em inúmeros pedaços.

ESTRONDO COLOSSAL • A idéia de um universoque evoluiu de um estado impensavelmentecondensado e quente da matéria não agradou atodos. Pejorativamente, o modelo foi denominadoBig Bang (grande estrondo), em 1949, por um deseus mais ferrenhos opositores, o cosmólogo bri-tânico Fred Hoyle (1915-2001), numa entrevista parauma rádio. Ironicamente, o nome se tornou popu-lar, passando, desde então, a se referir ao modelo.

ECO PRIMORDIALRUÍDO TÊNUE • O modelo do Big Bang chegou àdécada de 1960 sob críticas severas. Faltava ain-da a ele uma comprovação observacional de peso.E isso se deu em 1964, quando, por acaso, osfísicos norte-americanos Arno Penzias e RobertWilson, pesquisadores dos Laboratórios Bell (Es-tados Unidos), detectaram, com o auxílio de umaantena de rádio, um ‘ruído’ extremamente tênue,porém persistente em todas as direções do céu.Quatro outros físicos norte-americanos, RobertDicke (1916-1997), James Peebles, Peter Roll eDavid Wilkinson (1935-2002), que se preparavampara tentar medir a mesma radiação, logo perce-beram do que se tratava: um ‘eco’ do Big Bang.

RADIAÇÃO DE FUNDO • A radiação cósmicade fundo havia sido prevista ainda em 1948por Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman (1914-1997) como sendo um resquício de uma fase ex-tremamente quente pela qual passou o universo,um ‘eco’ de uma época em que as partículas de luz(fótons) passaram a viajar livremente, seminteragir com a matéria. Essa radiação fóssil temhoje a temperatura de 2,725 kelvin (cerca de 270graus celsius negativos) e é um‘retrato’ do universo 380 mil anosdepois do Big Bang. Penzias eWilson ganharam o Nobel de fí-sica de 1978 pela descoberta,mas o prêmio injustamente es-queceu a primazia das idéias deGamow, Alpher e Herman.

BREVE HISTÓRIA DO UNIVERSOclasses: aqueles em que há um início bem defini-do para o universo e os sem início, em que o univer-so é eterno.

TEORIA DA INFLAÇÃO • Um dos problemas com omodelo do Big Bang era explicar por que a tempe-ratura da radiação de fundo é praticamente a mes-ma em qualquer direção do espaço. Uma maneirade justificar essa homogeneidade é imaginar queo universo, ainda muito quente e denso, tenha seexpandido violentamente por um curtíssimo perío-do de sua história. Essa é basicamente a proprie-dade que norteia a chamada teoria inflacionária,idealizada por pesquisadores russos e norte-ameri-canos na década de 1970. Segundo ela, entre 10-35 se 10-32 s de vida, o universo se expandiu exponen-cialmente. Esse mecanismo inflacionário fez com queregiões do céu hoje muito separadas tivessem es-tado em contato no passado, o que teria permiti-do que tivessem trocado calor e igualado suas tem-peraturas. Além disso, um dos grandes sucessosda teoria da inflação foi prever,

ALÉM DA VIA LÁCTEA

EXPANSÃO E CONTRAÇÃO • Foi só em 1922 e em1924 que modelos de universo não estáticos cha-maram a atenção da ainda incipiente comunidadede cosmólogos. Naqueles anos, o matemático rus-so Aleksandr Friedmann (1888-1925) apresentouuniversos que se expandiam ou se contraíam.Einstein, inicialmente, não gostou desses resulta-dos. E chegou a escrever uma nota para uma re-vista científica alegando que Friedmann havia seenganado nos cálculos. Posteriormente, percebeuo próprio erro, aceitando os modelos.

DOIS PIONEIROS • Quando se fala de um univer-so em expansão, é preciso se lembrar dos traba-lhos de pelo menos dois pioneiros: os norte-ame-ricanos Henrietta Leavitt (1868-1921) e Vesto Slipher(1875-1969). Em 1912, Leavitt, uma das primeirasmulheres astrônomas, mostrou que a variaçãoperiódica do brilho das estrelas cefeídas podiaser um método para medir distâncias acima decentenas de anos-luz (cada ano-luz equivale a 9,5trilhões de km). Já Slipher, ainda em 1915, dispu-nha de dados que mostravam que galáxias – ape-sar de esses objetos celestes não serem então re-conhecidos como tais – estavam se afastando daTerra com velocidades que variavam de 300 km/sa 1.100 km/s, o que indicava que elas poderiamser objetos extragalácticos.

PONTO INSIGNIFICANTE • Em meados da dé-cada de 1920, o astrônomo norte-americanoEdwin Hubble (1889-1953) empregou a luminosi-

dade das cefeídas paramedir a distância de umaclasse de nebulosas. Elechegou a uma conclusãosurpreendente: essas‘nuvens’ estavam fora daVia Láctea. Com isso, asfronteiras do universo sealargaram. A Via Láctea,com seus bilhões de es-trelas, não ocupava umaposição privilegiada nes-

se novo cenário cósmico. Éramos um ponto insignifi-cante num vasto universo.

COMO UM BALÃO DE FESTAS • Em 1929, Hubbleobteve a distância de dezenas de galáxias utilizan-do como padrão estrelas cefeídas e, com base emdados observacionais de Slipher, mostrou que avelocidade com que as galáxias se afastavam umasdas outras era proporcional à distância entre elas,o que ocorre justamente num universo em expan-são. A analogia mais usual para descrever esse fe-nômeno é a de um balão de festas sendo inflado,com as galáxias representando pontinhos pintadosna superfície, porém é preciso lembrar que o uni-verso, nesse caso, se restringiria apenas à super-fície de borracha do balão. Assim, Hubble, talvezsem ter consciência do fato, descobriu a expansãodo universo. Segundo o russo George Gamow (1904-1968), Einstein teria dito que a constante cosmológicahavia sido o maior erro científico de sua vida. Masa história, meio século depois, mostraria que essetermo ainda teria um papel a desempenhar nacosmologia.

por exemplo, a geometria do espaçocomo sendo quase plana e as pro-priedades das diminutas flutuaçõesna temperatura da radiação cósmicade fundo. Essas previsões foram re-centemente confirmadas por dados co-letados por experimentos a bordo desondas espaciais, em balões e no solo.

ALGUNS MOMENTOS DA HISTÓRIADO UNIVERSO • Há hoje vários mo-delos para o que ocorreu nos primór-dios do universo. Porém, o modelodo Big Bang, acoplado ao cenárioinflacionário, tem obtido excelenterespaldo observacional. Com basenesse modelo, é possível contar – comalguns números que ainda carregamgrandes incertezas – alguns dos prin-cipais momentos da história de 13,7bilhões de anos do universo (ver qua-

dro ao lado).

conhece-se a natureza dos dois pri-meiros e principais ingredientes, ape-sar de a matéria escura já ter sidoapontada como um componente dosaglomerados de galáxias ainda 1932pelo astrônomo suíço Fritz Zwicky(1898-1974).

DESTINO DO UNIVERSO • Na maioria dos modelosatuais, é a energia escura que dita o destino douniverso. Numa visão moderna, há três destinospara o universo: i) ele cessa a expansão, pára epassa a colapsar, fenômeno denominado Big Crunch(Grande Esmagamento); ii) caso a energia escuraseja mais ou menos constante, ele continua a seacelerar para sempre, tendo um fim gelado e escu-ro; iii) sofre uma expansão acelerada tão violentaque ‘rasgaria’ até os átomos, cenário denominadoBig Rip (Grande Rasgo).

A PRIMEIRA GERAÇÃO • Somos a primeira gera-ção a ter um modelo científico do universo. E, porisso, devemos nos sentir privi-legiados. O modelo padrão dacosmologia (Big Bang mais in-flação) tem sido verificado comprecisão cada vez maior pelasobservações astronômicas,graças aos novos telescópiose sondas – por sinal, o desen-volvimento desses e de outrosequipamentos ligados à pes-quisa em cosmologia aprimo-

TRÊS PILARES • A descoberta da radiação cós-mica de fundo deu extremo vigor científico ao mo-delo do Big Bang, que já contava com mais doispilares a seu favor: explicava tanto a expansãodo universo quanto a abundância atual dos ele-mentos químicos leves (hidrogênio, deutério, hélioe lítio). Porém, mesmo sustentado por três colu-nas robustas, o modelo não estava isento de pro-blemas.

TEORIAS ALTERNATIVAS • Várias teorias alter-nativas ao Big Bang foram propostas. A que ga-nhou mais repercussão foi a chamada teoria doestado estacionário, segundo a qual o universonão teve início ou fim, mas sempre existiu no tem-po, daí o nome do modelo. Para explicar a ex-pansão do universo, seus três idealizadores –Hoyle e os austríacos Thomas Gold (1920-2004)e Herman Bondi (1919-2005) – alegavam que ha-via criação contínua de matéria no universo. Háhoje outros modelos propostos e estudados porcosmólogos e que podem ser divididos em duas

DIMINUTAS PERTURBAÇÕES •O satélite COBE (sigla, eminglês, para Explorador do Ruí-do Cósmico) é considerado por

muitos o mais importante experimento da cos-mologia. Seus dados, divulgados no início da dé-cada de 1990, ajudaram a determinar com preci-são a temperatura da radiação cósmica de fundoe a detectar, pela primeira vez, a existência dediminutas perturbações – da ordem de centési-mos de milésimos de kelvin (10-5 kelvin) – na tem-peratura dessa radiação. Essas flutuações foramessenciais para se compreender como ocorreu oprocesso de formação das grandes estruturas nouniverso (aglomerados de galáxias, grandes fila-mentos, paredes e vazios).

REVOLUÇÃO CÓSMICA • Em 1998, ocorreu umadas descobertas mais marcantes da cosmologiado século passado. Dados coletados sobre a lu-minosidade de supernovas (estrelas que explo-dem ao final de suas vidas) per-mitiram concluir que universonão só se expande, mas faz issode forma acelerada. A desco-berta foi classificada como umarevolução. Porém, o que estariacausando essa aceleração ines-perada? O candidato mais cota-

do para explicá-la é a constantecosmológica, de Einstein, que agecomo uma antigravidade. Outromuito popular é a chamada energia escura, cujo postoestá sendo disputado, entre outros concorrentes, pelaprópria constante cosmológica – pois ela pode serpensada como mais um tipo de matéria que forma ouniverso – ou pela quintessência, uma forma exóticade energia com ação gravitacional repulsiva, cujadensidade varia com o tempo. Porém, um problema:se a constante cosmológica estiver associada à ener-gia do vácuo – como muitos físicos acreditam –, háuma tremenda discrepância entre a previsão teóricade sua densidade e aquela observada no universo.Para se ter uma idéia, essa diferença é da ordem de10120 (1 seguido de 120 zeros!), considerada a maiorentre teoria e observação da história da ciência.

MISTÉRIOS ESCUROS • Em 2003, a WMAP (sigla,em inglês, para Sonda Wilkinson de Anisotropia emMicroondas) obteve mapas do céu com definição 45

vezes superior à do COBE e possi-bilitou, com a ajuda de dados deoutros experimentos, calcular aidade do universo (13,7 bilhões deanos) e sua composição atual: cer-ca de 73% de energia escura, 23%de matéria escura e apenas 4% dematéria normal (‘bariônica’). Des-

rou, por exemplo, sistemas atuais de comunicaçõespor microondas. O Big Bang tem fragilidades e la-cunas fundamentais, mas é testável – daí vem suaforça – e tem descrito bastante bem o universo ob-servado. Dados astronômicos parecem corroborar ateoria dos dias de hoje até 380 mil anos depois do‘nascimento’ do universo. Para tempos anteriores,extrapolações nos permitem ter idéia de vários ce-nários possíveis.

CONFLITOS, DÚVIDAS E CERTEZAS • A física porvolta da época da inflação é ainda desconhecida.Para entender o universo primordial, os físicos bus-cam a unificação dos fenômenos gravitacionais, re-gidos pela teoria da relatividade geral, e daquelesdo microuniverso dos átomos e suas partículas,domínio da teoria quântica. É uma tarefa difícil.Além dos questionamentos sobre os primórdiosdo universo, a descoberta da expansão aceleradalevantou perguntas extremamente excitantes eque deram novo fôlego à cosmologia. Será queesses desafios do macrocosmo nos levarão a uma

nova física? São tempos deconflitos e dúvidas, mas tam-bém de várias certezas. Sãotempos de extremo entusi-asmo para os cosmólogos etambém para a humanidade.Ou, afinal, o leitor conseguepensar em perguntas maisinstigantes e profundas doque “De onde viemos? Paraonde vamos?”

NASCIMENTO DA COSMOLOGIAque brotava de seus cálculos, poisele apresentava um comportamentodinâmico – por exemplo, expandia-se com o passar do tempo. Na épo-ca, isso conflitava com a noção deuniverso, para o qual não havia evi-dências de mudança no tempo nemmesmo uma medida do tamanho.Para muitos, o cosmo então se redu-

zia ao que hoje sabemos ser a ViaLáctea (galáxia que abriga o Sis-tema Solar). Para tornar o uni-verso estático, Einstein incluiuem suas equações um termoextra cuja função era evitar queo universo colapsasse sob aação da gravidade. A constan-

te cosmológica, como o termo éhoje conhecido, pode ser compa-

rada a uma antigravidade.

DOIS SIGNIFICADOS •Quando se fala de Big Bang,é preciso distinguir entredois significados para o ter-mo. No primeiro, aceito pelaampla maioria dos cosmó-logos e sustentado em só-lidas bases observacionais,o universo está em expan-são e passou por uma fase

extremamente quente no passado. Esse modelo ébaseado na relatividade geral, bem como no quese conhece hoje sobre a interação entre as partícu-las subatômicas, ambas teorias bastante testadas.No segundo, o universo teve um início bem defi-nido no tempo, e houve uma ‘singularidade’ (con-centração infinita de matéria), onde a física perdeo seu sentido. Nesse modelo, juntamente com onascimento do universo, teriam surgido o espaço eo tempo. Como é baseado numa extrapolação dafísica conhecida para escalas de energia totalmen-te inatingíveis neste momento, ele não tem umabase firme e ainda é assunto de intenso debate.

PRIMEIRO MODELO • Em 1917, o físico alemão Albert Einstein(1879-1955) apresentou ao mundo o primeiro modelo cosmológicocom base científica. Foi resultado da aplicação, ao universo comoum todo, de sua teoria da relatividade geral, de 1915, que subs-tituiria a gravitação do inglês Isaac Newton (1642-1727), aindaválida, para muitos propósitos, para velocidades bem menoresque a da luz no vácuo (300 mil km/s) e campos gravitacionaisfracos, como o da Terra. Na relatividade geral, as três dimensõesespaciais (comprimento, altura e largura) formam um unoindissociável com a quarta dimensão, o tempo. Além dis-so, o chamado espaço-tempo pode ser comparado aum ‘tecido’ elástico que se deforma na presença decorpos com massa ou, de forma mais genérica, napresença de energia. Essa noção geométrica substi-tuiu o conceito newtoniano de uma força gravitacionalque age a distância entre os corpos.

UM TERMO EXTRA • Einstein, partindo de uma idéiabela e matematicamente tratável – a de um universo finito(‘esférico’) e ilimitado –, se viu forçado a ‘frear’ o universo

• 10-43 s: era de Planck • 10-35 s: universose expande violentamente (era da infla-ção) • 10-32 s: fim da inflação.

• 10-10 s: o universo se torna uma sopaquentíssima de radiação e partículas ele-mentares (quarks, glúons, elétrons,fótons, neutrinos etc.) • 10-4 s: formam-se mésons (um quark e um antiquark) ebárions (três quarks)

• 102 s: prótons e nêutrons, ambos bá-rions, formam núcleos de átomos leves• 380 mil anos: formam-se os primeirosátomos (núcleo mais elétrons), e os fó-tons da radiação cósmica de fundo pas-sam a caminhar livremente, tornando ouniverso transparente • 200 milhõesde anos: formam-se as primeiras estre-las e galáxias • 9 bilhões de anos: for-mação do Sistema Solar • 10 bilhões deanos depois do Big Bang: início da vidana Terra.

Evidências indiretase cenário baseado emfísica desconhecida

Evidências indiretas,mas cenário baseadoem física conhecida

Evidênciasobservacionaismais diretas

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