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O começo do Tempo (continuação)

Posted in Uncategorized by leonardomeimes on 06/05/2010

por Stephen Hawking

Para discutir observações em cosmologia desenhar diagramas dos eventos no espaço e tempo é aconselhável, com o tempo sendo o vertical e o espaço o horizontal. Para mostrar este diagrama apropriadamente, eu realmente precisaria de uma tela de quatro dimensões. No entanto, por causa dos cortes do governo, nós conseguimos apenas uma tela de duas dimensões. Então eu terei de ser capaz de mostrar apenas uma das direções espaciais.

Enquanto nós olhamos para o universo, nós estamos olhando para o passado, porque a luz teve que deixar os objetos distantes há muito tempo para chegar a nós no tempo presente. Isso significa que os eventos que observamos estão no que poderíamos chamar de nossa luneta de observação do passado. A ponta da luneta está em nossa posição no tempo presente. E enquanto se viaja de volta no tempo neste diagrama, a luneta se estica para distâncias maiores e sua área aumenta. No entanto, se houver matéria suficiente no campo de visão de nossa luneta de ver o passado, ela irá encurvar os raios de luz em sua direção. Isso significa que, enquanto vamos em direção ao passado, a área visão da nossa luneta chegará a um máximo e então começará a decair. É este foco de nossa luneta, pelo efeito gravitacional da matéria do universo, que é o sinal de que o universo é neste horizonte como o reverso de um buraco negro. Se pudermos determinar que haja matéria o suficiente no universo para desfocar nossa luneta, podemos aplicar os teoremas da singularidade para mostrar que deve ter ocorrido um começo.

Como podemos dizer, a partir de observações, se há matéria suficiente em nossa luneta, para desfocá-la? Nós observamos um grande número de galáxias, mas não podemos medir diretamente o quanto de matéria elas contém. Nem podemos ter certeza de que cada linha de visão nossa irá passar por uma galáxia. Então eu darei um argumento diferente, para mostrar que o universo contém matéria suficiente para desfocar nossa luneta. O argumento é baseado no espectro da radiação de fundo. Esta é a característica da radiação queestá em equilíbrio térmico com a matéria a mesma temperatura. Para chegar a tal equilíbrio, é necessário que a radiação seja espalhada pela matéria. Por exemplo, a luz que nós recebemos do Sol tem um aspecto térmico característico. Isto não ocorre porque as reações nucleares, que acontecem no centro do Sol, produzem radiação com um aspecto termal. Mas sim porque a radiação foi espalhada pela matéria do sol, muitas vezes ao sair do centro.

No caso do universo, o fato de que a radiação de fundo tenha um aspecto térmico exato indica que ela deve ter sido espalhada muito mais vezes do que o Sol. O universo deve então conter matéria suficiente, para deixá-lo opaco em todas as direções que olhamos, porque a radiação de fundo é a mesma, em todas as direções que olhamos. Além disso, essa opacidade deve ocorrer a muito tempo, porque nós podemos ver as galáxias e quasares a grandes distâncias. Então deve existir uma quantidade muito grande de matéria a uma distância enorme de nós. A maior opacidade sobre uma onda aberta, para uma dada densidade, vem do hidrogênio ionisado. Segue então que se há matéria o suficiente para que o universo seja opaco, há então matéria o suficiente para desfocar nossa luneta. Pode-se então aplicar o meu teorema e de Penrose para mostrar que o tempo deve ter tido um começo.

O desfoque de nossa luneta implicava que o tempo deveria ter um começo, se a teoria Geral da Relatividade estiver correta. Mas pode-se levantar a questão de se a Relatividade Geral é correta. Ela certamente concorda com todos os testes observacionais que já foram conduzidos. No entanto só comprova-se a Relatividade Geral a distâncias muito grandes. Nós sabemos que a Relatividade Geral não pode estar correta em distâncias pequenas, porque é uma teoria clássica. Isso quer dizer que, ela não leva em consideração o Princípio da Incerteza da Mecânica Quântica, que diz que um objeto não pode ter duas coisas, uma posição definida e uma velocidade definida: quanto mais perfeita o cálculo da posição, menos perfeito o cálculo da velocidade e vice e versa. Assim, para entender o estágio de alta densidade, quando o universo era pequeno, precisamos de uma teoria quântica da gravidade, que combina a Relatividade geral com o Princípio da Incerteza.

Muitas pessoas acreditavam que os efeitos quânticos iriam de alguma forma amenizar a singularidade de densidade infinita e permitir que o universo expandisse e voltasse a uma fase prévia de contração. Isso seria como uma ideias de que as galáxias de fato não se encontrassem, porém a expansão ocorreria em uma densidade muito maior. No entanto, eu acho que isto não é o que acontece: os efeitos quânticos não removem a singularidade e permitem que o tempo possa ser rebobinado indefinidamente. Mas parece que os efeitos quânticos podem remover as características mais problemáticas das singularidades na Relatividade Geral. Isso ocorre porque a teoria clássica não permite que se calcule o que surgiria em uma singularidade, porque as leis da física se quebram ali. Isso significa que a ciência não pode prever como o universo começou. Porém, pode-se apelar para um agente de fora do universo. Por isso que muitos líderes religiosos já estão aceitando o Big Bang e os teoremas de singularidade.

O Começo do Tempo

Posted in Educação, Uncategorized by leonardomeimes on 04/05/2010

Eu ando muito interessado em cosmologia, saber como o mundo começou e tudo isso. Achei uma palestra de Stephen Hawking sobre o tempo e o começo do mundo que achei interessante e resolvi ler. Aproveitei para traduzir enquanto lia e vou postar ela em partes aqui no blog.

Peço desculpas aos que não gostam desses assuntos, porém outras pessoas podem se interessar bastante.

Stephen, apesar de explicar de forma clara os assuntos, possuí um senso de humor refinado que dificulta agente entender a graça. Porém se pesquisarmos algo sobre o que ele está ironizando vemos que é muito pertinente.

Por Stephen Hawking

Nesta palestra, eu gostaria de discutir se o tempo em si teve um começo, e se ele terá um fim. Todas as evidências parecem indicar que o universo não existiu sempre, mas que ele teve um começo, cerca de 15 bilhões de anos atrás. Esta é provavelmente a descoberta mais impressionante da cosmologia moderna. Apesar disso se rum consenso, nós não temos certeza ainda se o universo terá um fim. Quando eu dei uma palestra no Japão, me pediram que não mencionasse um possível recolapso do universo, porque isso poderia afetar o mercado consumidor. No entanto, eu posso reassegurar a qualquer um que esteja nervoso sobre seus investimentos que é um pouco cedo para vender suas ações: mesmo que o universo chegue mesmo a um fim, isso não acontecerá pelos próximos vinte bilhões de anos. Até lá, talvez o acordo de comércio GATT já estará funcionando.

A escala de tempo do universo é muito grande comparada à escala da vida humana. Não é, então, uma surpresa que até recentemente, o universo era visto como essencialmente estático e imutável no tempo. Por outro lado, parecia óbvio, que a sociedade estava evoluindo culturalmente e tecnologicamente. Isto indica que a fase atual da história humana não pode estar ocorrendo a mais de alguns milhares de anos. De outra forma, nós poderíamos ser mais avançados do que somos. Era, então, natural acreditar que a raça humana, e talvez todo universo, tivera seu início em um passado bem recente. No entanto, muitas pessoas estavam tristes com a idéia de que o universo teve um começo, porque ela parecia implicar na existência de um ser sobrenatural que tivesse o criado. Eles preferiram acreditar que o universo e a raça humana sempre haviam existido. A explicação para o progresso humano era que houve enchentes periódicas e outros desastres naturais que repetidamente levaram a raça humana ao estado primitivo.

Esta briga sobre o fato do universo ter ou não um começo, persistiu até o Século IX e XX. Ela foi conduzida particularmente com base na teologia e filosofia, com poucas considerações a evidências científicas. Isso pode ser racional, dada a característica notoriamente contestável das observações cosmológicas, até recentemente. O cosmologista, Sir Arthur Eddington, uma vez disse, “Não se preocupe se sua teoria não bate com as observações, porque elas estão provavelmente erradas”. Mas se sua teoria não bate com a Segunda Lei da Termodinâmica, ela estará em uma encrenca. De fato, a teoria de que o universo sempre existiu encontra dificuldades quase insuperáveis Segundo a Segunda Lei da Termodinâmica. A Segunda Lei diz que a desordem sempre cresce com o tempo. Como o argumento do progresso humano, isso indica que deve ter havido um começo. De outra forma, o universo estaria em um estado de completa desordem agora, e tudo estaria na mesma temperatura. Em um universo eterno e infinito, todo ponto que você olhasse levaria a superfície de uma estrela. Isso significa que o céu escuro seria tão claro como a superfície do Sol. A única forma de evitar este problema seria se, por alguma, razão as estrelas não brilhassem em alguma época.

Em um universo essencialmente estático, não haveria razão dinâmica para as estrelas terem entrado em combustão, em algum momento. Qualquer forma de “acendê-las” teria de ser imposta por uma intervenção de for a de nosso universo. A situação era diferente, no entanto, quando percebeu-se que  o universo não estava estático, e sim em expansão. As galáxias estão se distanciando constantemente umas das outras. Isto significa que elas já estiveram mais próximas e juntas no passado. Alguém pode colocar a separação de duas galáxias como uma função de tempo. Se não houvesse nenhuma aceleração pela gravidade, o gráfico seria uma linha reta. Essa função estaria no zero a cerca de vinte bilhões de anos atrás. Alguém poderia esperar que a gravidade causasse o aceleramento das galáxias uma em direção à outra. Isto significando que o gráfico de separação de duas galáxias se torceria para baixo da linha reta. Então o tempo de separação zero seria a menos de vinte bilhões de anos atrás.

Nessa época, o Big Bang, toda matéria do universo estava empilhada sobra si mesma. A densidade disso seria infinita. Seria o que chamamos de singularidade. Em uma singularidade, todas as leis da física seriam quebradas. Isso significa que o estado no universo, depois do big Bang, não dependerá de nada que pode ter ocorrido antes, porque as leis que governam o universo não existem no Big Bang. O universo irá se desenvolver a partir do Big Bang, completamente independente do que aconteceu antes. Mesmo a quantidade de matéria no universo, pode ser diferente do que ela antes do Big Bang, como a Lei de Conservação da Matéria se quebra no big Bang.

Como os eventos que aconteceram antes do Big Bang não têm consequências observacionais, pode-se facilmente retirá-los da teoria, e dizer que o tempo começou no Big Bang. Os eventos anteriores ao Big Bang são simplesmente indefinidos, porque não há como medir o que aconteceu neles. Esse tipo de começo do universo e do tempo por si é muito diferente dos começos que já haviam sido considerados antes. Estes tiveram de ser impostos por algum agente externo. Não há razão dinâmica para não extrapolar o desenvolvimento dos objetos do sistema solar para um passado muito mais distante, muito além de mil e quatro A.C., a data da criação do universo, de acordo com o livro Gênesis. Além disso, era necessária a intervenção de Deus, se o universo tivesse começado nessa data. Por contraste, o Big Bang é um começo que é necessário às leis dinâmicas que governam o universo. Ele é, então, intrínseco ao universo e não é imposto de fora para dentro.

Apesar das leis da ciência parecerem prever que o universo teve um começo, elas também pareciam prever que não havia como determinar como o universo havia começado. Isto era obviamente insatisfatório. Então, houve um grande número de tentativas de chegar à conclusão de que houve uma singularidade de infinita densidade no passado. Uma sugestão era modificar a lei da gravidade para que ela se tornasse repulsiva. Isso poderia levar ao gráfico da separação entre duas galáxias como uma curva que se aproxima a zero, mas que não ultrapassava realmente isso, em um tempo finito no passado. Em vez disso, a idéia foi que, enquanto as galáxias se distanciaram, novas galáxias de formatam entre elas, de matéria que era constantemente criada. Esta era a teoria do Estado Fixo proposta por Bondi, gold e Hoyle.

A teoria do Estado fixo, era o que Karl Popper poderia chamar de uma teoria científica boa: fazia previsões definitivas, que podiam ser testadas pela observação e possivelmente fraudadas. Infelizmente nessa teoria, os dados eram fraudados. O primeiro problema surgiu em observações de Cambridge, do número de fontes de rádio de diferentes forças. Em média, poderia se esperar que as fontes mais fracas fossem também mais distantes. Poderia se esperar que elas fossem mais numerosas do que as fintes mais claras, que tenderiam a estar próximas de nós. No entanto, o gráfico do número de fontes de rádio, em relação à força subiu muito mais em fontes de pequena intensidade, muito mais do que a teoria do Estado Fixo previa.

Houve tentativas de explicar este número gráfico, alegando que algumas das fontes fracas de rádio estavam dentro de nossa própria galáxia e então não nos diziam nada sobre a cosmologia. Este argumento não sobreviveu a mais observações. Mas o último prego do caixão da teoria do Estado Fixo veio com a descoberta da radiação de fundo, em 1965. Esta radiação é a mesma em todas as direções. Ela tem o aspecto da radiação em equilíbrio térmico em uma temperatura de 2.7 graus acima do zero Absoluto. Não há nenhuma forma de explicar esta reação na teoria do Estado Fixo.

Outra tentativa de evitar o começo do tempo foi a sugestão de que talvez todas as galáxias não tenham se encontrado em um único ponto no passado. Apesar de que em média, as galáxias estão se distanciando em uma taxa fixa, elas também tem pequenas velocidades adicionais, relativas à expansão uniforme. Estas chamadas “velocidades peculiares” das galáxias podem estar dirigidas para outro lado em relação a expansão principal. Foi argumentado que quando você retornasse a posição das galáxias conforme o tempo, as velocidades peculiares laterais poderiam significar que as galáxias não se encontraram. Em vez disso, havia uma fase prévia contrativa do universo, em que as galáxias não colidiram, mas apenas se aproximaram, e então começaram a se distanciar. Não haveria nenhuma singularidade de densidade infinita, ou qualquer quebra das leis da física. Então não haveria a necessidade do universo e do tempo por si, ter um começo. De fato, pode-se supor que o universo tenha oscilado, apesar de que isso ainda não resolve o problema com a Segunda Lei da Termodinâmica: poder-se-ia esperar que o universo se tornasse mais desordenado a cada oscilação. É, então, difícil ver como o universo poderia estar oscilando por um período infinito de tempo.

Esta possibilidade, de que as galáxias não tivessem se chocado, foi defendida por um artigo de dois Russos. Eles alegaram que não houve nenhuma singularidade em uma solução de equações de campo da relatividade geral, que era particularmente geral, no sentido de que não tinha nenhuma simetria exata. No entanto, a alegação deles foi comprovada como falsa por um número de teoremas de Roger Penrose e por mim mesmo. Estes mostraram que a relatividade geral previa singularidades, sempre que mais de certa quantidade de massa estava presente em uma região. Os primeiros teoremas foram desenvolvidos para amostrar que o tempo chegou a um fim, dentro de um buraco negro, formado pelo colapso de uma estrela. No entanto, a expansão do universo é como o rebobinar do colapso de uma estrela. Eu, assim, quero mostrar a vocês que as evidências observacionais indicam que o universo contém matéria suficiente, é o rebobinar de um buraco negro e, então, contém uma singularidade.

Continua…