E Numa Questão de Probabilidades Nasceu o Universo

A mecânica quântica apresenta a previsão de que a matéria se produz constantemente a partir do nada. A Lei de Lavoisier aplica-se também aqui. Pares de partícula e anti-partícula aparecem espontaneamente para, depois, colidirem e anularem-se. No fim, nada se perde, nada se cria e fica tudo na mesma.

Em 1974, Stephen Hawking fez a previsão teórica de que se isto acontecesse em cima do horizonte de eventos de um buraco negro, uma das partículas seguiria viagem para fora, em nossa direcção e outra cairía no buraco negro. A observação dessa partícula foi chamada de radiação de Hawking.

“Até agora não havia maneira de medir esta radiação (…) mas um grupo de cientistas conseguiu criar uma maneira de aprisionar e puxar uma das partículas para  simular a queda para dentro do buraco negro. (…) Isso criou fotões dentro das frequências previstas pela teoria. (…) Apenas da indeterminação nasce matéria.”. (cróica de ciência)

Uma das características do mundo quântico é que as suas oscilações energéticas surgem por aleatoriedade e não requerem qualquer causa externa, pelo que Hawking explica que “a criação espontânea é a razão porque há algo em vez do nada”.

Ao olhar para longe no espaço, e para trás no tempo, reparamos que os corpos e algomerados celestes parecem se agrupar num ponto. Nos 10^-43 segundos, que é o tempo de Plank – período de tempo mais curto possível de calcular -, é o momento mais jovem possível de alcançar. Isto porque mais cedo do que isso a curvatura, a pressão e a temperatura do Universo primordial atingem valores na ordem do infinito. Além disso a distância entre partículas desce até zero. A isto se chama de singularidade e ocorre, também, em buracos negros.

Para ultrapassar a singularidade é necessário unir a teoria da gravitação, de Einstein e a teoria quântica numa teoria de gravitação quântica. Ou mais bonito: a Teoria de Tudo.

Alexander Vilenkin, professor de física, criou um modelo do Big Bang em que o “Espaço foi criado por um processo quântico (…) ao qual chama de túneis no tecido do espaço-tempo”. “A condição inicial (…) é a de um Universo com um raio em colapso” – nenhum Universo. Depois do Big Bang iniciou-se a inflação movida pelo campo chamado inflatão.

Vilenkin descobriu que “a expansão pode terminar em determinados locais da bolha primordial”. “Segundo este modelo existe uma rede de universos interligados que se expande até ao infinito e do qual surgem sempre novos universos” mas que nunca poderão ser comprovados.

Outra ideia, defendida por John Richard Gott e por Li-Xin Li, é de que “o Espaço-tempo é (…) um ramo do qual sai uma haste que se torna na raiz do próprio ramo. O loop temporal [por ser um sistema de gravidade em loop] teria apenas um “comprimento de Plank”, de 10^-35 metros.

Em 1988 Richard Feynman elaborou um diagrama – diagrama de Feynman – no qual previu o comportamento das partículas subatómicas. Hawking e James Hartle desenvolveram as teorias de Feynman e analisaram a soma dos caminhos percorridos pelos fotões desde o início até ao fim da sua trajectória – ao que se chama de Estado de Hartle-Hawking.

Neste momento vemos mais uma curiosidade da teoria quântica: “partículas elementares podem existir simultaneamente em vários estados, que se sobrepõem” que, ao serem observadas, “decidem-se” pelo seu estado. Isto leva-nos a responder que as histórias com menor probabilidade corresponderão a outros universos.

Hawking aposta na teoria de cordas como a candidata para a unificação da física e, por conseguinte, para a Teoria de Tudo. A teoria de cordas contempla partículas com 10^-33 centímetros e que podem vibrar num espaço de 10 dimensões. Nesta teoria tem lugar um elemento crucial para a unificação: o gravitão, responsável pela transmissão da força da gravidade.

Via New Scientist:
http://www.newscientist.com/article/dn19508-hawking-radiation-glimpsed-in-artificial-black-hole.html

Sobre a mecânica quântica:
http://cronicadaciencia.blogspot.com/2010/09/sobre-mecanica-quantica.html

Focus Magazin, Michael Odenwald

Crónica de Ciência, "Criação a Partir do Nada e Radiação de Hawking"

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O Início do Universo: II - Andar para Trás

O Big Bang deverá ter um redshift de 1100, um desvio que vai para além do infravermelho e chega à radiação de micro-ondas – é a CMB (Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas – provinda da idade de 380 mil anos do Universo, aquando da formação dos átomos. Quando o Universo arrefeceu para os 3000 Kelvin, os núcleos e os electrões se uniram para formarem os átomos.

O satélite CoBE, em 1992, “descobriu que a CMB possui pequenas variações – cerca de 0,001%”. Este valor é pequeno mas dá para notar uma certa granulosidade do Universo dessa época. Esses grãos são a semente do que existe hoje.

Com 100 mil anos, “a densidade da energia da radiação excedia a da matéria, impedindo-a de se aglomerar”. Ainda mais cedo, com apenas 1 segundo os núcleos atómicos ainda não existiam. Quando aconteceu a síntese atómica foi produzido hélio (25%), lítio e os isótopos de deutério e hélio-3. Os restantes 75% do plasma continuou na forma de protões, dos quais Seia formado o hidrogénio. As gerações de estrelas e as suas explosões formaram os restantes elementos químicos.

O valor da quantidade de deutério concorda com a composição da análise da CMB. Isto é mais uma das confirmações da teoria.

Fonte: Scientific American, Turner, Michael, “Origem do Universo”

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Rápidas: Idade do Universo Confirmada

Tomo a liberdade de transcrever parte de um artigo interessante do AstroPT, escrito pelo ROCA:

Usando galáxias inteiras e aglomerados galácticos como lentes para a observação de outras galáxias, os pesquisadores têm uma nova maneira e precisa para medir o tamanho e a idade do Universo e como ele se expande rapidamente, junto com as demais técnicas independentes. Estas medidas determinam um valor para a constante de Hubble, que indica o tamanho do Cosmos e confirma a idade do Universo avaliada em 13,75 bilhões de anos, com uma margem de erro de 170 milhões de anos. Os resultados também confirmam a força da energia escura, responsável pela aceleração da expansão do Universo.

Os pesquisadores do Instituto Kavli para Astrofísica de Partículas e Cosmologia (KIPAC) no SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos Estados Unidos e da Universidade de Stanford, a Universidade de Bonn  e outras instituições dos Estados Unidos e Alemanha, publicaram os resultados da pesquisa na edição de 1 de março do The Astrophysical Journal. Os pesquisadores usaram os dados coletados pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA e mostraram maior precisão proporcionada pela combinação com os dados da sonda Wilkinson Anisotrópica de Microondas (WMAP).

A equipe usou a técnica das lentes gravitacionais para medir a distância percorrida pela luz de uma galáxia brilhante ativa até a Terra ao longo de vários caminhos. Conhecendo o tempo necessário para percorrer cada caminho e as velocidades reais envolvidas, os cientistas puderam deduzir não só o quão longe estão as galáxias, mas também a escala global do Universo e alguns detalhes de sua expansão.

Muitas vezes é difícil para os cientistas a distinguir entre uma luz distante muito brilhante e uma fonte fraca perto de nós. As lentes gravitacionais resolvem este problema, fornecendo pistas múltiplas sobre a distância que a luz percorre. Esta informação extra lhes permite determinar o tamanho do Universo, que os astrofísicos freqüentemente expressam em termos de uma quantidade chamada constante de Hubble.

“Há muito tempo nós sabemos que as lentes são capazes de fazer medidas físicas da constante de Hubble“, disse Phil Marshall do KIPAC. No entanto, lentes gravitacionais nunca foram usadas de maneira tão precisa, até agora. Estas novas medições proporcionam uma medição tão precisa da constante de Hubble quanto as  bem estabelecidas pelas outras ferramentas como as supernovas padrão a análise da radiação de fundo de microondas cósmico (CMB).” O uso das lentes gravitacionais amadureceu como um instrumento competitivo disponível dentro da caixa de ferramentas dos astrofísicos”, disse Marshall.

O artigo "Técnica baseada nas lentes gravitacionais confirma a idade do Universo" por completo está disponível para leitura.
No "Eternos Aprendizes - Técnica baseada em lentes gravitacionais confirma a idade do Universo" está disponível um pequeno vídeo que explica de forma muito simples o efeito de lente gravitacional.

Nota: 1 bilhão do artigo refere-se, obviamente, a mil milhões.

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Rápidas: LHC em Direcção ao Auge da Ciência

No dia 19 de Março deste ano o LHC (Large Hadron Colider) atingiu um novo recorde mundial quando os feixes de partículas atingiram os 3,5 TeV (Tera-eletron Volt) de energia. Neste nível de energia será possível verificar a existência (ou não) do Bosão de Higgs e da matéria negra. 

O LHC vai recriar as condições energéticas do após Big Bang. "Com os dois feixes a 3,5 TeV, estamos à beira de lançar o programa de física do LHC”, disse Steve Myers, director do Cern.

Espera-se que dia 30 deste mês os físicos nos tragam pistas sobre o Bosão de Higgs, a partícula responsável por conferir massa a todas as outras.

Podem ler mais aqui.

 

Podem ainda ver em tempo real os testes! Aqui

Podem ler, também, neste blog. Nas etiquetas referentes às palavras-chave.

Seguem-se ainda dois vídeos:
 

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Rápidas: Deus Não Criou os Céus e a Terra - Problemas de Tradução...

No blog Sem Ciência aparece uma notícia intrigante. Uma descoberta interessante. Começa assim: "“No princípio, Deus criou os Céus e a Terra” seria uma afirmação incorreta de acordo com o estudo de uma pesquisadora holandesa."

Ellen Van de Wolde, divulgou recentemente a sua tese na Universidade de Radbound. Ellen é "professora que refuta as primeiras palavras da Gênesis ensina e pesquisa o Velho testamento e textos fonte do judaísmo na universidade. Para ela, houve um erro de tradução e interpretação da Bíblia." refere o blog.

Ainda podemos ler que:

"Após uma análise do texto original hebraico, levando em conta seu contexto, ela afirma que a palavra “bara”, que é usada na primeira frase do Gênesis, não significaria “criar”, mas sim “separar”, de forma que o Velho Testamento começaria com: “No princípio, Deus separou os Céus da Terra”."

E que:

"Na sua interpretação, o Gênesis não fala sobre o princípio absoluto do tempo, mas sim do início de um determinado ato – o que significa que o início da Bíblia não é o princípio de tudo, mas o de uma narrativa."

Bem, os fanáticos pelas escrituras literais e pelo "colar" as peças à na sua cosmovisão poderão chegar à seguinte hipótese:
Afinal a poeira sempre existiu e a Terra e os céus vieram dela. Bom, mas mesmo assim.. hmm.. foi Deus.

Até onde isto nos leva? Uns trabalham para encontrar pistas e os outros aproveitam e colam essas pistas na sua visão deturpada? Ou deturpam as "peças" recortando-as à medida dos buraquinhos? Limam as arestas dos cubos e esculpem as esferas. Assim, os cientistas podem descobrir o que quiserem. É só colar a magnífica e irrefutável frase: "mas quem criou isso foi Deus". Bom, sendo assim, um dia chegaremos ao Big Bang e, encostados ao limite temporal do início dirão o mesmo: "mas quem o criou foi Deus". É que assim não encaixa...

Fonte:
Sem Ciência - Deu não criou Céu e Terra, diz pesquizadora

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Rápidas: Colisão de Campos

No blog Eternos Aprendizes é apresentado um é-nos apresentada a hipótese de que "o Universo ainda está se expandindo e que vivemos em uma diminuta região de estabilidade, uma bolha cósmica em meio a uma gigantesca tormenta universal." A pergunta que fica é: como podemos aferir esses Universos se estão para além do nosso?

Neste artigo de Anthony Aguirre e Atthew Johnson, de 21 de Setembro de 2009. Transcrevo o abstract (in Eternos Aprendizes):

"Neste quadro de eterna inflação guiada por uma potência escalar de mínimos múltiplos, nosso Universo observável reside dentro de uma das diversas bolhas formadas pelas transições de um falso vácuo. Essas bolhas necessariamente colidem entre si, perturbando a homogeneidade e isotropia de nossa bolha interior e possivelmente levando a assinaturas detectáveis na porção observável de nossa bolha cósmica, potencialmente na radiação cósmica de fundo de microondas (CMB – Cosmic Microwave Background) ou outras sondagens de alta precisão. Isto constitui um teste direto experimental da teoria da eterna inflação e o cenário do vácuo da teoria das cordas. A forma simplificada de abordar esta possibilidade pode se resumir a responder 3 questões: O que acontece em uma colisão genérica em bolhas cósmicas? Quais são os efeitos observacionais que poderiam ser esperados? Como poderíamos observar tal colisão? Nesta revisão nos relatamos o progresso corrente em cada uma destas questões, melhoramos alguns dos resultados existentes e tentamos estabelecer direções para futuras pesquisas."

A resposta poderá estar na colisão dos campos dos outros Universos com o nosso. "Este choque cósmico haveria deixado seu marca na forma de várias facetas simétricas na radiação cósmica de fundo de microondas". A sonda Plank está a captar imagens da Radiação Cósmica de Fundo em Microondas, e poderá revelar surpresas.


Fontes:

Eternos Aprendizes - "Quando Universos colidem, como saber sobre isso?"

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Large Hádron Collider - Um Grande Passo para a Humanidade

O objectivo hoje é conseguir que as partículas dêem uma volta completa ao enorme túnel de 27 quilómetros que constitui o Grande Acelerador de Hadrões (LHC na sigla inglesa), antes de realizar experiências com colisões de protões, para tentar identificar novas partículas elementares.

Lyn Evans, director do projecto do LHC: "Não sabemos de quanto tempo vamos precisar" para conseguir que circulem os protões de forma estável, disse.

O primeiro lançamento de partículas até ao acelerador fez-se no sentido das agulhas do relógio, explicou Evans. "Vamos confirmando que cada um dos elementos da máquina funciona, um por um", acrescentou. Depois desta primeira tentativa saber-se-á se o maior acelerador de partículas do mundo funciona, mas os primeiros choques de protões apenas se produzirão daqui a alguns meses, altura em que se iniciará a obtenção de dados.

Em plena força, 600 milhões de colisões por segundo irão gerar uma floração de partículas tal como aconteceu no início do mundo, algumas das quais nunca puderam ser observadas.

O objectivo final desta grande experiência é poder dar resposta a muitas perguntas sobre a origem do Universo, entender por que a matéria é muito mais abundante no Universo do que a anti-matéria, e chegar a descobertas que "mudarão profundamente a nossa visão do Universo", segundo o director do CERN, Robert Aymar.

Uma das aspirações dos cientistas é encontrar o hipotético bosão de Higgs, uma partícula que nunca foi detectada com os aceleradores existentes, muito menos potentes que o LHC.

O Nobel da Física de 1979 Steven Weinberg, preferem dizer que as descobertas no LHC podem tornar Deus menos importante na nossa compreensão do Universo: "Se conseguirmos criar uma teoria final em que todas as forças e partículas são explicadas, e essa teoria ajudar a compreender o Big Bang e nos der uma cosmologia consistente, deixar-se-á menos à religião para explicar", escreveu na Newsweek.

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desde (quase) o início: Intro

Em 1929, Edwin Hubble mostrou que quase todas as galáxias se afastavam de nós, usando a técnica do efeito Doppler. Afastam-se tanto mais depressa quanto mais distantes se encontram, tal como um pudim no forno. Se eu observar para qualquer direcção a velocidade de expansão é a mesma. Aplicando a teoria da relatividade geral de Einstein, falamos na teoria da expansão universal, da explosão inicial : big bang.
Ao olhar para longe no universo nota-se que o número de galáxias e quasars num dado volume é tanto maior quanto mais distante se olha. Qual a idade do Universo?
1º método – movimento das galáxias: recuemos no tempo até ao momento em que a sua matéria se sobrepunha. Este instante “zero” situa-se entre 15 e 20 mil milhões de anos
2º método – a idade das estrelas mais velhas: as estrelas aquecem-se com energia nuclear. Obtêm luz queimando os seus carburantes. Queimam átomos de hidrogénio transformando-os em hélio. Depois queima os átomos de hélio transformando-os em átomos mais pesados. É a vida das estrelas. Na nossa galáxia encontram-se estrelas de “primeira geração” com idades entre 15 e 16 mil milhões de anos. Na teoria da expansão universal as galáxias aparecem demasiado cedo, mil milhões de anos depois da explosão inicial.
3º método – a idade dos átomos mais velhos: a vida média do C-14 é de 6 mil anos. Mil átomos de C-14 passados seis mil anos restam 500, depois de doze mil anos, 250... O urânio 235 e o urânio-238 têm vida média de mil milhões e seis mil milhões de anos. Na Terra há 137 vezes mais U-238 que U-235. No tempo dos dinossauros era de 110. Quando do nascimento da Terra era de três. Os núcleos de urânio foram gerados no seio das estrelas. A abundância relativa destes isótopos serve de ampulheta cósmica. Idade do universo está entre 12 e 17 mil milhões de anos.
Recuando no curso do tempo vemos as galáxias aproximarem-se umas das outras. A densidade média do Universo aumenta, e com ela a temperatura. A matéria atrai a luz, a luz atrai matéria, a luz atrai luz. No primeiro milhão de anos, o Universo é dominado pela luz, que com o tempo se tornou anémica. A luz era reabsorvida e não teve possibilidade de chegar até nós. Esta opacidade tira-nos a esperança de ver o início do universo. Mas a radiação fóssil foi emitida na passagem da opacidade à transparência.
O hidrogénio domina o universo com 90% dos átomos, o hélio vem em segundo com 8 ou 9%. O conjunto dos outros elementos dividem o restante.
Quanto mais elevada é a temperatura mais colisões de dão e mais violentas são as reacções. Nos primeiros instantes as colisões multiplicavam-se sem limite. Nos primeiros minutos a temperatura baixou, o fogo nuclear extinguiu-se. Neste caldo inicialmente composto por protões e neutrões , se encontra actualmente 10% de núcleos de hélio para 90% de hidrogénio. Mais ou menos o que se observa actualmente no universo. 8 a 10 átomos de hélio para 90 de hidrogénio é o mesmo que se encontra em galáxias muito ou pouco activas, no interior de estrelas ou em sítios calmos: O Universo é uniforme.
A fase inicial de reacções nucleares cósmicas gera em fraca quantidade deutério (hidrogénio pesado), hélio-3 (hélio leve) e um isótopo do lítio. As quantidades calculadas concordam com as observadas no Cosmos.
No Cosmos há mil milhões de fotões por cada átomo, porquê? Matéria e antimatéria juntas transformam-se em luz. Nos primeiros segundos matéria e antimatéria coexistiam e formavam luz, mas também renasciam dela (resultados verificados em laboratórios de física nuclear). Há uma diferença inferior a um milionésimo entre matéria e antimatéria, esta diferença é a favor da matéria ordinária. No curso do arrefecimento matéria e antimatéria aniquilavam-se sem voltar a reconstituir-se. Tudo desapareceu menos a diferença que havia, que é o que conhecemos.

"Um pouco mais de azul", Humberto Reeves

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