Introdução
Cientistas como Copérnico e Galileu encontraram falhas nessa filosofia. Levou mais de um século, após as descobertas de Galileu, para o mundo aceitar que a Terra não era o centro do universo. Com o tempo, começamos a aprender mais sobre ele. Hoje, estudamos o cosmo por meio de avançados telescópios, satélites e sondas.
Agora, temos imagens das galáxias que estão a milhões de anos-luz da Terra. Os cientistas estudam estrelas distantes regularmente. Eles já detectaram planetas em sistemas solares muito além do nosso.
Mas e quanto à grande imagem? O que sabemos sobre o universo como um todo? Está expandindo? É infinito? Se não for infinito, o que existe além do limite do espaço? E com o que exatamente ele se parece?
Essas perguntas encaixam-se na categoria de cosmologia, o estudo do universo. As pessoas tentaram muitas abordagens diferentes para estudar o cosmo. Alguns se concentraram na matemática. Outros preferiram a física. E alguns seguiram uma abordagem filosófica.
Não há um consenso entre os cosmólogos em relação a que o espaço se assemelha, mas existem muitas teorias. Parte do desafio de descrevê-lo é a dificuldade de visualização. Estamos acostumados a pensar em localização em duas dimensões. Por exemplo, você pode determinar em que ponto está em um mapa usando longitude e latitude. Mas o espaço possui quatro dimensões. Você não apenas precisa acrescentar profundidade às dimensões de comprimento e largura, mas também acrescentar tempo. Na verdade, muitos cosmólogos referem-se a essa coleção de dimensões como espaço-tempo.
De acordo com Stephen Hawking, o universo que conhecemos estende-se por milhões, milhões, milhões e milhões de quilômetros, algo como 1.000.000.000.000.000.000.000.000 (24 zeros) septilhão. [fonte: Hawking]. |
Quais são algumas das principais teorias que poderiam nos ajudar a calcular a forma do espaço? Continue lendo para descobrir.
As teorias do Big Bang,gravidade e relatividade real
As três teorias que ajudam na compreensão da forma do universo são a do Big Bang, a teoria da gravidade e a teoria geral da relatividade de Einstein. Os cosmólogos consideram essas suposições ao criarem hipóteses sobre a forma do espaço. Mas o que elas exatamente tentam explicar?
A galáxia espiral M100, conforme vista pelo telescópio Hubble.
A teoria do Big Bang é uma tentativa de descrever o começo do universo. Por meio de observação e análise, os astrônomos determinaram que o cosmo está expandindo. Eles também detectaram e estudaram a luz que surgiu bilhões de anos atrás, quando o universo ainda era muito novo. Criaram a teoria de que, no passado, toda a matéria e energia estavam contidas em um ponto incrivelmente minúsculo. Então, o universo expandiu repentinamente. A matéria e a energia explodiram para fora há milhões de anos-luz por fração de segundo. Elas se transformaram nos elementos básicos para o universo como o conhecemos.
F=GMm/r²
F é a força da atração gravitacional. M e m representam as massas dos dois objetos em questão. E r2 é a distância entre os dois objetos ao quadrado. Então, a que se refere o G? É a constante gravitacional. Ele representa a proporcionalidade constante entre dois objetos quaisquer, independentemente de suas massas. A constante gravitacional é 6,672 x 10-11 N m2 kg-2 Esse é um número muito pequeno e explica por que os objetos simplesmente não se unem o tempo todo. Apenas os objetos de grande massa têm mais do que um efeito gravitacional desprezível sobre outros objetos.
Se a teoria do Big Bang for verdadeira, então, quando o universo surgiu deve ter havido uma enorme explosão de energia capaz de empurrar a matéria para tão longe e com tanta rapidez. Ela teve que superar a atração gravitacional entre toda a matéria no cosmo. O que os cosmólogos estão tentando determinar agora é a quantidade de matéria que existe realmente no universo. Com matéria suficiente, a atração gravitacional diminuirá gradativamente e, então, reverterá a expansão do universo. No final das contas, ele poderia encolher até chegar a outra singularidade. Isso é chamado de big crunch. Mas, se não houver matéria suficiente, a atração gravitacional não será forte o bastante para impedir a expansão do universo e ele crescerá indefinidamente.
E quanto à teoria da relatividade? Além de explicar a relação entre energia e matéria, ela leva à conclusão de que o espaço é curvado. Os objetos no espaço movem-se em órbitas elípticas não por causa da gravidade, mas porque o próprio espaço é curvado e, por isso, uma linha reta é realmente um arco. Em geometria, uma linha reta em uma superfície curvada é chamada de linha geodésica.
As três teorias descritas acima formam a base de várias teorias sobre a forma do espaço. Mas não existe um consenso sobre qual é a certa.
Quais são as formas teóricas do espaço e por que não sabemos qual é a correta?Leia mais!
As formas do espaço
Os três modelos principais do universo baseiam-se na curvatura: curvatura nula, curvatura positiva e curvatura negativa.
Nessa ilustração, você pode ver os três modelos diferentes de curvatura que o espaço pode ter - curvatura nula, curvatura positiva e curvatura negativa.
Uma curvatura nula significaria que o universo é plano ou euclidiano (a geometria euclidiana trata de superfícies não-curvadas). Imagine o espaço como uma estrutura bidimensional - um universo euclidiano se assemelharia a uma superfície plana. As linhas paralelas são possíveis apenas em uma superfície plana. Em um universo plano, existe apenas a matéria suficiente para que o cosmo se expanda indefinidamente sem que haja um colapso, embora a taxa de expansão diminua com o tempo.
Se o universo tiver uma curvatura positiva, será um universo fechado. Um modelo bidimensional se assemelharia a uma esfera. É impossível ter linhas geodésicas paralelas (linhas retas em uma superfície curvada) - as duas se cruzarão em algum ponto. Nesse caso, há matéria suficiente para reverter a expansão. Finalmente, tal universo sofrerá um colapso consigo mesmo. Um universo fechado é finito - ele apenas expandirá até um determinado tamanho antes de entrar em colapso.
A curvatura negativa é um pouco mais complicada de visualizar. A descrição mais comum é a de uma sela de cavalo. Nesse modelo, duas linhas que seriam paralelas em uma superfície plana se afastarão uma da outra. Os cosmólogos o chamam de universos abertos. Neles, não há matéria suficiente para reverter ou diminuir a expansão e, por isso, o universo continua a aumentar indefinidamente.
Isso significa que o espaço tem a forma de uma superfície plana, uma esfera ou uma sela de cavalo? Não necessariamente. Lembre-se de que o espaço-tempo é medido em quatro dimensões, o que diminui a função dos exemplos bidimensionais. E há muitas teorias conflitantes sobre a forma definitiva do universo.
Uma forma possível é o toro triplo. À primeira vista, aparenta ser um cubo comum. Mas cada face do cubo é colada à face do lado oposto. Imagine que você esteja em uma espaçonave que está voando dentro de um grande cubo. Você segue para o topo. Você não se chocaria exatamente logo que tivesse contato. Ao contrário, você apareceria em um ponto correspondente na base do cubo. Em outras palavras, você subiria pelo topo e voltaria a entrar pela base. Se viajasse para longe em qualquer direção, você finalmente voltaria para o lugar de onde começou. Isso não está tão longe do conceito, já que, na Terra, se você viajar em linha reta, no fim, chegará de volta ao ponto de partida. Você vai ficar bastante cansado.
Essa ilustração mostra como seria um espaço dodecaédrico para um observador de fora, se isso fosse possível.
Outra forma é a esférica dodecaédrica de Poincaré. Dodecaedro é um objeto de 12 lados. A variação de Poincaré possui superfícies que se curvam levemente para fora. O que confunde é que o tamanho projetado desse universo é bem menor do que a área que conseguimos realmente observar. Em outras palavras, nossa visibilidade ultrapassa os limites do cosmo. Os cosmólogos afirmam que não há problema. Ao olhar uma galáxia distante que aparentemente estaria além dos limites do espaço, você, na verdade, está sentindo aquele efeito de curvatura descrito acima. A galáxia, de fato, estaria atrás de você, porém, você está olhando através de um lado do dodecaedro como se fosse uma janela. Se pudesse ver longe o bastante, estaria olhando a parte de trás de sua própria cabeça.
Zonzo ainda? Existem muitas outras formas teóricas que o universo poderia ter, mas a maioria não se encaixa nas evidências que temos até agora. Que evidências são essas e como conseguimos reuni-las?
Como medir o espaço?
Os telescópios ópticos nos permitem examinar objetos dentro do espectro de luz visível, mas são ferramentas relativamente fracas. Isso porque a luz de galáxias distantes pode interceptar nuvens de partículas e outros corpos antes de atingir a Terra. Outros dispositivos podem medir os comprimentos de onda que estão fora do espectro visível. Muitos estudos recentes em cosmologia concentram-se na RCFM (Radiação Cósmica de Fundo em Microondas), radiação que o universo gerou quando tinha apenas 380 mil anos [fonte: Luminet]. Ao estudá-la, os cosmólogos podem tirar conclusões sobre como era o universo logo que surgiu.
Usando a sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - Sonda Wilkinson da Anisotropia de Microondas), os cientistas fizeram uma descoberta interessante. Descobriram que a variação nos comprimentos de onda da radiação para em um certo ponto. Em um universo infinito, não haveria limite para o tamanho dos comprimentos de onda. Suporíamos variações e frequências em todos os tamanhos. Somente em um universo finito ou em um infinito muito específico que poderíamos esperar ver um limite definitivo nos comprimentos de onda.
Em harmonia, uma corda dedilhada produz um som com um comprimento de onda duas vezes o comprimento da corda. Você não conseguiria produzir um som com um comprimento de onda maior que esse. Em termos espaciais, a ausência de comprimentos de onda mais longos de radiação leva alguns cosmólogos a acreditarem que o universo possui um limite finito. |
Quanto à expansão, os cosmólogos chamam a relação da quantidade de matéria no universo e a quantidade necessária para impedir a expansão deparâmetro de densidade. Um parâmetro de densidade superior a um significaria um universo fechado - existe mais massa do que seria necessária para reverter a expansão. Um parâmetro de densidade igual a um significaria um universo plano em que a velocidade da expansão diminui, mas nunca para de verdade. E um parâmetro de densidade entre 0 e 1 significaria um cosmo aberto que continuaria expandindo eternamente.
Mas não sabemos a quantidade de matéria que existe realmente no universo. A quantidade que podemos detectar é relativamente pequena - 5% da matéria necessária para reverter a expansão. Mas, aparentemente, existe matéria que não conseguimos ver de modo algum. Os cosmólogos notaram que as estrelas se movem de uma maneira estranha - elas se comportam como se houvesse uma quantidade maior de matéria exercendo uma influência gravitacional. Estudiosos teorizam que isso significa que há um tipo de matéria que não conseguimos ver chamada de matéria escura.
 Cedida por STScI e NASA Matéria visível ou bariônica |  Cedida por STScI e NASA Matéria negra |
Mas há matéria escura suficiente para causar um big crunch? Isto é, existe matéria suficiente no universo para formar o equilíbrio e levar a relação a um ou mais? Embora os especialistas acreditem que haja mais matéria escura no universo do que a matéria observável, eles calculam que a mistura das duas chegue apenas a 30% da quantidade necessária para reverter a expansão [fonte: Website da Teoria das Cordas (em inglês)].
O que aconteceu antes do Big Bang? É impossível dizer. Os cientistas teorizam que, uma vez que você comprimir a matéria do universo em uma singularidade (um ponto com volume zero, mas densidade infinita), as leis científicas não poderão mais ser aplicadas. Como as leis da física são controversas, não há como saber o que de fato existia antes do Big Bang. A ciência não consegue responder a essa pergunta. |
Apesar de não sabermos qual é a forma definitiva do espaço agora, as pesquisas continuam trazendo novas informações diariamente. E se o espaço tem limites, o que há além deles? Não sabemos, e talvez não sejamos capazes de descobrir.
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