01 | Dossiê

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Panorama breve da Cosmologia Contemporânea

Panorama breve da Cosmologia Contemporânea

Luiz Alberto Oliveira 

Em 1917, Albert Einstein, exclusivamente a partir da consideração de princípios primeiros e independentemente de quaisquer evidências ou dados sugestivos, completou a elaboração da chamada Teoria da Relatividade Geral – para Max Born, “o maior feito do pensamento humano sobre a natureza, a mais impressionante combinação de penetração filosófica, intuição física e habilidade matemática”. Procurando generalizar a aplicação do Princípio de Invariância das leis físicas (tais leis devem ser expressas por relações matemáticas manifestamente independentes do particular procedimento de etiquetação dos eventos físicos, por meio de medidas de distância e duração, que seja adotado) para observadores não-inerciais (ou seja, associados a corpos acelerados), Einstein termina por promover uma fecunda – e inteiramente imprevista – combinação entre a interação gravitacional (a força universal de atração entre as massas, descoberta por Newton) e a estrutura geométrica do chamado “contínuo espaço-tempo” (que irá agora constituir o cenário básico global para a descrição dos eventos físicos). A geometria do mundo não está fixada a priori, como se pensava desde Euclides, mas é na verdade determinada fisicamente: os campos gravitacionais gerados por uma dada distribuição de matéria-energia serão associados, de maneira não-linear, a tensões do tecido espaciotemporal, como se a estrutura geométrica do mundo fosse elástica.

A TRG pode ser resumida, de modo extremamente esquemático, à combinação de duas idéias tão simples quanto poderosas. A primeira é o Princípio de Equivalência (o ponto-de-vista de um observador acelerado não pode ser distinguido, por nenhum experimento laboratorial, do ponto-de-vista de um observador em repouso em um campo gravitacional), que vincula não-inercialidade e gravitação; a segunda é a revolucionária associação entre a força gravitacional experimentada por um corpo e a deformação (“encurvamento”) que vigora na região do contínuo em que ele se encontra, que vincula gravitação (força) e geometria (curvatura). A geometria torna-se um agente dinâmico, determinado em cada local pela distribuição de matéria-energia ali presente, e simultaneamente prescrevendo o comportamento gravitacional desta distribuição. Na TRG, portanto, a caracterização da estrutura do espaço-tempo como uma variedade Riemanniana (dotada de uma geometria não-Euclidiana) permitirá conferir um conteúdo operacional à noção fundamental de intervalo ou separação entre dois quaisquer eventos, para quaisquer observadores, inerciais ou acelerados.

Os notáveis sucessos da teoria no que tange a fenômenos à escala do sistema solar (os chamados “testes clássicos”) garantiram-lhe o estatuto de quadro conceitual de fundo para a investigação de fenômenos gravitacionais de toda ordem – planetários, estelares, galáticos, e mesmo os referentes à peculiar entidade física que denominamos de Universo. Com efeito, no escopo da TRG torna-se possível elaborar modelos matemáticos capazes de representar a estrutura Riemanniana que estaria associada ao conteúdo material do Universo astronômico em larga escala. Coube à TRG, sobretudo, assimilar a extraordinária observação de Edwin Hubble, de 1929, acerca do afastamento uniforme das galáxias (ou seja, que o Universo encontra-se num estado dinâmico de expansão global), que para foi muitos a maior descoberta já feita pelo Homem sobre o mundo natural, e assinala o nascimento da atual Cosmologia Relativística.

 

O que nos interessa neste ponto é constatar a aparição no domínio das ciências físicas, graças aos modelos cosmológicos relativísticos, de uma nova figura de totalidade: o espaço-tempo Riemanniano da Relatividade Geral, que pelas equações de Einstein se articularia com a distribuição de matéria-energia em escala cósmica, de modo a constituir um modelo matemático do Universo que pode ser comparado às observações. Espaço-tempo-matéria-energia: eis a nova face do Todo, de Tudo-o-que-existe. O caráter universal (ou seja, o alcance infinito) da atração gravitacional lhe assegura a função de organizar essa totalidade, que pode ser denominada, de modo muito próximo ao sentido do termo original grego de Todo-Ordenado, de Cosmos. Particularmente notável é o fato de podermos dispor de evidências acerca de características globais dessa entidade: por exemplo, seu conteúdo material visível, segundo a astronomia profunda têm nos revelado, se assemelha a um “fluido cosmológico” notavelmente homogêneo (mais “liso”, ou uniforme, que a superfície de uma bola de bilhar), composto por cerca de cem bilhões de galáxias – cada uma contendo em média cem bilhões de sóis – reunidas numa hierarquia crescente de grupos, aglomerados, superaglomerados e, finalmente, estruturas em larga escala, distribuídas num horizonte observável correspondente a 13,7 bilhões de anos-luz – ou 130 sextilhões de quilômetros. Ainda mais significativo, porém, é seu caráter dinâmico, caracterizado pelo afastamento mútuo das galáxias descoberto por Hubble: a configuração dessa totalidade é mutável, ou seja, o Cosmos tem uma história. Em resumo, a Totalidade pode ser observada, e é evolutiva.

Curiosamente, ao principiar as aplicações da Relatividade Geral à Cosmologia o próprio Einstein procurou desenvolver um modelo de um Cosmos finito e estático, por ele considerado como o mais pertinente dos pontos de vista da simplicidade e elegância filosófica. A natureza exclusivamente atrativa da gravitação, porém, impôs a adição de um termo suplementar “repulsivo” nas equações de Einstein, a chamada “constante cosmológica”, para que um modelo estático pudesse ser logrado. A instabilidade intrínseca do Universo de Einstein frente a perturbações e, mais ainda, as observações de Hubble acerca do processo global de afastamento das galáxias – evidenciado pelo desvio para o vermelho da luz por elas emitida, tão mais acentuado quanto mais distante estiver a fonte – logo inviabilizaram o modelo de Einstein, que cedeu lugar à concepção de Friedman de um Universo dinâmico. Trabalhos seguintes de De Sitter, Lemâitre e Robertson motivaram a adoção das cosmologias espacialmente homogêneas de Friedman-Robertson-Walker (FRW) como “geometrias-padrão”. Os modelos FRW admitem a ocorrência de um estágio primordial muito denso e quente que, segundo os estudos de Gamow nos anos 50 permitiriam, em conjugação com as teorias da Física Nuclear e das Partículas Elementares, a elaboração de uma “história térmica” da matéria cósmica, associada à evolução do cenário cósmico global, reproduzindo adequadamente as abundâncias globais observadas dos elementos químicos (nucleossíntese); de acordo com esta proposta, a história do Cosmos se iniciaria com uma prodigiosa ‘detonação’ primordial que assinalaria a entrada em existência do próprio Universo, e prosseguiria até o estágio homogêneo, pouco denso e moderadamente expansivo que testemunhamos hoje. Bondi, Hoyle e Gold, por outro lado, criticaram a concepção de Gamow, batizando-a, ironicamente, de modelo da “Grande Explosão Quente” (Hot Big-Bang), e sugeriram como alternativa o chamado “Modelo do Estado Estacionário”, em que periodicamente ocorreria criação de matéria adicional de modo a fazer a densidade global invariante, apesar da expansão de Hubble, tornando assim a evolução cósmica compatível com o chamado “Princípio Cosmológico Perfeito” (o Universo é homogêneo no espaço e no tempo). O debate só seria resolvido ao final dos anos 60, com a descoberta acidental de Penzias e Wilson da presença de uma radiação térmica que permearia o Cosmos de todas as direções (a chamada “radiação cósmica de fundo de 3oK”) e que pôde ser interpretada, no escopo do modelo do Big-Bang, como uma radiação residual ou “fóssil” remanescente do período primordial de grande compressão (quando o Universo, devido à alta densidade, era opaco para os fótons). Esses sucessos – a descrição da nucleossíntese e a incorporação da radiação cósmica de fundo – fundamentaram a consolidação, na década de 1970, do modelo da Grande Explosão Quente como eixo paradigmático (ou “Modelo-Padrão”) dos estudos cosmológicos. Pela primeira vez, havia sido produzida uma cosmogonia legitimamente científica, porque verificável pela observação; a Cosmologia tornou-se assim uma disciplina própria da Física.

 

Não obstante esses sucessos, o Modelo-Padrão HBB apresenta uma série de graves dificuldades técnicas e filosóficas, que podemos grupar genericamente sob dois títulos: Problemas das Condições Iniciais -como a ocorrência primordial de horizontes causais, que impediriam o desenvolvimento da distribuição homogênea hoje observada; a “coincidência” com o limiar entre expansão perene e recolapso, exigindo um “ajuste fino” das condições primordiais; e a ausência da constante cosmológica, que não obstante é prevista por uma variedade de teorias acerca do espectro observado de partículas elementares, dentre outros; e Problemas da Singularidade – como as divergências (valores infinitos) das grandezas físicas na origem explosiva, implicando, por conseguinte, a violação, nessa origem, de leis fundamentais como a da conservação da energia e resultando em uma proveniência inescrutável para as leis físicas, dado que tal singularidade inicial constituiria uma fronteira absoluta para o conhecimento através de modelagens causais. Esses aspectos sumamente incômodos, bem como a escassez de observações definitivas acerca do comportamento dos campos físicos sob condições extremas (ou seja, não-solares) conduziram ao surgimento, nas últimas décadas, de uma série de propostas alternativas visando eliminar ou ao menos atenuar as características problemáticas exibidas pelo HBB, através da alteração ou substituição de alguns dos ingredientes básicos em jogo – por exemplo, sugestões de reinterpretação da atual fase expansiva; modificações dos atributos usuais da matéria; introdução de outros campos físicos de caráter primordial (como nos modelos inflacionários); abandono do requisito de estrita homogeneidade; teorias alternativas da gravitação e/ou do espaço-tempo; esboços de cosmologia quântica, etc. Recentemente, um número crescente de observações tem indicado que as variedades de matéria luminosa presente no Cosmos constituiriam não mais que escassos 5% (cinco por cento!) do conteúdo cósmico, sendo os 95% restantes compostos por espécies de “matéria” e “energia”  “escuras” (não-luminosas) cujos atributos e natureza são inteiramente desconhecidos. Este problema inesperado e perturbador é sem dúvida o grande desafio para os cosmólogos na presente década.

 

Parece outrossim crescer entre os cosmólogos o entendimento de que a cosmogonia associada ao HBB singular representaria um estágio preliminar de uma teoria cosmológica mais completa, ainda por ser estabelecida. Por exemplo, desde os anos 80 diferentes abordagens, clássicas e quânticas, têm coincidido na obtenção de cenários compatíveis com modelos de universos tipo-FRW porém não-singulares, ou seja, sem “princípio” nem “fim”. Assim, a idéia de um Universo “eterno” tem ganho vigor teórico e vem sendo encarada como suporte para uma nova visão cósmica. Num modelo simples, por, exemplo, o Universo se estenderia a partir de uma região no infinito passado que pode ser identificada com o vazio do espaço-tempo e retornaria a esse vazio no infinito futuro. Nosso universo hierarquizado e populado seria assim nada mais do que uma flutuação, um estado transiente, de uma estrutura fundamental de espaço-tempo que identificamos com o “Vazio”: uma região isenta de matéria ou de qualquer ação dinâmica, e portanto privada de qualquer manifestação de existência ou processo físico.

Paralelamente a essa revolução nas nossas idéias sobre a totalidade espaço-tempo, os físicos vem examinando a possibilidade de um casamento entre a Teoria Quântica da matéria e a Cosmologia provocando, por sua vez, questões de fronteira extremamente delicadas. Entre estas, e só para citar um exemplo notável, a idéia francamente audaciosa – (mas cientificamente respeitável, porquanto produzida no contexto da ciência) – de que nosso Universo seria a conseqüência de um processo que, embora proibido dentro das leis da Física Clássica, ganha na Física Quântica uma probabilidade de ocorrer (a criação do Universo por “tunelamento quântico”). Assim, nosso Universo teria uma probabilidade não nula de existir a partir de uma flutuação do “vazio quântico”. Mas quem mediria essa probabilidade? Quer dizer, se definimos nossa totalidade cósmica como um evento quântico, que procedimento observacional a teria retirado do “limbo” quântico dos estados não observados, do oceano de Universos possíveis, mas irrealizados (pelo menos por nós), associados a outras flutuações? Alguns cientistas foram obrigados por essa e outras questões análogas a reverem os dogmas da interpretação tradicional da Escola de Copenhagen, para que a concepção de um Cosmos Quântico (totalidade que se auto-observaria) pudesse ganhar sentido.

Caberia então indagar: estaríamos a ponto de presenciar uma autêntica transição ou revolução paradigmática na Cosmologia? Não obstante as óbvias dificuldades do paradigma-padrão encarnado no HBB, suas bases observacionais não foram ainda postas em dúvida, e as várias propostas alternativas presentemente sob exame procuram incorporar essas bases, dispondo portanto de um estatuto observacional equivalente. Assim, somente a obtenção de novas evidências cósmicas poderá regular a seleção dentre as variadas abordagens em curso hoje em dia e definir as linhas gerais de uma cosmovisão reconhecidamente mais aperfeiçoada. A inauguração, na presente década e nas próximas, de aparatos de medida inovadores – detectores de ondas gravitacionais e de neutrinos cósmicos, novos telescópios terrestres e espaciais – permitirá pôr em teste muitas de nossas atuais concepções fundamentais sobre o Universo em larga escala (inclusive a TRG), permitindo antecipar a excitante perspectiva de importantes inovações a curto e médio prazos.

 

Finalmente, no que tange a uma avaliação do território epistemológico de moderna Cosmologia, uma série de graves questões requer consideração atenta. O projeto cosmológico contemporâneo da construção de uma racionalidade para o Universo físico identifica-se, desde os trabalhos pioneiros de Einstein, Lemâitre, Eddington e outros, às tentativas de conceituação do Universo como uma totalidade fechada, auto-referente e (de acordo com os preceitos da TRG) organizada tão-somente pela interação gravitacional. A introdução dessa concepção do Cosmos como uma totalidade fechada, todavia, acarreta dificuldade técnicas, filosóficas e mesmo puramente lógicas (como indica o teorema de Gödel sobre sistemas formais privados de contexto). Por exemplo, na TRG trabalha-se com pelo menos duas noções de tempo diferentes, o ‘tempo próprio’ que cada observador emprega para comparar, de maneira invariante, intervalos temporais (mas que carece de globalidade espacial, visto depender da própria estrutura métrica local), e o tempo paramétrico ou ‘coordenada-tempo’, que possui globalidade mas não metricidade (não permite uma medida invariante de intervalos) e pode ser reescalado de ponto a ponto (ou seja, há infinitos tempos paramétricos equivalentes!). O tempo paramétrico, de fato, constitui a noção mais rudimentar que se pode associar ao termo ‘tempo’: uma simples linha contínua. Ora, se o Universo é histórico, podemos então definir uma assimetria cósmica global (ou tempo cosmológico) associada à expansão cósmica. Este tempo, porém, é privado de externalidade – já que é o resultado da interação entre a configuração global de matéria-energia e o tecido do espaço-tempo, e é referido a uma classe privilegiada de observadores ditos co-moventes ou “fundamentais” – dos quais, curiosamente, a Cosmologia não pôde ainda se desvencilhar de modo convincente.

Se, por outro lado, definimos “existir” por “acontecer no espaço e no tempo”, como é costumeiro, então “tudo-o-que-existe” se identifica à estrutura global do contínuo espaço-tempo da TRG, que é a figura de totalidade representativa dos eventos espaciotemporais (acontecimentos) introduzida por Einstein e assimilada, em seguida, ao paradigma padrão unificacionista vigente. Mas a própria TRG, fundamento conceitual de tal programa, implica na possível ocorrência de uma variedade de entidades bizarras que, paradoxalmente, elidem a capacidade de registro e representação de eventos de qualquer observador – buracos negros (sorvedouros de que nada foge), buracos brancos (nascedouros em que nada penetra), indescritíveis singularidades “nuas”; ou regiões do mundo para sempre alheias, mesmo em princípio, a toda possibilidade de contato ou observação devido a horizontes causais (que desconectariam por completo diferentes regiões do espaço-tempo); ou ainda a existência de “torpezas” topológicas (como monopolos, cordões cósmicos, paredes de domínio) que equivaleriam a ‘fraturas’ do tecido geométrico; e até mesmo a viabilidade da construção de caminhos “fechados” nos quais avançar para o futuro significaria, para um viajante, aproximar-se de seu passado (“viagens no tempo”), graças a “buracos de minhoca” construídos com algum tipo de matéria “exótica” e que possibilitariam por em contato locais muitíssimo distantes do Universo (ou até, especulativamente, de Universos diferentes…), e etcetera. Qual o estatuto de existência dessas configurações peculiares que, embora postas em cena pela TRG (o quadro conceitual de fundo, repetimos, para nossa descrição dos fenômenos em escala cósmica) acabam por se evadir de toda representação espaciotemporal? Seria necessário, talvez, invocar uma modalidade ainda mais abrangente de “realidade”, ou mesmo uma nova “totalidade universal”, que subsumisse igualmente essas entidades exóticas? Ou um tal impasse sugeriria uma crise dos próprios fundamentos metacosmológicos em que se apóia a cosmologia clássica, que assim demandaria uma profunda crítica da razão cosmológica?

Em relação aos problemas associados à noção de totalidade cabe ainda citar a busca por uma formulação unificada da qual todos os fenômenos observados pudessem ser derivados, a qual remonta à antiga aspiração por uma unificação das causas dos fenômenos físicos (“Unidade do Mundo”) e que constitui o cerne do moderno Programa de Einstein em prol da obtenção de uma ordem harmônica e determinada para o Universo. Na atualidade, este objetivo se encarna na procura por uma base comum que permita a fusão das linguagens próprias aos domínios Macro- e Microscópico da Física, através da integração das quatro interações conhecidas – gravitação, eletromagnetismo, força nuclear fraca, força nuclear forte – em um único corpo descritivo – uma Teoria de Tudo. As chamadas Teorias de Cordas e Teorias de Branas são, na atualidade, as candidatas mais bem consideradas para a viabilização deste programa.

Embora dominante em nossa época, principalmente em virtude dos sucessos alcançados pelas chamadas teorias de calibre da Física de Partículas, este projeto de modo algum é o único perseguido pelos físicos (como alternativas, podem ser citados por exemplo o Programa de Boltzmann de fundamentação do mundo físico a partir de um fecundo “caos” originário, ou o Programa de Dirac de multiplicação das variáveis cósmicas) e tem sido obstaculizado pela forte não-linearidade das equações da gravitação, que impediu até aqui a elaboração de uma teoria satisfatória da gravitação e do espaço-tempo em escalas quânticas. A aguda sensibilidade dos modelos de que atualmente dispomos com relação a variações das (inacessíveis) condições iniciais – insinuando um “design” cósmico primordial incrivelmente preciso para uma variedade de cenários razoáveis – é outra dificuldade encontrada na implementação de uma totalização auto-suficiente do mundo. Como derradeira observação, sugerimos que o próprio apogeu do programa cosmológico contemporâneo, seus impasses e realizações, parecem demandar por uma reavaliação das diretrizes metodológicas e mesmo do telos conceitual do atual corpo de modelizações totalizantes e auto-referentes acerca do Universo em que habitamos, procurando ampliar o escopo de compreensão dos processos cósmicos, já como pertinentes a um Universo contextualizado, incorporado a um complexo ulterior de relações que o abrange e ultrapassa – uma totalidade aberta.

 

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Luiz Alberto Oliveira é cosmólogo, professor e pesquisador do Instituto de Cosmologia, Relatividade e Astrofísica - Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, CBPF.
 
 

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