• 13,8

Alexander Friedmann: um pioneiro da expansão cósmica

Créditos: Dengess / Adobe Stock

• Cem anos atrás, um cosmólogo russo chamado Alexander Friedmann propôs a ideia de que o Universo se expande a partir de um ponto singular.
• Verdadeiro visionário, ele também descobriu que o Universo pode oscilar no tempo, alternando períodos de expansão e contração.
• Agora chamamos as equações que descrevem a evolução temporal do Universo de equações de Friedmann.

A expansão do Universo é uma das descobertas científicas mais notáveis ​​de todos os tempos. Também é amplamente incompreendido, tanto conceitualmente quanto historicamente. Vamos dar uma olhada no conceito e na história da expansão cósmica hoje.

Expansão não é como uma bomba

Quando dizemos o universo está se expandindo, é difícil evitar a imagem de uma bomba que explodiu há muito tempo. O Big Bang é a explosão, e as galáxias que voam para longe do ponto de explosão são como estilhaços se espalhando em todas as direções a partir desse ponto central. Mas não é isso que a expansão cósmica significa. Se essa imagem fosse precisa, o espaço seria um fundo estático, e o Universo teria um ponto muito especial, o centro onde se originou a explosão. Mas não há nenhum ponto especial no Universo. A geometria cósmica é muito democrática, com todos os pontos sendo iguais aos olhos do espaço.

A maneira usual de explicar isso é retratando um balão com moedas coladas em sua superfície. A superfície do balão representa o espaço (em duas dimensões, o que é mais fácil de ver), e as moedas representam as galáxias. À medida que o balão se expande, as moedas permanecem do mesmo tamanho, mas se afastam umas das outras. Se você fosse um ser em uma galáxia, você veria todas as outras galáxias se afastando de você. Mas o mesmo aconteceria com seus vizinhos, bem como observadores em qualquer uma das outras galáxias. Isto é o que significa o Universo não ter um centro. Todos os pontos do balão estão se afastando um do outro. A expansão do espaço leva embora as galáxias (moedas). Este é um exemplo de uma geometria fechada em expansão, já que a superfície do balão é fechada: se você começar a se mover em uma direção, você voltará ao seu ponto de partida.

Se você quiser uma maneira diferente de visualizar isso (uma que eu uso em minhas aulas), imagine uma sala de aula com carteiras apoiadas no chão. Então imagine que eu tivesse um botão especial que esticava o chão em duas direções igualmente, norte-sul e leste-oeste. Se você estivesse sentado em uma mesa, veria as outras mesas se afastando de você. E seus colegas também. Nenhuma mesa é o centro dessa expansão. Este é um exemplo de uma geometria plana em expansão, já que a superfície da sala de aula é plana como uma mesa: se você começar a se mover em uma direção, nunca voltará ao seu ponto de partida.

Agora reproduza o filme de trás para frente para ambos os exemplos. O balão encolhe, a sala de aula encolhe. Em algum momento no passado, todas as moedas e mesas estariam umas em cima das outras, um grande pacote de coisas. Esse é o ponto de máxima compressão que, extrapolado ao seu limite matemático último, seria um ponto de densidade infinita de massa-energia. Mas é claro que não podemos espremer tudo em um ponto de volume zero. Esta é uma extrapolação matemática, não a realidade física. Ainda não sabemos o que acontece à medida que nos aproximamos muito dessa situação.

Alexander Friedmann: um meteorologista que virou cosmólogo

Esta imagem de uma geometria em expansão veio de um artigo notável publicado em junho de 1922 pelo meteorologista russo que se tornou cosmólogo, Alexander Friedmann. Em 1917, Einstein encontrou a primeira solução para a geometria do Universo, usando sua nova teoria da relatividade geral, a teoria que atribui a gravidade à curvatura do espaço em torno de um corpo massivo. O resultado de Einstein foi rapidamente seguido por outra solução do holandês Willem de Sitter, também de 1917.

A solução de Einstein retratou um universo esférico estático com raio R e uma constante cosmológica, um parâmetro que ele colocou à mão para encontrar uma solução estática. Quão notável é que, com papel e caneta na mão, um humano pudesse elaborar uma teoria para o Universo como um todo? A solução de De Sitter foi diferente. Seu universo estava vazio - isto é, não tinha matéria, apenas a constante cosmológica. Mais tarde foi mostrado (por Cornelius Lanczos em 1923) que a solução de de Sitter era equivalente a um Universo preenchido com a constante cosmológica em expansão exponencialmente rápida. Isso foi interessante porque as observações estavam mostrando que a luz de nebulosas distantes (mais tarde mostradas como galáxias) foi desviada para o vermelho – isto é, esticada em direção à extremidade vermelha do espectro de cores (que vai do violeta ao vermelho, como o arco-íris). De Sitter e outros sugeriram que esse desvio para o vermelho foi possivelmente devido ao movimento das nebulosas para longe de nós, como o desvio Doppler das buzinas de carros que mudam à medida que se afastam (tom mais baixo) ou se aproximam (tom mais alto).

As equações de Friedmann

Friedmann toma o problema daqui, e em seu artigo datado de 29 de junho de 1922, descobre que não é preciso impor um Universo estático (Einstein) ou vazio (de Sitter) para encontrar soluções com geometria em expansão. Então, ele toma o raio R para mudar no tempo e resolve para R(t), com a variável tempo denotando o tempo que passou desde a Criação (nas palavras de Friedmann). Friedmann descobriu diferentes soluções que dependem do valor relativo da constante cosmológica e de outros parâmetros. No Mundo Monótono do Primeiro Tipo, o Universo começa em uma singularidade em t = 0 e se expande em uma taxa que primeiro desacelera e depois acelera no tempo para sempre. No Mundo Monótono do Segundo Tipo, a expansão começa a partir de um raio finito e continua exponencialmente rápido para sempre. Finalmente, Friedmann encontrou o que chamou de Mundo Periódico, onde o Universo parte de uma singularidade em t = 0 e se expande e se contrai periodicamente no tempo.

Em 1923, Friedmann publicou seu livro Mundo como espaço e tempo , onde ele filosofou sobre sua descoberta e como ela será decidida por dados confiáveis, o que foi. Mais notavelmente, ele faz uma conexão entre seu universo periódico e a mitologia hindu, enquanto faz uma estimativa para a idade do universo se expandindo do nada:

Um universo não estático representa uma variedade de casos. Por exemplo, é possível que o raio de curvatura aumente constantemente a partir de um determinado valor inicial; também é possível que o raio mude periodicamente. Neste último caso, o Universo se comprime em um ponto (no nada), depois aumenta seu raio para um determinado valor e, em seguida, comprime novamente em um ponto. Aqui pode-se recordar o ensino da filosofia indiana sobre os períodos da vida. Também oferece uma oportunidade de falar sobre o mundo criado do nada. Mas todos esses cenários devem ser considerados como curiosidades que não podem ser suportadas atualmente por dados experimentais astronômicos sólidos. Até agora é inútil, devido à falta de dados astronômicos confiáveis, citar quaisquer números que descrevam a vida do nosso Universo. No entanto, se calcularmos, por curiosidade, o tempo em que o Universo foi criado de um ponto até o seu estado atual, ou seja, o tempo que passou desde a criação do mundo, obteremos um número igual a dezenas de bilhões de anos habituais.

Friedmann faleceu em 1925, nunca recebendo em vida o crédito que merecia, e muitas vezes foi citado erroneamente na literatura. Mas em seu trabalho e palavras, vemos as realizações de um pensador verdadeiramente revolucionário, ansioso por um momento em que os dados confirmariam sua visão de um Universo em expansão.

Em 1929, Edwin Hubble confirmou os dados anteriores de Vesto Slipher sobre nebulosas em retrocesso, desde então entendidas corretamente como galáxias em um universo em expansão. Agora chamamos a constante cosmológica – ou algo muito semelhante a ela – energia escura. O Prêmio Nobel de Física de 2011 celebra essa descoberta, coroando o trabalho dos pioneiros da cosmologia moderna. Agora é hora de dar a Alexander Friedmann o crédito que ele merece.

Compartilhar: