Pergunte a Ethan: Como você explicaria o Big Bang para uma criança?
Concepção artística em escala logarítmica do universo observável. Observe que estamos limitados em quão longe podemos ver pela quantidade de tempo que ocorreu desde o Big Bang quente: 13,8 bilhões de anos, ou (incluindo a expansão do Universo) 46 bilhões de anos-luz. Qualquer um que viva em nosso Universo, em qualquer local, veria quase exatamente a mesma coisa de seu ponto de vista. (USUÁRIO DA WIKIPEDIA PABLO CARLOS BUDASSI)
É algo que a maioria dos adultos não entende muito bem. Então, o que você deve dizer a uma criança?
Se você já conversou com uma criança curiosa e curiosa, pode ter percebido que todas terminam da mesma maneira. Eles começarão perguntando de onde algo vem ou como algo funciona, um comportamento que você deseja muito encorajar. Mas então, quando você responde isso, há o inevitável acompanhamento. Sua resposta agora se torna o tema de uma nova pergunta, que se desdobra em uma conversa que eventualmente atinge os limites do seu conhecimento (ou mesmo da humanidade). Em algum momento, você pode até se deparar com perguntas sobre o início de tudo: o Big Bang. É daí que vem a pergunta desta semana, cortesia de Tyler Legare, que pergunta:
Como você explicaria o big bang para uma criança de 10 anos?
Mesmo que o Big Bang seja algo que a maioria dos adultos não entenda completamente, é uma história que a ciência sabe a resposta. Aqui está como eu diria isso para uma criança de 10 anos.
O corpo humano, como convencionalmente pensamos, é composto de órgãos que são feitos de células. Mas em um nível ainda menor, tudo dentro de nós é composto de átomos: um número enorme deles devido ao seu tamanho extremamente pequeno. (PIXABAY USUÁRIO PUBLICDOMAINPICTURES)
Então, você quer saber de onde tudo isso vem? Tudo, de você e eu aqui na Terra para todos os planetas, estrelas e galáxias do Universo? Bem, o mesmo aconteceu com praticamente todas as pessoas curiosas que já viveram. E durante a maior parte da história humana – por milhares e milhares de anos – tivemos apenas histórias, suposições e especulações. O que não tínhamos até muito recentemente, nos últimos 100 anos ou mais, era uma resposta científica.
Essa resposta é um termo que você pode ter ouvido antes: o Big Bang. O Big Bang é de onde veio tudo o que temos em nosso Universo hoje. É o segredo para entender como nosso Universo chegou a ser do jeito que é hoje e a chave para desvendar a história antiga de como era nosso Universo há muito tempo. Para ter uma ideia de quão importante isso é, vamos dar uma olhada no que realmente vemos quando olhamos para o Universo hoje.
Os tamanhos de partículas compostas e elementares, com possivelmente menores dentro do que é conhecido. Com o advento do LHC, agora podemos restringir o tamanho mínimo de quarks e elétrons a 10^-19 metros, mas não sabemos até onde eles realmente vão, e se são pontuais, finitos em tamanho , ou partículas realmente compostas. (FERMILAB)
Quando olhamos para tudo na Terra, há todo tipo de coisa para ver, ouvir, cheirar, provar e tocar. Tudo com o que nosso corpo é capaz de interagir – outras pessoas, comida, ar e até luz – é feito de matéria e energia. Isso não é verdade apenas para as coisas que encontramos na Terra, é claro. Onde quer que olhemos no Universo, de outros planetas a estrelas a galáxias distantes e além, encontramos as mesmas coisas: matéria e energia, feitas dos mesmos blocos de construção básicos que encontramos aqui na Terra.
A única razão pela qual podemos tirar coisas tão complicadas como seres humanos desses blocos básicos de construção é porque existem tantas maneiras possíveis de os pedaços fundamentais de matéria e energia se unirem. O ferro em nosso sangue, o cálcio em nossos ossos e o sódio em nossos nervos são apenas alguns exemplos de como esses minúsculos blocos de construção atômicos podem se unir para criar algo tão complexo e intrincado quanto nosso corpo inteiro.
Uma parte do Hubble eXtreme Deep Field em plena luz UV-vis-IR, a imagem mais profunda já obtida. As diferentes galáxias mostradas aqui estão em diferentes distâncias e desvios para o vermelho, e nos permitem entender como o Universo está se expandindo hoje e como essa taxa de expansão mudou ao longo do tempo. (NASA, ESA, H. TEPLITZ E M. RAFELSKI (IPAC/CALTECH), A. KOEKEMOER (STSCI), R. WINDHORST (ARIZONA STATE UNIVERSITY) E Z. LEVAY (STSCI))
Além do nosso próprio planeta, o Universo é vasto, enorme e cheio de coisas. Existem centenas de bilhões de estrelas em nossa galáxia, a Via Láctea, e praticamente todas as estrelas deveriam ter seu próprio sistema de planetas. Mas a Via Láctea é apenas uma das talvez dois trilhões de galáxias presentes no Universo que podemos ver. E o que é notável em todos eles é que, com apenas algumas dezenas de exceções, todos parecem estar se afastando de nós.
Esta foi uma enorme surpresa quando foi descoberto pela primeira vez na década de 1920. Por que quase todas as galáxias do Universo deveriam estar se afastando de nós? E fica pior: quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela parece se afastar de nós.
Por que estaria fazendo isso? A resposta pode ser encontrada em uma bola de massa recheada com passas.
O modelo de “pão de passas” do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes duas passas estiverem uma da outra, maior será o desvio para o vermelho observado no momento em que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada em observações e tem sido consistente com o que se sabe desde a década de 1920. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)
Se você quiser assar adequadamente sua massa em pão de passas, primeiro você deve deixar o pão levedar. Isso significa que você mistura a massa, coloca as passas nela e depois a cobre e a coloca em um local quente e seco para deixá-la crescer. Com o tempo, a massa dobrará de tamanho, mas as passas dentro do pão permanecerão apenas passas normais.
Mas o que você veria se fosse uma das passas, e só pudesse ver as outras passas, e não a própria massa? À medida que o tempo passava e a massa continuava a crescer, cada passa parecia ficar mais distante de todas as outras passas. Quanto mais longe eles estiverem, mais rápido eles parecerão se afastar.
Bem, em nosso Universo, as passas são galáxias individuais, e a massa é o tecido invisível do espaço.
Há um grande conjunto de evidências científicas que apoiam a imagem do Universo em expansão e do Big Bang, completo com energia escura. A expansão acelerada tardia não conserva estritamente energia, mas o raciocínio por trás disso também é fascinante. (NASA/GSFC)
Se o próprio espaço está se expandindo assim, isso significa que o Universo está ficando maior e as galáxias estão se afastando à medida que o tempo avança. Mas isso também significa que, se quiséssemos imaginar como era o Universo no passado, esse espaço era menor. Se olharmos apenas para as passas, isso significaria que o Universo era mais denso no passado, com mais galáxias (e mais matéria) na mesma quantidade de espaço no início e com menos delas mais tarde.
Esta é a grande ideia do Big Bang. Coisas que não são mantidas juntas, como quaisquer duas galáxias bem separadas, estão se distanciando com o passar do tempo. Mas isso também significa que eles estavam mais próximos no passado. E se extrapolarmos para trás no tempo, cada vez mais longe, podemos imaginar que tudo – toda a matéria e energia que podemos ver – já esteve concentrado em uma região superpequena há muito tempo.
Como a matéria (em cima), a radiação (no meio) e uma constante cosmológica (em baixo) evoluem com o tempo em um Universo em expansão. À medida que o Universo se expande, a densidade da matéria se dilui, mas a radiação também se torna mais fria à medida que seus comprimentos de onda se estendem para estados mais longos e menos energéticos. A densidade da energia escura, por outro lado, permanecerá realmente constante se se comportar como se pensa atualmente: como uma forma de energia intrínseca ao próprio espaço. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
O Big Bang é toda essa imagem da história do nosso Universo. Tudo o que existe hoje começou, há bilhões de anos, em uma pequena região do espaço. Esse espaço vem se expandindo desde então, e toda a matéria e energia que estavam presentes naquela época ainda estão presentes hoje. É apenas mais espalhado agora, separado pela expansão do Universo.
Mas o Big Bang não é apenas uma história de origem; é a única explicação cientificamente válida de como o Universo cresceu para ser como é hoje. Para entender como, há apenas mais uma peça no quebra-cabeça: o fato de que a energia pura do Universo – na forma de luz ou radiação – fica mais fria quando o Universo fica maior, e era mais quente quando o Universo era menor. Quanto mais para trás no tempo olhamos, encontramos um Universo que não é apenas mais denso, mas também mais quente.
Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre objetos não ligados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Observe que os objetos começam mais perto do que a quantidade de tempo que a luz leva para viajar entre eles, a luz muda para o vermelho devido à expansão do espaço e as duas galáxias acabam muito mais distantes do que o caminho de viagem da luz feito pelo fóton trocado entre eles. (ROB KNOP)
Isso ainda significa que os primeiros estágios do Big Bang ainda têm toda a matéria que está em nosso Universo hoje. Mas toda essa matéria não é apenas comprimida em uma pequena quantidade de espaço, mas esse espaço é preenchido com grandes quantidades de radiação quente. Nos estágios iniciais, você não pode nem mesmo fazer diferentes tipos de núcleos atômicos: os núcleos de átomos como ferro, cálcio, sódio, oxigênio ou carbono. Somente quando o Universo se expandiu (e esfriou) o suficiente é que isso acontece.
Muito mais tarde, o Universo se expande e esfria o suficiente para que possamos formar átomos neutros. Toda essa radiação - que destruiu núcleos atômicos anteriormente e destruiu átomos neutros por muito mais tempo - ainda deve estar por aí hoje. Se o Big Bang estivesse correto, poderíamos sair e procurá-lo. Em 1964, os cientistas finalmente o descobriram e, até hoje (2020), já o medimos de forma primorosa. É real, e é definitivamente o que o Big Bang previu.
Arno Penzias e Bob Wilson no local da antena em Holmdel, Nova Jersey, onde o fundo cósmico de micro-ondas foi identificado pela primeira vez. Embora muitas fontes possam produzir fundos de radiação de baixa energia, as propriedades do CMB confirmam sua origem cósmica. (COLEÇÃO FÍSICA HOJE/AIP/SPL)
O Universo continuou a se expandir e esfriar, mas também começou a gravitar, onde pequenos aglomerados de matéria começaram a atrair outros aglomerados de matéria. Com o tempo, eles cresceram juntos, com os maiores aglomerados superando a expansão do Universo. Esses sortudos vencedores acabaram se transformando em estrelas e galáxias, que deram origem a elementos pesados, planetas rochosos e, em pelo menos um caso, vida inteligente.
O Big Bang nos ensinou como o Universo como o conhecemos começou. Ele nos ensinou como o Universo cresceu deste estado inicial ultradenso até os dias atuais. É uma história notável, mas que ainda não acabou. O Universo continua a se expandir hoje, e isso é algo de enorme interesse para os cientistas. O próximo grande mistério que ainda estamos tentando resolver, no entanto, é como tudo vai acabar . Talvez você seja o único que finalmente descubra.
As diferentes maneiras pelas quais a energia escura pode evoluir para o futuro. Permanecer constante ou aumentar em força (em um Big Rip) poderia potencialmente rejuvenescer o Universo, enquanto a reversão do sinal poderia levar a um Big Crunch. Em qualquer um desses dois cenários, o tempo pode ser cíclico, enquanto se nenhum deles se concretizar, o tempo pode ser finito ou infinito em duração em relação ao passado. (NASA/CXC/M.WEISS)
Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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