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Os primeiros três minutos: voltando ao início dos tempos com Steven Weinberg (Parte 1)

Crédito : Billy Huynh via Unsplash

• O falecimento recente do grande físico teórico Steven Weinberg trouxe de volta lembranças de como seu livro me levou ao estudo da cosmologia.
• Voltar no tempo, em direção à infância cósmica, é um esforço espetacular que combina engenhosidade experimental e teórica. A cosmologia moderna é uma ciência experimental.
• A história cósmica é, em última análise, nossa. Nossas raízes chegam até os primeiros momentos após a criação.

Quando eu era calouro na faculdade, meu professor de eletromagnetismo teve uma ideia incrível. Além dos habituais trabalhos de casa e exames, devíamos dar um seminário à turma sobre um tema à nossa escolha. A ideia era avaliar qual área da física estaríamos interessados ​​em seguir profissionalmente.

O professor Gilson Carneiro sabia que eu estava interessado em cosmologia e sugeriu um livro do Prêmio Nobel Steven Weinberg: Os primeiros três minutos: uma visão moderna da origem do universo . Ainda tenho meu exemplar original em português, de 1979, que emana um cheiro tropical de mofo, pousado na minha estante lado a lado com a versão americana, uma edição Bantam de 1979.

Inspirado por Steven Weinberg

Os livros podem mudar vidas. Eles podem iluminar o caminho à frente. No meu caso, não há dúvida de que o livro de Weinberg explodiu minha mente adolescente. Decidi, naquele momento, que me tornaria um cosmólogo trabalhando na física do universo primitivo. Os primeiros três minutos de existência cósmica – o que poderia ser mais emocionante para um jovem físico do que tentar desvendar o mistério da própria criação e a origem do universo, da matéria e das estrelas? Weinberg rapidamente se tornou meu herói da física moderna, aquele que eu queria imitar profissionalmente. Infelizmente, ele faleceu em 23 de julho^rd, deixando um enorme vazio para uma geração de físicos.

O que excitava minha jovem imaginação era que a ciência poderia realmente dar sentido ao universo primitivo, o que significa que as teorias poderiam ser validadas e as ideias poderiam ser testadas contra dados reais. A cosmologia, como ciência, só decolou depois que Einstein publicou seu artigo sobre a forma do universo em 1917, dois anos depois de seu artigo inovador sobre a teoria da relatividade geral, que explica como podemos interpretar a gravidade como a curvatura do espaço-tempo . A matéria não dobra o tempo, mas afeta a rapidez com que flui. (Veja o ensaio da semana passada sobre o que acontece quando você cai em um buraco negro).

A Teoria do Big Bang

Para a maioria dos 20^ºséculo, a cosmologia vivia no reino da especulação teórica. Um modelo propôs que o universo começou a partir de um plasma pequeno, quente e denso bilhões de anos atrás e vem se expandindo desde então – o modelo do Big Bang; outro sugeriu que o cosmos está parado e que as mudanças que os astrônomos veem são principalmente locais – o modelo de estado estacionário.

Modelos concorrentes são essenciais para a ciência, mas também o são os dados para nos ajudar a discriminá-los. Em meados da década de 1960, uma descoberta decisiva mudou o jogo para sempre. Arno Penzias e Robert Wilson descobriram acidentalmente a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), um fóssil do universo primitivo previsto para existir por George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman em seu modelo do Big Bang. (Alpher e Herman publicaram um adorável relato da história aqui .) O CMB é um banho de fótons de micro-ondas que permeia todo o espaço, um resquício da época em que os primeiros átomos de hidrogênio foram forjados, cerca de 400.000 anos após o estrondo.

A existência do CMB foi a arma fumegante que confirmou o modelo do Big Bang. A partir desse momento, uma série de observatórios e detectores espetaculares, tanto em terra quanto no espaço, extraíram enormes quantidades de informações das propriedades da CMB, um pouco como os paleontólogos que escavam os restos de dinossauros e cavam em busca de mais ossos para obter detalhes de um passado distante.

Até onde podemos ir?

Confirmar o esboço geral do modelo do Big Bang mudou nossa visão cósmica. O universo, como você e eu, tem uma história, um passado esperando para ser explorado. Quão longe no tempo poderíamos cavar? Havia alguma parede final que não podemos passar?

Como a matéria fica quente à medida que é espremida, voltar no tempo significava olhar para a matéria e a radiação em temperaturas cada vez mais altas. Existe uma relação simples que liga a idade do universo e sua temperatura, medida em termos da temperatura dos fótons (as partículas de luz visível e outras formas de radiação invisível). O engraçado é que a matéria se decompõe à medida que a temperatura aumenta. Então, voltar no tempo significa olhar para a matéria em estados de organização cada vez mais primitivos. Depois que o CMB se formou 400.000 anos após o estrondo, havia átomos de hidrogênio. Antes, não havia. O universo estava repleto de uma sopa primordial de partículas: prótons, nêutrons, elétrons, fótons e neutrinos, as partículas fantasmagóricas que atravessam planetas e pessoas ilesas. Além disso, havia núcleos atômicos muito leves, como deutério e trítio (ambos primos mais pesados ​​do hidrogênio), hélio e lítio.

alquimia cósmica

Então, para estudar o universo após 400.000 anos, precisamos usar a física atômica, pelo menos até que grandes aglomerados de matéria se agreguem devido à gravidade e comecem a colapsar para formar as primeiras estrelas, alguns milhões de anos depois. E mais cedo? A história cósmica é dividida em pedaços de tempo, cada um do reino de diferentes tipos de física. Antes que os átomos se formem, até cerca de um segundo após o Big Bang, é hora da física nuclear. É por isso que Weinberg brilhantemente intitulou seu livro Os primeiros três minutos . É no intervalo entre um centésimo de segundo e três minutos que se formam os núcleos atômicos leves (feitos de prótons e nêutrons), processo chamado, com um toque poético, de nucleossíntese primordial. Prótons colidiram com nêutrons e, às vezes, ficaram presos juntos devido à força nuclear forte atrativa. Por que apenas alguns núcleos leves se formaram então? Porque a expansão do universo tornou difícil para as partículas se encontrarem.

E os núcleos de elementos mais pesados, como carbono, oxigênio, cálcio, ouro? A resposta é linda: todos os elementos da tabela periódica depois do lítio foram feitos e continuam sendo feitos nas estrelas, os verdadeiros alquimistas cósmicos. O hidrogênio eventualmente se torna pessoas se você esperar o suficiente. Pelo menos neste universo.

Neste artigo, chegamos até a nucleossíntese, o forjamento dos primeiros núcleos atômicos quando o universo tinha um minuto. E mais cedo? Quão perto do início, de t = 0, a ciência pode chegar? Fiquem atentos, e continuaremos na próxima semana.

Leia a Parte 2: Até o início: voltando no tempo com Steven Weinberg

A Steven Weinberg, com gratidão, por tudo o que você nos ensinou sobre o universo.

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