No livro “O fim da física”, 1ª Edição, 1994, tradução de José Gabriel Rosa, Stephen Hauking apresenta as mudanças de paradigma na física, as teorias que foram surgindo conforme apareciam problemas nas anteriores e especula qual a tendência na física, o que será o paradigma emergente.
Começa desde antes da ciência lembrando que havia uma “necessidade de uma ‘causa primeira’ para explicar a criação do universo [que] foi usada como argumento para provar a existência de Deus”.Por outro lado “Os filósofos gregos, como Platão e Aristóteles [...] não gostavam da idéia de uma intervenção divina directa nos assuntos do mundo, preferindo acreditar que o universo sempre tinha existido e sempre iria existir.” Trata, então, da questão entre Igreja e Copérnico, Galileu, que afirmaram ser o Sol o centro da galáxia, não mais a Terra, como até então se acreditava. Nesse âmbito, “uma vez abandonada a crença de que a Terra estava no centro do universo, foi natural postular que as outras estrelas eram outros sóis como o nosso e que estavam distribuídas de uma maneira mais ou menos uniforme num universo infinito”.
“Isto, contudo, levantava um problema: de acordo com a teoria da gravidade de Newton, publicada em 1687, cada estrela devia ser atraída em direção a todas as outras estrelas no universo.” Ou seja, surgiu um obstáculo à idéia de universo infinito e imutável que havia até o momento. Outro obstáculo a essa teoria foi “notado pela primeira vez pelo astrônomo suíço J. L. de Cheseaux e posteriormente desenvolvido por H. Olbers. Se o espaço está povoado uniformemente por estrelas com a mesma luminosidade média, um cálculo simples mostra que o fluxo total de luz estelar que chega a um certo ponto no universo é infinito!”
Mas, “Apesar destas e doutras dificuldades, quase toda a gente nos séculos XVIII e XIX acreditava que o universo era essencialmente imutável no tempo.” Mesmo em 1915, “quando Einstein formulou a sua teoria geral da relatividade, que modificou a teoria da gravidade de Newton para a tornar compatível com as descobertas sobre a propagação da luz”, essa crença persistia. “Um aspecto fundamental [e inovador] da teoria geral da relatividade de Einstein é que o espaço (rigorosamente, o espaço-tempo) pode ser curvo”. Porém o tempo “ainda era infinito neste modelo”.
Hauking afirma ainda que, “se Einstein tivesse ficado pela versão original da relatividade geral, sem a constante cosmológica [isto é, se Einstein tivesse apenas concluído a respeito das singularidades que transformam o tempo como conhecemos, sem considerar que o universo seria estável e imutável], podia ter previsto que o universo se deveria encontrar em expansão ou em colapso”. O que foi concluído por Slipher e Hubble quando “encontraram para as outras galáxias o mesmo padrão de comprimentos de onda, ou cores, que o das estrelas na nossa Galáxia, mas os padrões estavam todos deslocados para o comprimento de onda vermelho, menores, do espectro”, ou seja, a luz ou o som eram semelhantes ao que conhecemos por ondas e chegavam a nós vindos de outras galáxias com freqüência maior. O efeito Doppler explica essa questão, quando a fonte da onda está se movendo em relação a nós, há variação de sua freqüência/comprimento. No cotidiano percebemos o efeito Doppler quando um carro passar por nós, desde criança imitamos o som que se torna agudo quando o carro se aproxima e grave quando se afasta. E a “única explicação razoável era que as galáxias se estavam a afastar de nós”. Doravante a física concluiu que “o universo não era estático, como se tinha pensado até então, mas estava em expansão”. Com isso, com esse fato, a discussão muda completamente sobre se há um princípio e um fim do universo. “Não se trata somente de um (sic) questão metafísica, como no caso do universo estático [...] pode existir um princípio ou um fim físicos, bem reais, do nosso universo”.
Posteriormente, em 1922, Alexandre Friedmann partiu, em seus modelos e generalizações, da “hipótese de que o universo era semelhante em qualquer ponto do espaço e em qualquer direcção”. Seus três tipos de modelos são: “o universo expandir-se-á até um certo tamanho máximo, para depois se contrair”; “as galáxias afastam-se tão depressa que a gravidade nunca será capaz de as fazer para, expandindo-se o universo para sempre” e “as galáxias se afastam precisamente à taxa crítica de modo a evitar o recolapso”. Em 1965, em contribuição a tais proposições, “a melhor prova da uniformidade a grande escala veio da observação da radiação de fundo, de microondas [...] descoberta por Arno Penzias e Robert Wilson, dos Bell Telephone Laboratories”.
Argumentaríamos que, dentre os modelos de Friedmann, “poderíamos determinar qual o modelo que corresponde ao nosso universo comparando a taxa de expansão actual com a densidade de massa média que se verifica hoje. [...] Contudo, existem provas directas de que há mais massa que não podemos ver (este é o chamado problema da matéria escura)”.
“No modelo de Friedmann, em que o universo acaba por recolapsar, o espaço é finito, mas ilimitado, como no modelo estático de Einstein. [...] A expansão parte de um estado de densidade infinita, a chamada singularidade do big bang”. Neste “modelo que recolapsa, o universo acaba por voltar a uma singularidade – é o chamado ‘grande esmagamento’ (big crunch)”. Ou seja, “o princípio e o fim do tempo ocorrem por razões dinâmicas”, distinto da idéia de ‘causa primeira’ que precisaria de um início gerado por Deus, como mencionado no início do texto.
Mas “muitas pessoas não gostaram da idéia [...] porque isso lhes cheirava a intervenção divina” e tentaram evitar essa conclusão, uma das “tentativas foi o modelo do universo chamado de ‘estado estacionário’, proposto em 1948 por Herman Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle”: “à medida que as galáxias se afastam umas das outras, novas galáxias se formam no espaço intergaláctico a partir de matéria em ‘criação contínua’. [...] Infelizmente, as observações de fontes de rádio efectuadas em Cambridge, nos anos50 e princípios dos anos 60, por Martin Ryle e seus colaboradores mostraram que o número de fontes de rádio devia ter sido maior no passado, contradizendo o modelo do estado estacionário”.
“A descoberta da radiação de fundo de microondas por Penzias e Wilson [...] tem uma explicação natural no quadro da teoria do big bang. Segundo a teoria do estado estacionário, contudo, não houve, no passado, nenhuma fase quente e densa da qual essa radiação térmica pudesse provir. A presença de uma tal radiação não tinha qualquer explicação natural”. “Entre 1965 e 1970 foram demonstrados alguns teoremas que afirmavam que qualquer modelo do universo que estivesse de acordo com a relatividade geral, satisfizesse uma ou duas outras suposições razoáveis e contivesse tanta matéria quanta a que observamos no universo tem de possuir uma singularidade de big bang”. Assim, por definitivo concluiu-se que o universo não é estático, quebrou-se um paradigma físico e instaurou-se um novo.
“A teoria geral da relatividade de Einstein é provavelmente uma das duas maiores façanhas intelectuais do século XX. Revela-se, no entanto, incompleta, uma vez que é o que se chama uma teoria clássica, isto é, não incorpora o princípio da incerteza, contido na outra grande descoberta deste século – a mecânica quântica. O princípio da incerteza declara que certos pares de quantidade, como a posição e a velocidade duma partícula, não podem ser previstos com um grau de precisão arbitrariamente elevado. Quanto mais precisa for a previsão da posição duma partícula, menos precisa será a previsão da sua velocidade e vice-versa”. Dessa forma, a visão até então difundida de que haveria um espiralar até o núcleo não poderia ser confirmada, uma vez que saberíamos a posição e a velocidade (repouso) da partícula. Com a teoria quântica, passou-se a calcular as posições de maior probabilidade onde se encontraria o elétron em torno do núcleo, o que estudamos no Ensino Médio, os tipos de órbitas em que o elétron pode se encontrar no átomo. “Se fosse possível combinar a relatividade geral com a mecânica quântica de modo a formar uma teoria quântica da gravidade, se descobriria que as singularidades da expansão ou do colapso gravitacional estariam espalhadas (smared out), tal como no colapso do átomo”. “A primeira indicação de que isto poderia ser real apareceu com a descoberta de que os buracos negros, formados pelo colapso de regiões localizadas como as estrelas, não eram completamente negros se se levasse em conta o princípio da incerteza da mecânica quântica. Em vez disso, um buraco negro deve emitir partículas e radiação, sendo um corpo quente com uma temperatura que é maior quanto menor for sua massa”.
A partir desse novo paradigma novos problemas surgiram, por exemplo como definir as condições iniciais?. “O facto de as leis científicas não determinarem o estado inicial do universo numa singularidade, mas somente a maneira como o universo evolui a partir daí, constitui o verdadeiro problema de o espaço-tempo ter uma fronteira numa singularidade. [...] Muitos cientistas ficam embaraçados quando falam das condições de fronteira do universo porque têm a impressão de que esse tópico se aproxima da metafísica ou da religião”. De acordo com a “teoria geral da relatividade clássica, que não incorpora o princípio da incerteza, o estado inicial do universo é um ponto de densidade infinita”, já “quando a mecânica quântica é levada em conta, surge uma nova possibilidade, nomeadamente a de a singularidade poder ser espalhada”. Ou seja, “no universo muito primitivo, quando o espaço estava muito comprimido, o efeito de espalhamento (smearing) devido ao princípio da incerteza pode mudar esta distinção fundamental entre o espaço e tempo. [...] podemos dizer que o tempo se torna totalmente espacializado; é então mais correcto falar, não de espaço-tempo, mas de um espaço tetradimensional”. Isto é, o tempo no início/fim é distinto do que conhecemos hoje por tempo.
Hauking observa que “ainda não conhecemos a forma exacta das leis; nesta altura temos um certo número de leis parciais que governam o comportamento do universo sob todas as condições, excepto as mais extremas. Contudo, parece provável que estas leis façam todas parte de alguma teoria unificada que ainda temos de descobrir”.
A partir deste ponto, Stephen procura definir quais são as características da física atual, suas divisões e tratar da tendência de como esta ciência deverá ser para abordar todas as situações, para ter uma visão mais ampla da realidade, de nosso universo.
“Não teremos uma teoria completa até podermos fazer mais do que dizer: ‘As coisas são como são porque sempre foram assim’”. Até o momento “é muito difícil imaginar uma teoria completa de todo [...] o que fazemos é procurar teorias parciais que descrevam situações nas quais certas interacções possam ser ignoradas ou aproximadas duma maneira simples. Começamos por dividir o conteúdo material do universo em duas partes: partículas de ‘matéria’ e ‘interações’. [...] As partículas fundamentais da matéria estão dividas em dois grupos [...] As interacções estão divididas fenomenologicamente em quatro categorias. Por ordem crescente de intensidade, elas são: as forças nucleares fortes [...] o eletromagnetismo [...] as forças nucleares fracas [...] a gravidade”.
Há já em desenvolvimento as ‘teorias de grande unificação’ que “poderão constituir um passo significativo em direcção a uma teoria unificada completa”. Elas “propõem que, acima desta energia [1015 GeV], as interacções fortes estejam unificadas com as interacções fraca e eletromagnética, mas que a energias baixas ocorra quebra espontânea de simetria”. O que mostra que “até agora, a maior parte do esforço dos físicos tem sido consagrado à unificação das primeiras três categorias de interacções físicas: as forças nucleares forte e fraca e o eletromagnetismo. [...] Todavia, temos de incluir a gravidade se quisermos obter uma teoria completamente unificada. Além disso, a teoria da relatividade generalizada, que é clássica, prevê que existam singularidades no espaço-tempo, nas quais o campo gravítico se tornará infinitamente forte. Essas singularidades ocorreriam, no passado, no início da presente expansão do universo (o big bang) e no futuro, no colapso gravitacional de estrelas e, possivelmente, do próprio universo”. “Assim, é essencial uma teoria quântica da gravidade se quisermos descrever o universo primitivo e dar alguma explicação para as condições iniciais, para além de recorrer meramente ao princípio antrópico [‘As coisas são como são porque sempre foram assim’]”.
Mas Hauking mostra a polêmica que há ainda a esse respeito apesar de discordar dos que questionam: “’Terá o tempo realmente um princípio e, possivelmente, um fim, como é previsto pela relatividade geral clássica, ou estarão as singularidades no big bang e no grande esmagamento espalhadas de alguma forma devido a efeitos quânticos?’”.
Lembra também que, com o princípio da incerteza, “mesmo que encontremos uma teoria unificada, só podemos fazer previsões estatísticas. Também teríamos de abandonar o ponto de vista de que existe um único universo, o que observamos”. Define que “a mecânica quântica é essencialmente uma teoria do que não sabemos e não podemos prever”. Mas que não devemos nos deixar levar pela experiência no passado em que “Cada vez que estendemos as nossa observações a escalas de comprimento mais pequenas e a energias mais altas, descobrimos novas camadas de estrutura”, a qual “poderá sugerir que existe uma sequência infinita de camadas de estrutura a energias cada vez mais altas. De facto, uma tal visão de um regresso infinito de caixas dentro de caixas constituía dogma oficial na China na altura do Bando dos Quatro. No entanto, parece que a gravidade deve fornecer um limite à escala muito pequena de comprimentos [...] ou à energia muito alta”.
Termina afirmando a tendência do fim do paradigma atual – física teórica, físicos teóricos : “Assim, talvez o fim esteja à vista para os físicos teóricos, se o não estiver para a física teórica”.
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