Compreendendo a cosmologia e seu impacto

A cosmologia pode ser uma disciplina difícil de lidar, pois é um campo de estudo dentro da física que aborda muitas outras áreas. (Embora, na verdade, hoje em dia praticamente todos os campos de estudo da física tenham contato com muitas outras áreas.) O que é cosmologia? O que as pessoas que estudam (chamadas cosmologistas) realmente fazem? Que evidência existe para apoiar o trabalho deles?

Cosmologia é a disciplina da ciência que estuda a origem e o destino final do universo. Está mais estreitamente relacionado aos campos específicos da astronomia e da astrofísica, embora o século passado também tenha alinhado a cosmologia com os principais insights da física de partículas.

Em outras palavras, chegamos a uma realização fascinante:

Nossa compreensão da cosmologia moderna vem da conexão do comportamento do maior estruturas do nosso universo (planetas, estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias) junto com as do menor estruturas em nosso universo (partículas fundamentais).

O estudo da cosmologia é provavelmente uma das formas mais antigas de investigação especulativa da natureza e começou em algum momento da história, quando um humano antigo olhou para o céu, fez perguntas como a Segue:

• Como chegamos a estar aqui?
• O que está acontecendo no céu noturno?
• Nós estamos sozinhos no universo?
• Quais são essas coisas brilhantes no céu?

Você entendeu a ideia.

Os antigos propuseram algumas boas tentativas de explicá-las. O principal deles na tradição científica ocidental é o física dos antigos gregos, que desenvolveu um modelo geocêntrico abrangente do universo que foi aprimorado ao longo dos séculos até a época de Ptolomeu, momento em que a cosmologia realmente não se desenvolveu mais por vários séculos, exceto em alguns detalhes sobre a velocidade dos vários componentes da sistema.

O próximo grande avanço nessa área veio de Nicolaus Copernicus em 1543, quando ele publicou seu livro de astronomia no leito de morte (antecipando que isso causaria controvérsia com a Igreja Católica), descrevendo as evidências de seu modelo heliocêntrico de energia solar. sistema. O insight principal que motivou essa transformação no pensamento foi a noção de que não havia razão para supor que a Terra contém uma posição fundamentalmente privilegiada dentro da física cosmos. Essa mudança nas premissas é conhecida como Princípio Copernicano. O modelo heliocêntrico de Copérnico tornou-se ainda mais popular e aceito com base no trabalho de Tycho Brahe, Galileo Galileie Johannes Kepler, que acumularam evidências experimentais substanciais em apoio ao modelo heliocêntrico copernicano.

isso foi Sir Isaac Newton que foi capaz de reunir todas essas descobertas para realmente explicar os movimentos planetários, no entanto. Ele teve a intuição e o insight de perceber que o movimento dos objetos que caem na Terra era semelhante ao movimento dos objetos que orbitam a Terra (em essência, esses objetos estão caindo continuamente por aí a Terra). Como esse movimento era semelhante, ele percebeu que provavelmente era causado pela mesma força, que ele chamou de gravidade. Pela observação cuidadosa e pelo desenvolvimento de uma nova matemática chamada cálculo e ele três leis do movimento, Newton foi capaz de criar equações que descreviam esse movimento em várias situações.

Embora a lei da gravidade de Newton tenha trabalhado na previsão do movimento dos céus, havia um problema... não estava exatamente claro como estava funcionando. A teoria propunha que objetos com massa se atraem através do espaço, mas Newton não foi capaz de desenvolver uma explicação científica para o mecanismo que a gravidade usou para conseguir isso. Para explicar o inexplicável, Newton confiou em um apelo genérico a Deus, basicamente, os objetos se comportam dessa maneira em resposta à presença perfeita de Deus no universo. Obter uma explicação física demoraria mais de dois séculos, até a chegada de um gênio cujo intelecto poderia eclipsar até o de Newton.

A cosmologia de Newton dominou a ciência até o início do século XX, quando Albert Einstein desenvolveu sua teoria da relatividade geral, que redefiniu o entendimento científico da gravidade. Na nova formulação de Einstein, a gravidade foi causada pela flexão do espaço-tempo quadridimensional em resposta à presença de um objeto maciço, como um planeta, uma estrela ou mesmo uma galáxia.

Uma das implicações interessantes dessa nova formulação foi que o próprio espaço-tempo não estava em equilíbrio. Em pouco tempo, os cientistas perceberam que a relatividade geral previa que o espaço-tempo se expandiria ou se contrairia. Acredite que Einstein acreditava que o universo era realmente eterno, ele introduziu um constante cosmológica na teoria, que forneceu uma pressão que neutralizou a expansão ou contração. No entanto, quando o astrônomo Edwin Hubble finalmente descobriu que o universo estava de fato se expandindo, Einstein percebeu que havia cometido um erro e retirou a constante cosmológica da teoria.

Se o universo estivesse se expandindo, a conclusão natural é que, se você rebobinasse o universo, veria que ele deveria ter começado em uma pequena e densa massa de matéria. Essa teoria de como o universo começou a se chamar Teoria do Big Bang. Essa era uma teoria controversa até a metade das décadas do século XX, pois disputava o domínio contra os de Fred Hoyle. teoria do estado estacionário. A descoberta da radiação cósmica de fundo em microondas em 1965, no entanto, confirmou uma previsão que havia sido feita em relação ao big bang, tornando-se amplamente aceita entre os físicos.

Embora ele tenha se provado errado sobre a teoria do estado estacionário, Hoyle é creditado com os principais desenvolvimentos na teoria da nucleossíntese estelar, que é a teoria de que o hidrogênio e outros átomos de luz são transformados em átomos mais pesados ​​dentro dos cadinhos nucleares chamados estrelas, e cospem no universo após a morte da estrela. Esses átomos mais pesados ​​passam a formar água, planetas e, finalmente, vida na Terra, incluindo os humanos! Assim, nas palavras de muitos cosmologistas impressionados, somos todos formados a partir da poeira estelar.

Enfim, de volta à evolução do universo. Como os cientistas obtiveram mais informações sobre o universo e mediram com mais cuidado a radiação cósmica de fundo no microondas, houve um problema. À medida que foram feitas medições detalhadas dos dados astronômicos, ficou claro que os conceitos de quantum a física precisava desempenhar um papel mais forte na compreensão das fases iniciais e da evolução da universo. Esse campo da cosmologia teórica, embora ainda altamente especulativo, tornou-se bastante fértil e às vezes é chamado de cosmologia quântica.

A física quântica mostrou um universo bastante próximo de ser uniforme em energia e matéria, mas não era completamente uniforme. No entanto, quaisquer flutuações no universo primitivo teriam se expandido muito ao longo dos bilhões de anos em que o universo se expandiu... e as flutuações eram muito menores do que se poderia esperar. Então, os cosmologistas tiveram que descobrir uma maneira de explicar um universo primitivo não uniforme, mas que só flutuações extremamente pequenas.

Entre Alan Guth, um físico de partículas que enfrentou esse problema em 1980 com o desenvolvimento de teoria da inflação. As flutuações no universo primitivo eram pequenas flutuações quânticas, mas se expandiram rapidamente no universo primordial devido a um período de expansão ultrarrápido. As observações astronômicas desde 1980 apóiam as previsões da teoria da inflação e agora é a visão de consenso entre a maioria dos cosmólogos.

Embora a cosmologia tenha avançado muito ao longo do século passado, ainda existem vários mistérios abertos. De fato, dois dos mistérios centrais da física moderna são os problemas dominantes na cosmologia e astrofísica:

• Dark Matter - Algumas galáxias estão se movendo de uma maneira que não pode ser totalmente explicada com base na quantidade de matéria que é observada dentro deles (chamada "matéria visível"), mas que pode ser explicada se houver uma matéria invisível extra dentro da galáxia. Essa matéria extra, prevista para ocupar cerca de 25% do universo, com base nas medições mais recentes, é chamada matéria escura. Além de observações astronômicas, experimentos na Terra, como o Pesquisa de matéria escura criogênica (CDMS) estão tentando observar diretamente a matéria escura.
• Energia escura - Em 1998, os astrônomos tentaram detectar a taxa na qual o universo estava desacelerando... mas eles descobriram que não estava diminuindo a velocidade. De fato, a taxa de aceleração estava aumentando. Parece que a constante cosmológica de Einstein era necessária, afinal, mas em vez de manter o universo como um estado de equilíbrio, na verdade, parece estar separando as galáxias a uma taxa cada vez maior conforme o tempo passa em. Não se sabe exatamente o que está causando essa "gravidade repulsiva", mas o nome que os físicos deram a essa substância é "energia escura". As observações astronômicas prevêem que essa energia escura representa cerca de 70% da energia do universo. substância.

Existem outras sugestões para explicar esses resultados incomuns, como Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND) e velocidade variável cosmologia da luz, mas essas alternativas são consideradas teorias marginais que não são aceitas por muitos físicos na campo.

Vale a pena notar que a teoria do big bang realmente descreve a maneira como o universo evoluiu desde logo após sua criação, mas não pode fornecer nenhuma informação direta sobre as origens reais do universo.

Isso não quer dizer que a física não possa nos dizer nada sobre as origens do universo. Quando os físicos exploram a menor escala de espaço, descobrem que a física quântica resulta na criação de partículas virtuais, como evidenciado pelo Efeito Casimir. De fato, a teoria da inflação prevê que, na ausência de matéria ou energia, o espaço-tempo se expandirá. Tomada pelo valor nominal, isso, portanto, fornece aos cientistas uma explicação razoável de como o universo poderia inicialmente surgir. Se houvesse um verdadeiro "nada", não importa, não há energia, não há espaço-tempo, então nada seria instável e começaria a gerar matéria, energia e um espaço-tempo em expansão. Esta é a tese central de livros como The Grand Design e Um universo do nada, que postulam que o universo pode ser explicado sem referência a uma divindade criadora sobrenatural.

Seria difícil enfatizar demais a importância cosmológica, filosófica e talvez até teológica de reconhecer que a Terra não era o centro do cosmos. Nesse sentido, a cosmologia é um dos primeiros campos que produziu evidências que estavam em conflito com a cosmovisão religiosa tradicional. De fato, todo avanço na cosmologia parece estar diante das suposições mais queridas que gostaríamos de fazer sobre como a humanidade é especial como espécie... pelo menos em termos de história cosmológica. Esta passagem de The Grand Design por Stephen Hawking e Leonard Mlodinow eloquentemente expõe a transformação no pensamento que veio da cosmologia:

O modelo heliocêntrico de Nicolaus Copernicus do sistema solar é reconhecido como a primeira demonstração científica convincente de que nós, humanos, não somos o ponto focal do cosmos... Agora percebemos que o resultado de Copérnico é apenas uma de uma série de rebaixamentos aninhados que derrubam suposições de longa data sobre status especial da humanidade: não estamos localizados no centro do sistema solar, não estamos localizados no centro da galáxia, estamos não localizado no centro do universo, nem somos feitos dos ingredientes escuros que constituem a grande maioria dos massa do universo. Tal rebaixamento cósmico... exemplifica o que os cientistas chamam agora de princípio copernicano: no grande esquema das coisas, tudo o que sabemos aponta para os seres humanos que não ocupam uma posição privilegiada.