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Big Bang, de Simon Singh (tradução de Jorge Luiz Calife; Record; 504 páginas; 62,90 reais) – Doutor em física pela Universidade Cambridge e produtor de séries científicas para a rede inglesa BBC, Simon Singh sabe seduzir o público leigo sem comprometer o rigor. Autor de uma obra fascinante sobre matemática – O Último Teorema de Fermat –, ele agora revisa as idéias sobre a origem do universo. O livro vai dos filósofos da Grécia antiga às descobertas recentes feitas por satélites no espaço para explicar por que a idéia de que tudo começou em uma grande explosão cósmica – o Big Bang – se tornou consenso entre os astrofísicos.

Leia trecho

Capítulo 1

NO PRINCÍPIO

A ciência deve começar com os mitos, e com a crítica dos mitos.
Karl Popper

Não me sinto obrigado a acreditar que o mesmo Deus que nos dotou de sentidos, de razão e de intelecto possa desejar que deixemos de usá-los.
Galileu Galilei

Viver na Terra pode ser dispendioso, mas inclui
uma viagem anual gratuita em torno do Sol.
Anônimo

A física não é uma religião. Se fosse, seria muito
mais fácil conseguir verbas para ela.
Leon Lederman

Nosso universo é pontilhado com mais de 100 bilhões de galáxias e cada uma contém aproximadamente 100 bilhões de estrelas. Não está claro quantos planetas orbitam essas estrelas, mas é certo que, em pelo menos um deles, a vida evoluiu. E, em especial, existe uma forma de vida que tem a capacidade e a audácia de especular sobre a origem deste vasto universo.

Os seres humanos vêm observando o espaço há milhares de gerações, mas nós temos o privilégio de fazer parte da primeira geração que alega ter uma descrição coerente, racional e respeitável para a criação e a evolução do universo. O modelo do Big Bang (Grande Explosão) oferece uma explicação elegante para a origem de tudo o que vemos no céu noturno, o que o transforma numa das maiores realizações do espírito e do intelecto humanos. Trata-se do resultado de uma curiosidade insaciável, de uma imaginação fabulosa, da observação aguçada e de uma lógica implacável.

E, o que é ainda mais maravilhoso, o modelo do Big Bang pode ser entendido por todos. Quando tomei conhecimento do Big Bang, ainda adolescente, fiquei admirado com sua beleza e simplicidade, e pelo fato de ser baseado em princípios que, em sua maior parte, não iam além da física que eu já aprendia no colégio. Exatamente como a teoria da seleção natural de Charles Darwin é ao mesmo tempo fundamental e compreensível para a maioria das pessoas inteligentes, o modelo do Big Bang pode ser explicado em termos que farão sentido para não-especialistas sem que precisem mergulhar nos conceitos-chave dos meandros da teoria.

Mas, antes de abordarmos os primeiros indícios do modelo do Big Bang, é necessário estabelecer alguns fundamentos. O modelo do Big Bang para o universo foi desenvolvido nos últimos cem anos, e isso só foi possível porque as descobertas do século XX se ergueram sobre os alicerces de uma astronomia desenvolvida nos séculos anteriores. Por sua vez, essas teorias e observações do céu foram realizadas em uma estrutura científica montada continuamente durante dois milênios. Recuando ainda mais, o método científico, como um caminho em direção a uma verdade objetiva a respeito do mundo natural, só pôde surgir quando o papel dos mitos e do folclore começou a declinar. Em resumo, as raízes do modelo do Big Bang e a busca de uma teoria científica para o universo têm suas origens no declínio da visão mitológica ancestral do mundo.

De criadores gigantes aos filósofos gregos

De acordo com um mito chinês da criação datado de 600 a.C., Phan Ku, o Criador Gigante, saiu de um ovo e começou a criar o mundo usando um cinzel para esculpir os vales e montanhas da paisagem. Em seguida ele colocou o Sol, a Lua e as estrelas no céu e morreu assim que essas tarefas tinham terminado. A morte do Criador Gigante era uma parte essencial do processo de criação, porque os fragmentos de seu próprio corpo ajudaram a completar o mundo. O crânio de Phan Ku formou a abóbada celeste, sua carne deu origem ao solo, seus ossos se transformaram nas rochas e seu sangue criou os rios e mares. Seu último suspiro produziu o vento e as nuvens, enquanto seu suor transformava-se na chuva. Seu cabelo caiu na Terra, criando a vida vegetal, e os piolhos escondidos em seus cabelos forneceram a base para a raça humana. E, como o nosso nascimento exigiu a morte de nosso criador, fomos amaldiçoados com a tristeza eterna.

Em contraste, no mito épico Prose Edda, da Islândia, a criação começou não com um ovo e sim com a Fenda Aberta. Esse vazio separou os reinos contrastantes de Muspell e Niflheim, até que um dia o calor brilhante e intenso de Muspell derreteu a neve congelante e o gelo de Niflheim, e a umidade caiu na Fenda Aberta, produzindo a vida na forma do gigante Imir. Só então a criação do mundo pôde começar.

O povo krachi, de Togo, no oeste da África, fala de outro gigante, o imenso deus azul Wulbari, mais conhecido entre nós como o céu. Houve um tempo em que ele se deitava logo acima da Terra, mas uma mulher socando grãos com um longo pau o cutucava e espetava de modo que ele se ergueu acima deste incômodo. Contudo, Wulbari permanecia ao alcance dos humanos, que usavam sua barriga como uma toalha e arrancavam fragmentos de seu corpo azul para temperarem a sopa. Gradualmente, Wulbari subiu cada vez mais alto, até que o céu azul ficou fora do alcance, e lá permaneceu desde então.

Para os iorubá, também da África ocidental, Olorum era o Dono do Céu. Quando ele olhou para baixo, para o pântano sem vida, pediu a outro ser divino que levasse uma concha de caramujo até a Terra primordial. A concha continha um pombo, uma galinha e uma pequena quantidade de solo. O solo foi salpicado sobre os pântanos da Terra e então o pombo e a galinha começaram a ciscar até que o pântano virou um terreno sólido. Para testar o mundo, Olorum enviou o Camaleão, que mudou da cor azul para o marrom enquanto ia do céu até a terra, sinalizando que a galinha e o pombo tinham completado com sucesso a sua tarefa.

No mundo inteiro, cada cultura desenvolveu seus próprios mitos sobre a origem do universo e como ele foi formado. Esses mitos da criação diferem bastante, cada um refletindo o ambiente e a sociedade onde se originou. Na Islândia, são as forças vulcânicas e meteorológicas que formam o cenário para o nascimento do Imir. Mas, de acordo com os iorubás, do oeste africano, são a galinha e o pombo familiares que dão origem à terra sólida. Não obstante, todos esses mitos da criação têm algumas características comuns. Seja Wulbari, grande, azul e machucado, ou o gigante moribundo da China, esses mitos inevitavelmente invocam pelo menos um ser sobrenatural para desempenhar um papel crucial na explicação da criação do universo. Da mesma forma, cada mito representa a verdade absoluta dentro de sua sociedade. A palavra "mito" vem do grego mythos, que pode significar "estória", mas também significa "palavra" no sentido de "palavra final". De fato, qualquer um que se atrevesse a questionar essas explicações estaria sujeito a acusações de heresia.

Nada mudou muito até o século VI a.C., quando houve um súbito surto de tolerância nos meios intelectuais. Pela primeira vez os filósofos ficaram livres para abandonar as explicações mitológicas aceitas para o universo e desenvolverem suas próprias teorias. Anaximandro, de Mileto, por exemplo, argumentava que o Sol era um buraco num anel cheio de fogo que circundava a Terra e girava em torno dela. De modo semelhante, ele acreditava que a Lua e as estrelas nada mais eram do que buracos no firmamento, revelando fogos de outro modo escondidos. De modo contrário, Xenófanes de Colofon acreditava que a Terra liberava gases combustíveis que se acumulavam durante a noite até atingirem uma massa crítica, quando então se incendiavam produzindo o Sol. A noite caía novamente quando a bola de gás queimara todo o seu combustível, deixando para trás apenas as poucas centelhas que chamamos de estrelas. Ele explicava a Lua de modo semelhante, com gases se acumulando e queimando num ciclo de 28 dias.

O fato de Xenófanes e Anaximandro não estarem perto da verdade não tem importância, porque o principal é que eles desenvolviam teorias que explicavam o mundo natural sem recorrer a deuses ou artefatos sobrenaturais. Teorias dizendo que o Sol é um fogo celeste visto através de um buraco no firmamento ou uma bola de gás se queimando eram qualitativamente diferentes do mito grego que explicava o Sol invocando uma carruagem dirigida através do céu pelo deus Hélio. Isso não quer dizer que a nova geração de filósofos quisesse necessariamente negar a existência dos deuses. Eles apenas se recusavam a acreditar que a interferência divina fosse responsável pelos fenômenos naturais.

Esses filósofos foram os primeiros cosmólogos, na medida em que estavam interessados no estudo científico do universo físico e de suas origens. A palavra "cosmologia" deriva da antiga palavra grega kosmeo, que significa "ordenar" ou "organizar", refletindo a crença de que o universo pode ser entendido e merece um estudo analítico. O cosmos apresentava padrões, e era ambição dos gregos reconhecer esses padrões, esmiuçá-los e compreender o que havia por trás deles.

Seria um grande exagero chamar Xenófanes e Anaximandro de cientistas no sentido moderno do termo, e seria lisonjeiro considerar suas idéias como teorias científicas plenamente desenvolvidas. Não obstante, eles certamente contribuíram para o nascimento do pensamento científico, e seu ethos tinha muito em comum com a ciência moderna. Tal como as idéias na ciência moderna, por exemplo, as idéias dos cosmólogos gregos podiam ser criticadas e comparadas, melhoradas ou abandonadas. Os gregos adoravam uma boa discussão e assim a comunidade dos filósofos examinava as teorias, questionava o raciocínio subjacente e finalmente escolhia a mais convincente. Em contraste, os indivíduos de muitas outras culturas não se atreviam a questionar a própria mitologia. Cada mitologia era um ato de fé dentro de sua própria sociedade.

Pitágoras de Samos ajudou a consolidar os fundamentos desse novo racionalismo por volta do ano 540 a.C. Como parte de sua filosofia ele desenvolveu uma paixão pela matemática e demonstrou como os números e as equações podiam ser usados para ajudar a formular teorias científicas. Uma de suas primeiras conquistas foi explicar a harmonia da música através da harmonia dos números. O instrumento mais importante na música helênica antiga era o tetracórdio ou lira de quatro cordas, mas Pitágoras desenvolveu sua teoria fazendo experiências com um monocórdio. A corda era mantida sob tensão constante, mas seu comprimento podia ser alterado. Um certo comprimento da corda produzia uma determinada nota, e Pitágoras percebeu que dividindo pela metade o comprimento da mesma corda, ela produzia uma nota que era uma oitava mais alta e em harmonia com a nota da corda original. De fato, mudando o comprimento da corda por qualquer fração simples ou proporção, criava-se uma nota harmoniosa com a primeira. (Por exemplo, uma proporção de 3:2, agora chamada de quinta musical). Mas, se o comprimento fosse mudado numa proporção aleatória (por exemplo 15:37), o resultado seria a desarmonia.

Já que Pitágoras tinha mostrado que a matemática podia ser usada para ajudar a explicar e descrever a música, gerações subseqüentes de cientistas usaram os números para explorar todo tipo de coisas, da trajetória de uma bala de canhão aos padrões caóticos do clima. Wilhelm Röntgen, que descobriu os raios X em 1895, era um fiel adepto da filosofia pitagórica da ciência matemática e certa vez declarou: "Ao se preparar para o seu trabalho, o físico precisa de três coisas: matemática, matemática e matemática".

O mantra de Pitágoras era "tudo é número". Alimentado por essa crença, ele tentou descobrir as regras matemáticas que regeriam os corpos celestes. Ele afirmava que os movimentos do Sol, da Lua e dos planetas através do céu geravam notas musicais especiais, que seriam determinadas pelo comprimento de suas órbitas. E a partir daí Pitágoras concluiu que essas órbitas e notas teriam proporções numéricas específicas para que o universo permanecesse em harmonia. Isso se tornou uma teoria popular em sua época. Podemos reexaminá-la a partir de uma perspectiva moderna e ver como ela enfrenta os rigores do método científico atual. Do lado positivo, a afirmação de Pitágoras de que o universo estava repleto de música não depende de nenhuma força sobrenatural. Sua teoria também é bem simples e muito concisa, duas qualidades muito valorizadas na ciência. De modo geral, uma teoria apoiada em uma única equação, curta e bonita, é preferível a outra teoria que depende de várias equações feias e imprecisas, cheias de parênteses complicados e espúrios. Como disse o físico Berndt Matthias: "Se você vir uma fórmula na revista Physical Review que ocupe um quarto de página, pode esquecê-la. Está errada. A Natureza não é tão complicada". Entretanto, a simplicidade e a concisão são secundárias diante da característica mais importante de qualquer teoria científica: ela deve corresponder à realidade e estar aberta à verificação. E é aí que a teoria da música celeste fracassa completamente. De acordo com Pitágoras, somos constantemente envolvidos por essa música celestial, mas não podemos percebê-la porque a ouvimos desde que nascemos e ficamos acostumados com ela. Para concluir, qualquer teoria que prevê uma música que nunca pode ser ouvida ou qualquer coisa que jamais poderá ser detectada é uma teoria científica muito pobre.

Toda teoria científica verdadeira precisa fazer uma previsão sobre o universo que possa ser observada ou medida. Se os resultados de uma experiência ou observação corresponderem à previsão teórica, teremos um bom motivo para que a teoria se torne aceita e seja incorporada à estrutura maior da ciência. Por outro lado, se a previsão teórica for imprecisa e entrar em conflito com a experiência ou a observação, então a teoria deve ser rejeitada, ou pelo menos modificada, a despeito de suas qualidades no que se refere à beleza ou à simplicidade. Esse é o desafio supremo, um desafio brutal, mas toda teoria científica deve poder ser testada e ser compatível com a realidade. No século XIX, o naturalista Thomas Huxley disse que "a grande tragédia da ciência é a morte de uma bela hipótese diante de uma feia realidade".

Felizmente os seguidores de Pitágoras ampliaram suas idéias e aperfeiçoaram sua metodologia. Aos poucos, a ciência foi se tornando uma disciplina sofisticada e poderosa, capaz de realizações impressionantes, como a medida dos verdadeiros diâmetros do Sol, da Lua e da Terra e das distâncias que os separam. Essas medições foram marcos na história da astronomia, representando os primeiros passos vacilantes na estrada para a compreensão de todo o universo. Por isso tais medidas merecem ser descritas em detalhes.

Antes que qualquer distância celeste ou tamanho pudessem ser calculados, os antigos gregos já tinham determinado que a Terra é uma esfera. Tal noção ganhou ampla aceitação na antiga Grécia à medida que os filósofos se familiarizavam com a noção de que os navios desaparecem gradualmente no horizonte até que apenas a ponta do mastro pode ser vista. E isso só fazia sentido se a superfície do mar se curvasse, mergulhando atrás do horizonte. Se o mar tinha uma superfície curva, então, presumivelmente, a Terra também a teria, o que significava que talvez fosse uma esfera. Essa visão era reforçada pela observação dos eclipses da Lua, quando a Terra projeta uma sombra em forma de disco sobre a Lua, na forma exata que se esperaria de um objeto esférico. De significado semelhante era o fato de que todos podiam ver que a própria Lua era redonda, sugerindo que a esfera era a forma natural, o que acrescentava mais munição à hipótese de uma Terra redonda. Tudo começava a fazer sentido, incluindo os escritos do viajante e historiador grego Heródoto, que falava de pessoas no extremo norte que dormiam durante metade de um ano. Se a Terra fosse esférica, então partes diferentes do globo seriam iluminadas de modo diferente, de acordo com suas latitudes, o que naturalmente dava origem ao inverno polar e às noites que duravam seis meses.

Mas uma Terra esférica dava origem a uma pergunta que ainda incomoda as crianças hoje em dia. O que impede que as pessoas no hemisfério Sul "se desprendam" e caiam? A solução grega para esse enigma baseava-se na crença de que o universo tinha um centro e tudo seria atraído para este centro. O centro da Terra supostamente coincidiria com o centro universal hipotético, assim a Terra era estática e tudo sobre sua superfície seria puxado em direção ao centro. Portanto, os gregos ficariam presos ao chão por essa força, assim como tudo o mais no mundo, mesmo se vivesse lá embaixo.

A façanha de medir o tamanho da Terra foi realizada em primeiro lugar por Eratóstenes, que nasceu em 276 a.C., em Cirene, na atual Líbia. Mesmo quando ainda era um menino parecia evidente que Eratóstenes tinha uma mente brilhante, que podia se voltar para qualquer disciplina, da poesia à geografia. Ele até mesmo recebeu o apelido de Pentatlos, o que significa um atleta que participa das cinco competições do pentatlo, numa sugestão da amplitude de seus talentos. Eratóstenes passou muito tempo como bibliotecário-chefe em Alexandria, o posto acadêmico de maior prestígio no mundo antigo. A cosmopolita Alexandria tinha tomado o lugar de Atenas como centro intelectual do Mediterrâneo, e a biblioteca da cidade era a instituição de ensino mais respeitada no mundo. Esqueça qualquer imagem de bibliotecários burocráticos, carimbando livros e sussurrando uns com os outros, porque aquele era um lugar vibrante e excitante, cheio de estudiosos inspiradores e estudantes empolgados.

Na biblioteca, Eratóstenes ficou sabendo da existência de um poço com notáveis propriedades, situado perto da cidade de Siena, no sul do Egito, perto da atual Assuã. A cada ano, ao meio-dia de 21 de junho, o dia do solstício de verão, o Sol brilhava diretamente dentro do poço e iluminava tudo até o fundo. Eratóstenes percebeu que, naquele dia em especial, o Sol deveria estar diretamente acima, algo que nunca acontecia em Alexandria, que ficava a várias centenas de quilômetros ao norte de Siena. Hoje sabemos que Siena fica perto do Trópico de Câncer, a latitude mais ao norte em que o Sol pode aparecer bem no zênite.

Ciente de que a curvatura da Terra era o motivo de o Sol não brilhar do mesmo modo acima de Siena e Alexandria ao mesmo tempo, Eratóstenes imaginou se não poderia usar isso para medir a circunferência da Terra. Ele não pensou no problema do mesmo modo como pensaríamos, já que sua interpretação da geometria e sua notação eram diferentes, mas aqui está uma explicação moderna de sua abordagem. A figura 1 mostra como os raios paralelos da luz do Sol atingiam a Terra ao meio-dia de 21 de junho. No mesmo momento em que a luz do Sol mergulhava verticalmente no fundo do poço em Siena, Eratóstenes fincou uma vareta verticalmente no solo de Alexandria e mediu o ângulo entre a vareta e os raios do Sol. E o que é crucial para o problema é que este ângulo equivale ao ângulo entre duas linhas radiais traçadas de Alexandria e Siena até o centro da Terra. Ele mediu o ângulo como sendo de 7,2o.