Como a teoria do Big Bang foi confirmada por acidente

Por: Guilherme Pimentel

Até meados dos anos 60, havia duas teorias que tentavam explicar a origem do universo. Uma delas conjecturava que o universo estava em equilíbrio. A outra conjecturava que o universo teve um início, e desde então está em expansão. Ambas tinham seus atrativos estéticos e explicavam as observações astronômicas da época, até um fortuito experimento que realmente confirmou que nosso universo está em expansão.

A primeira teoria – do "Universo estacionário" – proposta por Bondi, Gold e Hoyle, conseguiu realizar o ideal estético de Einstein, de um universo imutável. Ela resolvia problemas dos modelos anteriores, propostos por Einstein, que geravam um universo aparentemente eterno e estático, porém instável – uma pequena modificação da geometria gerava colapso de todo o universo.

Um grande obstáculo para a ideia do universo estacionário foi a observação de Edwin Hubble que as galáxias ao nosso redor estão se afastando de nós, com velocidade cada vez maior, quão mais distantes elas estejam. Como acomodar um universo imutável em que observamos galáxias se afastando de nós?

A solução encontrada pelos autores foi postular a existência de um certo "campo C" -, que exercia duas funções: criava matéria à mesma medida que o universo se expandia. Dessa maneira, o campo C separava as galáxias umas das outras e controlava a instabilidade encontrada por Einstein. Ao mesmo tempo, o campo C também seria responsável por formar estrutura, como galáxias e estrelas, para preencher o vazio criado pela expansão do universo. Um balanço destes dois efeitos, segundo os proponentes da teoria, seria capaz de explicar as observações de Hubble e manter a estética de um universo imutável sonhada por Einstein.

A segunda teoria – concebida por diversos autores, em particular Lemaître, Freedman, Robertson, Walker e Gamow – postulava que o universo está em expansão, e que houve um instante inicial, a partir do qual a expansão se inicia. A ideia por trás deste universo em expansão seria a de propor a explicação mais óbvia para as ideias de Hubble – se tudo ao nosso redor se afasta de nós, o universo como um todo deve estar se expandindo.

Em particular, Gamow e seu estudante, Ralph Alpher, levaram a ideia a sério, e mostraram que, num passado distante, as estrelas e galáxias sequer existiam, pois todas as partículas de matéria do universo estavam muito próximas umas das outras. Nessa época, o universo se comportava como uma bola de fogo, pois as partículas estavam constantemente se chocando. Apenas após o universo se expandir o suficiente as partículas teriam tido espaço para se movimentar sem colidir, para começarem a gerar estruturas organizadas – átomos, moléculas, planetas, estrelas etc. Essa transição de fase do universo é semelhante a uma transição da água do estado líquido para o estado sólido – de um estado caótico para um estado organizado.

Se as ideias de Gamow e Alpher estivessem certas, durante esse período de liberação do universo, um tipo especial de luz seria emitido. Essa luz primordial seria a mais antiga que qualquer telescópio poderia observar, e, em particular, deveria ter as mesmas características em todas as direções; afinal, o universo se comportava como uma bola de fogo. Fred Hoyle – um dos proponentes da teoria do universo estacionário – achava a teoria concorrente tão ridícula que a batizou em um programa de rádio de "Big Bang" – uma grande explosão. O nome ficou.

Em 1965 a previsão de Gamow e Alpher foi confirmada em um episódio curioso de "descoberta por acidente". Em 1965, Arno Penzias e Robert Wilson, dos laboratórios de telefonia Bell, nos EUA, construíram uma antena de microondas de alta precisão. Seu objetivo era eliminar todo tipo de ruído para ter excelente recepção de sinais em microondas, e utilizar a antena para observar sinais vindos do céu, em particular emissões vindas de galáxias. Depois de construir sua antena, Penzias e Wilson observaram que ela detectava determinado ruído que não tinha origem galática – o ruído era fraco demais para vir da nossa Via Láctea, e o nível de ruído era o mesmo independente da direção da antena.

Após várias tentativas de eliminar o ruído, eles foram perguntar a pesquisadores na universidade de Princeton se havia alguma explicação astrofísica para este sinal. Os cientistas em Princeton ficaram chocados, pois estavam desenvolvendo um experimento para detectar justamente este sinal – a mesma luz predita por Gamow e Alpher vinda dos primórdios do universo! A observação de Penzias e Wilson desta "radiação cósmica de fundo" foi confirmada por diversos experimentos, e é hoje a principal evidência de que o universo está em expansão. Penzias e Wilson receberam o premio Nobel em 1978 por sua descoberta acidental da radiação de fundo e da confirmação do Big Bang como melhor modelo para o universo.

Fica a primeira lição – na física, não importa quão bonitas sejam suas ideias para explicar o universo; se elas contradizem experimento, estão erradas. Entretanto, a teoria do universo estacionário ainda possuía uma intrínseca elegância, tanto conceitual quanto na simplicidade de suas equações acabaram sendo recicladas no futuro.

Apesar de confirmar a teoria do Big Bang, a radiação cósmica de fundo levantou um quebra-cabeças que só recebeu uma resolução satisfatória nos anos 80 – se o universo era tão jovem quando a radiação cósmica de fundo foi emitida, como pode a temperatura desta radiação ser a mesma em todas as direções em que apontamos nossos telescópios?

No próximo post, veremos que a solução deste quebra-cabeça é uma teoria que tem muito em comum com a teoria do universo estacionário, e é utilizada de forma complementar ao Big Bang. Fica a segunda lição – boas ideias são raras, e podem ser aproveitadas não necessariamente no contexto em que foram descobertas.

Sobre o autor: Guilherme Pimentel é pesquisador no instituto de física da Universidade de Amsterdã na Holanda. Tem graduação em engenharia eletrônica e mestrado em física pelo ITA. Fez doutorado em física na Universidade de Princeton e trabalhou como pesquisador na Universidade de Cambridge. Sua pesquisa é focada em cosmologia e física de partículas; em particular, em propor novas teorias para explicar a expansão acelerada do universo.