O Universo é mais antigo do que pensamos? Parte 1: O Relógio Cosmológico

 Esta é a Parte 1 de uma série sobre a idade do universo. 

Quando digo que o universo tem 13,77 bilhões de anos, soa bastante categórico. E não é só por causa dos números depois da vírgula. Isso apenas torna a afirmação precisa (e temos muito orgulho de termos alcançado esse nível de precisão, muito obrigado). Não, é a extrema confiança que me permite sentar aqui, olhar nos seus olhos e dizer, sem qualquer sombra de dúvida, que estimamos a idade do universo em 13,77 bilhões de anos.

Mas... como? Como sabemos, de verdade, qual a idade do universo? E o que significa, afinal, o UNIVERSO inteiro ter uma idade?

Então vamos lá. No episódio de hoje, vou explicar como calculamos a idade do universo e como chegamos a tanta certeza disso. Depois, vou apresentar três possíveis desafios ao nosso método de calcular a idade do universo.

E vou superar esses desafios com a pura força da minha confiança.

E ciência. Principalmente ciência.

Bem, primeira objeção: será que o universo realmente pode ter um "relógio"? Tipo, a relatividade especial, que é importante e bem testada há mais de um século, não afirma que não existe um relógio universal? Quando voltamos muito no tempo, para a era pré-Einstein, nossas concepções sobre a estrutura do universo estavam enraizadas em Newton. Como os objetos sabem quando e onde interagir uns com os outros? Para Newton, o que permitia isso era um relógio universal e uma regra mestra, um conjunto de padrões pelos quais tudo o mais podia ser medido.

Não, não havia literalmente um relógio gigante atrás de alguma nebulosa marcando o tempo cósmico, e não existe um Escritório de Padrões e Medidas Universais que possui, sei lá, uma barra de ouro que diz "isto é exatamente um metro, em relação ao qual todas as outras medições serão feitas agora e para sempre".

É uma ideia conceitual, uma forma de estruturar a matemática para que tudo se alinhe e faça sentido. Para Newton, objetos e eventos não possuem um senso intrínseco de tempo ou espaço; eles precisam depender de alguma entidade externa (vamos chamá-la de espaço-tempo por conveniência, embora ele não a tenha concebido dessa forma) para saber onde e quando estão em qualquer lugar e momento.

Então Einstein destruiu tudo isso, como era de seu feitio. Ele disse, e até agora ele estava certo, que NÃO existem relógios universais. NÃO existem réguas mestras. Cada objeto no universo tem seu próprio sistema de referência único e especial, com sua própria maneira especial de medir a passagem do tempo e as distâncias entre os objetos.

Isso soa... como um caos. E é mesmo. Sob a relatividade restrita, a sincronização é uma piada, algo que pode acontecer por breves instantes quando os objetos estão próximos uns dos outros. Assim que se movem, tudo desaparece. Mas, como bom vendedor, o velho tio Alberto apresentou a solução para o problema que ele mesmo criou: a matemática da relatividade restrita, que nos ensina COMO traduzir um referencial para outro. Não, nunca vamos concordar sobre a duração de um segundo ou a largura de um metro, mas pelo menos temos os mecanismos para comparar nossas anotações com as dos outros.

Então, se não existe um governante ou relógio mestre no universo, se não há um referencial absoluto, se cada pessoa e tudo tem sua própria versão da passagem do tempo, como podemos afirmar com alguma certeza que o universo tem 13,77 anos? Isso não depende de quem está fazendo a medição?

E a resposta é: não. A relatividade restrita afirma que o universo não PRECISA ter um referencial preferencial, uma escala absoluta específica. Mas isso não significa que NÃO POSSA haver um.

Aí entra a relatividade geral, que é como a relatividade restrita, mas com um diferencial. E esse diferencial é a capacidade de descrever o comportamento do espaço-tempo quando as coisas ficam realmente complexas. Complexas como, por exemplo, a evolução de todo o universo.

Em cosmologia, nos deparamos com um fato observacional direto: galáxias distantes parecem estar se afastando de nós. Isso parece um problema complexo envolvendo gravidade e a natureza do espaço-tempo, então recorremos à relatividade geral para nos ajudar a construir um modelo do que está acontecendo. E o modelo mais simples e, simultaneamente, mais abrangente (na física, gostamos de usar a palavra parcimonioso: o máximo que podemos explicar com o modelo mais simples possível, ou seja, o quão econômico podemos ser sem comprometer a qualidade) é chamado de métrica FLRW.

Essas letras representam Friedmann, Lemaitre, Robertson e Walker, quatro pessoas que, no início do século XX, reuniram toda a cosmologia em um único quadro coerente. E nesse quadro, nesse modelo de como o universo funciona, faz-se uma distinção fundamental que permite romper com a relatividade restrita: a matéria.

O universo está cheio de coisas. Estrelas. Planetas. Suas meias perdidas. Há todo tipo de matéria por aí, mas ela não está apenas parada, está em movimento. E está se movendo de uma maneira muito particular: está se expandindo.

Com o passar do tempo, a matéria no universo se expande, se torna mais rarefeita e esfria. Ahá! Isso nos dá uma HISTÓRIA COMPARTILHADA. As épocas no universo são DIFERENTES. Ontem, o universo era um pouco menor, um pouco mais denso e um pouco mais quente. Amanhã, o cosmos será maior, mais rarefeito e mais frio.

Como o universo está em expansão, a simetria é quebrada: o passado é diferente do futuro. E qualquer observador no universo, não importa em qual galáxia viva, se for suficientemente sofisticado para desenvolver a cosmologia e sua versão da métrica FLRM, chegará à mesma conclusão, e todos concordarão que o universo era diferente no passado, e serão capazes de calcular QUANTO diferente o universo era no passado, e a partir daí calcular há quanto tempo ocorreu “o passado”.

O que significa que podemos construir um relógio universal.

Continua…

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