O tamanho do Universo: uma pegunta difícil (parte 2)

Atenção! Este post é uma tradução expressamente autorizada pelo
autor. A reprodução total ou parcial do mesmo pode ser considerada
violação de direitos autorais. O link para o post original de Ethan
Siegel em “Starts with a Bang” vai aí abaixo.

Distâncias, Posição e Movimento no Universo.

Distances, Position, and Motion in the Universe

Category: AstronomyGravityPhysicsrelativity
Posted on: August 3, 2009 2:13 PM, by Ethan Siegel

No fim da semana passada, eu [Ethan Siegel] escrevi um post explicando como o Universo pode ser tão grande (93 bilhões de anos-luz de diâmetro), quando tem apenas 13,7 bilhões de anos de idade. A chave para a visualização é pensar no espaço como sendo a superfície de um balão que se expande, enquanto todas as coisas nesse Universo (estrelas, galáxias, etc) são como formigas nessa superfície.

ant_flat.jpg

Bom… Eu expliquei que duas formigas parecerão estarem se afastando uma da outra devido à expansão do Universo, muito embora nenhuma das duas formigas esteja se movendo com relação à superfície do balão. Se eu for uma das formigas e usar a luz para medir se a outra formiga está ou não se afastando de mim, eu vou descobrir que ela está: a luz que vem dela apresenta um desvio para o vermelho, da mesma forma que um automóvel em alta velocidade e que se afasta da gente, faz um barulho mais grave.

doppler.gif

No entanto, na semana passada, eu disse que:

É somente o espaço (isto é, o balão) que está se expandindo; não há
matéria alguma se movendo. Portanto, em princípio, o espaço pode se
expandir tão rapidamente quanto quiser, até mais rápido do que a velocidade da luz, porque não há coisa alguma se movendo.

Essa afirmação causa confusão e eu percebo isso. Ao fim e ao cabo, você mede quão rápido aquela outra formiga está se afastando de você e, ainda assim, eu estou aqui dizendo que nenhuma das duas está se movendo. Este é um problema muito profundo. Vamos tentar fazer algum sentido disso.

Quando se pensa na palavra “movimento” ou em algo “se movendo”, provavelmente a ideia que vem à cabeça é de algo que está em algum lugar em um certo ponto no tempo e estará em um lugar diferente em outro ponto no tempo. É com esse sentido que empregamos essas palavras em nossa conversa habitual. O ato de ir de um lugar no espaço e no tempo para outro é o que chamamos de “movimento”.

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Porém, quando pensamos sobre isso, nós partimos de um pressuposto implícito. Nós pressupomos que nós somos capazes de traçar uma grade – ou, em linhas gerais, estabelecer um sistema de coordenadas – e medir nossas mudanças de posição com relação a essas coordenadas.

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Parece uma suposição razoável, não é?… Afinal é o que fazemos na Terra. De fato, é o que fazemos dentro de toda a nossa galáxia e nunca tivemos um problema com isso.

Mas, quando vamos além de nossa galáxia, há um problema com isso. Por que?… Porque a “grade” que podemos traçar para medir nosso Universo não é constante no tempo.

Quer uma analogia?… Imagine a seguinte situação hipotética: imagine que a Terra esteja se expandindo. Imaginemos até que ela esteja se expandindo rapidamente: daqui a um ano, a Terra terá o dobro do raio atual.

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(Crédito da Imagem: Marc Reiter.)

Vista de New York, Los Angeles parece estar a 3.900 km e vice-versa. Porém, um ano mais tarde, medem novamente a distância e descobrem que a distância entre elas é de 7.800 km. Em New York, acusam Los Angeles de estar se afastando. Em Los
Angeles, eles acusam New York pelo afastamento. Enquanto isso, ambas as cidades insistem em que não saíram do lugar o tempo todo.

As coisas só fazem piorar quando eles começam a medir as velocidades. Em New
York, usam a luz para medir a que velocidade Los Angeles está se afastando de New York, e descobrem que Los Angeles está fugindo a 0,44 km/h. Em Los Angeles, eles fazem a mesma medição com relação a New York e descobrem que New York, também, parece estar se afastando a 0,44 km/h.

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Porém, na verdade, nenhuma das duas está se movendo. O que está acontecendo é que o mundo onde essas duas cidades estão, está crescendo e isso faz com que todos “vejam” que estão se afastando entre si. E quanto mais distante, pior: Shanghai, China, fica, atualmente, a 11.900 km de New York. Mas, daqui a um ano se a Terra estivesse se expandindo, estaria a 23.800 km e pareceria estar se afastando (em nosso exemplo de Terra em expansão) a 1,36 km/h. No entanto, Shanghai, Los Angeles e New York não estão se movendo. Elas apenas parecem estar se movendo em relação às outras.

Assim é com o Universo, com um Universo em expansão, em lugar de uma Terra em expansão e com galáxias sem mudanças, em lugar de cidades sem mudanças. E esta é – provavelmente – a parte esquisita: a expansão é restrita ao Universo nas escalas mais largas. Galáxias, estrelas, planetas, células e átomos não se expandem como o Universo; a expansão do Universo é fraca demais para afetar qualquer parte da dinâmica desses objetos relativamente pequenos. (Sim… Em comparação com o Universo em expansão, até uma galáxia é pequena demais para ser levada em conta). 

Então?… Isso clareia as coisas?… Ou torna tudo mais confuso ainda?… Algo tão fundamental e aparentemente simples tal como distâncias, posições e velocidades são – até mesmo entre cosmologistas profissionais – uma das coisas mais confusas (e mal entendidas) que se pode discutir. Não é, de modo algum, algo intuitivo, porque contraria totalmente nossa experiência diária. E isso é um dos motivos que torna a coisa tão interessante.


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Discussão - 8 comentários

  1. João Carlos disse:

    Sobre a velocidade da luz x expansão do universo:
    Realmente existem alguns teóricos que suspeitam que a velocidade da luz pode variar (ou ter variado) com a expansão, mas é tudo muito especulativo…
    Partindo do pressuposto que a velocidade é realmente constante (o período da Grande Inflação fica fora da Cosmologia atual) o efeito da expansão é exatamente o desvio para o vermelho. Ou seja, a velocidade da luz permanece constante, mas a frequência é distorcida pelo Efeito Doppler. E é exatamente essa distorção que permite calcular a distância dos corpos celestes mais afastados, o que, até agora, confirmou todos os cálculos da idade estimada do universo.
    Quanto ao Bóson de Higgs:
    Talvez na hora em que ele for descoberto (ou seja: quando e se comprovarem sua existência) se possa estudar suas propriedades e modo de funcionamento. Até isso acontecer, qualquer coisa que se alegar quanto ao Bóson de Higgs é mera especulação.
    Uma coisa extremamente importante que o Professor Ethan Siegel sempre sublinha é que a Inflação provavelmente é anterior ao próprio Big Bang. Em outras palavras, o “espaço-tempo” pode ter começado a se expandir violentamente ANTES do surgimento da energia/matéria (que seria um EFEITO das irregularidades localizadas).
    Muito louco, né?…

  2. santanna disse:

    Ok , certo tinha esquecido da gravidade! Heheh É que seria tão mais fácil e evidente entender que as galáxias estão se afastando entre si e com isto aumentando o espaço…mas muito legal esta sua explicação de que nos lugares mais enrrugados pela gravidade a Energia escura não consegue esticar o espaço tempo. Isto me faz pensar duas coisas: 1- Se o Universo se expande porque o espaço tempo se expande e , com isto, afasta as galáxias ente si, então a distância que medimos entre estas não corresponde ao tempo de existência do Universo, porque este estaria esticando independente da “velocidade da luz”. Ou seja , a não ser que descontássemos a “ velocidade” destas expansão não poderíamos saber a “ idade” do Universo. Sua expansão implica então em outra, digamos, espécie de velocidade que não a da luz e a dos corpos com massa. Estaria correto isto? 2 – Quanto ao bóson de rigs, não sei se entendi bem , mas só depois que ele atua começa a existir a massa e , portanto, o enrrugamento no espaço-tempo. Estaria correto pensar assim? Mas ai também penso que se for isto, quando a tal partícula de rigs começou atuar no começo do Universo, a matéria começou ou a ter massa e a enrrugar o espaço tempo. Bem, mas tudo ainda estava muito próximo, então como o enrrugamento mútou não atraiu as coisas entre si, se até hoje, uma galáxia atrai a outra , por exemplo? E, sendo assim, a parte que expandiu, da Energia Escura ( talvez não seja uma “parte”) e que segue expandindo até hoje, partiu daquela “pequena”distancia que havia entre os corpos “rigsados” ?

  3. João Carlos disse:

    A coisa toda é muito contra-intuitiva.
    Nos locais onde existe massa/energia, a gravidade é capaz de suplantar a “Energia Escura” e não ocorre expansão.
    Basta lembrar o que diz a Relatividade Geral: a gravidade é um enrugamento do espaço-tempo causado pela presença de matéria/energia.
    Onde o universo é menos “enrugado”, a “Energia Escura” está “esticando” o espaço-tempo.

  4. santanna disse:

    Oi , entendi o que o professor quis dizer com sua analogia, mas faltou acrescentar que , nas cidades, as casas e os predios, assim, como, as ruas, nao se afastaria entre si, como se estas coisas se atraissem e a forca de expansao da terra, por ser pequena, nao tivesse condicoes de afastá-las umas das outras. O problema nesta caso de xplansao do universo em relacao as galaxias e planetas e’ que imaginamos o espac,o como algo estável, mas , desta forma, o espaco está se expandindo e os astros ficariam em um “lugar” determinado, talvez pela relacao que possuem entre si, boiando neste espaco em expansao. ‘E isto ? ou ou espaco nao esta’ se expandindo?

  5. João Carlos disse:

    Não entendi direito sua observação, Lucas. Com certeza a frequência da luz sofre o famoso “desvio para o vermelho” (“redshift”) – o Efeito Doppler.
    Isso é um resultado do afastamento da fonte que emite a luz (o efeito contrário é o “desvio para o azul” – “blueshift” – observado, por exemplo, na Galáxia de Andrômeda).

  6. Lucas disse:

    Não seria a frequência da luz que se desloca?

  7. João Carlos disse:

    Na verdade, não… Como o Professor Siegel explica, a expansão do Universo causa um efeito tão diminuto que não é observável em coisas pequenas como uma galáxia.
    O km continuará a ser o mesmo de sempre, principalmente agora que foi definido em função da velocidade da luz. Digamos que você meça e corte uma peça qualquer de 1m em um campo gravitacional bem maior que o terrestre (equivalente ao do Sol, por exemplo). Quando você trouxer esta peça de 1m para a Terra e medí-la de novo, vai encontrar… exatamente 1m. As medidas espaciais não se modificam conforme o referencial; quem muda é o tempo…

  8. Lux disse:

    Gostei do texto mas não da analogia, se estamos em expansão Los Angeles e New York estarão sempre à 3.900 km… se tudo expande, aquilo que usamos de referêncial também se aumentará e o 1km de hoje é bem menor que o 1km daqui à bilhões de anos. Estou certo?

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