Na trilha do início do universo

A detecção das vibrações do cosmos ao nascer confirma a teoria do norte-americano Alan Guth

Alan Guth, no Instituto de Tecnologia de Massachusetts.
Alan Guth, no Instituto de Tecnologia de Massachusetts.rick friedman (corbis)

No final dos anos setenta do século passado, Alan Guth era um jovem cientista, com pós-doutorado e que estava havia anos pulando de contrato temporário em contrato temporário, isso sim, em universidades norte-americanas de primeira linha, mas sem conseguir um posto permanente. Como físico teórico de partículas buscava em suas equações partículas exóticas —os monopolos, que continuam sem aparecer em experimentos ou observações—, mas se deparou com o início do universo. Ele conta que a palavra inflação, o nome da teoria que persistia em sua cabeça naqueles dias sobre um descomunal e rápido crescimento do cosmos ao nascer, já aparece em seu diário no final de dezembro de 1979. Agora, 34 anos depois, sua teoria superou a prova experimental imprescindível da ciência: a detecção no céu das impressões das ondas gravitacionais que, como tinham prognosticado os físicos, tinham de estar aí se a ideia fosse correta. Guth, agora com 67 anos, disse nesta semana que não contava com a produção desta confirmação de sua teoria em sua vida e que “é de prêmio Nobel” a pesquisa que a tornou possível, com o telescópio norte-americano BICEP2, instalado no Polo Sul.

O rebuliço foi enorme em todo o mundo, com físicos e astrônomos valorizando a descoberta como a mais importante na cosmologia em décadas e a classificando como uma revolução no conhecimento profundo da natureza. É equiparável aos assombrosos achados de quase um século atrás, quando os cientistas averiguaram que o universo pode ter começado com uma grande explosão e que está em expansão, com as galáxias se afastando umas das outras. Tudo começou há 13,8 bilhões de anos. É, nem mais nem menos, a teoria do Big Bang, que não perde importância com a última descoberta. Muito pelo contrário, como escrevia Guth há alguns anos, a teoria da inflação “acrescenta uma pré-história que se encaixa perfeitamente” na história do universo que descreve a teoria clássica do Big Bang.

A primeira luz, com as sementes das galáxias

O que os cientistas do BICEP2 fizeram com seu telescópio instalado no Polo Sul é observar, em um pedaço do céu, a primeira luz que se emitiu no universo, cerca de 380.000 anos após se originar. É que até então o cosmos estava tão quente que as partículas subatômicas, em agitação frenética, não podiam ser enlaçadas para formar átomos estáveis e os fótons de luz, chocando com elas constantemente, não viajavam livremente. O universo era um plasma ultraquente e opaco em expansão. Só quando se arrefeceu o suficiente foram formados os átomos, a luz começou a viajar e o cosmos se fez transparente. Nossos telescópios espaciais captam agora aqueles fótons no céu como micro-ondas e os cientistas decifram nas características dessa radiação de fundo as impressões do ocorrido no universo inicial.

O achado da radiação de fundo, faz agora meio século, foi um sinal verde definitivo à teoria do Big Bang. Mas não o foi até 1992 quando, graças ao satélite Cobe, os cientistas conseguiram ver que essa radiação não é uniforme, senão que tem levíssimas diferenças de temperaturas entre umas zonas e outras, diferenças que correspondiam a locais de maior ou menor densidade de matéria, sendo as primeiras as sementes das galáxias que agora se veem no céu. Depois do Cobe, outros observatórios espaciais (como o WMAP e o Planck) e telescópios conseguiram medir essas variações de temperatura quase imperceptíveis.

Mas o BICEP2, além disso, foi desenhado para distinguir uma caraterística específica daqueles primeiros fótons, sua polarização, e em concreto, o padrão que deixaram impresso nessas partículas de luz as ondas gravitacionais primordiais, tremores do espaço-tempo originados na fase de inflação do cosmos ao nascer.

Tal teoria proporciona uma imagem precisa de como evoluiu o nosso universo. “Foi comprovada, direta ou indiretamente, para o tempo que vai desde um segundo após o princípio até o presente”, escreve Guth em seu livro O Universo Inflacionário. De modo que é incompleta ou, mais exatamente, é uma teoria das sequelas de uma explosão, que descreve elegantemente como o universo primitivo se expande e esfria e como a matéria se talha formando galáxias e estrelas, diz o físico norte-americano. Mas não dá pista alguma sobre explosão ou o que teria a provocado. O que fez ele —com alguns outros cientistas quase ao mesmo tempo e muitos mais depois, no desenvolvimento e aperfeiçoamento da ideia da inflação— foi se deter nesse primeiro segundo do universo, chegando com sua explicação até uma fração inimaginavelmente pequena do tempo e explicar, como ele diz, o bang do Big Bang.

Em traços muito gerais, e sem entrar em detalhes físicos e matemáticos francamente difíceis para os não especialistas, a teoria da inflação cósmica descreve um mecanismo pelo qual um campo primordial produz uma forma de gravidade repulsiva (em vez de atraente) contemplada na Relatividade Geral de Einstein, de forma que esse universo inicialmente minúsculo, muitíssimo menor que um próton (a partícula do núcleo atômico de hidrogênio), cresce exponencialmente, se duplicando umas 80 vezes em um instante até alcançar o tamanho de um centímetro. Esse campo primordial se dilui em forma de partículas elementares em uma sopa quente e, a partir desse centímetro, o universo retoma o roteiro da teoria clássica do Big Bang.

E como elucidar se essa teoria é correta ou não? Onde buscar a prova experimental que a confirme ou a descarte? Várias observações realizadas nos últimos anos mostravam que, ao menos, mentira não é, já que os resultados que vinham sendo obtidos em diversas observações do céu eram perfeitamente compatíveis com o processo de inflação. Mas faltava uma prova definitiva, que é a que chega agora do Polo Sul, e que se espera que se junte a dados de outros experimentos em breve.

As vibrações quânticas do campo primordial, “pelo efeito da inflação, dessa fantástica expansão, esticam-se até alcançar proporções macroscópicas em forma de ondas gravitacionais”, explicava Guth nesta semana. Essas ondas gravitacionais são como vibrações do espaço-tempo propagando pelo universo, que deixaram sua impressão na primeira luz do universo. E essa impressão é o que detectaram John Kovac e seus colegas do telescópio BICEP2, para celebração de cientistas em todo o mundo.

Com a inflação, a história do cosmos se converteu, na efervescente época da física de partículas dos anos setenta, em um sólido ponto de fusão entre a ciência do universo subatômico regido pela mecânica quântica e a ciência do maior, o universo mesmo, que responde à gravitação de Einstein. Conta Guth em seu livro que, pouco depois de apresentar sua teoria do universo inflacionário, começou a receber muito boas ofertas de trabalho em prestigiosas universidades. Essa mobilidade e concorrência pelos melhores é própria —e uma grande vantagem— dos sistemas de ciência avançados. Ele escolheu voltar ao Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT, na sigla em inglês), onde tinha feito o doutorado e onde ainda é catedrático de Física Teórica.

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