Outra conversa sobre o tempo

Extrapolando a expansão do Universo até seu início, existe um ponto em que não há como definir o tempo

AGORA QUE o livro do Zuenir Ventura e do Luís Fernando Veríssimo, "Conversa sobre o tempo", está nas livrarias, não consegui resistir. Peguei emprestado o título para termos aqui um outro tipo de conversa sobre o mesmo tópico.

O tempo significa muitas coisas diferentes. E, por falar nisso, adianto que o próximo livro da série "Conversa sobre..." será uma conversa minha com o precioso Frei Betto, mediada por Waldemar Falcão. O tema será "Conversa sobre a fé". Mas isso é coisa para o final do ano.

Enquanto esse livro não chega, gostaria hoje de retomar um tema científico, sobre a origem do tempo.

Uma das consequências mais diretas do Big Bang é que o Universo teve origem em um instante específico do passado. Isso se deu há cerca de 13,7 bilhões de anos.

Uma das indicações mais óbvias disso é a expansão do Universo: o fato de as galáxias estarem se afastando umas das outras.

Portanto, passando o filme ao contrário, chegamos em um instante em que todas elas estão comprimidas em um único ponto. Esse é o momento da criação. E, portanto, o momento em que surge o tempo.

O problema é que essa descrição não funciona. Infelizmente, ao nos aproximarmos desse momento crítico, a teoria que usamos para descrever a expansão do espaço (a teoria da relatividade geral de Einstein) deixa de fazer sentido.

Chegamos à "singularidade", onde toda a matéria estaria comprimida em uma região de proporções não tão diferentes de um átomo.

Com isso, a teoria de Einstein, que trata do espaço e do tempo como entidades contínuas e bem comportadas, precisa ser suplantada por conceitos da física quântica, que trata dos átomos e das partículas elementares da matéria. Aí a coisa fica feia.

Na teoria de Einstein, a gravidade é descrita como consequência da curvatura do espaço. A presença de uma massa, seja ela o Sol, você ou uma bola de tênis, deforma o espaço ao redor e afeta a passagem do tempo. Quanto mais matéria, maior a curvatura do espaço e mais lenta a passagem do tempo. Um relógio no Sol bate mais devagar do que na Terra. Os efeitos são bem pequenos.

Quanto tentamos "quantizar" a gravidade, temos de supor que, tal como no caso dos átomos, as mesmas estranhas regras se aplicam: no mundo do muito pequeno, tudo flutua, nada fica parado.

Se você imaginar o espaço como uma membrana, feito o topo de um tambor, isso significa que ele vibrará de várias formas e o que ocorre aqui não é o que ocorre ali.

O mesmo com o tempo. Ele não flui mais continuamente. Como a era quântica do Universo veio antes da era clássica (explicada pela teoria de Einstein), temos de supor que, nessa situação inicial onde tudo flutuava, o tempo usual não existia.

Se extrapolarmos a expansão do Universo até o seu início, chegamos a um ponto em que não podemos definir o tempo de modo familiar.

Aliás, como disse já Santo Agostinho, o tempo e o espaço surgem com a criação. Na física, o tempo e o espaço einstenianos, contínuos e bem comportados, surgem na transição da era quântica à era clássica. E como o Big Bang é precisamente o evento que marca a passagem do universo da era quântica para a era clássica, é ele também que marca o nascimento do tempo.



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O erro de Kepler

Devemos julgar afirmações sobre "teorias de tudo" com enorme ceticismo; nosso conhecimento é limitado

Em 1596, com o furor de uma mente devota, o jovem Johannes Kepler, então com apenas 25 anos, publica seu primeiro livro, "Mysterium Cosmographicum" ou "O Mistério Cosmográfico". Nele, o astrônomo principiante propõe nada menos do que a solução para a estrutura do Cosmo, o que acreditava ser o plano divino da Criação.

Tudo se deu durante uma aula que ministrava para um punhado de estudantes desinteressados. Quando explicava as conjunções dos planetas Júpiter e Saturno, Kepler se perguntou se o fato de Saturno estar aproximadamente duas vezes mais longe do Sol do que Júpiter era sintoma de uma ordem mais profunda: talvez a estrutura cósmica seguisse as regras da geometria. Fosse esse o caso, a mente humana teria acesso aos segredos mais profundos da Criação e à mente de Deus. E a língua em comum entre homem e Deus seria a matemática.

Após várias tentativas frustradas, Kepler obteve a solução que tanto almejava. Na época, só eram conhecidos seis planetas, de Mercúrio a Saturno. Urano e Netuno, invisíveis aos olhos, só foram descobertos bem mais tarde. Kepler, numa visão genial, imaginou que o cosmo seria organizado a partir dos cinco sólidos platônicos, os cinco objetos mais simétricos que existem em três dimensões. Conhecemos bem dois deles, o cubo e a pirâmide (tetraedro). Kepler entendeu que, ao colocar um sólido dentro do outro, como aquelas bonecas russas, com esferas entre cada um deles, poderia acomodar apenas seis planetas: Sol no centro; esfera (Mercúrio); sólido; esfera (Vênus); sólido; esfera (Terra); sólido etc. Portanto, o número de planetas seria decorrente do número de sólidos perfeitos!

Kepler foi além. Como os sólidos obedecem às regras da geometria, seu arranjo determina também as distâncias entre si e, portanto, entre as esferas que os cercam. Experimentando com padrões diferentes, Kepler encontrou um que previa as distâncias entre os planetas com uma precisão de 5% -quando comparado com os dados astronômicos da época, um feito sensacional.

Para um homem que acreditava profundamente num Deus matemático, criador da ordem cósmica, nada mais natural do que uma solução geométrica. Kepler via seu arranjo como a expressão do sonho pitagórico de obter uma explicação geométrica para os mistérios do mundo. Para ele, essa era a teoria final.

Podemos aprender algo com Kepler. Soubesse ele da existência de outros planetas, Urano e Netuno, como teria reagido? Certamente, seu sonho de uma ordem geométrica para o Cosmo dependia do que se sabia na época. Seu erro foi ter dado ao estado do conhecimento empírico do mundo uma finalidade que não existe. Para Johannes Kepler, era inimaginável que o Cosmo pudesse se desviar de sua estrutura geométrica. No entanto, sabemos que nosso conhecimento do mundo é limitado, e será sempre.

Por isso, devemos julgar declarações sobre teorias de tudo ou teorias finais com enorme ceticismo. A história nos ensina que o progresso científico caminha de mãos dadas com nossa habilidade de medir a Natureza. Achar que a mente humana pode imaginar o mundo antes de medi-lo pode ocasionalmente dar certo. Mas, em geral, leva a mundos que existem apenas na imaginação.

O porquê e o como

Será que a ciência pode explicar o propósito das coisas?

Na famigerada guerra entre ciência e religião, uma distinção comum é afirmar que a ciência explica "como" as coisas são e não o "porquê". Mas vale a pena pensar: será que esse é realmente um modo eficiente de discriminar entre ciência e religião? Ou será que confunde as coisas ainda mais? 

Para chegar a uma conclusão, talvez seja uma boa ideia começar ilustrando essa distinção com alguns importantes exemplos históricos. Quando Galileu afirmou que objetos em queda livre são acelerados em direção ao chão independentemente de suas massas, não estava preocupado em questionar o "porquê" de os objetos caírem, mas sim o "como". 

Através de experimentos detalhados, mostrou que a distância percorrida por um objeto em queda é proporcional ao quadrado do tempo que ele gasta no percurso, obtendo assim a primeira relação matemática descrevendo um movimento que acontece por causa da gravidade terrestre. 

Cerca de 80 anos mais tarde, Isaac Newton elaborou sua importante lei da gravitação universal. Ele mostrou que dois objetos com massa se atraem com uma força que se reduz com o quadrado da distância entre eles. 

Logo após a publicação do livro, algumas pessoas fizeram críticas a Newton. Elas afirmavam que essa misteriosa "ação à distância" entre o Sol e a Terra ou entre a Terra e a Lua (ou entre você e seu computador ou jornal) tinha algo de sobrenatural, alguma coisa meio fantasmagórica. Newton, então, respondeu: "Ainda não pude descobrir a causa dessas propriedades da gravidade a partir de fenômenos, e não arrisco qualquer hipótese, pois o que não é deduzido de fenômenos deve ser chamado de hipótese, e hipóteses não pertencem à filosofia experimental." 

Ou seja, hipóteses que não podem ser testadas não são científicas. Portanto, se não temos nada testável a dizer sobre o porquê da atração gravitacional entre duas massas, é suficiente usar a teoria da gravidade para descrever a atração entre as massas sem explicar por que ela ocorre. 

Newton usou sua teoria para prever o retorno do cometa Halley, explicar as marés, entender o formato achatado da Terra, calcular a precessão dos equinócios, e muito mais. 

Essa abordagem de Newton acabou por definir a ciência do "como". Realmente, é difícil contemplar a ciência operando de uma forma diferente. 

Atribuir causas ocultas a fenômenos naturais, eventos que não podem ser verificados experimentalmente, não acrescenta nada à descrição científica desses fenômenos. 

Podemos incluir também a teoria da relatividade geral de Albert Einstein. Ele mostrou que a atração entre corpos com massa pode ser interpretada como consequência da curvatura do espaço em torno deles. 

Mas, mesmo aqui, não sabemos por que os objetos encurvam o espaço à sua volta. Porém, resolvendo as equações da teoria, podemos descrever o quanto ele é encurvado e como objetos se comportam nessa geometria. 

Será que a ciência poderia explicar o porquê das coisas? Focando na física, me aventuro a dizer que não poderia. Arrisco até dizer que questões do tipo "por que" sequer conseguem chegar a ser científicas. 

Se o porquê significa propósito, a física tem pouco a colaborar. Podemos validar experimentalmente as leis da natureza, como "energia é conservada", mas não sabemos por que ela é, afinal, conservada. 

Se você afirmar que caso contrário não estaríamos aqui, não estará dizendo muita coisa. A ciência já é bem complexa se ocupando só com o "como" das coisas. Para o porquê, temos todo o resto. 

Infância violenta

A Lua é a costela da Terra; tudo que bate nela fica registrado

Todo nascimento tende a ser um misto de violência e poesia. E isso não é verdade apenas para animais. Nosso Sistema Solar também teve um nascimento e uma primeira infância extremamente violenta e bela. Tudo começou quando uma gigantesca nuvem contendo principalmente hidrogênio e hélio entrou em colapso devido à sua própria gravidade.

Fora esses dois gases, elementos mais pesados, como carbono, oxigênio, ferro e ouro também estavam presentes, embora em menores quantidades. Ao colapsar, a nuvem gasosa, que inicialmente era aproximadamente esférica, foi se achatando, tomando cada vez mais a forma de uma pizza cósmica. Há 4,6 bilhões de anos, o Sol entrou em ignição no centro da pizza, por meio do processo de fusão nuclear que transforma hidrogênio em hélio. Fez-se a luz. Em torno da luz central, giravam os proto-planetas, aderindo materiais. Os mais externos, os atuais gigantes gasosos, sujeitos à temperaturas baixas, podiam agregar materiais gasosos e engordaram mais; os mais internos, a Terra dentre eles, agregaram principalmente materiais rochosos e metais, como o ferro e o níquel. Assim nasceram os planetas.

A situação era complicada. Os planetas foram criados a partir da agregação de materiais, um pouco como uma bola de neve que é atirada na tempestade; ao viajar, a bola vai aderindo cada vez mais neve e crescendo.

(Sei que a imagem é estranha quando estão fazendo mais de 30C, mas da minha janela aqui no norte dos Estados Unidos vejo tudo ainda branco.) O problema é que esses materiais não são todos agregados aos planetas nascentes. Sobra muito detrito, o que hoje chamamos de asteroides e cometas.

Conclusão: durante os primeiros 500 milhões de anos, bombardeios devastadores eram comuns. De tamanhos variados, esses impactos eram extremamente violentos. Como comparação, o asteroide responsável pela extinção dos dinossauros em tempos bem mais recentes (há só 65 milhões de anos) tinha um diâmetro de dez quilômetros. A energia liberada nesse único impacto é equivalente à detonação de todas as bombas de hidrogênio que existiam no clímax da Guerra Fria multiplicada por cem mil. Isso é o que ocorre quando uma pedra desse tamanho colide com a Terra a mais de 20 mil quilômetros por hora.

O impacto mais dramático foi a colisão com um planetoide do tamanho de Marte logo no início da formação do Sistema Solar, em torno de 4,5 bilhões de anos atrás. A colisão, meio de lado, arrancou uma enorme quantidade de massa da Terra que reorganizou-se em órbita à sua volta.
Essa massa mais uma vez agregou-se tornando-se na nossa Lua: a Lua é a costela da Terra. A composição das rochas lunares trazidas pelos astronautas das missões Apolo mostra enorme semelhança com a composição da crosta terrestre. A abundância de ferro na Terra e a sua ausência na Lua indicam que a colisão arrancou material mais próximo da superfície terrestre; o ferro, sendo mais pesado, em sua maior parte havia já afundado em direção ao centro da Terra. Hoje é responsável, como o níquel também é, pelo magnetismo que orienta as bússolas dos viajantes.

A Lua nos oferece um retrato da infância violenta do Sistema Solar. Não tendo atmosfera e movimentos de crosta, o que bate nela fica registrado.

Analisando as crateras lunares, cientistas determinaram que a Lua sofreu um pico no bombardeio em torno de 3,9 bilhões de anos atrás. A causa? Um rearranjo nas órbitas de Urano e Netuno que desalojaram inúmeros cometas e asteroides. Felizmente, hoje vivemos em tempos bem mais calmos. O Sistema Solar, em sua meia idade, é bem mais sereno.