Resumo da Teoria de Tudo | Stephen Hawking

A Origem e o Destino do Universo

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A Teoria de Tudo por Stephen Hawking oferece uma exploração concisa, porém profunda, dos mistérios do universo, desde o Big Bang até os buracos negros - será que as respostas contidas nessas páginas podem redefinir nossa própria existência?

Nota do editor

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Discussão animada

A Perspectiva de Stephen Hawking

Stephen Hawking foi considerado um dos físicos teóricos mais brilhantes da história. Do Big Bang aos buracos negros, seu trabalho sobre as origens e a estrutura do universo revolucionou a área. Hawking nasceu em Oxford em uma família de médicos. Iniciou seus estudos universitários na University College, Oxford, em 1959. Recebeu um diploma de bacharelado em física de primeira classe. Hawking começou seu trabalho de pós-graduação no Trinity Hall, em Cambridge, em 1962. Obteve seu Ph.D. em matemática aplicada e física teórica, com especialização em relatividade geral e cosmologia, em março de 1966. Assim como Isaac Newton, ele foi o Professor Lucasiano de Matemática na Universidade de Cambridge entre 1979 e 2009. Aos 21 anos, enquanto estudava cosmologia na Universidade de Cambridge, foi diagnosticado com esclerose lateral amiotrófica (ELA). Parte da história de sua vida foi retratada no filme de 2014 A Teoria de Tudo.

Introdução

A Teoria de Tudo é uma série de palestras proferidas por Stephen Hawking. O objetivo destas palestras é descrever o que os cientistas acreditam ser a história do universo. Como resultado, ele oferece uma história da compreensão da ciência sobre o universo. Além disso, ele explica claramente os eventos que se desenrolaram imediatamente após o Big Bang. Hawking também cobre o campo cosmológico pelo qual ele é mais famoso: o estudo dos buracos negros.

StoryShot #1: As quatro idéias originais sobre o universo

Aristóteles

Aristóteles considerou a idéia de uma Terra redonda já em 340 AC. Em seu livro, Sobre os CéusEle escreveu sobre duas teorias que sugeriam que a Terra era esférica. Primeiro, ele havia observado que o fato de a Terra estar entre o Sol e a Lua causava eclipses lunares. Como a sombra da Terra sobre a Lua era sempre redonda, isto sugeria que a Terra era redonda. Aristóteles aprendeu com suas viagens que a Estrela Polar é mais baixa no céu quando vista no Sul. Mais uma vez, isto propunha que a Terra fosse esférica em vez de em forma de disco. Embora as conclusões de Aristóteles estivessem corretas, suas teorias ainda apresentavam falhas. Por exemplo, ele acreditava que a Terra era estacionária e que o Sol, a Lua, os planetas e as estrelas tinham órbitas circulares ao redor da Terra. 

Ptolomeu

Ptolomeu foi construído a partir destas idéias no primeiro século d.C. Ele criou um modelo cosmológico completo com a Terra no centro. Oito esferas carregando a Lua, o Sol, as estrelas e cinco planetas cercaram a Terra. Os cinco planetas conhecidos eram Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno. Mais uma vez, Ptolomeu cometeu erros aparentes em sua teoria. No entanto, ele desenvolveu as idéias de Aristóteles e forneceu um sistema razoavelmente preciso para prever as posições das estruturas visíveis à noite. A Igreja Cristã geralmente aceitou esta teoria, em parte porque ela colocou a Terra no centro do universo. 

Copernicus

Em 1514, Nicholas Copernicus sugeriu um modelo muito mais simples do universo. Copérnico era um padre polonês. Ele então publicou seu modelo anonimamente por medo de ser acusado de heresia. Copérnico argumentou que o Sol era estacionário no centro do universo. A Terra e os planetas se moviam em órbitas circulares ao redor do Sol. Ninguém levou esta idéia a sério até aproximadamente 100 anos depois. Neste ponto, Johannes Kepler e Galileo Galilei começaram a apoiar publicamente esta teoria. O telescópio recentemente inventado apoiou a visão de Copérnico de que a Terra não era o centro do Universo. Galileu observou que várias luas orbitam Júpiter. Isto implicava que não havia necessidade de todos os corpos celestes orbitarem a Terra. Alguns ainda negaram que a Terra não era o centro do universo, no entanto. Eles afirmaram que as luas de Júpiter se moviam por caminhos extremamente complicados ao redor da Terra, sugerindo que elas orbitavam Júpiter. 

Newton

Em 1687, Newton publicou seu Princípios Matemáticos da Filosofia Naturaly. Hawking descreve este como, provavelmente, o trabalho mais crucial já publicado nas ciências físicas. Neste livro, Newton propôs uma teoria de como os corpos se moviam no espaço e no tempo. Esta teoria também explicou uma nova idéia de gravitação universal. Newton sugeriu que cada corpo celeste do universo era atraído por todos os outros corpos. Quanto maior o corpo, mais forte era a atração gravitacional. Newton continuou a mostrar que a gravidade faz com que a Lua se mova em uma órbita elíptica ao redor da Terra. Da mesma forma, a gravidade também faz com que a Terra e os planetas sigam caminhos elípticos ao redor do Sol.

Ainda não havia qualquer indício de um universo em expansão ou contração, apesar destes avanços antes do século XX. Era geralmente aceito que ou o universo existia para sempre em um estado estável ou foi criado em um tempo finito no passado. Entretanto, vários acadêmicos questionavam a possibilidade de um universo infinito e estático. Por exemplo, Heinrich Olbers argumentou que quase todas as linhas ou lados terminariam na superfície de uma estrela em um universo infinito e estático. Como resultado, seria de se esperar que todo o céu fosse tão brilhante quanto o Sol, mesmo à noite. A única maneira de evitar esta conclusão seria se as estrelas não estivessem brilhando para sempre. Por exemplo, elas poderiam ter se ligado em algum momento finito no passado.

StoryShot #2: O Universo em Expansão

Múltiplas galáxias

Nosso Sol e as estrelas próximas fazem todos parte da Via Láctea. Durante muito tempo, houve um consenso de que a Via Láctea era o universo inteiro. Entretanto, em 1925, Edwin Hubble demonstrou que a Via Láctea não era a única galáxia. Ele encontrou muitas outras galáxias com grande quantidade de espaço entre elas. Para provar a legitimidade de sua teoria, ele teve que identificar quão extensos eram esses espaços vazios. 

Uma maneira de identificar diretamente a distância de uma estrela da Terra é baseada na luminosidade. O brilho de uma estrela se baseia na luminosidade da estrela e em sua distância da Terra. Portanto, se pudermos identificar a luminosidade de uma estrela, podemos usar a luminosidade aparente para calcular as distâncias de distância. Hubble argumentou que certas estrelas sempre tiveram a mesma luminosidade quando estavam perto o suficiente para que pudéssemos medir. Se encontrássemos tais estrelas em outra galáxia, poderíamos assumir que elas tinham a mesma luminosidade. Assim, podíamos calcular a distância até aquela galáxia. Poderíamos estar razoavelmente seguros de que nossa estimativa é precisa se muitas estrelas na mesma galáxia nos dessem a mesma distância. Hubble calculou as distâncias para nove galáxias desta forma. Sabemos agora que nossa galáxia é apenas uma das cem mil milhões que os telescópios modernos podem observar. Há cerca de cem mil milhões de estrelas dentro de cada galáxia. 

Universo em expansão

Hubble identificou que as galáxias que ele observou pareciam todas vermelhas. O redshift é um conceito chave para os astrônomos. Nós podemos entendê-lo literalmente: O comprimento de onda da luz é esticado, então a luz é vista como mudado em direção à parte vermelha do espectro. Isto significa que cada uma destas galáxias está se afastando de nós. Além disso, a velocidade com que cada galáxia se afastava de nós dependia de sua distância. Quanto mais distante uma galáxia se afastava de nós, mais rápido ela se afastava de nós. Hawking descreve esta descoberta como uma das tremendas revelações intelectuais do século XX. 

Construindo sobre a Relatividade Geral e as Equações de Friedmann

Alexander Friedmann, um físico e matemático soviético, desenvolveu modelos de relatividade geral para dar conta da hipótese de expansão do universo.

Friedmann mostrou que o universo está se expandindo tão lentamente que a atração gravitacional entre as diferentes galáxias está retardando a expansão do universo. Como resultado, a expansão pode estar parando. Então, as galáxias começarão a se mover umas em direção às outras à medida que o Universo se contrai. 

Friedmann também sugeriu que o universo poderia estar se expandindo tão rapidamente que a atração gravitacional não interromperia esta expansão. Ela pode diminuir um pouco, mas as galáxias eventualmente chegarão a um estado em que se afastarão a uma velocidade constante. 

Finalmente, Friedmann ofereceu uma solução pela qual o universo está se expandindo com rapidez suficiente para evitar a contração. Com esta solução, a velocidade com que as galáxias se afastam ficará menor. Ela nunca chegará a zero, mas chegará a um estágio em que o movimento é praticamente zero.

Atualmente sabemos da expansão das galáxias porque o universo está se expandindo entre 5% e 10% a cada mil milhões de anos. Entretanto, não temos certeza de quais das soluções de Friedmann estão corretas, pois não temos certeza da massa das galáxias. É um desafio identificar a massa das galáxias, pois a matéria escura está presente em todas as galáxias. A matéria escura é composta de partículas que não absorvem, refletem ou emitem luz, portanto não podem ser detectadas pela observação da radiação eletromagnética. Não podemos ver a matéria escura diretamente. Sabemos que a matéria escura existe devido a seu efeito sobre os objetos que podemos observar diretamente. Da mesma forma, não podemos identificar facilmente a massa de matéria escura.

O Big Bang 

As soluções Friedmann afirmam que a distância entre as galáxias vizinhas deve ter sido zero entre dez e vinte mil milhões de anos atrás. Naquela época, que chamamos de big bang, a densidade do universo e a curvatura espaço-tempo teriam sido infinitas. Isto significa que a teoria geral da relatividade prevê um ponto singular no Universo.

A questão com um ponto singular no universo é que isto apóia uma perspectiva bíblica. Portanto, a Igreja adotou o Big Bang como sendo uma intervenção divina. Assim, houve várias tentativas para evitar a conclusão do Big Bang. A alternativa era uma teoria de estado estável. A teoria do estado estacionário foi sugerida em 1948 e argumentou que as galáxias se afastam umas das outras. No entanto, novas galáxias estavam se formando continuamente nas brechas entre elas. Estas novas galáxias são formadas a partir de matéria nova que está sendo constantemente criada. Portanto, o universo parece mais ou menos o mesmo em todos os momentos e em todos os pontos do espaço.

StoryShot #3: O conceito de buracos negros

O termo "buraco negro" é relativamente recente. Foi cunhado em 1969 por John Wheeler, mas tem pelo menos duzentos anos como um conceito. Há dois séculos, existiam duas teorias da luz. Uma defendia que a luz é composta de partículas. A outra teoria argumentava que a luz é composta de ondas. Na realidade, estas duas teorias estão corretas. Aqueles que acreditavam na teoria das partículas argumentavam que isto poderia impactar nosso entendimento das estrelas. Eles achavam que as estrelas eram ao mesmo tempo maciças e compactas o suficiente para que sua gravidade arrastasse de volta qualquer luz emitida da superfície da estrela. A estrela pode não emitir luz o suficiente para que possamos observá-la, mas ainda assim sentiríamos sua atração gravitacional. Hoje, conhecemos estas estrelas como buracos negros. 

O ciclo de vida de uma estrela

Para entender a formação do buraco negro, devemos entender o ciclo de vida de uma estrela. As estrelas se formam quando grandes quantidades de hidrogênio colapsam sobre si mesmas devido à gravidade. A contração leva ao colapso do gás com mais freqüência. À medida que o gás se move em velocidades mais altas, ele se aquece. Quando as estrelas atingem uma temperatura crítica, os átomos de hidrogênio deixam de saltar uns contra os outros. Ao invés disso, eles se fundem, formando átomos de hélio. O calor de uma estrela é o que a faz brilhar, e ela continuará a queimar até ficar sem combustível (ou seja, hidrogênio). 

Quanto mais combustível uma estrela começa, mais cedo ela se esgota. Isto se deve ao tamanho da estrela, que requer mais calor para equilibrar sua atração gravitacional. Aquecedores mais altos precisam de mais hidrogênio. Nosso Sol provavelmente tem energia suficiente para mais cinco mil milhões de anos ou mais.

O limite de Chandrasekhar

Subrahmanyan Chandrasekhar, um astrofísico indiano-americano, usou a teoria da relatividade para mostrar como as diferenças de velocidade das partículas estelares são limitadas. As partículas não podem se mover mais rápido do que a velocidade da luz.

Um estábulo anã branca estrela tem uma massa máxima. Quando atinge essa massa, a atração da gravidade é tão forte que faz com que ela colapse sobre si mesma. O limite de Chandrasekhar é cerca de 1,4 vezes a massa do nosso Sol. 

Outro estado potencial das estrelas é o nêutron estado estelar. Estas estrelas são muito menores do que uma anã branca. Elas são suportadas pela repulsão de exclusão entre nêutrons e prótons, em contraste com a relação habitual entre elétrons. Estas estrelas de nêutrons têm apenas um raio de aproximadamente dez milhas. 

Finalmente, qualquer estrela que ultrapasse o limite pode explodir quando seu combustível se esgota. Muitos cientistas, incluindo Einstein, escreveram artigos explicando como isto era impossível. Apesar destas objeções, Chandrasekhar recebeu o Prêmio Nobel em 1983 por seu trabalho inicial sobre a massa limite das estrelas frias. 

Esboço da Formação de Buracos Negros

1. O campo gravitacional da estrela muda os caminhos dos raios de luz no espaço-tempo.
2. Os cones de luz mostram os caminhos seguidos no espaço e no tempo através de flashes de luz. Eles se curvam para dentro perto da superfície da estrela.
3. Conforme a estrela se contrai, o campo gravitacional se torna mais forte em sua superfície. Os cones de luz se curvam mais.
4. Esta flexão torna mais difícil a fuga da luz da estrela. Como resultado, a luz parece mais fraca e avermelhada para os observadores. 
5. Quando ocorre um encolhimento suficiente, o campo gravitacional na superfície é tão forte que a luz não pode mais escapar. 
6. Nada pode viajar mais rápido do que a luz, portanto, nada mais pode escapar deste campo gravitacional.

Esta fronteira de buracos negros forma o horizonte do evento. Ela coincide com os caminhos dos raios de luz que falham em escapar do buraco negro.

Os Descobrimentos de Hawking

"O trabalho que Roger Penrose e eu fizemos entre 1965 e 1970 mostrou que, segundo a relatividade geral, deve haver uma singularidade de densidade infinita dentro do buraco negro. Isto é um pouco como o big bang no início dos tempos, só que seria o fim dos tempos para o corpo em colapso e para o astronauta. Na singularidade, as leis da ciência e nossa capacidade de prever o futuro se romperiam. Entretanto, qualquer observador que permanecesse fora do buraco negro não seria afetado por esta falha de previsibilidade, porque nem a luz nem qualquer outro sinal pode alcançá-los a partir da singularidade".

- Stephen Hawking, A Teoria de Tudo

Esta citação sugere que existem soluções para a relatividade geral. Um astronauta pode ver uma singularidade, o que lhe permite evitar que a atinja. Eles podem cair pelo buraco de minhoca, transportando-os para outra região do universo sob a forma de viagens no espaço e no tempo. No entanto, Hawking admite que estas soluções para a equação geral da relatividade são instáveis. A presença de um astronauta pode causar um distúrbio que mudaria o resultado. Além disso, eles podem não ver a singularidade até que a atinjam, e então morreriam. A singularidade está sempre em seu futuro e nunca em seu passado.

Os buracos negros são exemplos de teorias científicas desenvolvidas como modelos matemáticos antes de qualquer evidência observacional. 

Outros termos notáveis

Quasar: Um quasar é um núcleo galáctico ativo extremamente luminoso (AGN). Um buraco negro supermassivo com massa que varia de milhões a bilhões de vezes a massa do Sol. Um disco de acreção gasosa o envolve.

Pulsares: Um pulsar é uma estrela de nêutrons rotativa. Ele emite pulsos de ondas de rádio devido à indireção entre seus campos magnéticos e a matéria circundante. 

StoryShot #4: A Origem e o Destino do Universo

Nos anos 80, o Vaticano convidou Hawking para uma conferência sobre cosmologia. A Igreja Católica havia aprendido com seu silenciamento de Galileu que eles não deveriam impedir a descoberta científica. Assim, eles decidiram que uma abordagem melhor seria convidar muitos especialistas para aconselhá-los sobre cosmologia. O Papa disse a Stephen Hawking que ele não deveria estudar o big bang apesar disso. O Papa viu o big bang como o momento da criação. Hawking não daria ouvidos a este pedido. 

O modelo Hot Big Bang

• Este modelo pressupõe que o modelo de Friedmann descreve o universo.
• O universo está se expandindo, reduzindo a temperatura da matéria e da radiação. A temperatura é uma medida da energia média das partículas. Assim, a altas temperaturas, as partículas se movem tão rapidamente que não são atraídas umas pelas outras. No entanto, à medida que esfriam, as partículas começam a se aglomerar.
• O big bang foi quando o universo não tinha tamanho, ou seja, deve ter sido infinitamente quente. Conforme o universo se expandia, a temperatura da radiação teria diminuído.
• Apesar disso, o big bang teria ocorrido a cerca de dez mil milhões de graus. Esta é a temperatura das explosões da bomba H.
• O mundo consistia de fótons, elétrons, neutrinos e alguns prótons e nêutrons.
• O universo continuou a se expandir, e a temperatura caiu. A taxa de produção de pares de elétrons teria caído abaixo do ritmo a que a aniquilação os estava destruindo.
• Após cem segundos, a temperatura teria caído para mil milhões de graus. Esta é a temperatura das estrelas mais quentes. A esta temperatura, prótons e nêutrons não teriam a energia para escapar da forte atração das forças nucleares.
• Estes prótons e nêutrons combinados. Eles produziram os núcleos de átomos pesados de hidrogênio e hélio e pequenas quantidades de elementos como lítio e berílio. 
• Em poucas horas após o big bang, a produção de hélio e outros elementos teria parado. Durante os próximos milhões de anos, mais ou menos, o universo continuou a se expandir.
• Eventualmente, a temperatura caiu para alguns milhares de graus. Os elétrons e núcleos já não eram mais capazes de superar sua atração eletromagnética. Eles teriam começado a se combinar para formar átomos.
• O universo continuou se expandindo e esfriando. Áreas levemente mais densas foram abrandadas por atração gravitacional extra. Esta atração interrompeu a expansão e levou a um recolapso. A atração gravitacional da matéria fora dessas regiões fez com que os átomos girassem à medida que colapsavam.
• À medida que as áreas em colapso se tornaram ainda menores, elas começaram a girar mais rápido. Eventualmente, elas se estendem suficientemente rápido para equilibrar a atração da gravidade. Esta é uma possível explicação do início das galáxias giratórias em forma de disco que vemos hoje.

StoryShot #5: O que é a Teoria de Tudo?

"Se descobrirmos uma teoria completa, ela deverá, com o tempo, ser compreensível em princípio geral por todos, e não apenas por alguns poucos cientistas. Então todos poderemos participar da discussão do porquê da existência do universo". Se encontrarmos a resposta a isso, será o triunfo final da razão humana. Pois então conheceríamos a mente de Deus".

- Stephen Hawking, A Teoria de Tudo

A física tem sido capaz de descrever os primórdios de nosso universo com algumas teorias parciais. Essas teorias descrevem uma gama limitada de observações. Elas negligenciam outros efeitos que ainda não são compreendidos. O objetivo da cosmologia e da física é encontrar uma teoria completa, consistente e unificada do mundo. Stephen Hawking descreve isso como a unificação da física.

Einstein passou a maior parte de seus últimos anos procurando por esta teoria unificada. Estamos agora em uma posição muito mais forte do que Einstein para desenvolver uma visão unificada. 

Stephen Hawking está cautelosamente otimista de que descobriremos as últimas leis da natureza. Ele está confiante de que um dia encontraremos uma teoria unificada completa se formos suficientemente inteligentes. Esta teoria unificada não é uma teoria definitiva. Ao invés disso, temos uma seqüência infinita de teorias que cada uma descreve o universo com mais precisão.

Nossos pontos de vista atuais sobre a física quântica nos prepararam para desvendar todos os segredos do universo. O livro de Steven Hawking é um grande ponto de partida para entender como o universo funciona e a importância das estrelas dentro dele.

Classificação

Nós classificamos A Teoria de Tudo 4/5.

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Nota do editor: Publicada pela primeira vez em 24/1/2022. Atualizado em 26/2/2022

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