Apresentaremos uma visão panorâmica de evolução das idéias sobre o Universo, desde as primitivas cosmologias até nossos dias. A Cosmologia propriamente dita, a Ciência que procura estudar o Universo em larga escala, nasceu com a Teoria Geral da Relatividade. Só assim, baseando-se num chamado princípio cosmológico: o Universo em larga escala é homogêneo e isótropo, os cientistas puderam construir modelos razoáveis do Universo. Estes modelos levam a crer que o Universo está em expansão.

Significa que o Universo também tem sua história. Há cerca de 15 ou 20 bilhões de anos não havia ainda nem as estrelas que brilham nem as galáxias que povoam o Universo. Havia apenas o Universo repleto de radiação, ou melhor, não havia separação entre a matéria (substância) e a radiação. A concepção da matéria eternamente em movimento e eternamente cambiante é uma das teses fundamentais do materialismo dialético. Portanto, este panorama grandioso de um Universo se transformando através do tempo não pode contrariar os princípios do materialismo dialético.

Introdução: As primeiras concepções acerca do Universo eram bastante rudimentares, mas assim teve que ser, pois a busca do conhecimento é um processo difícil, cheio de vicissitudes, não linear. As primeiras cosmologias eram representações ingênuas e grosseiras do Universo. No entanto, algumas não deixavam de conter momentos dialéticos, pois procuravam compreender o Universo em sua totalidade. Concepções dessa natureza já eram encontradas na Índia e sobretudo na Grécia antiga. Os indianos concebiam um Universo cíclico. Segundo Misner: “Um mil mahayugas – 4.320.000.000 anos terrestres – constituem um único dia de Brahmã, um único kalpa (…) Eu vi a terrível dissolução do Universo. Eu vi tudo perecer repetidas vezes a cada ciclo. E naqueles tempos terríveis, cada átomo individual dissolvia-se na pura e primordial água da eternidade, de onde tudo se originou” (p. 752).

Concepções semelhantes podemos encontrar nos escritos de alguns filósofos gregos pré-socráticos, como Anaximandro e Heráclito. Enquanto outros, entre eles Anaxágoras, concebiam o Universo como um Cosmos, como algo que surgira do caos. O objetivo deste trabalho é, antes de tudo, descrever de maneira sucinta alguns momentos mais interessantes da evolução das idéias acerca do Universo, dando maior ênfase a alguns aspectos da cosmologia contemporânea, nascida a partir da Teoria Geral da Relatividade, na segunda década deste século. Segundo as concepções mais aceitas atualmente, o Universo tem sua história. Ele se desenvolve no espaço e no tempo, passando por muitas fases distintas. Houve um tempo em que não existiam nem as estrelas nem as galáxias. Essa longa evolução, que culminou com o surgimento da vida em todas as suas manifestações, não deixa de ser emocionante e vem despertando o interesse de muitos pesquisadores.

O Universo de duas esferas: Segundo Thomas Kuhn, em seu livro A Revolução Copernicana, a concepção do Universo de duas esferas não era a única cosmologia na Grécia antiga, mas foi a única levada mais a sério pela maioria das pessoas, particularmente pelos astrônomos, e foi a que a civilização ocidental mais tarde veio herdar dos gregos. Houve cosmologias alternativas. Por exemplo, no século V a.C. os atomistas gregos Leucipo e Demócrito concebiam o Universo como um espaço infinito e vazio. É interessante notar que um Universo infinito não tem centro. Mais tarde, meados do século IV a.C., Aristarco de Samos supunha o Sol como o centro de uma imensa esfera de estrelas e a Terra movia-se num círculo à volta do Sol. Todas as cosmologias alternativas têm o movimento da Terra como uma premissa. No entanto, os sentidos separam a Terra dos céus. A Terra não é parte do céu; é uma plataforma a partir da qual nós o vemos. Isto levou ao surgimento do Universo de duas esferas: a esfera terrestre e outra muito maior, as esferas das estrelas fixas a girar em torno dela. Diversas foram as cosmologias de duas esferas, mas a mais bem elaborada, a qual permeou grande parte da Antiguidade e toda a Idade Média, estava baseada nas concepções filosóficas de Aristóteles.

Para Aristóteles, o Universo era infinito no tempo, mas finito no espaço. Ele aceitava a eternidade do Universo infinito potencial (infinidade na evolução temporal). Mas refutava a existência de um Universo infinito no espaço: infinito atual (concreto já existente). Segundo Aristóteles, havia a esfera terrestre (região sublunar), domínio da matéria ordinária e corruptível, onde tudo é perecível. Havia também a esfera celeste (região supralunar), onde tudo era eterno e imutável. A terra, como centro do Universo, deveria ser imóvel. No âmbito das concepções filosóficas e físicas de Aristóteles surgia, no segundo século de nossa era, o famoso sistema geocêntrico de Cláudio Ptolomeu. Um sistema astronômico que, apesar de muitas alterações sofridas ao longo dos séculos, foi o dominante por mais de um milênio. O sistema geocêntrico de Ptolomeu chegou ao seu declínio, quando o astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) propôs um novo sistema, um sistema heliocêntrico que, apesar de violar os sentidos, mostrou ser mais adequado que o de Ptolomeu.

O sistema heliocêntrico de Copérnico e suas consequências: Em 1543, ano da morte de Copérnico, era publicado seu livro De Revolutionibus Orbium Caelestium, prenúncio da ciência dos tempos modernos. Em alguns aspectos esse livro era mais conservador que revolucionário, no entanto, o seu impacto foi muito grande. Ele representava uma nova visão sobre a relação entre o homem e o Universo. Em alguns aspectos Copérnico era um fiel discípulo de Aristóteles. Em outros, ele expressava a nova tendência na filosofia do Renascimento, o chamado neoplatonismo. As órbitas planetárias circulares eram uma exigência do platonismo. E foi apenas como um estratagema matemático para simplificar os cálculos astronômicos, sem qualquer pretensão de descrever a realidade, que o livro passou a ser visto pela hierarquia da Igreja Católica, temerosa de sua repercussão fora dos circuitos acadêmicos especializados. Mas, depois que Galileu Galilei (1564-1642) anunciou suas observações astronômicas, em 1610, o copernicanismo não podia ser afastado como um simples estratagema matemático, útil, mas sem consequências físicas. E a repressão da Igreja contra o livro e seus seguidores passou a ser violenta e sistemática.

“Modelo predominante até o século XIX apresentava Universo estacionário, invariável no tempo”.

O Universo de Copérnico, como o de Aristóteles e o de Ptolomeu, continuava sendo um Universo finito no espaço. Mas, em 1576, o copernicano Thomas Digges introduzia a idéia de um Universo infinito. A visão de um Universo infinito já havia sido expressa por Nicolau de Cusa (1401-1464) e passou a ser veementemente defendida por Giordano Bruno (1548-1600).

O sistema copernicano foi aperfeiçoado por Johannes Kepler (1571-1630), que chegou à conclusão, depois de cálculos minuciosos, de que as órbitas planetárias deveriam ser elípticas. O sistema solar mecânico de Kepler é o primeiro de uma série que culmina no sistema dos Princípios de Newton. A evolução dos conhecimentos astronômicos caminhava no sentido de se estabelecer um modelo de Universo infinito no espaço. O próprio Galileu havia mostrado que a Via Láctea é constituída de estrelas. Ia definitivamente desaparecendo o Universo de duas esferas. As leis físicas mostravam ser as mesmas aqui na Terra como no céu.

Os astrônomos da época observavam o aparecimento súbito de supernovas estrelas em constelações distantes. Não havia mais motivo para aceitar a imutabilidade dos céus. No século XVIII, Joham Heinrich Lambert (1728-1777) propôs que cada sistema planetário deveria ter seu centro e todos poderiam girar em torno de um centro comum. Era um modelo hierárquico do Universo.

Posteriormente, no início do século XIX, devido, principalmente, aos trabalhos de Wilhelm Herschell (1738-1822) surgia a noção de nossa Galáxia e de outros sistemas estelares ou galáxias. Com isso ia aos poucos se consolidando a hipótese de que o Universo deve conter um número infinitamente grande de estrelas, mais ou menos uniformemente espalhadas por todo o espaço.

Modelo Estacionário Homogêneo e Euclidiano: O modelo de Universo predominante ao longo do século XIX era o de um Universo infinito e homogêneo no espaço, invariável no tempo (modelo estacionário). A geometria deste Universo deveria ser a geometria euclidiana. Chamemos então a este modelo cosmológico de modelo estacionário homogêneo e euclidiano (modelo EHE). No entanto, este modelo de Universo infinito no espaço e invariável no tempo deparava com diversas dificuldades.

A primeira delas consistia em que, neste modelo, todo o céu noturno deveria mostrar-se totalmente iluminado como o sol diurno. É o denominado paradoxo de Olbers, devido a Heinrich Wilhelm Matthias Olbers (1758-1840), que o formulou em 1826. Surge o paradoxo porque, num Universo infinito, povoado por inúmeras estrelas espalhadas pelas galáxias mais ou menos uniformemente distribuídas por todo o espaço, o fluxo de luz, ainda que não seja infinito, deveria ser o suficiente para fazer o céu noturno totalmente iluminado, o contrário do que se observa. Por isso, uma das hipóteses parecia ser falsa. Ou as estrelas não estão distribuídas mais ou menos uniformemente por todo o espaço ou o Universo não é infinito.

Outra dificuldade surge no tocante ao emprego das leis da Termodinâmica ao modelo EHE. Se o Universo é estacionário e, portanto, existe durante um tempo infinitamente longo, então tudo nele deveria ter atingido um estado de relaxação total, a chamada “morte térmica” do Universo. Mais uma vez, nada de semelhante é observado. A terceira dificuldade é conhecida como paradoxo de Seeliger (1895). Ela está relacionada com a tentativa de aplicar a teoria da gravitação universal de Newton ao modelo EHE. Em virtude da atração gravitacional variando com o inverso do quadrado da distância, todos os corpos possuem energia potencial de interação variando com o inverso da distância.
Um cálculo relativamente simples mostra que esta energia diverge, ou seja, ela tende para o infinito.

Portanto, ou não devemos aplicar a teoria da gravitação ao modelo EHE ou devemos fazer algumas modificações não triviais nesta teoria. No entanto, modificar uma teoria fundamental como a newtoniana não é tarefa fácil. Diversas tentativas foram feitas, mas nenhuma delas mostrou ser isenta de contradições indesejáveis.

“Einstein ajustou suas equações para obter modelo de Universo sem evolução temporal”.

A Teoria Geral da Relatividade e a moderna Cosmologia: Modificar uma teoria, ainda mais se tratando de uma teoria fundamental como a teoria newtoniana, mostrou ser uma questão não trivial. Uma teoria só pode ser modificada por outra teoria mais ampla. E esta foi a Teoria Geral da Relatividade elaborada por Albert Einstein (1879-1955) entre 1907 e 1915, aparecendo ela em sua forma final em 1916. É com o advento da Teoria Geral da Relatividade que começa a história da Cosmologia contemporânea. Esta teoria, graças a uma nova interpretação do fenômeno da gravitação como manifestação da curvatura do espaço-tempo, mostrou ser consistente com os fatos observados, eliminando assim não só os paradoxos cosmológicos da teoria newtoniana, como também prevendo novos efeitos gravitacionais. É interessante notar que a Cosmologia contemporânea teve início com a rejeição da geometria euclidiana, mas não com o abandono da homogeneidade e da estacionaridade do Universo.

Einstein, quando da criação de sua teoria, notou que as equações obtidas não admitiam soluções estacionárias. E como observam os autores Misner, Thorne e Wheeler (p. 707): “A permanência do Universo era uma questão de fé da filosofia ocidental. Os céus duram de uma eternidade a outra. Por isso, Einstein (1917), muito a contragosto, introduziu em suas equações a última modificação não trivial que ele pôde imaginar, o chamado termo cosmológico, com o propósito de evitar a expansão do Universo”.

Einstein propôs um modelo de Universo não-euclidiano, mas estacionário e homogêneo, o chamado modelo esférico de Einstein. Ele procurou relacionar o raio de curvatura do Universo com a densidade média de matéria. Não encontrando soluções estacionárias (que não dependem do tempo), ele introduziu em suas equações o termo cosmológico para tornar o Universo estacionário. O termo cosmológico está relacionado com uma hipotética força repulsiva para compensar a atração gravitacional.

Entretanto, em 1922 o físico matemático soviético Alexander Friedmann (1888-1925) mostrou que seria possível soluções não estacionárias das equações de Einstein, desde que se aceitasse a expansão do Universo. Segundo a solução de Friedmann, baseada num modelo homogêneo e isótropo, as distâncias, digamos as distâncias entre as galáxias, estão constantemente aumentando, o que implica uma densidade média de matéria decrescente com o tempo. Seria bom ressaltar que o modelo de Universo em expansão está construído sob o princípio cosmológico: em larga escala, a distâncias de 108 anos luz ou mais, o Universo é homogêneo e isótropo. Todos os pontos e todas as direções do Universo são equivalentes, mas variam com o tempo certas propriedades, a começar com a densidade de matéria. Esta solução de Friedmann pareceu em princípio pouco confiável, pois a eternidade do Universo era, desde os dias de Aristóteles, uma questão irrefutável.

Por outro lado, se o Universo está em expansão, então extrapolando para o passado, poderíamos encontrar um tempo em que ele estivesse praticamente concentrado num ponto, em estado de singularidade, como dizem os matemáticos, quando não existiam nem espaço nem tempo. Parece à primeira vista que o Universo fora criado. E este fato tem implicações filosóficas muito sérias. A eternidade da matéria é aceita sem reservas pelo materialismo dialético. Acontece, porém, que em 1929 os resultados de uma série de observações levadas a cabo pelo astrônomo norte-americano Edwin Hubble (1889-1953) mostravam que as galáxias deveriam estar se afastando com velocidades proporcionais às suas distâncias mútuas. Os espectros óticos das galáxias distantes mostram-se desviados para o vermelho, o que é normalmente interpretado como uma manifestação do efeito Doppler. Face às evidências a favor da expansão do Universo, Einstein abandonou o termo cosmológico, embora alguns autores, entre eles Eddington e Lemaître, achavam conveniente pesquisar soluções com a presença do termo cosmológico.

“Universo com história, em permanente desenvolvimento, é a idéia da moderna Cosmologia”.

Uma das questões fundamentais em cosmologia é a de se saber qual modelo cosmológico se realiza de fato. Dependendo do valor da densidade real da matéria cósmica, o Universo poderá expandir indefinidamente ou, então, após um período de expansão, seguir um período de contração, voltando ao estado de singularidade. Existe uma densidade crítica da ordem de 10-29 g/cm3. Se a densidade do Universo for maior que este valor, ela terá curvatura positiva (modelo fechado). A expansão será limitada. Caso contrário, se a densidade for menor que a densidade crítica, a expansão deverá ser infinita. Segundo os dados atuais, a densidade do Universo é da ordem de 2.10–31g/cm3, portanto, bem menor que a densidade crítica. Entretanto, estes dados são aproximados. Não se conhece com precisão o valor da constante de Hubble. Existe, consequentemente, uma série de questões em aberto.

Uma das evidências da expansão do Universo foi a descoberta da chamada radiação de fundo em 1965. Foi detectada uma radiação eletromagnética da ordem de 3 graus Kelvin, em todas as direções do espaço, que é interpretada como uma relíquia da radiação primordial, quando há cerca de 15 a 20 bilhões de anos o Universo começou a sua expansão a uma temperatura inicial extraordinariamente elevada.

Acredita-se que cerca de 3 minutos após o início da expansão a temperatura tenha caído para 109 graus Kelvin. Começa, então, o processo de fusão dos núcleos de hidrogênio e hélio, principalmente. Alguns minutos mais tarde, a temperatura havia baixado tanto que a fusão dos núcleos terminou, começando assim a chamada era da radiação. E, em um tempo t = 105 anos, a densidade da radiação torna-se menor que a densidade de matéria (elétrons, prótons e núcleos leves). Quando o Universo tinha cerca de 106 anos, a temperatura havia caído para menos de 4.000 graus Kelvin. A densidade média da matéria era de cerca de 10-20 g/cm3 e as suas dimensões eram mil vezes menor que seu valor atual. Tem início o processo de formação dos átomos de hidrogênio. Começa a era de dominância da matéria sobre a radiação, isto é, a densidade da matéria passa a ser superior a da radiação. Só mais tarde ainda é que começam a se formar as estruturas no Universo, as galáxias, por exemplo.

Conclusão: Apesar de o modelo de Friedmann ser o mais aceito, há modelos alternativos. Além disso há muitas variantes do modelo de Friedmann. Modelos fechado, aberto, com ou sem o termo cosmológico. A descoberta dos quasares nos anos 1960 levou ao renascimento de alguns modelos com o termo cosmológico. Quasares são objetos astronômicos, cujos espectros apresentam um acentuado desvio para o vermelho. Devem ser os corpos mais distantes do Universo. Como diz S. Weinberg, modelos com a presença do termo cosmológico continuam sendo uma possibilidade lógica.

O físico inglês Paul Dirac, um dos criadores da mecânica quântica, especulou sobre as possibilidades de a constante gravitacional ser variável com o tempo, o que levaria a outros modelos cosmológicos.
Nos anos 1940, Hermann Bondi e Thomas Gold propuseram um modelo baseado no perfeito princípio cosmológico: o Universo não é apenas homogêneo e isótropo no espaço, mas também é o mesmo em todas as eras.

Contudo, para conciliar esta tese com o fenômeno da expansão do Universo, tiveram de supor uma criação contínua de matéria para manter a densidade média constante. Neste modelo, o Universo não teve princípios nem terá fim. Contudo, esta criação de matéria viola a lei de conservação e é difícil de se aceitar.

Para concluir, gostaria de ressaltar que alguns especialistas demonstraram que diversos modelos baseados da Relatividade Geral levam a uma singularidade. Teria de fato o Universo surgido de um estado extremamente denso da matéria, surgido de uma explosão, de um Big Bang, como se diz? São questões em aberto. Em geral, o importante é que, pelo menos no estágio atual, tudo indica que o Universo está em expansão. Portanto, a lei da evolução se aplica ao Universo em larga escala, e não apenas a alguns corpos do Universo. A matéria eternamente em movimento e eternamente cambiante é uma das teses fundamentais do materialismo dialético.

José Lourenço Cindra é Professor da Unesp, Campus de Guaratinguetá, SP.

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EDIÇÃO 30, AGO/SET/OUT, 1993, PÁGINAS 49, 50, 51, 52