A força criadora do universo

A formação e a estrutura do universo são resultado da força da gravidade. A imagem acima, captada pelo Telescópio Espacial Spitzer, mostra galáxias de várias formas e tamanhos (imagem: Nasa/JPL-Caltech).

(Adilson de Oliveira - Ciência Hoje) Olhar para as estrelas inspira artistas e poetas há milhares de anos. A regularidade e a distribuição de estrelas com diferentes cores e tamanhos é um belo espetáculo, apesar de pouco acessível nas grandes cidades, onde a poluição ambiental e luminosa priva-nos cada vez mais dessa oportunidade.

Embora o céu nos proporcione uma bela visão, apenas observadores mais atentos percebem os movimentos celestes. Além da Lua e do Sol, que são os corpos mais facilmente observados, não reparamos como o céu muda ao longo do ano. Infelizmente, perdemos o hábito de olhar para cima, principalmente porque para admirar o céu é necessário paciência e um pouco de tempo, cada vez mais raros nos dias de hoje.

Na antiguidade, olhar para o céu era uma procura pelo divino. Diversos povos e civilizações encontraram seus deuses e heróis representados nas estrelas. As constelações são esses agrupamentos de estrelas. Cada povo usou lendas e histórias relacionadas com sua cultura e crença para explicar a distribuição das estrelas no céu. A astrologia, que nasceu com o objetivo de desvendar os destinos humanos, foi uma dessas tentativas de nos ligar com as estrelas. Entretanto, as interpretações astrológicas não têm nada de científicas e tampouco conseguem prever o que acontece conosco.

Já a distribuição de estrelas e os movimentos dos corpos celestes são governados por uma força invisível, mas muito presente. A força gravitacional cria a arquitetura estelar do céu. Embora seja considerada a força fundamental mais fraca, ela é responsável pela queda dos objetos em direção à superfície da Terra, por manter a Lua girando em torno de nós e pela estrutura geral do universo.

O físico inglês Isaac Newton, pintado por Godfrey Kneller em 1689.

A gravitação universal de Newton
O conceito de gravidade foi proposto pelo físico inglês Isaac Newton (1642-1727). Embora exista a célebre história da queda da maçã madura no pomar de uma fazenda em Woolsthorpe, no interior da Inglaterra, no ano de 1666, o conceito de gravidade levou tempo para amadurecer. As ideias de Newton foram plantadas naquela época, mas apenas colhidas em 1687, quando ele publicou a lei da gravitação universal no livro Principia.

A lei da gravitação universal proposta por Newton baseia-se no princípio de que dois objetos se atraem devido a uma força diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. A atração ocorre sem que os dois corpos se toquem e se dá instantaneamente. A partir desses conceitos, Newton conseguiu explicar por que as maçãs caem, a Lua gira ao redor da Terra, e os planetas, ao redor do Sol. Ele explicou como o universo se move.

Com o desenvolvimento dos instrumentos astronômicos, foi possível observar que as estrelas, que parecem manter sua posição fixa em relação às outras, de fato se movem. O próprio Sol arrasta o Sistema Solar por uma viagem de quase 250 milhões de anos para dar uma volta ao redor da galáxia. Essa viagem é guiada pela força gravitacional resultante das centenas de bilhões de estrelas que constituem a Via Láctea.

Contudo, a força gravitacional proposta por Newton levava a um paradoxo. Ele imaginava que a gravidade atuava instantaneamente, mas isso tornaria impossível a existência do nosso universo, pois todos os corpos se atrairiam mutuamente, o que levaria o universo a um colapso. Como não é isso que observamos, a única resposta possível seria a de que o universo é infinito, pois assim ele levaria um tempo infinito para colapsar.

Nos meados da segunda década do século 20, o astrônomo americano Edwin Powell Hubble (1889-1953) conseguiu observar, por meio do telescópio do Monte Wilson – o maior da época –, localizado na Califórnia (Estados Unidos), determinados tipos de estrelas cuja luminosidade variava com o tempo. A partir da mudança do período de brilho dessas estrelas, foi possível determinar a distância que as galáxias se encontravam umas das outras.

Mas o resultado surpreendente dessas observações foi que Hubble verificou que o espectro emitido pela maioria das galáxias apresentava um desvio para o vermelho, o que indicava que elas estavam se afastando em grandes velocidades, próximas à da luz. Hubble descobriu que o universo estava em expansão.

Segundo a teoria da relatividade geral, proposta por Albert Einstein, a força da gravidade é uma consequência direta da curvatura do espaço e do tempo (representada na imagem), que ocorre devido à presença de massa e energia

Uma nova visão da gravidade
Praticamente uma década antes, o físico alemão Albert Einstein (1879-1955) havia apresentado a teoria da relatividade geral, com o objetivo de incluir o movimento de corpos acelerados que a teoria da relatividade restrita não previa (leia mais na coluna de março de 2007). Einstein percebeu que, para atingir esse objetivo, deveria propor uma nova teoria da gravitação. A resposta que ele encontrou foi que o campo gravitacional é criado a partir da “curvatura do espaço e do tempo” provocada pela presença da massa e da energia. Quanto maior a densidade, maior seria a curvatura e, como consequência, maior a força gravitacional.

Dessa forma, a origem da gravidade, que a teoria newtoniana não explicava, foi compreendida como um efeito da geometria do espaço-tempo. Além disso, as ideias da relatividade também eliminaram o conceito de ação instantânea da força gravitacional, pois, como Einstein mostrou, nenhum sinal ou interação poderia viajar mais rápido do que a velocidade da luz.

Quando Einstein aplicou as equações da teoria da relatividade geral para fazer uma descrição geral da estrutura do universo, a solução que surgiu mostrava que o universo estava em expansão, ou seja, o espaço que separava as galáxias estaria se expandindo. Mas, na época, não havia nenhuma evidência desse fato.

Para resolver essa questão, Einstein introduziu um elemento nas equações da teoria da relatividade geral que ficou conhecido como constante cosmológica, que resultaria em um universo estático. Com a descoberta de Hubble, Einstein reconheceu que esse foi o seu maior erro. Sem essa constante, a teoria da relatividade geral transformou-se em uma das teorias mais sólidas da física.

Com essa nova visão da gravidade apresentada por Einstein, foi possível explicar não apenas a expansão do universo, mas também sua estrutura como um todo. O melhor entendimento da natureza da gravidade permitiu compreender como se formam as estrelas e os planetas e como estes últimos se agrupam para formar as galáxias.

A gravidade também é responsável pela pressão que faz com que o interior das estrelas atinja temperaturas da ordem de milhões de graus. Nessas temperaturas, ocorrem as reações de fusão nuclear que liberam a energia que contrabalanceia a pressão gravitacional e mantém a estrela estável por bilhões de anos. Como resultado da fusão nuclear, surgem ainda os novos elementos químicos.

Se a gravidade tivesse uma intensidade um pouco maior, o universo não teria se expandido e logo entraria em colapso. Não haveria tempo para formar estrelas, planetas e até a vida, como ocorre na Terra. Por outro lado, se a força da gravidade fosse mais fraca, as galáxias, estrelas e planetas também não se formariam e o universo seria escuro e, com certeza, sem vida. Portanto, essa força presente em nosso cotidiano e em todas as partes do universo é responsável pela nossa própria existência. Sem dúvida, a gravidade é uma força agregadora e criadora.